Tecnologie e funzionamento delle pinze freno

Le pinze freno sono componenti essenziali del sistema frenante di un veicolo il cui compito principale è quello di convertire l'energia idraulica in energia meccanica. Questa trasformazione avviene quando la pressione idraulica proveniente dal cilindro maestro agisce sui pistoni delle pinze, generando la forza necessaria per spingere le pastiglie contro il disco e rallentare o arrestare il veicolo

Tipologie di pinze freno: flottanti e fisse

Le pinze flottanti

Le pinze flottanti sono caratterizzate da pistoni (generalmente uno o due) situati su un solo lato della pinza.

I pistoni spingono direttamente una delle pastiglie contro il disco, mentre l'altra pastiglia viene spinta dal movimento del corpo flottante della pinza, che scorre su guide apposite.

Le pinze flottanti sono comunemente utilizzate nei veicoli di fascia medio-bassa e nei veicoli commerciali leggeri (LCV). Il materiale utilizzato è generalmente la ghisa a grafite sferoidale.

Le pinze fisse

Le pinze fisse sono caratterizzate da un corpo unico fissato rigidamente al sistema di sospensione del veicolo.

Al loro interno ospitano da due a più pistoni, che agiscono in maniera opposta sulle pastiglie freno. In alcuni casi vengono adottati "pistoni differenziati", ovvero pistoni di dimensioni diverse sullo stesso semi-alloggiamento.

Le pinze fisse sono utilizzate su veicoli di fascia medio-alta e su veicoli sportivi e sono generalmente costituite in leghe di alluminio.

Si può quindi affermare che le pinze flottanti hanno minori costi e ingombri, una buona robustezza e possono essere attuate con diversi sistemi. Al contrario le pinze freno fisse hanno una maggior leggerezza, si usurano più uniformemente, hanno una minore coppia residua e sono maggiormente di design.

Pinze monoblocco e pinze due pezzi

Le pinze fisse possono essere realizzate in un unico blocco (monoblocco) o in due pezzi separati. Le pinze monoblocco, essendo realizzate in un'unica fusione, offrono un migliore rapporto massa/spostamento del fluido e flessibilità della forma grazie all’assenza di viti/bulloni, inoltre occupano un minore spazio radiale essendo prive di “conical draft”.

Al contrario, le pinze a due pezzi sono più semplici da produrre e assemblare, non necessitando di strumenti speciali per essere lavorate.

Il corretto funzionamento delle pinze freno dipende da una serie di fattori, tra cui la qualità della lavorazione dei componenti, il corretto assemblaggio e la scelta dei materiali. Anche la scorrevolezza del pistone, la qualità delle guarnizioni e l'assorbimento volumetrico (il volume di fluido freni che viene assorbito durante la frenata a causa della deformazione della pinza) sono fattori determinanti per ottenere una risposta rapida e precisa del sistema frenante.

Componenti principali delle pinze freno

Le pinze freno sono composte da diversi componenti:

Corpo pinza: deve resistere alle sollecitazioni, assicurare la tenuta delle pastiglie sul disco e ospitare le sedi dei pistoni.
Cilindri: ospitano il pistone e garantiscono la tenuta idraulica, permettendo il movimento scorrevole del pistone durante la frenata.
Pistoni: i pistoni trasformano la pressione idraulica in forza meccanica, applicandola direttamente sulle pastiglie. Essi sono realizzati in materiali termicamente isolanti per limitare la trasmissione di calore dalla pastiglia al liquido freni. Sono inoltre progettati per non deformarsi alle elevate temperature e per essere compatibili con il liquido freni.
Guide di scorrimento: permettono il movimento relativo tra il corpo della pinza e il supporto fisso, garantendo che la forza frenante venga applicata in modo uniforme.
Guarnizioni: le guarnizioni garantiscono la tenuta del fluido freni e permettono il ritorno del pistone alla sua posizione originale dopo la frenata (funzione Roll-back) nonostante siano sottoposte a pressioni fino a 350 bar e temperature comprese tra -40° e +200° C. In egual modo ma in verso opposto, queste speciali guarnizioni riportano il pistone nella corretta posizione di lavoro qualora, a causa di una deformazione laterale del disco (funzione Knock-back), esso venga spinto indietro. Ciò assicura che la corsa di frenata non sia più lunga di quella nominale. La guarnizione del pistone deve anche essere compatibile con il liquido con cui entrerà in contatto durante il funzionamento (EPDM per fluidi per freni DOT, HNBR per oli minerali).

Cuffie para polvere: proteggono il cilindro del pistone da sporco e umidità, prevenendo danni e corrosione.
Molle delle pastiglie freno: riportano le pastiglie in posizione di riposo dopo la frenata. La molla svolge anche la funzione di mantenere le pastiglie aderenti ai rispettivi pistoni. Realizzate in acciaio inox o acciaio per molle con un rivestimento anticorrosione.
Vite di spurgo: consente di effettuare lo spurgo permettendo all’aria di uscire dalla pinza.
Fori di fissaggio o "fastening ears": sono i componenti della pinza freno che permettono il fissaggio al portamozzo, e possono essere di tipo radiale o assiale, a seconda delle esigenze costruttive.
Fori radiali: consentono l’utilizzo di dischi di diametro maggiore, limitano le deformazioni sotto coppia e favoriscono un'usura più uniforme delle pastiglie.
Fori assiali: risultano essere più semplici da realizzare in quanto sono paralleli, e permettono anche il montaggio di pinze flottanti.

Tubazioni

Altri componenti fondamentali sono le tubazioni che alimentano le pinze freno. Questi tubi possono essere flessibili, in gomma e treccia metallica e/o tubi metallici rigidi.

A seconda delle esigenze costruttive e prestazionali vengono scelte le tubazioni più idonee, ad esempio nei veicoli ad alte prestazioni viene utilizzato un segmento di tubo rigido a partire dalla pinza per poi proseguire con un tubo flessibile. Questa soluzione viene adottata affinché il segmento rigido garantisca un adeguato isolamento termico al fine di proteggere la sezione di tubo flessibile dalle elevate temperature provenienti dalla pinza.