I costanti progressi tecnici nell’industria dell’automobile fanno sì che anche gli impianti frenanti debbano rispondere a requisiti sempre più severi.
I motivi sono molteplici. Da un lato i veicoli diventano sempre più performanti e quindi più veloci e, dall’altro, a causa del crescente numero di componenti che garantiscono più sicurezza e comfort, anche sempre più pesanti. L’impianto frenante deve quindi resistere a sollecitazioni sempre più alte. Un ulteriore aspetto non trascurabile è rappresentato dai moderni autotelai e tecnica delle sospensioni presenti sulle auto più recenti. Anche se offrono un maggiore livello di comfort e una migliore dinamica di marcia, in cambio ammettono però tolleranze dei singoli componenti molto più strette.
Se in passato un veicolo con bracci triangolari oscillanti sull’asse anteriore aveva ancora una tolleranza di circa 100 μm (0,10 mm) in caso di disallineamento del disco, oggi con i moderni assi multibraccio questo valore non raggiunge neanche la metà.
Una volta superato il normale limite di usura di un disco freno, è prevedibile che si verifichino i seguenti fenomeni:
Oltre alla normale usura di un disco del freno si possono verificare anche i seguenti problemi:
- Vibrazione in frenata: vibrazioni termiche, vibrazioni a freddo, variazioni dello spessore
- Vibrazioni causate dal materiale lasciato dalla pastiglia
- Rumori
- Effetto frenante insufficiente
- Presenza di crepe sui dischi dei freni
- Presenza di solchi sui dischi dei freni
In questo articolo ci occuperemo a fondo della questione della vibrazione in frenata.
A causa delle alte sollecitazioni a cui è sottoposto l’impianto frenante, i freni di alcuni veicoli tendono a vibrare, causando vibrazioni che il conducente avverte attraverso il volante.
Per evitare la squilibratura dei dischi ad alti regimi e quindi un’eccessiva sollecitazione dell’autotelaio, tutti i dischi del freno prodotti da TRW vengono calibrati ed equilibrati uno ad uno.
Con il termine “vibrazioni in frenata” si intendono le vibrazioni torsionali che produce il volante durante una frenata e che di norma sono accompagnate da un rumore cupo. Dal punto di vista delle loro cause, queste manifestazioni vengono suddivise in vibrazioni termiche, quelle cioè che si verificano quando si frena ad alte velocità, e vibrazioni a freddo, quelle cioè che si possono verificare in tutte le fasce di velocità.
Come fare
Disco del freno con trasferimento di materiale
Le "vibrazioni termiche" possono essere descritte nel seguente modo:
- Rumore forte in un campo di frequenza compreso tra 100 e 250 Hz. Durante la frenata il rumore può variare di intensità, senza però influenzare l’effetto frenante.
- Vibrazioni del volante e pulsazioni del pedale del freno.
L’intensità delle vibrazioni durante la frenata dipende dalla forza frenante momentaneamente applicata (resistenza del pedale). Gli effetti causati dalle vibrazioni termiche sono localizzabili di norma sotto forma di macchie anulari sulla superficie di attrito del disco del freno. I picchi locali di temperatura che si formano durante la frenata provocano un trasferimento di materiale dalla pastiglia al disco e/o una deformazione permanente nella struttura della lega del disco. Un trasferimento di materiale può di norma essere eliminato effettuando alcune frenate in condizioni di carico normali. Una deformazione strutturale del materiale, chiamata anche trasformazione martensitica, è più dura della struttura originale e può essere eliminata solo tramite un procedimento con asportazione di metallo tramite tornitura. In questo caso occorre accertarsi che la struttura indurita venga completamente rimossa, senza però raggiungere né superare lo spessore minimo del disco del freno. Per scongiurare qualsiasi rischio, si consiglia di sostituire il disco del freno.
Disco del freno con "hotspot"
Dal momento che le vibrazioni del freno possono essere indotte da più cause, non sempre è facile effettuare una diagnosi precisa. Durante la procedura di diagnosi è quindi necessario procedere passo per passo:
- Prima occorre stabilire chiaramente se queste anomalie riguardano l'asse anteriore o quello posteriore.
- Quindi è necessario esaminare i componenti dell’impianto frenante partendo dal pedale del freno, passando per il servofreno, la pompa freno, le tubazioni del freno, i flessibili del freno e sino ai freni sulle ruote. Nel caso si rendesse necessaria una sostituzione, per motivi di sicurezza (effetto frenante irregolare) le pastiglie, i dischi, i tamburi e le ganasce vanno sostanzialmente sostituite contemporaneamente sullo stesso asse. Inoltre occorre controllare anche lo squilibrio, le deformazioni verticali e laterali così come le condizioni del profilo del battistrada di ciascuna ruota.
- Infine dovrebbero essere controllati ed eventualmente registrati la geometria dell’asse, le sospensioni delle ruote, i componenti dello sterzo e i cuscinetti delle ruote.
Sospensione della ruota difettosa
Una “vibrazione a freddo” si percepisce durante una normale frenata dalle pulsazioni del pedale del freno, dalle oscillazioni torsionali prodotte dal volante e/o dalle vibrazioni e oscillazioni dei componenti dell'asse e della carrozzeria.
Le differenze rispetto alle “vibrazioni termiche” sono un campo di frequenza molto più basso (da 5 a 50 Hz circa) e il fatto che le vibrazioni a freddo possono verificarsi praticamente ad ogni frenata, indipendentemente dalla temperatura.
A seconda della velocità, questi rumori possono essere più o meno forti.
La causa principale delle vibrazioni a freddo è una variazione dello spessore del disco del freno (cfr. XZS107). Inoltre l’effetto può essere amplificato, come avviene anche per le “vibrazioni termiche”, da cuscinetti difettosi e ruote squilibrate.
Cause di una variazione dello spessore
Durante la marcia, eventuali oscillazioni radiali (disallineamenti) create in fase di montaggio causano un contatto ripetuto ad ogni giro della ruota tra la pastiglia e il disco, anche se il freno non viene azionato. Anche se in questo caso le forze di contatto sono relativamente basse, nel punto interessato del disco avviene un’asportazione di materiale (variazione dello spessore) che, a partire da una certa entità, causa le vibrazioni.
Disco del freno con variazione dello spessore 1 Pastiglia del freno 2 Disco del freno 3 Usura / Variazione dello spessore
Fattori che influenzano la variazione dello spessore
Durante la marcia, le variazioni di spessore possono essere motivate dall’erosione causata dall’appoggio parziale della pastiglia sul disco. Spesso i fattori scatenanti sono pastiglie o pistoncini non ben fissati.
Ulteriori cause possono essere un montaggio non corretto (sporco, corrosione, coppia di serraggio troppo alta con la pistola a percussione, ecc.), le condizioni d’impiego, lo stile di guida del conducente così come le condizioni del traffico.
Anche durante lunghi viaggi in autostrada con frenate molto leggere può verificarsi una variazione dello spessore con conseguenti vibrazioni. In questo caso, la maggior parte dei dischi dei freni può essere rigenerata dopo aver frenato a fondo un paio di volte.
Il conducente percepisce queste vibrazioni a freddo sotto forma di pulsazioni del pedale del freno indipendenti dalla temperatura.
Gli effetti di una variazione dello spessore, che possono variare notevolmente da un modello di auto all’altro, dipendono dai fattori di trasmissione delle forze descritti sopra così come dalla capacità di smorzamento dei componenti degli assi, dello sterzo e del telaio.
Misura di un disco del freno
Il controllo del disallineamento del disco del freno viene eseguito con il disco montato e l’aiuto di un comparatore (precisione di almeno 0,01 mm) a circa 10 - 15 mm sotto al raggio più esterno del disco.
Il valore, misurato girando più volte la ruota, non dovrebbe superare i 50 μm (0,05 mm) e, sui veicoli meno recenti, i 100 μm (0,10 mm).
Un risultato soddisfacente si può ottenere anche quando il disco del freno viene posizionato sul mozzo in correlazione ai fori di fissaggio, in modo che risulti il valore di misura più basso. Eventualmente questa posizione deve essere ottimizzata tramite la sostituzione/combinazione dei componenti coinvolti (mozzo, disco del freno, cuscinetto).
Misura del mozzo della ruota
Inoltre è richiesta la massima accuratezza in riferimento allo stato perfettamente pulito e ineccepibile delle superfici d’appoggio e degli accoppiamenti (cfr. XZS103). Come già accennato sopra, anche il mozzo può essere responsabile di un disallineamento troppo elevato del disco e deve quindi essere misurato dal punto di vista dell’oscillazione radiale. In questo caso si può presupporre un valore indicativo massimo di 30 μm (0,03 mm), riferito al raggio più esterno misurabile. In presenza di scostamenti maggiori, il mozzo e il cuscinetto della ruota devono essere controllati ed eventualmente sostituiti.
Misura delle variazioni di spessore di un disco del freno
In fase di produzione, le variazioni di spessore dell’anello di attrito di un disco del freno possono essere misurate con precisione solo con l’aiuto di strumenti speciali. In officina possono essere misurate con sufficiente esattezza con l’aiuto di un micrometro con una precisione di +/- 0,001 mm. In questo caso occorre svolgere la misura in otto punti della circonferenza a una distanza di circa 10 mm verso il raggio di attrito più esterno. A seconda del modello di veicolo, variazioni dello spessore nell’ordine dei 12 - 15 μm (0,012 - 0,015 mm) possono già causare vibrazioni. Di conseguenza, questi valori non devono essere superati. Il calcolo della variazione dello spessore viene descritto nella Service Information XZS107.
Mozzo della ruota senza luce
Un mozzo della ruota deformato e sporco può causare:
- Deformazione del disco del freno
- Vibrazioni in frenata
- Sollecitazione su un solo lato del disco del freno
- Distribuzione irregolare della temperatura
- Maggiore usura del giunto sferico e del cuscinetto della ruota
- Pericolo che i bulloni della ruota si allentino (cfr. XZS103)
Mozzo della ruota con luce
Un’ulteriore fase del controllo riguarda la superficie d’appoggio del mozzo della ruota.
Con l’aiuto di un righello a filo è possibile controllare in modo facile e veloce la superficie d’appoggio del mozzo.
Se si intravvede luce passare dal bordo di appoggio, significa che il mozzo deve essere immediatamente sostituito. Il disco del freno può essere montato senza riserve solo se il mozzo della ruota presenta una superficie in piano.
Mozzo della ruota eccessivamente ingrassato
Lo stesso effetto si produce quando il disco del freno deve essere sostituito e, dopo la pulizia, viene applicato troppo grasso sul mozzo. Il disco del freno non poggia in posizione perfettamente piana sulla flangia e subisce un leggero disallineamento che con il passare del tempo aumenta sempre di più, sino a quando viene percepito dal conducente a causa dei suddetti sintomi.
Si consiglia inoltre di svolgere anche alcuni dei controlli elencati al punto “vibrazioni termiche”. Tra questi rientrano il controllo del freno a disco, del cuscinetto della ruota, della sospensione della ruota, dei componenti dello sterzo e della geometria dell'asse anteriore. Quanto detto sinora rende evidente che le cause di un’oscillazione radiale troppo alta e quindi di una variazione dello spessore non sono sempre facili da localizzare. Nei veicoli interessati vengono spesso solo sostituiti i dischi e le pastiglie dei freni, anche se tramite una diagnosi più accurata dei componenti e una loro eventuale sostituzione sarebbe ampiamente possibile circoscrivere ed eliminare il problema.
Buono a sapersi
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