Pastiglie freni auto: scopriamo come vengono costruite

In viaggio negli stabilimenti Ferodo scopriamo cosa è cambiato negli anni e come si evolveranno le pastiglie in futuro

19 giugno 2013 - 13:00

Il più grande stabilimento italiano che produce e distribuisce pastiglie per freni in tutto il mondo ha aperto le porte a SicurAUTO.it. Con i tecnici Ferodo (brand della multinazionale Federal-Mogul) abbiamo scoperto quanta tecnologia si nasconde dietro un piccolo ricambio al quale affidiamo la nostra sicurezza ogni volta che saliamo in auto. Cosa è cambiato dall'abolizione dell'amianto ai giorni d'oggi? E' vero che i freni nuovi vanno ancora rodati? A queste e le altre domande poste dai nostri lettori qui daremo risposta in questo articolo.

I FRENI ERANO DI LEGNO – L'invenzione delle primordiali pastiglie per freni, attraverso la scoperta dei primi materiali d'attrito, è avvenuta grazie alla scarsa attenzione che i Costruttori davano ai freni delle auto e ancor prima a quelli delle carrozze, data la ridotta velocità dei mezzi di trasporto. I primi ceppi (per forma e funzione simili agli attuali freni a tamburo) furono realizzati in Inghilterra da Herbert Frood nel 1897, che trovò il modo di realizzare delle strisce di tessuto imbevute di olio minerale molto più affidabili dei sistemi di pelle, legno e metallo, che invece si usuravano presto e funzionavano male in base alla variabilità meteorologica. La sua scoperta, basata sul migliore coefficiente di attrito delle tele recuperate da scarti dell'industria tessile di famiglia, fu perfezionata e adeguata a tutte le dimensioni delle ruote in circolazione, pressando e riscaldando la fibra minerale ottenuta. Dopo molte sperimentazioni nel laboratorio del giardino di casa, Frood decise di brevettare la sua invenzione nel 1901 ma solo anni più tardi (nel 1920) nacque il marchio Ferodo, anagramma del suo cognome con l'aggiunta della lettera “e”. Da quel momento il marchio è diventato il principale riferimento dei materiali d'attrito nel Regno Unito, un'abitudine ancora oggi molto diffusa soprattutto tra gli autoriparatori “di vecchia scuola” che parlano di freni.

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ADDIO AL RAME DOPO L'AMIANTO – Lo stabilimento di Mondovì (Cuneo), che oggi produce le pastiglie freni di primo impianto e aftermarket per le maggiori Case costruttrici di auto, nasce nel 1964, quando per la prima volta una fabbrica di materiali di attrito per freni esce al di fuori del Regno Unito. Subito l'azienda stringe i primi rapporti con i protagonisti del settore dei trasporti, diventando fornitore Original Equipment Fiat e poi di Trenitalia e di molte altre Case costruttrici. Dagli anni '80, quando l'amianto è stato messo al bando, i tecnici Federal-Mogul hanno iniziato a sperimentare i materiali meno tossici che potessero sopperire all'eccellente resistenza al calore delle fibre minerali vietate. Come ci sono riusciti lo scopriremo più avanti, quando capiremo come e perché anche il rame sparirà nei prossimi anni dai freni con le nuove pastiglie “Eco Friction”, fiore all'occhiello della produzione italiana a marchio Ferodo.

DA 8 A 25 INGREDIENTI – Anche se sembrano tutte uguali, in realtà le pastiglie per freni sono composte da un mix di ingredienti variabile in base alle caratteristiche fisico-meccaniche che dovrà garantire il “pad” in termini di sicurezza, comfort e durata. Nel reparto di produzione Ferodo abbiamo assistito alle principali fasi a valore aggiunto, suddivise in preparazione del supporto e del mix di materiali, stampaggio delle pastiglie e finitura del prodotto. Da quando l'amianto è divenuto fuorilegge, gli ingredienti utilizzati per produrre freni sono triplicati poiché col tempo si sono trovate soluzioni non solo alla necessità di dissipare adeguatamente il calore ma anche a ridurre la rumorosità e mantenere inalterata l'efficienza della frenata nel tempo. I materiali impiegati oggi sono fibre organiche, fibre metalliche, fibre naturali, leganti, abrasivi (aumentano il coefficiente d'attrito e puliscono la superficie di contatto), lubrificanti (assicurano silenziosità e longevità ai freni) e ossidi o solfiti, che svolgono un ruolo chiave nel periodo post-amianto.

TUTTO INIZIA DALLA POLVERE – La fase iniziale della produzione di pastiglie consiste nella preparazione della placchetta metallica, in gergo “back plate” (giunge in fabbrica già pronta) su cui aderisce il materiale d'attrito. Prima d'incontrare il mix d'ingredienti però il supporto metallico è cosparso di un collante specifico che garantisce il giusto sostegno anche durante le frenate più intense. Quando i freni si scaldano molto a farne direttamente le spese è il liquido del circuito in cui potrebbero formarsi delle bolle di gas per il calore ceduto dai dischi (fenomeno favorito dalla mancata sostituzione del liquido quando indicato dalla Casa costruttrice). E' il caso in cui il pedale del freno diventa spugnoso e la frenata lunga e inefficace. Per limitare il trasferimento del calore tra il supporto metallico e il materiale d'attrito viene posto uno strato isolante (“underlayer”) che ha caratteristiche molto simili allo strato d'attrito.

SINTERIZZAZIONE A 2 VELOCITA' – Il mix segreto d'ingredienti viene accuratamente pesato da un operatore che identifica tutti i materiali con un codice a barre specifico. Il composto poi finisce in un enorme mixer molto simile a un frullatore casalingo. All'interno del mixer gli ingredienti permangono a una temperatura e per un tempo variabile in base alla composizione del mix preparato. In forme specifiche in base alle richieste dei clienti, le pastiglie prendono forma attraverso due presse differenti, una più lenta, che richiede circa 3 minuti e una più veloce che impiega appena 20 secondi, applicando però il doppio della forza. Le prestazioni in termini di sicurezza ed efficienza frenante sono identiche, secondo i tecnici Federal-Mogul, ma l'elemento distintivo sembrerebbe la durata, come traspare dagli approfondimenti più avanti.

IL RODAGGIO AVVIENE IN FABBRICA – L'ultima fase del flusso di produzione consiste nella personalizzazione (o customization) in cui ogni pastiglia, dopo essere stata controllata automaticamente nello spessore, viene rettificata per dare la forma definitiva alla superficie di contatto e ai bordi (chamfering – smussatura) e viene verniciato il retro della back plate (painting – verniciatura) su cui sono stampate le specifiche di omologazione e applicazione sul singolo veicolo. In successione sulla stessa linea avviene il trattamento che rende la pastiglia subito pronta all'uso, senza dover più rodare i freni, una credenza che si tramanda ancora chiacchierando al bar con gli amici. Lo “scorching” è un trattamento termico che tra 500 e 700 °C degrada la parte organica del materiale d'attrito sulla superficie di contatto, che offrirà fin da subito le stesse prestazioni di una pastiglia rodata. E' inteso che una buona frenata non viene solo montando le più sofisticate e nuove pastiglie in commercio ma anche dal controllo della pressione e dell'usura degli pneumatici, dei dischi (e tamburi) e dell'inquinamento del liquido freni, argomenti che abbiamo approfondito più avanti con i tecnici Federal-Mogul. Infine sono applicati sul retro della placchetta metallica dei dispositivi antirumore (lacche base-gomma, lamelle a base cellulosa, lamelle gomma-fiberglass, lamelle in strati di gomma-acciaio armonico alternati) per smorzare i fischi che si producono in frenata.

WORK IN PROGRESS SU FIAT 500L – Dietro una pastiglia Ferodo si cela una fase di ricerca, progettazione e prove su strada che può durare da alcuni mesi a due anni. Presso il laboratorio R&D dello stabilimento Ferodo di Mondovì abbiamo visto da vicino una delle piattaforme di prova su cui vengono testati i materiali d'attrito, specificamente studiati per ogni modello di auto. Una Fiat 500L (leggi il nostro test drive) stracolma di sensori e carica di unità di elaborazione è il laboratorio che trasmette sottoforma di dati il comportamento dei freni in fase di test. Su un circuito i tecnici Federal-Mogul misurano la distanza di arresto, la pressione del liquido su ogni singolo pistoncino, la rumorosità, la temperatura del liquido e una miriade di altri parametri prima che un nuovo kit di pastiglie possa meritare il reparto produttivo. I test condotti a Mondovì trovano conferma anche nei laboratori di analisi europei degli stabilimenti in Inghilterra, Stati Uniti, Germania e Cina, ognuno dei quali dotati di sofisticati banchi prova a rulli dinamometrici.

LA COMPARATIVA DEI FRENI – Un test comparativo condotto dall'istituto inglese MIRA, che si occupa di consulenza, ricerca e sviluppo e test in ambiti molto diversificati, dall'automotive alla difesa, ha messo a confronto le pastiglie Ferodo Premium di primo equipaggiamento con i concorrenti in diversi contesti di prova. Dallo spazio di frenata alla corsa del pedale, dalla sensibilità alla durata, i test sono stati condotti rigorosamente in condizioni standard di prova su diverse categorie di veicoli. Nella prova su bagnato, effettuata con Ford C-Max, la riduzione del coefficiente di attrito delle pastiglie Ferodo è stata del 26%, seguite dal 29% e 39% dei concorrenti, fino al -60% delle pastiglie che hanno frenato meno quando inondate d'acqua. Questo primato trova conferma anche nella prova di arresto totale da 80 e 160 km/h, in cui la C-Max utilizzata a pieno carico si è arrestata da 1,2 a 21,6 metri prima dei maggiori concorrenti aftermarket. I dettagli sulle prove di rumorosità, durata e sensibilità della comparativa le trovate in video e in gallery.

Durante la visita allo stabilimento Ferodo di Mondovì abbiamo incontrato Holger Schaus, Director Application Engineering & Testing Federal-Mogul e Silvano Veglia, Marketing Director Federal Mogul, che hanno risposto a tutte le nostre domande, tra cui le curiosità dei lettori.

C'è correlazione tra l'assenza di amianto nelle pastiglie freno e la rumorosità?

“C'è stata indubbiamente questa tendenza nei primi anni del 'senza amianto'. Ovviamente più amianto c'era nei freni e meglio si dissipava il calore. Quando si è scoperta la tossicità dell'amianto, Federal-Mogul ha iniziato a produrre senza questo materiale ancora prima che venisse bandito e non è stato facile trovare il giusto mix di elementi sostitutivi per raggiungere la performance ideale. Oggi il problema non esiste più perché si è trovato il modo di sostituire l'amianto con almeno una decina di materie prime, tra cui polietilene, lana di roccia ed altre fibre sintetiche che, combinate tra loro, ne replicano l'effetto”

Perché su molte auto si utilizzano ancora i freni a tamburo in luogo di quelli a disco, nonostante la migliore efficienza di questi ultimi? E' solo una questione economica?

“Principalmente è una questione economica perché comunque sia il freno a tamburo costa meno del freno a disco, ma in alcuni casi anche di marketing. E' vero anche che negli ultimi anni abbiamo assistito a una tendenza di ritorno al tamburo e a un passaggio al disco più lento rispetto a quanto si pensasse circa 10 anni fa. Sono tanti i nuovi veicoli ancora progettati con i freni a tamburo dietro e questo è vero non solo per le auto ma anche per i veicoli commerciali dove il 'replacement trend' non è così veloce come le auto e il motivo è fortemente legato a un fattore economico. Dobbiamo anche ricordare che la forza frenante sulle auto è ripartita al 70% davanti e al 30% dietro, quindi al posteriore sono richieste performance meno spinte che all'anteriore. I tamburi inoltre durano di più e questo influisce ulteriormente sull'aspetto economico. I Premium Brand come Volkswagen e Bmw scelgono i freni a disco anche per una questione di marketing perché sono più belli (quando sono installati i cerchi in lega, ndr). Mentre la stessa Volkswagen su Seat e Skoda monta ancora il tamburo su alcuni modelli di piccolo segmento”

Perché state producendo pastiglie Eco-friction senza rame?

“L'eliminazione del rame è dovuta ad un fattore legislativo che nel 2021 in America imporrà la riduzione del rame nelle pastiglie per freni, fino a una concentrazione inferiore al 5% per poi bandire completamente questo materiale nel 2025 'zero rame'. Alcuni Costruttori europei, tra quelli maggiormente presenti sul mercato americano (Volkswagen, Mercedes, Ford) hanno recepito in anticipo questa legislazione futura, chiedendoci di realizzare materiali di attrito 'copper-free' per tutte le loro piattaforme (le prime pastiglie senza rame saranno montate sulle future Mercedes C e Audi A4,A5, A6, A8, Q5 e Q7 dal 2014 per poi coprire progressivamente anche il settore dei ricambi aftermarket, ndr)”

Quale materiale svolgerà la funzione del rame?

“Il rame serviva a creare una patina sul disco come superficie di contatto con la pastiglia e proteggerlo dall'abrasione del materiale d'attrito. Oggi questa funzione è assolta da differenti solfiti”

C'è rimedio alla vetrificazione delle pastiglie o resta un limite del materiale d'attrito usato?

“Il fenomeno della vetrificazione è fortemente influenzato dalla qualità delle materie prime. Per evitarla l'indicazione è orientarsi su pastiglie che resistano meglio alle variazioni di temperatura”

Queste prestazioni le troviamo in tutti i livelli di pastiglie prodotte da Federal-Mogul?

“Sia che siano premium (Ferodo, ndr), mid-range (Wagner, ndr) o entry (Duron, ndr) la performance propria del materiale d'attrito non lascia spazio a compromessi. E' chiaro che le mid-range e le entry hanno una durata minore, non hanno tutti i dispositivi antirumore; hanno un prezzo diverso ma non sulla performance in termini di sicurezza”

Cosa ci può dire del liquido per freni? E' allo studio una nuova tecnologia più resistente al degrado temporale e meno igroscopica?

“I liquidi per freni sono regolati dagli standard internazionali SAE J. Esistono già differenti tipi di liquido freni, da DOT3 a DOT5.1 con differente punto di ebollizione e viscosità. Oltre a utilizzare un liquido che rispetti le specifiche, noi consigliamo sempre di controllare ad intervalli regolari sia la quantità (livello, ndr) sia l'umidità (punto di ebollizione, ndr). Sconsigliamo di effettuare i controlli empirici ma di usare strumenti tester professionali. Esistono in commercio delle penne biro economiche che, se inserite nella vaschetta dell'olio per freni, danno una valutazione del grado di umidità attraverso dei led verde, giallo e rosso. Noi abbiamo testato queste penne e un liquido efficiente per la penna no nera ottimale per il tester che si collega alla batteria del veicolo (i tester professionali misurano con precisione il punto di ebollizione del liquido riscaldandolo, invece che misurare l'umidità attraverso le molecole d'acqua, ndr). Il liquido freni non deve mai bollire. Se contiene acqua si creano delle bolle di vapore per effetto del calore: quando il guidatore preme il freno, non si comprime l'olio che aziona i pistoni delle pinze ma si comprimono le bolle di gas. In questi casi la forza applicata con il piede non si trasferisce ai freni. La mancata sostituzione dell'olio freni secondo le indicazioni della Casa costruttrice è molto frequente e pericolosa soprattutto nel faidate”.

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