Fondamenti dei freni a disco – Scuola serale

Nozioni di base sui freni a disco

Vedi tutte le 13 fotoMoses LudelwriterDec 1, 2009

I moderni design dei freni a disco per auto hanno caratteristiche comuni. I componenti principali sono un rotore e una pinza. Il rotore si attacca al mozzo della ruota e ruota alla stessa velocità del gruppo ruota e pneumatico. Lavorato in piano e vero, le facce parallele del rotore sono le superfici frenanti per le pastiglie dei freni rivestite.

Che il vostro camion sia un progetto di restauro del magazzino o un moderno autocarro stradale, le prestazioni e la sicurezza includono sempre freni e sterzo. Il mese scorso abbiamo parlato dei freni a tamburo e del sistema idraulico. Nella lezione di questo mese, esploreremo le basi e gli aggiornamenti dei freni a disco.

La pinza è un meccanismo di bloccaggio a cavallo del rotore e spinge i due pattini dei freni verso l’interno verso il rotore quando i freni si attivano. Su una pinza a singolo pistone, il pistone preme verso l’esterno contro una pastiglia dei freni posteriore. Questo trasferisce la forza attraverso il ponte della pinza e tira la pastiglia opposta verso il rotore. In questa fase, entrambe le pastiglie premono contro le facce parallele del rotore. L’attrito delle pastiglie rallenta e arresta il rotore.

Alcune pinze hanno pistoni multipli. Su alcuni progetti, i pistoni spingono verso le facce del rotore da lati opposti. Di norma, le pinze ad alte prestazioni hanno pistoni multipli e opposti. Le pinze da corsa più diffuse hanno ben sei pistoni.

Per il moderno sistema di frenatura a disco OEM o personalizzato, la potenza di arresto equivale alla forza di serraggio della pinza, al diametro del rotore, alla superficie della pastiglia e al materiale della pastiglia e del rotore. Con i moderni freni a disco non vi è alcun effetto auto-energizzante*, ma solo la pressione di bloccaggio contro il rotore. Gli amplificatori di potenza sono comuni nei sistemi di frenatura a disco.

*1949-54 I modelli Chrysler-Crown Imperial utilizzavano freni a doppio disco a espansione interna a disco. Questo design Ausco-Lambert era dotato di auto-regolatori e cuscinetti a sfere rampanti tra i dischi. L’azione di diffusione, auto-energizzante dei cuscinetti a sfera aumentava la forza frenante, senza l’intervento supplementare del guidatore. Chrysler ha testato questi freni sui Power Wagon militari Dodge.

Proporzionamento dei freni

Quando si azionano i freni, un veicolo si inclina in avanti. A seconda delle sospensioni, della velocità, dell’altezza e della distribuzione del peso del telaio da anteriore a posteriore, esiste una “polarizzazione” dei freni. Il bias si riferisce al trasferimento del peso; tutti i veicoli si inclinano in avanti durante la frenata. Nei pick-up, dove i produttori si aggrappano alla dinamica di un veicolo alto che deve trasportare un carico, il bias dei freni è un problema impegnativo.

Un ingegnere dimensiona e abbina i freni per fermare un veicolo carico in modo sicuro. Il pick-up deve avere freni in grado di fermare un carico in modo sicuro al peso lordo del veicolo (GVWR). Sì, i camion classici erano un tempo bestie da soma.

Ora scarichiamo il camion. Se quello stesso veicolo deve fermarsi all’improvviso, e se il disegno dei freni e il bias sono per un veicolo con molto più peso sull’asse posteriore, ora abbiamo un problema; la percentuale del peso anteriore è maggiore, il che aumenta il passo in avanti. Il telaio si solleva nella parte posteriore del camion, alleggerendo il peso sulle gomme posteriori. Il bloccaggio delle ruote posteriori e lo slittamento possono verificarsi, rischiando di perdere il controllo del veicolo.

L’obiettivo è quello di bilanciare la frenata in una varietà di condizioni di guida e di carichi. Il sistema idraulico dei freni può essere regolato per il trasferimento del peso e del carico? Sì, i comandi idraulici possono compensare le variazioni di peso. I camion hanno beneficiato di dispositivi come una valvola di dosaggio sull’asse posteriore. Qui, la valvola idraulica ha delle leve meccaniche che si inseriscono tra il telaio e l’asse. Poiché il carico leggero provoca il sollevamento del telaio posteriore in caso di frenata brusca, le leve spostano la valvola. La valvola riduce la pressione di frenata per evitare il blocco delle ruote.

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Il mandato federale per un doppio cilindro maestro assicura che se i freni si guastano su un asse, l’idraulica dell’altro asse rimane funzionale. Un tale guasto richiede un avvertimento immediato al conducente. La pressione persa in un circuito idraulico sposta una valvola e attiva una spia sul cruscotto. L’interruttore, che si monta tra i due tubi del freno che escono dal cilindro principale, è l’interruttore di avvertimento del freno differenziale di pressione.

Gli ingegneri hanno fatto un passo avanti nel concetto. La “valvola combinata” risponde a tre preoccupazioni: Una è l’avvertimento di sicurezza per un guasto al circuito idraulico; un’altra sarebbe il dosaggio della pressione del fluido da anteriore a posteriore. Quando il pedale del freno si aziona, e la pressione del fluido aumenta nelle tubazioni, la valvola di dosaggio limita la pressione idraulica alle ruote posteriori. Il rapporto limitato è una quantità determinata dal design del veicolo, dalla distribuzione del peso e dalla dinamica del telaio. La valvola di dosaggio compensa la distorsione del peso. L’ultima funzione di una valvola combinata è il dosaggio. Un problema noto dei freni a disco anteriori e posteriori a tamburo è il tempo di ritardo delle ganasce posteriori per spingere attraverso la pressione della molla di ritorno e la distanza tra la scarpa e il tamburo prima di applicare la pressione delle ganasce al tamburo. Al contrario, le pastiglie a disco non hanno molle di ritorno e viaggiano ai lati del rotore. Il tempo di ritardo è praticamente inesistente se i rotori funzionano correttamente

Una valvola di dosaggio ritarda la pressione idraulica ai freni a disco anteriori. L’obiettivo è quello di sincronizzare l’applicazione dei freni anteriori e posteriori. Per le superfici stradali scivolose e le frenate leggere, la valvola di dosaggio aiuta a prevenire il blocco della ruota anteriore. Una frenata brusca spinge attraverso questo dosaggio e fornisce una pressione di frenata anteriore immediata.

Se la sostituzione di un freno a disco comporta l’uso di componenti OEM di un veicolo donatore, la valvola combinata del donatore può funzionare bene. Lo scambio dovrebbe includere il cilindro maestro, la valvola combinata e il sistema completo di freni a disco di quel veicolo donatore. Il fattore “può funzionare bene” dipende dal fatto che il veicolo donatore e il vostro autocarro abbiano un peso simile, centro di gravità, centro di rotolamento e peso del cordolo.

Quando si installa un kit di freni a disco aftermarket, il dosaggio è importante. La maggior parte dei kit include una valvola di dosaggio manuale. Fare attenzione a regolare la valvola di dosaggio manuale. Seguire le indicazioni del produttore per evitare un blocco del freno posteriore che potrebbe causare lo slittamento del veicolo. In caso di traino nel pianale, trovare un’impostazione che funzioni per il veicolo in varie condizioni di trasferimento del carico e del peso. Eseguire le prove di frenata lontano dal traffico e dagli ostacoli.

Nota: Sono presenti valvole dosatrici manuali a manopola e a leva. Un tipo di leva utilizza una maniglia di blocco a sei posizioni. Montata a portata di mano, la valvola può essere regolata rapidamente per compensare il cambiamento delle condizioni della pista o della strada, il terreno di guida fuori strada, il carico del letto e così via.

Esigenze di servizio dei freni a disco

A meno che il rotore non necessiti di un rivestimento, il lavoro di tampone e pinza può essere eseguito senza rimuovere il mozzo della ruota. Molte officine di frenatura e riparazione dispongono ora di attrezzature per il rifacimento dei rotori sul veicolo con i mozzi installati.

Quando si lavora su un impianto frenante, la polvere dei freni può essere pericolosa. L’autocarro potrebbe essere abbastanza vecchio da avere una guarnizione contenente amianto, o il tipo di amianto potrebbe essere stato installato durante i lavori di manutenzione. (Non date per scontato che se un veicolo è abbastanza nuovo, la guarnizione non è di amianto.) Utilizzare una guarnizione di ricambio di alta qualità e non di amianto.

I detergenti per le parti dei freni con solventi petroliferi o distillati sono nocivi per le parti in gomma. Evitare di spruzzare parti in gomma come il tubo del freno o la guarnizione attorno al pistone della pinza. Lavare le parti metalliche prima e dopo aver rimosso la pinza. Tenere la polvere in soluzione e smaltirla in modo sicuro. L’amianto secco e “friabile” è un materiale pericoloso.

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Attenzione: Non lavare le parti dei freni sul pavimento. Una volta asciutte, la polvere può disperdersi nell’aria o tracciare un percorso. Inoltre, non utilizzare un aspirapolvere per pulire la polvere dei freni. Il filtraggio non è abbastanza fine per intrappolare l’amianto; l’aspirapolvere rilascerà la polvere nell’atmosfera.

Un manuale d’officina descriverà i passi da compiere per rimuovere le pinze del vostro camion. Tra gli strumenti di servizio, una pinza di serraggio della pinza spingerà il pistone nel suo foro. Ciò è necessario per creare spazio per il nuovo rivestimento più spesso del cuscinetto. La pinza non può scorrere sul rotore senza un adeguato spazio tra i nuovi rivestimenti delle pastiglie e le facce del rotore.

Se si sospetta la presenza di un rotore deformato, controllare il deflusso con un comparatore. Una buona misura è quella di regolare i cuscinetti delle ruote per il gioco di fine corsa a zero prima di testare il runout. Usare un supporto magnetico o un morsetto per tenere il comparatore. Assicurarsi che il comparatore sia montato saldamente e utilizzare una punta a rullo per scorrere contro la superficie del rotore. Lo stelo dell’indicatore dovrebbe essere perpendicolare al rotore, o inclinarlo leggermente per evitare vibrazioni.

Ruotare il rotore lentamente e osservare il deflusso laterale. Un tipico limite di runout di fabbrica sarebbe di 0,004 pollici o meno. Altrettanto importante è il “parallelismo” delle facce del rotore. Questo è lo spessore del rotore, misurato con un micrometro di qualità. Lo spessore dovrebbe essere uniforme entro 0,0005 pollici (mezzo millesimo di pollice). Se il rotore ha bisogno di superficie, rimuovere il gruppo mozzo / rotore (rotore solo su alcune applicazioni), e subaffittare questo lavoro ad un’officina meccanica.

Se l’usura rientra nelle specifiche, regolare nuovamente i cuscinetti delle ruote. Se i cuscinetti necessitano di manutenzione, rimuovere i mozzi ed eseguire un pacchetto di cuscinetti. (Vedere la lezione del mese scorso per i dettagli sui cuscinetti delle ruote.) Pulire e asciugare accuratamente i mozzi e i cuscinetti. Riempire il pacco con grasso per cuscinetti ruota di alta qualità, adatto per l’elevata potenza termica dei freni a disco. La regolazione del gioco di fine corsa dei cuscinetti delle ruote è fondamentale con i freni a disco. I rotori devono funzionare correttamente. La regolazione dei cuscinetti delle ruote ha un effetto di scorrimento. Un comparatore è lo strumento per la regolazione del gioco finale.

Se è necessario cambiare solo le pastiglie, l’aria non deve entrare nel sistema idraulico. Si consiglia di spurgare a vuoto e risciacquare con liquido fresco DOT 3 o 4 dischi approvato per freni a disco. (Usare il fluido consigliato per il sistema idraulico.) Il fluido dei freni aspira l’umidità a circa il 3% all’anno, e questo abbassa il suo punto di ebollizione. Il liquido dei freni fresco, tirato attraverso il sistema con uno spurgo a vuoto, ripristinerà il punto di ebollizione, rimuoverà le sostanze contaminanti e contribuirà a prevenire lo sbiadimento dei freni.

Quando il liquido di trafiltrazione dei calibri o la tenuta del calibro appare debole, è necessario ricostruire il calibro. Scollegare il tubo flessibile dalla pinza e dirigersi verso il banco di lavoro. Per rimuovere un pistone testardo, una procedura consiste nell’utilizzare aria compressa all’ingresso del tubo flessibile. Accertarsi che il pistone sia rivolto verso l’esterno e utilizzare brevi raffiche d’aria per far uscire il pistone. Il pistone può sloggiare con forza, quindi fate attenzione! Lasciare che il pistone atterri in stracci morbidi. Tenete le mani fuori dai piedi.

Utilizzare alcool denaturato o isopropilico per pulire le parti. I costruttori di veicoli non consigliano di affinare il calibro. Consigliano invece l’uso di un panno di croco per lisciare a mano le piccole imperfezioni del foro.

La maggior parte dei pistoni ha un sottile rivestimento in nichel/cromo. Non tentare mai di spazzolare la spazzola o la superficie del pistone. Se arrugginito o segnato, sostituire il pistone o l’unità pinza. Quando si fora la guarnizione, non danneggiare il foro. Misurare il gioco tra il pistone e l’alesaggio e confrontarlo con i limiti di fabbrica. Quando l’usura è eccessiva, sono disponibili pinze nuove o ricostruite/scambiate

Pulire il foro della pinza con alcool denaturato e rivestire con liquido per freni prima del montaggio. Prestare attenzione durante il montaggio della pinza. Alcune pinze hanno un guscio in due pezzi. Sostituire le guarnizioni o gli O-ring tra le superfici di accoppiamento come parte della ricostruzione. Utilizzare un manuale di fabbrica o un manuale professionale quando si eseguono lavori di frenatura a disco. Anche se meno complicati, i freni a disco si basano su tolleranze strette. Un manuale d’officina a livello di fabbrica fornirà dettagli di servizio accurati.

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Conversioni dei freni a disco aftermarket

Un camion classico significa un telaio più vecchio. Molti dei nostri camion preferiti erano dotati di freni a tamburo a quattro ruote e di un unico cilindro maestro. Sia che l’obiettivo sia quello di ottenere prestazioni più elevate e un telaio più agile o semplicemente di volere freni più sicuri e moderni, molti proprietari si rivolgono alle conversioni dei freni a disco. Per la guida in autostrada e la guida in autostrada, i freni a disco anteriori e i moderni freni a tamburo posteriori funzionano bene.

Se il vostro progetto è un restauro o un accumulo off-frame, l’uso di freni a disco a quattro ruote può fornire un miglioramento tecnologico. Esistono freni posteriori a disco OEM e aftermarket contemporanei che incorporano il freno di emergenza.

I kit aftermarket sono disponibili presso diversi inserzionisti di CLASSIC TRUCKS. Alcuni kit sono attenti ai costi, utilizzando rotori in stile OEM, un cilindro maestro e pinze con staffe di montaggio e hardware di montaggio. Per il costruttore orientato alla concorrenza, ci sono kit di freni di alta qualità con pinze, rotori e idraulica ad alte prestazioni.

I rotori ventilati e forati trasversalmente sono stati popolari nei circoli ad alte prestazioni. Sotto frenata estrema, alcuni materiali delle pastiglie dei freni tendono a "outgas." Questo fenomeno crea uno strato gassoso sulla superficie delle pastiglie. Il gas non è una superficie di attrito, quindi le prestazioni dei freni a disco ne risentono. Il gas di scarico e il raffreddamento sono stati i motivi originali dei rotori forati trasversalmente. La foratura incrociata ha un lato negativo: In caso di uso estremo, i fori praticati possono portare a cricche da sforzo.

Un altro miglioramento è il rotore scanalato, che disperde polvere, acqua e gas. Come misura da corsa, le scanalature hanno il vantaggio aggiuntivo di ridurre al minimo lo smalto sui cuscinetti. Le facce scuff pad fessure tenere caldo rivestimento da smaltatura sopra o "quot;vetrificante." rotori scanalati passare attraverso una serie di pastiglie rapidamente, non è un problema in pista, ma problematico per il veicolo guidato dalla strada.

Quando si costruisce un sistema frenante a disco, prestare attenzione al sistema idraulico. Il cilindro maestro e le pinze devono corrispondere. Le dimensioni del rotore e la progettazione della pinza determineranno la forza di arresto. Un "kit" da una fonte attendibile, o un sistema completo da un veicolo donatore simile, può togliere le congetture dalla vostra lista delle parti.

Un fattore trascurato nella selezione del cilindro maestro è la pressione residua. I tipici freni a tamburo hanno le coppe del cilindro della ruota con le labbra che si svasano verso l’esterno. Se la pressione del sistema dovesse lasciare il cilindro, i labbri di tenuta potrebbero collassare e perdere fluido. Una soluzione tradizionale è stata l’uso di una valvola di ritegno all’interno del cilindro maestro che mantiene la pressione residua nelle linee dopo il rilascio del pedale.

Questa pressione non è eccessiva. Poiché le ganasce dei freni a tamburo hanno molle di ritorno rigide, c’è una forza contraria alla pressione residua. Il fluido rimane intrappolato nei cilindri delle ruote ad una pressione inferiore a quella delle molle di ritorno delle ganasce. Le ganasce rimangono libere dai tamburi fino alla successiva applicazione del freno. Un ulteriore vantaggio è che il cilindro della ruota è completamente carico dopo che i freni si ritraggono. La corsa del pedale sposta immediatamente il cilindro della ruota e i collegamenti delle ganasce alla successiva applicazione dei freni.

I freni a disco, invece, non richiedono alcuna pressione residua. Il pistone si sigilla in modo continuo, anche con i freni sbloccati. Le pastiglie a disco viaggiano accanto al rotore, quindi la pressione del pedale del freno crea immediatamente una forza frenante. Il sistema frenante a disco non richiede pressione idraulica residua. Infatti, la pressione idraulica residua potrebbe causare la resistenza delle pastiglie dei freni contro i rotori.

Alcuni sistemi frenanti a disco da corsa mantengono una leggera quantità di pressione residua, appena sufficiente a mantenere l’impianto idraulico innescato. Un metodo OEM per caricare il sistema frenante a disco è un "quick take-up" master cylinder, che scarica nel sistema un volume elevato di liquido a bassa pressione immediatamente dopo l’applicazione del freno. Questo fa sì che le pastiglie del disco raggiungano più rapidamente le facce del rotore.

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Quando si costruisce un sistema frenante personalizzato, assicurarsi che il cilindro maestro abbia le giuste disposizioni per i freni a disco contro quelli a tamburo. Alcuni sistemi utilizzano una valvola di ritegno in linea. Le valvole di ritegno in linea sono disponibili anche nell’aftermarket con valutazioni psi per i circuiti dei freni a tamburo o a disco. Scegliere una pompa freno compatibile con il tipo di freni utilizzati nella parte anteriore e posteriore del camion.

La progettazione del proprio sistema frenante richiede una conoscenza approfondita della dinamica del telaio, compreso il peso del veicolo su ogni ruota, il centro di gravità e il centro di rollio, la forza disponibile con determinati rotori o tamburi, la velocità delle molle, l’effetto della scelta delle guarnizioni e una serie di altre preoccupazioni. Se tutto questo suona complicato, lo è.

Un altro approccio è quello di utilizzare ogni componente del freno idraulico e meccanico di un veicolo donatore adatto. Se questo suona scoraggiante, un’alternativa è un sistema completo di conversione dei freni a disco da una fonte di qualità aftermarket che ha fatto la ricerca.

In ogni caso, la frenata è un problema di sicurezza. Studiate i sistemi OEM. Il passaggio dal freno a tamburo anteriore al freno a disco richiede la giusta valvola di dosaggio o combinazione e il cilindro maestro progettato per un sistema di freno anteriore a disco e posteriore a tamburo. Confrontare i numeri di parte tra le pompe, le valvole combinate e i tubi flessibili del vostro camion e il prototipo del donatore.

Ove possibile, utilizzare tubi freno fabbricati con dadi a svasatura già installati. Per la fabbricazione dei tubi, utilizzare sempre tubi omologati DOT con dadi a risvolto per freni. Doppia svasatura delle estremità dei tubi. I raccordi dei freni e i tubi flessibili della pinza devono essere classificati per l’uso dei freni. Posare i tubi flessibili in modo sicuro, lontano dal telaio con angoli di sterzata completi ed estremi della corsa delle sospensioni. Costruire un sistema di qualità che corrisponda o superi gli standard dei freni moderni.

Cosa hai imparato questo mese?

La “Scuola Notturna” non sarebbe completa senza un quiz! Non preoccupatevi per le vostre capacità e i vostri voti. Questo è un test aperto, vero o falso. Gli indizi possono essere trovati all’interno del testo, delle foto e delle didascalie della “Scuola Notturna”. Buon mese!

Domande vere o false:

1. I freni Ausco-Lambert erano di tipo a disco interno con capacità auto-energizzante. I moderni freni a disco non offrono questa caratteristica di auto-energia.

2. I moderni freni a disco possono essere più facili da manutenere rispetto ai freni a tamburo. La sostituzione delle pastiglie dei freni a disco anteriori può essere effettuata senza smontare il mozzo della ruota.

3. La polarizzazione dei freni verso la parte anteriore rende i freni a tamburo posteriori adeguati alla maggior parte delle applicazioni per autocarri leggeri. I freni posteriori a tamburo prevedono un sistema di frenatura d’emergenza.

4. Il vecchio liquido dei freni può essere riutilizzato. Contaminanti come l’umidità sono poco preoccupanti, in più pensate ai soldi risparmiati.

5. La respirazione della polvere di amianto è molto dannosa. Le pastiglie dei freni con sospetto contenuto di amianto devono essere maneggiate in modo sicuro. Un rivestimento di ricambio senza amianto è meglio per la salute.

6. Durante il controllo della rotazione del rotore, regolare temporaneamente i cuscinetti delle ruote a gioco zero. In questo modo si mantiene il rotore al centro e si ottiene una lettura più precisa del quadrante.

7. La pressione idraulica residua è utile sui freni a disco. La resistenza del freno mantiene le pastiglie calde e pronte all’azione.

8. Quando si prova una valvola di dosaggio manuale, iniziare con qualsiasi impostazione. Dovreste essere in grado di controllare il veicolo. Le istruzioni dei produttori sono tutte uguali.

9. I manuali di officina richiedono l’uso di isopropilico o di alcol denaturato per la pulizia dei cilindri dei freni idraulici. Tenere sempre i prodotti a base di minerali e petrolio lontano dai prodotti in gomma.

10. Quando si formano i tubi dei freni, le estremità devono essere svasate. Se non si dispone di un utensile a doppia svasatura di qualità, una svasatura singola come per i tubi di rame andrà bene. Le norme di sicurezza DOT servono solo a spaventare le persone.

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