Università degli Studi di Roma La Sapienza. Facoltà di Ingegneria Corso di laurea in ingegneria Meccanica. Tesi di Laurea

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1 Università degli Studi di Roma La Sapienza Facoltà di Ingegneria Corso di laurea in ingegneria Meccanica Tesi di Laurea PROGETTO DELL IMPIANTO FRENANTE DI UNA VETTURA DA COMPETIZIONE Laureando: Alessandro Moauro Matricola: Relatore: Ing. Giovanni B. Broggiato Anno Accademico 2005/2006

2 TEST DI FRENATA Il sistema frenante sarà testato dinamicamente e deve dimostrare la capacità di bloccare tutte e quattro le ruote e di fermare il veicolo in linea retta alla fine di un accelerazione. INTERRUTTORE DI FINE CORSA DEL FRENO Sulla vettura deve essere installato un interruttore di fine corsa del freno. Questo interruttore deve essere installato così che nel caso di un guasto al sistema, tale che il pedale raggiunge il suo fine corsa, l interruttore attivandosi, fermerà il motore. Deve smorzare l iniezione e tagliare la corrente alla pompa del carburante. Ripetute attuazioni del tasto non devono ripristinare l energia a questi componenti, e deve essere progettato in maniera tale che il guidatore non possa manometterlo. Il tasto deve essere realizzato con componenti analogici, e non attraverso il ricorso ad un regolatore elettronico programmabile, unità di controllo del motore, o simili controllori digitali. LUCI FRENO La macchina deve essere equipaggiata con una luce rossa di almeno 15 watt, o equivalente, chiaramente visibile da dietro. Se è usata una luce freno a LED, deve essere chiaramente visibile sotto i raggi del sole. Questa luce deve essere montata verticalmente tra il centro della ruota e le spalle del guidatore e lateralmente al centro del veicolo. 4

3 CAPITOLO 1 TIPOLOGIE DI FRENO AD ATTRITO 1.1 FUNZIONALITÁ DELL IMPIANTO FRENANTE Per impianto frenante si intende il sistema progettato ed esclusivamente preposto al rallentamento, alla fermata del veicolo e al mantenimento di una velocità costante nel caso di marcia in discesa. Si distingue infatti dal freno propriamente detto, il freno motore che agisce quando il motore non fornisce potenza utile nella fase di rilascio del comando del gas ma la assorbe a causa dei suoi attriti interni e di quelli presenti nella trasmissione. Nei freni alte quantità di energia meccanica sono trasformate in tempi brevi in calore, per questo la potenza frenante è sempre maggiore della massima potenza del motore del veicolo. È indispensabile che funzionino sempre perfettamente in qualsiasi condizione, quindi durante la progettazione si tende sempre a sovradimensionare l impianto, nel rispetto dei limiti economici imposti al progetto. 1.2 EVOLUZIONE STORICA DEI SISTEMI DI FRENATURA L evoluzione dei sistemi di frenatura nel corso del tempo ha compiuto passi da gigante. Agli albori dell automobile, oltre un secolo fa l impianto frenante era ispirato a quello delle carrozze a cavalli. I rallentamenti erano affidati a ceppi esterni che agivano direttamente sulla ruota. Fino al 1920 i freni anteriori erano considerati pericolosi perché 5

4 l utilizzo di comandi meccanici a cavo rendeva difficile l azionamento dello sterzo. La forza esercitata dal guidatore era trasmessa direttamente alla ruota. Con l avvento dei sistemi idraulici lo sforzo da esercitare a parità di decelerazione è calato di molto. Oggi l evoluzione è concentrata sullo sviluppo e sulla ricerca di nuovi materiali e soluzioni. In fase di sperimentazione sono gli impianti con pinze elettriche azionate dalla centralina, che richiederanno un impianto a 42 Volt ma permetteranno di integrare l Esp (controllo elettronico della stabilità), l Abs (sistema antibloccaggio delle ruote) e le nuove funzioni elettroniche come freno a mano automatico e aiuto per le partenze in salita. Il presente e il futuro dei sistemi di frenatura è mostrato nelle figure sottostanti. Figura 1.1: Presente e futuro dei sistemi di frenatura 6

5 Figura 1.2: Presente e futuro dei sistemi di frenatura 1.3 TIPOLOGIE DI IMPIANTO Le tipologie di freno ad attrito più diffuse sono sostanzialmente tre. Ogni tipo di freno fornisce intrinsecamente un coefficiente di amplificazione dello sforzo esercitato sul pedale, che dipende dalla geometria del meccanismo e dai materiali utilizzati. Questo coefficiente è chiamato brake factor (fattore del freno). Tali impianti sono i freni a disco, i freni a tamburo e i freni a nastro. Nella figura seguente è riportato uno schema dei tre impianti con le corse di comando e i valori dei giochi nei tre sistemi. 7

6 Figura 1.3: Corse di comando e giochi nei freni: a) a ganasce; b) a disco; c) a nastro. Un parametro importante per un freno è la potenza media da disperdere in calore che può essere valutata con la formula l energia cinetica del veicolo all inizio della frenata, 1 2 mv P m = 2 tf + ta 1 2 dove mv è 2 tf + ta è il tempo che l auto ha impiegato ad accelerare da 0 a quel valore di velocità più quello necessario per arrestarla ed m è la massa del veicolo. La potenza istantanea durante la frenata è maggiore della potenza media, ma non genera un elevato aumento di temperatura se il freno è dotato di buona capacità termica FRENO A NASTRO Nel freno a nastro di figura 8c, la puleggia del freno viene abbracciata, lungo un arco, da un nastro di acciaio munito di una guarnizione i cui rami terminano sui bracci di una leva. Agendo sulla leva la differenza tra le tensioni nei due rami della puleggia provoca l azione frenante. Questo freno mostrato in figura 1.3 ha un basso brake factor e un elevata corsa di accostamento rispetto agli altri due tipi. Le possibilità d impiego di 8

7 questo tipo di freno sono limitate dalla scarsa capacità termica del nastro e dall impossibilità di aumentarne la superficie disperdente, perché esso deve essere flessibile e quindi sottile FRENO A TAMBURO Il freno a tamburo mostrato in figura 1.3a, è costituito da una coppia di ceppi semicircolari muniti di apposite guarnizioni che sono montate tra un perno fisso o uno spallamento e un cilindretto che contiene al suo interno una coppia di pistoni. I ceppi o ganasce sono azionati tramite un sistema di leveraggi che li portano a contatto con un tamburo situato alla periferia esterna delle guarnizioni. Quando le estremità superiori delle ganasce sono spinte contro il tamburo dai pistoni del cilindretto nasce una forza di repulsione N e una forza tangenziale Ft tra ogni coppia di superfici striscianti. La disposizione dei ceppi determina le caratteristiche dell azione frenante. La coppia frenante generata da questo tipo di freno è Mf = µ Nr dove N e µ sono la forza di repulsione e il coefficiente di attrito tra guarnizione e tamburo e r ne è il raggio. In un freno a tamburo le ganasce possono essere avvolgenti o svolgenti. Se la forza di attrito durante la rotazione della ruota tende ad avvicinare la guarnizione al tamburo siamo in presenza di una ganascia avvolgente mentre se avviene il contrario (allontanamento della guarnizione frenante dal tamburo durante la frenata) siamo in presenza di una ganascia svolgente. Possiamo distinguere quindi tra la disposizione con ganasce avvolgente/svolgente, la disposizione a due ganasce svolgenti, la disposizione a due ganasce avvolgenti e quella a due ganasce con servo azione. Nel freno a due ganasce avvolgente/svolgente di figura 1.4a, un cilindro con due pistoni è montato tra le estremità superiori degli elementi frenanti mentre l estremità inferiore è appoggiata contro uno 9

8 spallamento fisso. La prima ganascia che lavora in maniera concorde con il verso di rotazione del tamburo genera una forza frenante maggiore della seconda. Questo sistema si utilizza in genere per i freni posteriori degli autoveicoli ed ha la stessa efficacia sia nella marcia avanti che indietro. Un freno con una coppia di ganasce svolgenti schematizzato nella figura 1.4b, è formato da una coppia di cilindri separati che alloggiano un pistone ciascuno situati alle estremità opposte delle due ganasce. La bassa forza frenante generata può essere compensata con l ausilio di un elevatore di pressione. Questa soluzione è adeguata per applicazioni dove la stabilità dell azione è fondamentale. Figura 1.4: Freno a tamburo: a) Coppia di ganasce avvolgenti svolgenti; b) Coppia di ganasce svolgenti. La disposizione degli elementi in un freno con una coppia di ganasce avvolgenti mostrato in figura 1.5a, è simile al precedente ma si differenzia per l opposto verso di azione del tamburo che genera così una naturale azione di incremento dello sforzo frenante. Questa soluzione era infatti utilizzata per equipaggiare la maggior parte dei freni anteriori dei veicoli leggeri. Tuttavia nella marcia indietro la rotazione del tamburo si inverte e quindi l azione frenante esercitata diminuisce ed diventa simile a quella di un freno con due ganasce svolgenti. 10