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2021 Frenata Apparente-L’importanza dell’impianto frenante in ottica aumento peso e bagarre.

Il regolamento tecnico per il 2021 a seguito dell’abolizione di alcuni prevede ancora un aumento del peso delle monoposto stimato di circa 5 kg per la sola power unit.

L’aumento generale di peso della vettura ovviamente influenza anche le prestazioni dinamiche di cui l’impianto frenante è parte essenziale.

Cerchiamo in questo articolo di fare una panoramica come di consueto per SalaStampaF1.com in un modo quanto più originale possibile senza snaturare lo stato dell’arte.

I regolamenti della F1 pongono diversi paletti sulla realizzazione dei componenti dell’impianto frenante. Per esempio, la pinza deve essere costruita con una lega di alluminio (con modulo di elasticità minore di 80 GPa), deve avere solo due punti di attacco al portamozzo e non può alloggiare più di 6 pistoncini (tre per lato di ogni disco) di sezione circolare.

Il progetto delle pinze freno è un processo piuttosto lungo che coinvolge tante aree di sviluppo, dall’aerodinamica, alla meccanica strutturale per finire alla ricerca continua di materiali quanto più possibili prestazionali e funzionali.

Generalmente il peso di una pinza delle attuali F1 è circa 1kg con uno stress termico non indifferente da sopportare; le sue straordinarie prestazioni in termini di peso e prestazione frenante sono per larga scala attribuibili al materiale di cui sono composti, ovvero il  Carbon-Carbon con straordinarie proprietà fisiche.

La natura del Carbon-Carbon è estremamente eterogenea e non dispone di una letteratura che ne possa permettere una trattazione teorica e/o analitica.

I materiali Carbon-Carbon costituiscono una classe particolare di materiali compositi in cui le fibre di carbonio sono sostenute da una matrice grafitica. Ciò che li distingue dai più comuni laminati a matrice polimerica è la loro capacità di resistenza ad elevate temperature.

Fig: Tabella proprietà alcuni materiali

Nei freni automobilistici la pinza freno è solidale al telaio ed è sede delle pastiglie frenanti, mentre il disco è solidale alla ruota. Durante la frenata il sistema idraulico aziona i pistoncini della pinza che premono le pastiglie contro il disco in movimento. La forza d’attrito generata è direttamente proporzionale alla pressione esercitata e innesca una coppia frenante capace di arrestare il moto del veicolo. Le principali componenti di un freno di una Formula 1 sono mostrate in figura:

Figura: schema generale componenti sistema frenante

Nonostante le grandi qualità dei materiali utilizzati ci sono dei limiti fisici che in casi di utilizzo estremo dell’impianto frenante possono evidenziare durante i gran premi;  anche durante il 2020 abbiamo spesso assistito a problemi relativi agli impianti frenanti e la maggior parte di essi è da imputare al surriscaldamento; infatti un disco di F1 può operare ad altissime temperature vicine ai 1000°C ma questo non significa che queste temperature estreme possono essere assorbite per tutte le grandi frenate di un gpx completo, di fatto con un uso non lungimirante dei freni e quindi surriscaldamento, si va in contro al fenomeno del mechanical wear, ovvero usura meccanica.

Figura: sistema generico di flussi in impianto frenante

Questo spiega le varie procedure sia degli out lap che dei giri di schieramento per cercare di far entrare i dischi in quel range di temperatura funzionale che consente le grandi staccate. Per far ciò ci sono oltre una dozzina di sensori tra disco e pinza che consentono di monitorare la temperatura del sistema frenante.

Sfruttando l’analisi FEM in modo continuativo durante lo sviluppo di progetto e operando azioni di ottimizzazione di forma e ottimizzazione topologica, è stato possibile nel corso degli ultimi anni a  sottrarre del materiale alla pinza freno, senza però penalizzare la rigidezza.

Fig: mesh di calcolo pinza

La ricerca e lo sviluppo ovviamente non si ferma e soprattutto negli ultimi anni abbiamo visto come i flussi d’aria derivanti dalle zone frenanti sono molto importanti per tutta la dinamica del veicolo in quanto influenzano  temperature degli pneumatici e quindi dinamica, per tale ragione rilanciamo l’idea di un 2021 con ingredienti tecnici che apparentemente sembrano identici al fine di mantenere le attuali distanze prestazionali ma che potrebbero riservarci delle sorprese in termini di partecipazione al gradino più alto del podio.

Ing. Daniele Musco

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