In tanti decenni di motorismo sportivo, l’automobile è stata oggetto delle più disparate evoluzioni tecniche. Ogni area di progetto ha subito radicali evoluzioni: dai telai ai motori, dagli pneumatici ai materiali, dall’aerodinamica ai sistemi di trasmissione e così via. Evoluzioni, ovviamente, intese ad elevare le prestazioni delle vetture. I freni, in questo senso, costituiscono una componente vitale: frenare forte e in spazi sempre più ristretti, infatti, è uno dei fattori determinanti affinché si incrementi la suddetta prestazione. Insomma, frenare più forte per andare più veloce.
Vetture estremamente veloci esistono sin dagli Anni ’20 e ’30, vetture in grado, cioè, di toccare e superare i 200-300 km/h; parimenti, esistono motori altrettanto potenti da moltissimi decenni. Gli impianti frenanti – benché debbano essere sempre contestualizzati e considerati, pertanto, lo stato dell’arte relativamente ad ogni singola epoca storica – per tanti anni non hanno tenuto il passo evolutivo di altre aree di progetto, ad iniziare proprio dai motori. Motori potenti, auto sempre più veloci ma, spesso, limitate nelle prestazioni da capacità frenanti non particolarmente esuberanti: in sostanza, spazi di arresto ancora eccessivamente dilatati. Frenare presto e per tanto tempo, infatti, significa disperdere decimi, secondi preziosi al giro. Ed il cronometro, inevitabilmente, ne risente. La comparsa dei freni a disco – ereditati dal campo aeronautico –, pinze sempre più efficienti, l’introduzione dei dischi in carbonio (Carbon-Carbon) e gli ulteriori, numerosi affinamenti (ancora in atto) hanno reso e rendono i moderni impianti frenanti “armi micidiali” in mano a tecnici e piloti, curati in ogni dettaglio: dai dischi alle pinze, dall’aerodinamica alla fattura dei cestelli, tutti elementi finalizzati ad una sempre più efficace ottimizzazione della frenata, dello smaltimento del calore e del riscaldamento dei cerchi, quindi degli pneumatici.
Il Regolamento Tecnico FIA Formula 1 norma i freni attraverso l’Articolo 11 (ARTICLE 11 : BRAKE SYSTEM). Le caratteristiche principali e salienti, ovviamente, investono la fattura dei dischi e delle pinze. I dischi debbono presentare un diametro massimo pari a 278 mm ed uno spessore massimo di 32 mm. Sino al 2016, lo spessore massimo del disco era di 28 mm. Le pinze, invece, debbono presentare un massimo di 6 pistoncini a sezione circolare. Si contempla un singolo disco ed una singola pinza per ciascuna ruota (in passato, ad esempio negli Anni ’70 e ’80, le pinze potevano essere sdoppiate).
Il Regolamento Tecnico ACO-FIA World Endurance Championship LMP1 (ART. 14: Brake System), invece, contempla – tanto per le LMP1 ibride quanto per le LMP1 non ibride – dischi freno di dimensioni sensibilmente maggiori rispetto a quelli in uso in F1. Il diametro massimo, infatti, è pari a 15 pollici, equivalenti a 381 mm. Lo spessore è libero. Parimenti a quanto vigente in F1, sono ammessi un solo disco ed una singola pinza per ciascuna ruota. Le pinze debbono presentare un massimo di 6 pistoncini a sezione circolare. Le medesime caratteristiche contraddistinguono anche i Prototipi di classe LMP2. Il maggior diametro dei dischi freno delle biposto LMP1 e LMP2 è una diretta conseguenza del diametro – altrettanto maggiore rispetto alla F1 – dei cerchi: massimo 18 pollici per le LMP1 e LMP2, 13 pollici per le monoposto di F1. Tanto in F1 quanto nel WEC – fronte Prototipi LMP1 e LMP2 – si fa ricorso a dischi in carbonio (il materiale di realizzazione di dischi e pasticche è libero). Le LMGTE, invece, impiegano – come prescritto dal Regolamento – dischi in acciaio. Secondo una tipica configurazione della ripartizione della frenata, all’avantreno si opta per una frenata più decisa grazie all’impiego di pinze a 6 pistoncini. Al contrario, al retrotreno sono sufficienti pinze a 4 pistoncini.
Lo spazio di arresto non solo dipende dalla bontà dell’impianto frenante, ma anche dal peso della vettura: a parità di freni, infatti, una vettura più pesante avrà bisogno di uno spazio di frenata più dilatato. Monoposto di Formula 1 e Prototipi LMP1 e LMP2 presentano impianti frenanti di diverse caratteristiche, nonché valori di peso minimo regolamentari altrettanto differenti: 728 kg (pilota compreso ma senza carburante) per le vetture di F1, 875 kg (+ 3 kg derivanti dall’equipaggiamento della telecamera o zavorra equivalente) per le LMP1 ibride, 830 kg (+ 3 kg derivanti dall’equipaggiamento della telecamera o zavorra equivalente) per le LMP1 non ibride, 930 kg per le LMP2 entrate in vigore nel 2017. Lo spazio di frenata, inoltre, è strettamente connesso al materiale con cui vengono realizzati dischi e pasticche. Dischi in carbonio – sebbene non facili da capire ed usare, specie in presenza di pioggia o basse temperature ambiente – favoriscono spazi di frenata più corti rispetto a dischi in acciaio.
Il circuito della 24 Ore di Le Mans, in tal senso, ci viene in soccorso. Una Gran Turismo LMGTE (peso minimo superiore ai 1000 kg), provvista di dischi autoventilati in acciaio, necessita di circa 300 metri per passare da una velocità dell’ordine dei 300 km/h a velocità dell’ordine dei 150 km/h (poco meno o poco più). Ciò avviene, anzitutto, in due punti ben precisi del circuito della Sarthe, ossia alle staccate delle due Chicane poste lungo il rettilineo dell’Hunaudières. Tradotto in tempo: 5,70 secondi per quanto concerne la prima Chicane, 5,40 secondi relativamente alla seconda Chicane. Le vetture LMP1, dotate di dischi autoventilati in carbonio e più leggere delle Gran Turismo, possono accorciare i tempi e gli spazi di frenata: meno di 200 metri per passare da velocità dell’ordine dei 330-340 km/h a velocità attorno ai 150 km/h (3, 21 secondi) all’ingresso della prima Chicane, meno di 200 metri per passare dai 330-340 km/h agli oltre 100 km/h (2,60 secondi) in corrispondenza della seconda Chicane. Si tratta, naturalmente, di dati indicativi, sensibili a fisiologiche e naturali variazioni determinate da molteplici fattori.
Più in generale, possiamo dire che, sotto molti aspetti, gli impianti frenanti destinati alle vetture di Formula 1 e ai Prototipi LMP1 palesano evidenti affinità. Ad iniziare dalle pinze, realizzate in monoblocco di Alluminio e Litio (Al-Li) con trattamento superficiale al Nichel (nichelatura), pesanti appena 1,7-1,5 kg. Differenti, invece, le temperature di esercizio: secondo i dati forniti dalla Brembo, le pinze di F1 presentano una temperatura d’esercizio ottimale attorno ai 200°C; al contrario, le pinze freno delle LMP1 lavorano ad una temperatura più bassa, dell’ordine dei 100°C. Più elevate, invece, le temperature di esercizio delle pinze destinate alle LMP2 e alle LMGTE: più pesanti (attorno ai 2,5-2,9 kg), lavorano ad una temperatura dell’ordine dei 140°C.
Discrepanze anche per quanto riguarda le temperature di esercizio dei dischi. In virtù del diametro ridotto e del favorevole rapporto peso-potenza (che si riverbera, in positivo, sulle prestazioni), i dischi di Formula 1 debbono smaltire in modo più che ottimale il calore. Un range di utilizzo compreso tra i 300°C ed i 1000°C richiede, infatti, la presenza di oltre 1200-1400 fori di raffreddamento, ricavati sullo spessore del disco stesso. A parità di spessore (32 mm), ma grazie ad un diametro sensibilmente maggiore (che si traduce in una superficie altrettanto più estesa), i dischi installati a bordo di una LMP1 necessitano di un numero inferiore di fori di raffreddamento: se ne possono contare, nei casi più estremi, oltre 400. Il range di utilizzo ottimale è compreso tra 350°C e 800°C. Ma non mancano le eccezioni. Se i dischi della Audi R18 LMP1 del 2016 si avvalevano di numerosi (e dal diametro ridotto) fori di raffreddamento disposti su tre file, quelli della coeva Toyota TS050 presentavano una sola fila di fori di raffreddamento, seguendo, pertanto, una configurazione più tradizionale e meno estrema, adottata anzitutto dai Prototipi LMP1 non ibridi. Ugualmente, anche la Nissan GT-R LM Nismo – Prototipo LMP1 schierato dalla Casa nipponica in occasione della 24 Ore di Le Mans 2015 – presentava dischi, anteriori e posteriori, qualificati da una singola fila di fori di raffreddamento. Fattore essenziale nelle gare endurance, infatti, è riuscire a stabilizzare quanto più possibile la temperatura di esercizio dei freni: nelle ore notturne, quando a Le Mans la temperatura ambiente può scendere sino a 10°C, è bene mantenere freni e pinze ben caldi. Da qui, in opposizione a quanto si verifica in F1, la scarsa necessità di raffreddare i freni mediante l’adozione di numerosi fori di raffreddamento. Le biposto LMP2, dal canto loro, sfoggiano dischi in carbonio dalla fattura molto semplice ma ugualmente efficiente: pochi fori di raffreddamento (circa 50), un range di utilizzo compreso tra 350°C e 800°C. Ed anche in questo caso, non mancano le eccezioni: le Ligier JSP217, infatti, si avvalgono di dischi in carbonio autoventilati che presentano piccoli e molteplici fori di raffreddamento disposti su due file. I dischi in acciaio delle LMGTE, infine, presentano una forbice ottimale di utilizzo compresa tra 300°C e 750°C. Questi presentano le classiche “palette” di ventilazione (radiali, incurvate, ecc).
Interessante il dato relativo al consumo dei materiali di attrito: circa 1 mm per dischi e pasticche di Formula 1, 3-4 mm e 8-10 mm rispettivamente per dischi e pasticche delle vetture LMP1 e LMP2 (24 Ore di Le Mans), circa 1,5 mm per i dischi destinati alle LMGTE.
I dati relativi alle modalità d’uso dei freni in Formula 1 sono illuminanti. Attraverso questi dati, infatti, è possibile apprezzare in modo tanto immediato quanto sintetico le peculiarità di ciascun tracciato del calendario di F1, nonché cogliere appieno la assoluta efficacia dei moderni impianti frenanti, grazie ai quali le F1 palesano spazi di arresto assai ridotti.
I circuiti cittadini di Monaco e Singapore, nonostante le basse velocità in gioco, riescono a tenere impegnati a lungo gli impianti frenanti delle F1. Assenti frenate particolarmente violente, i due tracciati in questione richiedono, però, un uso costante dei freni: nell’arco di un GP, il 23% del tempo è dedicato all’azionamento dei freni in entrambi i tracciati. Un gravoso impegno, dunque, per pasticche e dischi, sottoposti a reiterati stress meccanici e termici. I tracciati meno impegnativi, sotto questo punto di vista, sono Spa-Francorchamps e Monza (12%).
Il tracciato brianzolo, sede del GP d’Italia di F1, tuttavia, occupa la prima posizione nella speciale classifica relativa alla decelerazione media. Secondo i dati elaborati dalla Brembo, la decelerazione media – espressa in g e che tiene conto di tutte le frenate effettuate nell’arco di un giro – si attesta attorno ai 5,5 g. Contraltare di Monza è Suzuka: il bellissimo tracciato giapponese, in virtù delle sue curve veloci da raccordare in rapida sequenza e in assenza di staccate particolarmente brutali, presenta una decelerazione media pari a 3,3 g.
Ad ogni modo, i tracciati più impegnativi per gli impianti frenanti sono quattro: l’Autódromo Hermanos Rodríguez di Città del Messico, il cittadino di Marina Bay (Singapore), il permanente di Yas Marina (Abu Dhabi) e Montréal (Canada). In una scala da 1 a 10, questi circuiti vengono classificati dalla Brembo con l’indice più elevato: 10. I tracciati appena citati, infatti, presentano frenate assai violente. In Messico, inoltre, l’impianto frenante deve tenere conto della rarefazione dell’aria (dovuta all’altitudine), fattore che si ripercuote negativamente sul raffreddamento di dischi e pinze, in debito di ossigeno. Interlagos, Suzuka e Silverstone sono, al contrario, i circuiti meno probanti per i freni: il loro indice è di 4.
Abbiamo parlato di ossigeno, elemento presente nell’atmosfera. Ebbene, i freni Carbon-Carbon sono soggetti ad un processo di ossidazione innescato proprio dall’ossigeno. Alle alte temperature (in particolare, a partire da 600°C), questo processo si accelera e si amplifica: più il freno si scalda e più il materiale tende ad ossidarsi. Per raffreddare i freni, inevitabilmente, è necessaria l’aria. Più aria significa anche più ossigeno, il quale – paradossalmente – alimenterà il processo di ossidazione. Insomma, i freni in carbonio sono sì un ricercato tecnologico di prim’ordine ma, come ogni cosa, non sono privi di “difetti”.
E veniamo, in conclusione, alle cinque staccate più violente dell’intero calendario iridato. Al primo posto, vi è la frenata della Curva 8 di Yas Marina, successiva al lungo rettilineo: le monoposto di F1 passano da velocità dell’ordine dei 330 km/h a circa 70 km/h in poco più di 70 metri, impiegando circa 2,79 secondi. Al secondo posto, troviamo la staccata della Curva 13 di Montréal. Le curve 13 e 14, come noto, compongono la chicane che immette sul traguardo, in corrispondenza del famigerato “Muro dei campioni”. Un lungo rettilineo immette nella suddetta chicane: da oltre 330 km/h a circa 150 km/h in appena 50 metri. In questa fase, i piloti subiscono una decelerazione di oltre 5,6 g. Al terzo posto, ecco la Curva 1 di Sakhir (Bahrain): una frenata di circa 70 metri (2,51 secondi) per passare da circa 330 km/h a circa 80 km/h (5,2 g). Al quarto posto, si issa Monza, con la sua staccata alla discussa Prima Variante. Cifre irrisorie se rapportate alle velocità in ballo: circa 2,60 secondi di frenata, pari a circa 70 metri di spazio di arresto, per passare da oltre 330 km/h a circa 80 km/h. La decelerazione si attesta attorno ai 5,3 g. Al quinto posto, troviamo la Curva 14 del circuito cinese di Shanghai. Anche in questo caso, un lungo rettilineo (1200 metri) immette alla violenta staccata della lenta curva: da oltre 330 km/h a circa 70 km/h in meno di 3 secondi. La decelerazione è dell’ordine dei 4,9-5 g.
Frenare sempre più forte, trattenendo il respiro, per andare sempre veloci. Roba da piloti…
Scritto da: Paolo Pellegrini