i freni tecnica & funzionamento

   reno Ogni dispositivo capace di contrastare, eventualmente fino ad arrestarlo, il moto (rotatorio o traslatorio) di uno o più organi di una macchina. Una classificazione usuale dei f. si basa sul tipo di azione frenante; si hanno così i f. ad attrito secco o f. meccanici (fra due corpi solidi), i f. ad attrito fluido (fra un solido e un fluido) e i f. elettromagnetici. Soltanto i f. meccanici possono arrestare interamente il moto; negli altri due tipi di f. si ha un progressivo decremento delle forze frenanti in stretta relazione con la diminuzione della velocità relativa fra le parti in moto. Il dispositivo deve essere capace di smaltire il calore dovuto alla trasformazione dell’energia in esso dissipata, senza raggiungere temperature tali che possano danneggiarlo, renderne irregolare il funzionamento o menomarne l’efficienza.
Una diversa classificazione dei f. è quella che si basa sullo scopo da raggiungere nella frenatura: così il f. può servire a contrastare (fino all’eventuale arresto) il movimento di un meccanismo o di una macchina, oppure può servire a equilibrare la coppia motrice di un motore, consentendo di rilevarne la potenza: è questo il caso dei f. dinamometrici utilizzati nei banchi prova dei motori.
. F. aerodinamici
Sfruttano la resistenza aerodinamica che l’aria esercita su apposite superfici in moto rispetto a essa.
I f. aerodinamici per motori sono destinati ad assorbire la potenza di un motore nelle prove al banco, sia per misurare la potenza stessa sia per altre prove. Per i motori il f. è sostanzialmente un mulinello o un’elica aerea vera e propria; nel mulinello le superfici resistenti, generalmente piane, possono essere spostate verso il centro o verso la periferia per variare la coppia resistente; nel caso dell’elica, per variare la coppia si varia l’orientamento delle pale ruotandole rispetto al mozzo.
I f. aerodinamici per velivoli sono destinati a ridurre o la velocità di un velivolo nelle picchiate oppure il percorso di atterramento. Si possono impiegare alette apposite a spigolo vivo che sporgono dall’ala a comando del pilota o apposite superfici a graticola o sforacchiate che, sempre a comando del pilota, si dispongono perpendicolarmente, o quasi, alla direzione della velocità e che nel volo normale sono incorporate nell’ala o nella fusoliera, oppure si può usare un paracadute in coda. Si può sfruttare l’effetto frenante delle eliche regolando la potenza del motore e quindi il numero dei giri, e spesso anche il passo delle pale (eliche frenanti a passo invertibile); per i turboreattori si usano oggi gli inversori di spinta.
2. F. elettromagnetici
Si basano essenzialmente sulla formazione di correnti indotte in un corpo metallico, che si muove entro uno o più campi magnetici. In particolare, il f. elettromagnetico può essere costituito da un vero e proprio generatore di corrente, il quale trasforma l’energia meccanica in energia elettrica, che può essere raccolta ai morsetti e dissipata per effetto Joule su resistori ( f. reostatici), oppure inviata nella linea di alimentazione e assorbita da uno o più motori ( f. a recupero). Il tipo più semplice di f. elettromagnetico è il f. dinamometrico a correnti parassite (fig. 1), formato da un disco metallico a che ruota fra le espansioni polari di uno o più magneti o elettromagneti b, divenendo così sede delle correnti parassite; l’azione combinata di queste e del campo induttore dà luogo a una coppia frenante che tende a fermare il disco. Generalmente, per cedere all’ambiente esterno l’energia termica prodotta dalle correnti parassite, il disco può essere munito di palette di raffreddamento c o può essere cavo e percorso all’interno da un fluido di raffreddamento in pressione. La caratteristica di frenatura può essere variata cambiando l’ampiezza del campo induttore. Il momento motore viene in tal caso equilibrato da una forza nota, applicata all’estremità di un’asta di lunghezza data e solidale al magnete. Un particolare tipo di f. elettromagnetico per veicoli ferrotranviari è dato dal f. elettromagnetico a pattini (fig. 2). È costituito da un nucleo ferromagnetico, che porta l’avvolgimento di eccitazione, provvisto di espansioni polari a ( scarpe) divise in sezioni; il circuito magnetico viene chiuso attraverso il fungo b della rotaia. In
In condizioni di eccitazione, la riluttanza del circuito magnetico tende a raggiungere il valore minimo e, conseguentemente, le scarpe si appoggiano con forte pressione sulla rotaia, provocando la frenatura per attrito. L’alimentazione è ottenuta con una batteria di accumulatori, con la corrente di linea ovvero con la corrente che si genera nel circuito dei motori durante la frenatura elettrica.

3. F. idraulici
Si possono distinguere in rotativi e alternativi. I primi utilizzano la resistenza che incontra un rotore opportunamente sagomato, quando ruota immerso in un liquido (generalmente acqua). I f. rotativi a moto lamellare sono costituiti da uno o due dischi forati a e b (fig. 3) che ruotano, separati da un diaframma c anch’esso forato, entro una camera cilindrica ad asse orizzontale nella quale è immessa acqua a mezzo della valvola d. L’acqua, per l’effetto centrifugo, si dispone alla periferia, formando un anello liquido e uscendo poi dallo scarico e. L’altezza dell’anello liquido h, e quindi la coppia frenante, può essere variata regolando opportunamente sia l’afflusso dell’acqua con la manovra del rubinetto d, sia il deflusso mediante lo spostamento verticale della paratoia di scarico f.
I f. vorticellari ( f. Froude; fig. 4) sono costituiti essenzialmente da uno statore a provvisto di palette b e da un rotore c anch’esso munito di palette d. L’acqua entra dalle aperture e dello statore, è guidata dalle palette di quest’ultimo verso quelle del rotore, è trascinata in rotazione ed esce poi dallo scarico f. I moti turbolenti dell’acqua si estinguono per attrito interno con sviluppo di calore generando la coppia frenante; quest’ultima può essere regolata variando la quantità d’acqua immessa.
f. idraulici rotativi sono normalmente usati solo come f. dinamometrici: lo statore è allora oscillante e la coppia di reazione viene controbilanciata con alcuni pesi applicati all’estremità di un braccio e misurata mediante dinamometro.
I f. idraulici alternativi sono basati sulla resistenza che incontra il liquido (generalmente olio) nel passaggio attraverso un foro o un condotto di piccola sezione. Questi f. sono comunemente chiamati ammortizzatori; quando sono fermi la loro azione è nulla.
I f. idraulici non sono da confondere con i f. meccanici a comando idraulico, impropriamente, anche se comunemente, detti f. idraulici.
4. F. meccanici
Utilizzano la forza d’attrito che si genera fra due superfici premute l’una contro l’altra; tale forza dipende, oltre che dallo stato e dalla qualità dei materiali, dalla pressione, dalla velocità relativa e dalla temperatura. In genere, a parità di spinta totale, la forza di attrito, a secco, decresce con l’aumentare della pressione, della velocità e della temperatura. I f. meccanici sono efficaci anche a fermo.
I f. a ceppi sono costituiti da ceppi (detti spesso ganasce per la loro conformazione) agenti su cerchioni, pulegge, tamburi, dischi, funi e rotaie. Nei veicoli ferroviari o tranviari vi sono quasi sempre due ceppi per ruota, disposti simmetricamente. I cerchioni sono d’acciaio e le suole dei ceppi sono spesso suddivise in due, oppure in quattro elementi, con lo scopo di migliorare la distribuzione delle pressioni. I ceppi dei f. per biciclette sono muniti di ‘tacchetti’ di fibra o altro materiale tenero e agiscono sulla superficie laterale (simmetricamente) oppure interna, del cerchione della ruota. I f. a ceppi agenti sulla fascia esterna di una puleggia, di una ruota o di un volano sono generalmente costituiti da due ganasce a e a′ (fig. 5), serrate contro l’organo rotante b mediante un sistema di leve azionato da una forza F agente lungo l’asta c. Le ganasce sono rivestite, dalla parte interna, con guarnizioni di materiali speciali, ad alto coefficiente d’attrito. Freni di questo tipo, con organo rotante costituito da una puleggia, sono usati anche come f. dinamometrici: il momento motore viene in tal caso equilibrato dal momento di una forza nota applicata all’estremità di un’asta di lunghezza data solidale con i ceppi; così indirettamente si determina il momento motore che, moltiplicato per la velocità angolare della puleggia, dà la potenza motrice.
I f. a tamburo, usati sugli autoveicoli e su taluni mezzi leggeri ferroviari, hanno ganasce e relativi segmenti agenti sulla fascia interna del tamburo stesso. La spinta che allarga le ganasce contro il tamburo può essere provocata da dispositivi o meccanici o elettromeccanici. Nel primo caso la spinta è provocata dalla rotazione di una camma o bocciolo, oppure da due pistoncini azionati idraulicamente e agenti in senso opposto; le ganasce sono incernierate indipendentemente alle estremità e tenute a contatto dei pistoncini mediante molle di richiamo. Nel secondo caso la spinta sulle ganasce è esercitata mediante un elettromagnete anulare che, eccitato, tende a ruotare sotto l’effetto delle correnti di Foucault generate in un disco posto in rotazione dalle ruote.Nei f. a disco i ceppi, costituiti dalle guarnizioni di attrito e relativi supporti ( pastiglie), possono agire sia abbracciando un disco, sia, meno comunemente, espandendosi contro due dischi disposti simmetricamente. Nel primo caso essi sono costituiti (fig. 6) da un disco a, solidale con la ruota, sulle cui facce sono premute le pastiglie d’attrito b, mediante l’azione di due pistoncini c, comandati idraulicamente. Questi f. trovano impiego nel campo aeronautico, automobilistico e ferrotranviario.5. Azionamento dei freni
I f. meccanici possono essere azionati direttamente, con la mano o con il piede, attraverso viti senza fine, tiranti, leve, oppure attraverso una trasmissione idraulica, come nelle autovetture. Nel caso di trasmissione idraulica il liquido deve avere una composizione particolare per soddisfare le caratteristiche imposte dalle norme; in particolare, il punto di ebollizione deve essere elevato, affinché non si verifichi l’evaporazione, la viscosità deve rimanere sufficiente anche a temperatura elevata, non debbono verificarsi fenomeni di corrosione sulle parti metalliche, non possono essere usati lubrificanti petroliferi che presentano incompatibilità con le parti in gomma. I f. meccanici possono tuttavia essere azionati anche indirettamente per mezzo di un servomotore meccanico, idraulico, pneumatico o elettromagnetico (