L'importanza dell'impianto frenante su una vettura di F.1 - FUNOANALISITECNICA F1ANALISITECNICA
Questo sito contribuisce alla audience di

L'importanza dell'impianto frenante su una vettura di F.1

Ad ogni corpo in moto è associata un valore di energia cinetica, che dipende dalla massa del corpo e dal quadrato della sua velocità. Lo scopo dei freni è proprio quello di far diminuire la velocità della vettura, quindi la sua energia cinetica, dissipando calore. Prendiamo in esame i dati sulle 8 frenate più intense che Brembo ha raccolto durante lo scorso GP del Bahrain, una delle piste più dure per l’impianto frenante.

Le velocità prima e dopo la frenata, e il calore dissipato in ogni frenata sono raccolti nei grafici sottostanti.

Come si può vedere, in questa pista la frenata più dura è quella alla curva 1 alla fine del rettilineo iniziale. La vettura passa da 328 km/h a 61 km/h dissipando nei freni un calore medio pari a 3913 KJ (franata di 1,33 s).

Nel corso degli anni sono state adottate diverse soluzioni per sfruttare il calore sviluppato dall’impianto frenante. Una su tutte, nel 2014 la RedBull introdusse una presa d’aria, costituita da una paratia in carbonio sull’interno ruota. In questo modo da un lato si favoriva il raffreddamento dei freni e dall’altro il calore dissipato aiutava le gomme a mantenere la giusta temperatura di esercizio.
Nel caso dei freni a disco, soprattutto se la potenza frenante è molto elevata, come accade in F1, si ha una disomogeneità di temperatura tra i punti del disco; infatti le pinze agiscono ad ogni istante solo su una piccola parte di superficie. Perciò ciascun punto del disco sarà sottoposto ad un periodo di riscaldamento, quando fa parte della porzione di disco su cui agisce la pinza, seguito da un periodo di raffreddamento.

In generale le pinze agiscono su un arco di disco compreso tra 40° e 66°, il tempo di riscaldamento varia tra 1/9 e 1/6 del tempo necessario per compiere un giro completo della ruota, di conseguenza il tempo di ventilazione è tra 8/9 e 5/6.
È evidente che l’efficienza della frenata aumenta molto con l’uso di materiali capaci di sopportare bene le alte temperature. Come è noto, in F1 vengono usati dischi in carboceramica, differentemente dall’acciaio impiegato nelle vetture stradali. Cercheremo ora di capire quali sono i vantaggi nell’uso di questo materiale.
Non potendo avere a disposizione dati ufficiali sui materiali impiegati attualmente, faremo un breve confronto fra dischi costruiti in acciaio e dischi carboceramici medi.

Consideriamo dei dischi pieni ed omogenei, ciò significa principalmente che, per semplicità, ignoriamo la presenza dei fori di ventilazione, con un diametro di 278 mm ed uno spessore di 28 mm.
Partiamo con un confronto sulla massa che avrebbe un disco costruito nei due materiali.
 Con le dimensioni sopra dette si ottiene un volume di 1698702 mm3.

La densità media dell’acciaio è 0.00000785 kg/ mm3 mentre per il materiale carboceramico vale 0.0000018 kg/ mm3. A questo punto si può calcolare la massa di un disco moltiplicando la densità per il volume. Quindi nel nostro caso, un disco in acciaio avrebbe una massa di 13.33 kg e uno in carboceramica di 3.06 kg, risultando dunque molto più leggero.
Come abbiamo potuto capire un disco deve lavorare ad altissime temperature.

Brembo dichiara che i suoi dischi da F1 raggiungono una temperatura massima di 1200°C!

Ma come reagiscono i due materiali alle temperature di esercizio?
Consideriamo un altro parametro, il calore specifico, che in pratica indica la resistenza di un materiale ad aumentare la sua temperatura quando viene fornito calore.
Il calore specifico dell’acciaio è di 400 J/kg*K, mentre quello della carboceramica è di 710 J/kg*K. Ciò significa che se forniamo la stessa quantità di calore alla stessa massa di acciaio e di carboceramica, il materiale carboceramico si riscalda di meno. Ma, nel nostro caso i due dischi hanno masse diverse, per cui il prodotto massa per calore specifico, da cui dipende l’aumento di temperatura, è minore per la carboceramica, in quanto più leggera. Di conseguenza, l’aumento di temperatura, che è il rapporto tra il calore e il prodotto massa per calore specifico, risulta più elevato per la carboceramica. Questo si traduce nella pratica con temperature di esercizio più alte rispetto ai dischi in acciaio.

Perché allora si preferisce usare il materiale carboceramico rispetto all’acciaio?
E’ preferibile perché la carboceramica sopporta molto meglio il calore, portando quindi ad una maggiore efficienza termo-meccanica, che si traduce in un aumento delle prestazioni dei dischi. A dimostrazione di ciò, il coefficiente di dilatazione termica dell’acciaio è 16*10-6/K mentre quello della carboceramica è 0.8 *10-6/K quindi l’acciaio si dilata molto di più della carboceramica, nonostante lavori a temperature più basse.

Riassumendo, la carboceramica, non solo riduce notevolmente le masse non sospese, quindi l’inerzia, migliorando così la dinamica della vettura, ma anche permette prestazioni frenanti più elevate e una maggior efficienza termica e meccanica. Ovviamente le prestazioni della frenata non sono garantite solo dai dischi, ma è necessario valutare altri parametri, quali ad esempio il coefficiente di attrito tra pneumatico e asfalto, il materiale delle pastiglie e il carico del pilota sul pedale.



densità (10-6kg/mm3)massa (kg)calore specifico (J/kg*K)dilatazione termica (10-6/K)
acciaio7,8513,3040016
carboceramica1,83,047100,8

di Ivan Crepaldi

Cristiano Sponton

About Cristiano Sponton

Subscribe to this Blog via Email :

FUnoAnalisiTecnica. Powered by Blogger.