Analisi Tecnica F1: l’impianto frenante di una monoposto

È convinzione diffusa che i fattori principali per andare forte siano il motore, l’accelerazione, la velocità di percorrenza in curva e la velocità di punta. Per essere veloci tuttavia bisogna anche essere bravi nel… frenare. Freni Formula 1

La progettazione di un impianto freni ad elevate performance è estremamente complicato, così come il suo sfruttamento da parte del pilota. Con il seguente articolo cercheremo di fare chiarezza su molti termini che quotidianamente vengono utilizzati in Formula 1 quali ripartizione di frenata, temperature dei freni e Brake by wire.

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Siamo ormai abituati a vedere le vetture di Formula Uno staccare da 300 a 50 km/h in poco più di 100 metri. Ma cosa si nasconde dietro il semplice gesto del premere il pedale a cui corrisponde il rallentamento della vettura? È possibile suddividere l’impianto frenante di una moderna Formula 1 in tre parti: linea freno, disco freno e MGU-K.

Linee freno

Nella stragrande maggioranza delle automobili e anche nelle Formula 1 di qualche anno fa, il circuito frenante era di tipo idraulico. Quando il pilota o il semplice guidatore schiaccia il pedale del freno, egli in realtà sta schiacciando una pompa. La forza che viene esercitata sul pedale viene trasferita all’olio presente nei tubi dell’impianto frenante. La pressione dell’olio, che è uguale in tutto il circuito, sale man mano che la forza sul pedale aumenta. All’altra estremità dei tubi del circuito si trovano le pinze freno. Grazie alla pressione più alta, in fase di frenata l’olio esercita una forza su dei pistoni che, abbassandosi, spingono le pastiglie contro il disco freno, il quale è collegato direttamente alla ruota. Grazie alla forza di attrito tra le pastiglie e il disco, la ruota e quindi l’intera macchina rallenta.

Freni Formula 1
La pinza freno montata sul disco in carbonio – Foto: Brembo

Nelle moderne Formula 1 tuttavia l’impianto idraulico è scomparso, lasciando il posto al “Brake by wire”. Con questo sistema, un sensore è in grado di recepire direttamente l’abbassamento del pedale del freno e/o la forza impressa dal pilota. Il segnale elettrico viene mandato alla centralina che, tramite un altro segnale elettrico, attua le pinze freno.

Disco freno

Molto spesso capita di sentire dei team radio in cui l’ingegnere avverte il pilota di raffreddare o riscaldare i freni. Quando si parla di questo, si fa riferimento nel dettaglio alle temperature del disco freno.

Come detto in precedenza, la ruota rallenta grazie alla forza d’attrito tra le pastiglie delle pinze freno e il disco stesso. La forza d’attrito dipende da un’interazione chimica e meccanica tra due superfici. Con il variare della temperatura, cambia anche la struttura del materiale e quindi il suo modo di interagire per attrito con altre superfici. Per ragioni di peso, le moderne Formula 1 montano dischi e pastiglie in fibra di carbonio.

Affinché la forza di attrito tra i due componenti sia massima, il carbonio deve trovarsi in un preciso range di temperatura. Se la temperatura è troppo bassa, l’attrito è minore e la macchina non frena come dovrebbe, mentre se troppo alta l’usura dei due componenti è eccessiva e a lungo andare il pilota potrebbe addirittura non essere più in grado di fermare la macchina. Questo in particolare è quanto accaduto alle due Mercedes al Gran;Premio del Canada 2014.

Ma da cosa dipende la temperatura del disco freno?

Rallentando la macchina, la forza d’attrito compie un lavoro e, con buona approssimazione, si può dire che l’energia cinetica persa dalla macchina venga convertita in calore che va a riscaldare il disco.  Quando invece la macchina è in fase di accelerazione, l’aria che entra nella ruota raffredda il disco per convezione, abbassando la temperatura. Si ha quindi un ciclo termico in cui le temperature oscillano in un determinato range. Tali temperature dipendono dall’aggressività del pilota in frenata e dal tipo di circuito, in particolare dalla frequenza e dall’intensità delle varie staccate. Per questo motivo spesso gli ingegneri studiano soluzioni apposite per determinati circuiti o in alcuni casi apposta per una singola ruota.

Diverse sono le soluzioni adottate dagli ingegneri per controllare le temperature dei dischi, che possono anche superare i 1000°C (motivo per cui al pit stop esce sempre fumo dalle ruote). Un esempio sono i cestelli attorno al disco o gli air duct, che servono a convogliare l’aria verso il disco per raffreddarlo. Oppure i dischi ventilati, che al loro interno presentano dei fori per il passaggio dell’aria. La Mercedes in particolare, attraverso dei fori collocati nel cerchione, sfrutta il calore dei dischi per mandare più velocemente in temperatura le gomme.

Una grafica che mostra uno studio dei flussi d’aria per il raffreddamento dei dischi


MGU-K

L’MGU-K è uno dei due componenti di recupero dell’energia della parte ibrida assieme all’MGU-H.
Nel dettaglio si tratta del motogeneratore per il recupero dell’energia cinetica in fase di frenata.

Le attuali power unit sono composte da svariate componenti, in generale dal motore termico e da una parte per l’erogazione della potenza elettrica. Mentre in fase di accelerazione il motore elettrico consuma corrente per generare la coppia motrice sull’albero di trasmissione, in fase di frenata i campi magnetici del motore frenano l’albero e di conseguenza le ruote posteriori, generando corrente elettrica che viene immagazzinata nelle batterie. Il funzionamento dei motori elettrici e delle power unit ibride delle Formula 1 necessiterebbe di un articolo a sé stante.

Per quanto concerne l’impianto frenante, è importante sapere che una parte del lavoro di frenata viene fatta dall’MGU-K che, anziché dissipare l’energia cinetica sotto forma di calore come avviene nei dischi, la converte in energia elettrica. Tuttavia la capacità frenante di questo componente è molto ridotta. La centralina è impostata in modo che fino a una determinata richiesta di coppia frenante lavori esclusivamente l’MGU-K, così da ricaricare quanto più possibile le batterie. Se la frenata eccede la capacità del motogeneratore, vengono azionati i freni a disco. Per questo motivo è ancora più importante il ruolo del pilota in gara anche per la gestione della frenata, in quanto bisogna trovare il giusto compromesso tra una frenata aggressiva per avere un ritmo più sostenuto e una più allungata per ricaricare le batterie e continuare a fornire energia elettrica alla parte ibrida.

In qualifica, quando in un solo giro viene sfruttata tutta la potenza della power unit, capita sovente di assistere a dei giri veloci intervallati da giri lenti. In questi casi il pilota, oltre a non premere a fondo l’acceleratore per non consumare eccessivamente la carica delle batterie, effettua delle frenate allungate, cercando di usare quanto più possibile l’MGU-K al posto dei dischi in modo da ottimizzare il processo di ricarica. Così facendo al giro successivo la carica nelle batterie sarà prossima al 100% e il pilota potrà disporre di più potenza da utilizzare nel suo tentativo.

In fase di frenata i dischi freno diventano incandescenti

La frenata rigenerativa assume ancora più importanza in Formula E. In questa categoria i due freni, elettrico e idraulico, presentano comandi separati. Oltre al tradizionale pedale, dietro al volante è presente una leva che azione il motogeneratore. Per gran parte della gara le vetture utilizzano solo la frenata rigenerativa che, agendo esclusivamente sull’asse posteriore a cui è collegato l’albero di trasmissione, causa una scorretta distribuzione delle forze frenanti. Per questo motivo, spesso in fase di frenata le Formula E sono molto instabili al posteriore e tendono a scodare. Inoltre quando è necessaria una frenata più violenta per tentare un sorpasso, si ritorna ad utilizzare l’impianto frenante a disco che però, essendo rimasto inutilizzato per diversi giri, si è notevolmente raffreddato. Di conseguenza la frenata sarà poco efficiente e imprevedibile, causando al pilota grandi difficoltà di controllo della macchina.

Il ruolo del pilota e la ripartizione di frenata

Oltre alla gestione della ricarica delle batterie in gara e in qualifica, di cui si è parlato poco sopra, il pilota deve anche preoccuparsi di regolare la ripartizione di frenata. Di cosa si tratta?

Ogni pneumatico è capace di esercitare un valore massimo di forza longitudinale, oltre il quale si arriva al bloccaggio della ruota. Tale limite dipende, oltre che dalla mescola e dall’usura della gomma, dal carico verticale che agisce sulla ruota: maggiore è il carico, maggiore è la forza esercitabile dallo pneumatico e quindi più violenta sarà la frenata.

A causa dell’inerzia di una massa, quando le ruote esercitano la forza necessaria a rallentare il veicolo, la scocca tende invece a continuare ad andare avanti. Essendo la forza data dal prodotto di massa per accelerazione, per una certa forza frenante che agisce sul;veicolo esso reagirà con una forza contraria e opposta proporzionale alla decelerazione.

Questo fenomeno ha due risvolti. Il primo è che il pilota, dentro l’abitacolo, tende ad andare avanti per inerzia in frenata. Pertanto, nel caso di una decelerazione di 5g, ossia cinque volte l’accelerazione di gravità terrestre,;un pilota di 70;kg di massa, per non venire schiacciato deve esercitare sul volante una forza pari;a quella necessaria a sollevare cinque volte il suo peso, quindi 350;kg!

Il secondo effetto dell’inerzia è che in fase di frenata la maggior parte del peso della vettura ricade sulle ruote anteriori. È possibile infatti vedere che quando le macchine frenano si inclinano in avanti. Dato che la forza frenante esercitabile dalla gomma è proporzionale al suo carico verticale, è;necessario che i freni esercitino forze diverse sul disco per evitare di arrivare al bloccaggio, solitamente in rapporto 60% sull’anteriore e 40% al posteriore. Questo rapporto tuttavia varia con il carico aerodinamico, quindi con la velocità, e con l’intensità della frenata.

Per questo motivo prima di ogni curva il pilota agisce su un manettino del volante per impostare una ripartizione ottimale per la frenata che deve affrontare.

La centralina regola la richiesta di coppia frenante tra i due assali, tenendo in considerazione che sulle ruote posteriori agiscono anche la frenata rigenerativa e il freno motore. Al pilota invece è richiesta una grande sensibilità per percepire il limite attuale delle gomme;e dosare la forza sul pedale del freno (che può superare anche i 2000;N, l’equivalente di 200;kg).

Foto: Reddit – Lat Images

Come si può facilmente capire, la frenata è una fase estremamente delicata e complessa e non è un caso che molti dei piloti più forti della storia fossero degli eccezionali staccatori.

 

Foto: freedomtuningclub, Brembo, Ferrari, Daidegas.it, LAT Images

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Carlo Platella

Nato e cresciuto a Torino, studio ingegneria dell'Autoveicolo nel Politecnico della mia città. Ho una grande passione per il motorsport in tutte le sue forme che mi piace trasmettere negli articoli. Lavoro nella Squadra Corse della mia università con la speranza un giorno di entrare in Formula 1.