Rivista di informazione del Dipartimento di Ingegneria Industriale
Università di Trento
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Durante la frenata, l’attrito tra il disco e le pastiglie rallenta il veicolo trasformando l’energia cinetica in calore. Questo contatto per scorrimento provoca però anche usura e può generare vibrazioni, rumore e emissione di polveri sottili, contribuendo all’impatto ambientale del traffico stradale.
Il problema riguarda anche i veicoli elettrici: la frenata rigenerativa riduce l’impiego dei freni, ma non elimina la necessità di utilizzarli. Comprendere i meccanismi attraverso i quali le particelle si formano e vengono rilasciate può quindi orientare lo sviluppo di sistemi frenanti caratterizzati da minori emissioni di particolato.
A questo tema è stata dedicata la presente ricerca svolta in collaborazione con Brembo N.V. Lo studio ha esaminato le relazioni tra attrito, comportamento dinamico ed emissioni di particelle. La domanda di fondo era capire in quale misura la rigidezza del sistema, le condizioni di vincolo e le vibrazioni modifichino il contatto tra disco e pastiglia e il conseguente rilascio di particelle, senza cambiare i materiali impiegati.
L’attività sperimentale è stata condotta utilizzando un dinamometro inerziale in scala ridotta, un banco di laboratorio capace di riprodurre le frenate in condizioni controllate di pressione, velocità e temperatura. Il sistema utilizza un disco di dimensioni ridotte e campioni di materiale d’attrito, secondo criteri di similitudine che permettono di mettere in relazione le prove di laboratorio con la frenata di un veicolo reale.
Questo approccio consente di valutare materiali e soluzioni progettuali già nelle prime fasi dello sviluppo, prima di passare alla sperimentazione su sistemi frenanti completi. Accelerometri, un microfono e un contatore ottico di particelle hanno permesso di misurare simultaneamente le vibrazioni, il rumore e la concentrazione numerica delle particelle presenti nell’aria.
I risultati ottenuti in condizioni operative controllate hanno innanzitutto evidenziato l’importanza di considerare le fasi transitorie e i picchi emissivi nell’interpretazione delle misure sperimentali.
Le prove, condotte adattando la procedura industriale SAE J2521, hanno mostrato variazioni nei livelli sonori e la comparsa di ulteriori frequenze associate allo squeal, il caratteristico fischio acuto e tonale dei freni. I collegamenti tra i componenti del sistema frenante modificano la rigidezza del sistema e, in modo significativo, il suo comportamento acustico.
Gli effetti della stessa modifica sono stati analizzati anche attraverso un programma sperimentale che ha combinato lo studio dell’attrito e delle superfici di usura, con la misurazione simultanea delle vibrazioni e delle emissioni di particelle. Nelle condizioni esaminate, la configurazione meno rigida ha prodotto una concentrazione numerica media di particelle superiore di circa il 10% rispetto a quella più rigida, nonostante coefficienti d’attrito simili e una copertura superficiale comparabile da parte dei plateau secondari di contatto. Questi ultimi si formano quando i detriti di usura si compattano sulla superficie delle pastiglie durante il contatto frenante.
Sebbene caratterizzata da un livello vibrazionale complessivamente inferiore, la configurazione meno rigida ha mostrato ampiezze maggiori in specifiche bande a bassa frequenza. I risultati suggeriscono quindi che, per interpretare correttamente le emissioni di particelle, non sia sufficiente considerare l’intensità complessiva delle vibrazioni: occorre analizzarne anche il contenuto in frequenza.
Vibrazioni più intense alle basse frequenze potrebbero infatti modificare localmente la pressione di contatto e i fenomeni di microscorrimento. Ciò favorirebbe la temporanea rottura e il successivo rinnovamento dello strato tribologico, facilitando il distacco delle particelle. Anche la riduzione delle componenti vibrazionali ad alta frequenza potrebbe contribuire all’aumento delle emissioni, ma il suo ruolo non è ancora stato chiarito.
Un’ulteriore ipotesi riguarda l’ampiezza delle oscillazioni: vibrazioni moderate potrebbero favorire la compattazione e la stabilizzazione dello strato di attrito, mentre ampiezze più elevate potrebbero facilitarne la disgregazione. Queste interpretazioni richiedono tuttavia ulteriori verifiche. L’analisi dei singoli eventi di frenata ha infatti evidenziato soltanto una relazione debole, e generalmente inversa, tra ampiezza delle vibrazioni e concentrazione delle particelle.
Saranno quindi necessari nuovi esperimenti controllati per distinguere gli effetti della frequenza e dell’ampiezza delle vibrazioni da quelli prodotti dalla pressione di contatto, dalla temperatura e dalla storia delle frenate.
Comprendere questi meccanismi è pcomunque essenziale per progettare freni più silenziosi e capaci di ridurre le emissioni di particolato, senza comprometterne prestazioni e sicurezza.
Figura 1. Dinamometro inerziale in scala ridotta impiegato nello studio: (a) banco prova sperimentale; (b) schema semplificato dei principali componenti del sistema.
Figura 2. Effetto delle condizioni al contorno del disco sulle vibrazioni, sul brake squeal e sulle emissioni di particolato nel dinamometro inerziale in scala ridotta.
