Ecco perché nelle massime competizioni motoristiche non si può fare a meno del carbonio

15/11/2018

In Formula 1 i freni in carbonio si usano sin dagli anni ‘80 e oggi la maggior parte delle massime competizioni motoristiche fanno ricorso a questo materiale d’attrito per dischi e pastiglie freno. Come avrete certamente intuito, ci troviamo di fronte al Sacro Graal dei materiali frenanti.

Nessun altro elemento offre, infatti, quella combinazione di leggerezza, elevata conducibilità termica e assenza di dilatazioni in temperatura che contraddistingue il carbonio.

Tali caratteristiche si traducono in un elevato coefficiente d’attrito, nella stabilità e costanza delle prestazioni e nella dissipazione del calore pressoché istantanea.

Per conoscerlo meglio, eccovi 5 curiosità sull’uso di questo elemento.


 

IL CARBONIO NON E’ ESCLUSIVA DELLA FORMULA 1

L’incredibile potenza frenante di cui dispongono le moderne monoposto di Formula 1 – da 300km/h a 0 in meno di 3 secondi– non può prescindere dall’utilizzo di dischi e pastiglie in carbonio.

I freni in carbonio non sono però un’esclusiva della Formula 1 ma vengono impiegati da decenni anche dai prototipi che gareggiano alla 24 Ore di Le Mans e nelle altre gare del WEC (World Endurance Championship).

Per far rendere al meglio il carbonio nelle gare di durata c’era però da superare la problematica principe di quest’applicazione, l’usura! Il materiale d’attrito infatti deve reggere l’impiego protratto per 24 ore, a fronte di un massimo di 2 ore per i Gran Premi F1.

Una vera e propria sfida per Brembo, che ha realizzato soluzioni ad hoc per adattarsi al meglio a vetture più pesanti e a un contesto non legato solamente alla pura performance: il diametro dei dischi è diverso, perché in questo caso i cerchi da 18” consentono di salire fino a 380mm di diametro, ma lo spessore è comunque di 32mm.

 

​Lo sviluppo principale degli ultimi anni, quindi, ha riguardato principalmente la riduzione dei consumi, con lo sviluppo di materiali a bassa usura. In una corsa di 24 ore può risultare “decisivo” evitare la sostituzione in gara di dischi e pastiglie usurati risparmiando tempo prezioso.

Grazie all’introduzione di un nuovo materiale d’attrito, che ha aumentato notevolmente le percorrenze e garantito una più efficace conducibilità termica, già nel 2001 Brembo ha consentito all’Audi R8 del Team Joest guidata da Frank Biela, Emanuele Pirro e Tom Kristensen di concludere la gara in prima posizione, senza sostituire dischi e pastiglie nemmeno una volta.

L’usura incredibilmente bassa ha permesso inoltre, negli ultimi anni, di mantenere le prestazioni inalterate e ripetibili da inizio a fine gara.
 

E al carbonio si affida anche la Formula E, categoria che a partire dalla quinta stagione (2018/19) avrà come produttore esclusivo dell’impianto frenante proprio Brembo.

Per meglio assecondare le esigenze di una vettura completamente elettrica, il carbonio impiegato risulta differente da quello in uso in Formula 1 e nel WEC.

Inoltre, lo spessore dei dischi in carbonio della Formula E è decisamente ridotto: 24mm per l’anteriore, 20mm per il posteriore.


 
 

IL CARBONIO E’ IMPIEGATO ANCHE SULLE MOTO

Oltre che nelle principali categorie automobilistiche, i dischi in carbonio sono utilizzati anche nel Motomondiale, ma solo in MotoGP.

Questa materiale ha fatto il suo timido esordio nella classe regina nel 1988 e nell’arco di un lustro è diventato lo standard assoluto.

Troppo grande la differenza di prestazioni, oltre che di peso (i freni sono masse non sospese) e di feeling, con i dischi in acciaio utilizzati in precedenza.

Oggi in MotoGP la maggior parte dei piloti preferisce dischi da 340 mm, dividendosi tra High Mass (a fascia alta) e Standard (a fascia bassa).

Per assicurare la medesima coppia frenante ed ottenere un ulteriore alleggerimento, sono stati introdotti anche i dischi da 340 mm Light.

Altri invece continuano ad utilizzare i dischi da 320 mm. Inoltre, per ciascun formato di disco freno e pastiglia, sono disponibili due diversi compuond che differiscono per bite iniziale e resistenza alle alte temperature.

In un’applicazione dove il feeling in frenata è determinante per pilota sono complessivamente ben 10 le diverse opzioni che Brembo mette a disposizione nella scelta dei dischi freno. L’assenza dei dischi in carbonio in Moto2 e Moto3 è invece legata al contenimento dei costi.

Analoga motivazione è alla radice dell’esclusione del carbonio dal Campionato Mondiale Superbike a partire dal 1994: in quest’ultimo campionato si usano dischi in acciaio inox, la maggior parte dei quali realizzati da Brembo.


 

IL CARBONIO: L’ELEVATA CONDUCIBILITÀ SPINGE LA VENTILAZIONE

Uno degli aspetti più critici per l’impianto frenante delle monoposto di Formula 1 è sempre stata la gestione delle temperature d’esercizio. Per soddisfare al meglio l’esigenza di dispersione del calore, la ventilazione dei dischi Brembo in carbonio ha subito una costante evoluzione.

Nel 2005 ciascun disco disponeva di un centinaio di fori di ventilazione mentre ora, complice la riduzione progressiva delle loro dimensioni, superano le 1.400 unità. I fori attuali dei dischi Brembo in carbonio misurano 2,5 millimetri di diametro, sono disposti su 4 o 5 file e vengono realizzati con una tolleranza di lavorazione di soli 4 centesimi di millimetro.

Forma e numero sono legati alle caratteristiche delle monoposto su cui verranno impiegati, infatti, attraverso la CFD (Computational Fluid Dynamics) vengono sviluppate le ventilazioni in accordo con le caratteristiche delle singole vetture.

 

Nei prototipi ibridi LMP1, dove la rigenerazione in frenata è maggiore che in Formula 1, i fori di ventilazione sono meno numerosi.

In Formula 1 infatti la temperatura dei dischi può raggiungere picchi di oltre 1.000 gradi centigradi durante la frenata, mentre alla 24 Ore di Le Mans spesso il problema è opposto perché di notte e in regime di neutralizzazione si corre il rischio che la temperatura degli impianti scendano al di sotto dei 300 gradi centigradi, limite sotto il quale si può arrivare al temuto glazing del materiale d’attrito.

Per le Formula E, invece, poiché le temperature massime sono di circa 800 gradi centigradi i dischi Brembo in carbonio dispongono al momento di appena 70 fori di ventilazione da 6,2 mm di diametro sui dischi anteriori e di 90 fori da 4,2 mm di diametro sui dischi posteriori.


 

IL CARBONIO FUNZIONA ANCHE SUL BAGNATO

Da quando i dischi in carbonio sono stati impiegati in pianta stabile in Formula 1 i piloti non sono più riusciti a farne a meno, nemmeno in caso di pioggia.

Nonostante l’abbassamento delle temperature, dovuto alla riduzione del grip per l’asfalto umido e il diretto contatto con l’acqua che aumenta lo scambio termico, infatti, l’enorme potenza frenante di cui dispongono queste monoposto permette ai piloti di raggiungere in poche frenate durante il giro di allineamento la temperatura ottimale di esercizio solo con lievi parzializzazioni delle prese d’aria.

In ambito motociclistico però la situazione era differente, i dischi freno girano in aria libera e si raffreddano molto più velocemente, inoltre, la presenza di sole 2 ruote impedisce di scaricare a terra l’intera forza frenante esercitata dall’impianto Brembo in carbonio.

 

Brembo però non ha mai cessato di migliorare i processi produttivi dei propri materiali e così, complici l’incremento di potenza delle moto, i pneumatici più performanti e l’uso di coperture per i dischi, è riuscita nell’impresa impossibile: al GP Giappone 2017, nonostante la pioggia che non ha dato tregua ai piloti per tutti i 24 giri, abbattendo la temperatura dell’asfalto a soli 15 gradi centigradi, i primi 9 al traguardo hanno utilizzato i dischi in carbonio.


 

SU STRADA MEGLIO IL CARBONIO-CERAMICO

Pur assicurando i notevoli benefici sopra elencati nella guida in pista, i dischi in carbonio risultano inadeguati all’utilizzo su strada. Lo sono anzitutto in termini di prestazioni perché la guida quotidiana non permette all’impianto frenante di raggiungere le temperature minime di esercizio di cui avrebbe bisogno il carbonio.

Un altro fattore che ne esclude l’utilizzo sulle auto stradali è l’elevato consumo: durante la 24 Ore di Le Mans lo spessore dei dischi in carbonio di un prototipo si riduce di 3-4 mm e quello della pastiglia di 8-10 mm.

Pur riconoscendo consumi inferiori sulle supercar stradali, la durata sarebbe comunque troppo bassa per giustificarne la spesa.

Già perché un altro limite dei dischi in carbonio è il costo decisamente elevato, come dimostra la loro esclusione da molti campionati sia auto che moto non di primissimo piano.

 

​Per portare, almeno in parte, molti dei numerosi benefici offerti dal carbonio, anche sulle vetture stradali sono nati i dischi in carbonio-ceramico di cui Brembo, attraverso Brembo SGL Carbon Ceramic Brakes una joint venture con SGL Group, è il principale produttore mondiale.


I dischi in carbonio-ceramico consentono risparmio di peso è di 5-6 kg rispetto a un disco tradizionale in ghisa, la durata può arrivare, a seconda del tipo di guida, ad essere addirittura pari alla vita della vettura su cui sono montati e la riduzione dello spazio di frenata da 100 km/h a 0 km/h è di circa 3 metri.

Inoltre i dischi Brembo in carbonio-ceramico sono resistenti alla corrosione, non distorcono in temperatura, non presentano vibrazioni, sono affidabili anche in caso di pioggia ed offrono la stessa forza frenante anche dopo azionamenti ripetuti e alle basse temperature.

 

 

 

 

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