2. Mantenimento della "Finestra Operativa" Ottimale

Il sistema frenante in carbonio  presenta una ristretta finestra di utilizzo per funzionare correttamente (di solito compresa tra 350 °C e  550 °C). Per questo motivo, Il compito degli ingegneri Brembo non consiste solo nel prevenire il surriscaldamento, ma anche nel contrastare il sottoraffreddamento:

• Evitare il Sottoraffreddamento: le Temperature troppo basse (sotto i 350 °C) riducono drasticamente  il coefficiente d’attrito e, conseguentemente, la  coppia frenante.

   

• Gestione Aerodinamica Variabile: La dimensione e la  geometria delle prese d'aria vengono  costantemente modificate e  adattate (spesso coprendo parzialmente le  aperture con appositi nastri) a seconda del circuito, del carico aerodinamico e delle  condizioni ambientali, al fine di mantenere i freni all’interno della finestra termica ottimale per tutta la durata della gara.
   

La progettazione dei canali di ventilazione interni dei dischi freno Brembo in carbonio-carbonio (C/C), è un'operazione di ingegneria di altissima precisione che si affida in modo massivo alla Fluidodinamica Computazionale (CFD).

1. L'Obiettivo Primario della CFD: Controllo Termico Uniforme

In un disco C/C, l'obiettivo non è semplicemente quello di raffreddare, ma anche di controllare la temperatura  al fine di garantire che l'attrito si distribuisca in modo omogeneo.

• Massimizzazione del Flusso di Massa: La CFD modella l'aria che entra nei condotti e la distribuisce all'interno del disco, cercando di garantire che il maggior volume d'aria fresca possibile attraversi i canali interni, minimizzando la caduta di pressione.

   

• Distribuzione Uniforme della Temperatura: Il problema tecnico principale è lo stress termico differenziale. La CFD simula mappe termiche dettagliate per ottenere una dispersione del calore il più uniforme possibile: un fattore essenziale per prevenire rotture o usure non omogenee del disco.
   

L’evoluzione dei dischi è perfettamente visibile anche ad occhio nudo:  per aumentare la portata d’aria destinata al raffreddamento, gli ingegneri Brembo hanno progressivamente aumentato il numero dei fori di ventilazione radiali, riducendone al contempo le dimensioni.

Più di vent’anni fa, i dischi Brembo in carbonio disponevano di un massimo di 72 fori: la loro disposizione era organizzata su un’unica fila e il diametro di ciascuno superava il centimetro. Anche grazie ad essi, nel 2002 Michael Schumacher conquistò il Mondiale con 11 vittorie e 17 podi in altrettanti GP disputati.

Nel giro di pochi anni, con l’avanzare degli studi, si raggiunse per la prima volta la tripla cifra: nel 2006 i dischi arrivarono a 100 fori, più piccoli e dalla caratteristica forma ovoidale, allora ritenuta la soluzione ideale. 

Il regolamento del 2007 fissò nuovi vincoli: diametro dei dischi a 278 mm, spessore massimo di 28 mm, raffreddamento consentito esclusivamente tramite aria e divieto di estendere il sistema oltre la parte posteriore della ruota. Queste limitazioni spinsero gli ingegneri Brembo a concentrare ulteriormente la ricerca sull’efficienza del raffreddamento.
 

Già nel 2008, considerando anche lo spessore limite dei 28 mm, si introdusse un nuovo schema di ventilazione: i fori vennero affiancati su due file, con una parte in comune, dando vita a una serie di elementi simili ad un “8” rovesciato. Oltre al nuovo disegno, il numero totale raddoppiò, raggiungendo i 200 fori per disco.

Nel 2010, una volta introdotto il divieto di rifornimento in gara, crebbero le misure dei serbatoi e di conseguenza anche il peso minimo delle monoposto, da 605 kg a 620 kg. Furono rimodulati gli studi sull’impianto frenante, per assicurare un elevato standard di efficienza sia a vetture scariche che a pieno carico e, conseguentemente, il numero di fori tornò in subordine.

Due anni dopo, la FIA proibì l’utilizzo dei diffusori soffiati, diminuendo così il carico aerodinamico al posteriore. Per effetto di ciò, la ripartizione della frenata si spostò ancora di più sull’anteriore e, pertanto, per affrontare le maggiori sollecitazioni senza rischiare il surriscaldamento, Brembo moltiplicò il numero dei fori.

Grazie alla fluidodinamica computazionale (CFD), cioè lo studio della fluidodinamica attraverso i computer, ma anche ai progressi nel campo della lavorazione meccanica del carbonio, nel 2012 il numero dei fori di ventilazione di ciascun disco freno salì a 600, attraverso la comparsa di una terza e una quarta fila di fori, riducendone il diametro ed eliminando la sovrapposizione che rubava superficie a contatto con l’aria.

Nel 2013, approfittando di una sostanziale stabilità normativa, Brembo introdusse una nuova tipologia di carbonio per i dischi: rispetto al precedente CCR, il CER garantì una massima rapidità nel raggiungimento della temperatura di esercizio, un ampio range di utilizzo e una risposta molto lineare.

Anche in occasione della rivoluzione regolamentare del 2014, Brembo non si fece trovare impreparata. In quella stagione tornarono i motori turbo, assenti dal 1988, ma la cilindrata fu limitata a 1,6 litri e la rotazione a 15.000 giri al minuto. Inoltre, fu introdotta la tecnologia ibrida, attraverso due motori elettrici, e il peso minimo dell’auto fu portato da 642 kg a 691 kg.

L’incremento notevole della massa portò alla necessità di riprogettazione dell’impianto frenante, a causa anche dell’introduzione del Brake by Wire. Ciò nonostante, venne affiancato anche da un ulteriore miglioramento della ventilazione, con il numero dei fori di ciascun disco che superò quota mille.

Nel 2016, per la prima volta,  la spinta all’estremizzazione del  design permise di raggiungere la soglia record di 1.100 fori per ciascun disco. Fu il preludio di una nuova sfida, poiché   nel 2017 la larghezza delle vetture tornò a 2 metri esatti, aumentando di 20 cm in una volta sola. Crebbe  anche la larghezza dell’ala anteriore e  degli pneumatici, il che si tradusse in maggiori performance, anche per quanto riguarda  la coppia frenante, cresciuta del 25 per cento.

Il regolamento tenne conto di questo incremento prestazionale e portò lo spessore dei dischi freno da 28 mm a 32 mm. Il maggiore spessore permise quindi di incrementare ulteriormente i fori di ventilazione, determinando un’ulteriore evoluzione del sistema di raffreddamento degli impianti. E così, a partire dal biennio 2017- 2018, i fori per ogni disco divennero 1.260.

Tuttavia, i team potevano optare tra tre diverse soluzioni dei dischi Brembo, a seconda delle temperature previste durante ciascun Gran Premio e della strategia di gara adottata. Tutto ciò divenne ancora più evidente nel 2020 con l’offerta di sei soluzioni di dischi in carbonio, utili a fronteggiare le prestazioni in continua crescita delle power-unit.

Per l’anteriore, i team potevano scegliere tra i dischi “Very High Cooling”, con 1.470 fori disposti su 7 file, i dischi “High Cooling”, da 1.250 fori disposti su 6 file e i dischi “Medium Cooling”, da 800 fori disposti su 4 file. Per ciascuna ventilazione era inoltre disponibile la variante con la lavorazione sul diametro esterno, il cosiddetto “groove”, che crea una sezione divergente nella parte esterna del disco per ulteriori vantaggi aerodinamici.

Le 6 specifiche di ventilazione per l’assale anteriore sono tornate ad essere solamente un paio  con l’ultimo cambio regolamentare:: il peso minimo delle vetture è passato da 752 kg a 798 kg, l’aerodinamica è mutata e sono state adottate ruote da 18 pollici, invece di quelle da 13 pollici.

Il nuovo regolamento tecnico è andato  ad incidere anche sugli impianti frenanti, sia aumentando il diametro dei dischi, da 278 mm a 328 mm all’anteriore e da 266 mm a 280 mm  al posteriore, che accrescendo lo spessore degli stessi, portato a 32 mm rispetto ai 28 mm della passata stagione. 

Anche l’architettura è cambiata, perché sono stati vietati i fori di raffreddamento sulle pastiglie e, inoltre, è stato imposto un diametro minimo di 3 mm per i fori sui dischi. Ciò si è ripercosso sul numero di fori, che in passato  misuravano 2,5 mm di diametro,  portando per la prima volta ad una riduzione del loro numero complessivo : dai 1.470 del 2021 agli attuali 1.050.

Una sorta di “stop and go” in attesa di un ulteriore scatto, atteso per  la prossima stagione, sempre in nome dello smaltimento termico: il nemico numero uno della Formula 1.