Novità sul sistema di frizione a disco – Cosa c’è di nuovo nelle frizioni

Facile sforzo del pedale con Mega Holding Power: la nuova tecnologia porta le frizioni nel 21° secolo.

Vedi tutte le 10 fotoMarlan DaviswriterThe ManufacturerphotographerMay 1, 2010

Una volta era un’auto stradale da 500 CV era un grande affare. Oggi, anche una Corvette LS9 di serie produce 648 cavalli netti di potenza netta direttamente dal piano dello showroom, e una vera hot rod da 700 CV (o più) non è insolita. L’aumento dei livelli di potenza e di coppia stabili è stato accompagnato da un aumento delle aspettative del guidatore. “I clienti di oggi vogliono una frizione liscia come quella di serie con una pressione del pedale di serie che duri per sempre e che mantenga ancora 1.000 CV”, dice R.J. Smith di RPS Performance. Aggiungete il sollevatore idraulico utilizzato sulla maggior parte delle nuove auto, le trasmissioni più leggere e compatte e la rimozione dei materiali di attrito dell’amianto dal mercato, e i progettisti del sistema di frizione con cambio manuale si sono trovati di fronte a un nuovo gioco da ragazzi.

La risposta è stata quella di adattare la tecnologia delle auto da corsa per l’uso stradale. I piloti si sono mossi per anni verso dischi e coperture di diametro sempre più piccolo, più leggeri e leggeri; togliere 20 libbre e contemporaneamente ridurre l’inerzia rotazionale migliora significativamente le prestazioni. Secondo Scott Stutler di Hays, i materiali più leggeri “hanno spinto lo sviluppo di materiali di attrito avanzati per gestire carichi di coppia elevati con una superficie minima, che a sua volta ha guidato lo sviluppo dei multidischi e i progressi nella progettazione dei mozzi. Man mano che queste tecnologie sono diventate più raffinate, si sono sviluppate le applicazioni stradali”.

Caratteristiche del disco

Tutto inizia con il disco; forse la parte più importante del sistema di frizione, fornisce l’attrito per trasferire la coppia del motore alla trasmissione. Il rivestimento della frizione o il materiale d’attrito viene incollato o rivettato ad un sottile disco metallico sul disco. Le frizioni da corsa utilizzano un disco piatto, ma per l’uso stradale, il disco ha delle onde al suo interno. I produttori di frizioni chiamano il disco ondulato “marcel”, e il suo scopo è quello di evitare le chiacchiere lisciando l’innesto della frizione. Le frizioni da strada hanno sempre bisogno di almeno un martello sottile.

Il centro del disco, chiamato mozzo, determina quanto duramente la frizione si innesta o si disinnesta. I dischi da corsa sono in genere solidamente rivettati al mozzo per un innesto positivo (ma estremamente duro). La maggior parte delle frizioni stradali utilizzano un mozzo con molla a spirale che permette al disco di ruotare di qualche grado sotto l’innesto. Questo ammorbidisce il colpo iniziale, riduce le vibrazioni torsionali della trasmissione e minimizza il rumore e le vibrazioni.

Il peso del disco è un altro fattore importante. Le frizioni pesanti o di diametro maggiore mettono a dura prova i sincronizzatori di trasmissione.

Materiali del disco

I materiali di attrito del disco lavorano con il disco di pressione per sviluppare la capacità di trasferimento della coppia della frizione. I materiali d’attrito della frizione sono simili a quelli delle pastiglie dei freni (vedi HOT ROD, Mar. ’10, “What’s New in Brake Pads”). La tendenza è verso guarnizioni con coefficienti di attrito più elevati e una pressione del pedale più morbida. “Ogni volta che si spinge il pedale della frizione verso il basso, si cerca di spingere la manovella fuori dalla parte anteriore del blocco”, sottolinea il Will Baty di Centerforce. “Un pedale pesante mette sotto pressione il cuscinetto reggispinta e l’idraulica”.

Come le pastiglie dei freni, i composti di attrito della frizione possono essere ampiamente suddivisi in tre categorie: metallo organico, metallo sinterizzato e vari esotici. I materiali organici hanno sostituito l’amianto, che è stato gradualmente eliminato per motivi di salute. Alcuni produttori di frizioni sostengono che l’amianto non ha prestazioni organiche moderne, così come i composti di amianto della vecchia scuola; altri insistono sul fatto che i composti di nuova generazione sono altrettanto buoni o migliori. Tuttavia, le formulazioni organiche rimangono i materiali d’attrito preferiti per la maggior parte delle applicazioni stradali e per molte applicazioni stradali. Formulati in modo corretto, offrono un impegno morbido e delicato e (a seconda della formulazione esatta) una discreta capacità termica. I più diffusi sostituti organici e non metallici dell’amianto includono la fibra di vetro, la ceramica e il carbonio. I composti di kevlar o di bronzo o ferro semimetallici possono essere integrati nell’infuso per aumentare l’attrito; ognuno ha la sua ricetta.

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I composti metallici sinterizzati e i loro parenti hanno un ruolo importante nelle corse. Possono tollerare un calore molto più elevato, e i materiali in bronzo, rame, ferro o ceramica integrale offrono un grande potere di attrazione e un elevato coefficiente di attrito. L’impegno è estremamente positivo – buono per le corse, ma generalmente troppo duro sulla strada. I metalli tendono ad accelerare l’usura della superficie del volano e della piastra di pressione. Possono anche essere molto più pesanti: un disco di ferro a doppia faccia, a tutta faccia, può pesare il doppio di un disco organico di dimensioni comparabili. Per risparmiare peso e generare un impegno veramente duro, alcuni dischi metallici da corsa utilizzano da tre a sei dischi metallici separati su un disco alato.

Le alternative esotiche che stanno guadagnando il favore nelle corse e sulle auto da strada ad alto costo sono i materiali di attrito carbonio-carbonio (CC) di qualità aerospaziale. Le molecole di carbonio puro vengono cotte in autoclave a 2.000 gradi F a 2.000 psi per 6-8 mesi. Questo costa un bel po’ di pasta, ma i prezzi stanno calando man mano che i composti diventano più popolari. Un inserto di carbonio corrispondente sarà necessario sul volano, sulla piastra di pressione e su qualsiasi superficie galleggiante.

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I dischi in fibra CC hanno un aumento lineare e prevedibile dell’attrito, producono grandi caratteristiche di attrito, sono a bassa temperatura e offrono un notevole risparmio di peso rispetto ai materiali tradizionali. I dischi sono estremamente leggeri e hanno un tasso di usura molto basso. “CC non si deforma mai, gli smalti e gli odori”, sostiene RPS. “Le frizioni non carboniose si deformano, portando a spostamenti erratici. Il materiale d’attrito dell’inserto CC è sostituibile a vita, quindi non è necessario acquistare un’altra frizione”. Un altro vantaggio: Poiché CC è così leggera, RPS “può realizzare un’eccellente frizione antiscivolo con un diametro del disco standard per un innesto dolce e una lunga durata”, secondo RPS.

Ognuno di questi materiali può essere combinato per adattare le caratteristiche della frizione a particolari applicazioni. Un disco frizione può avere materiali diversi sui lati del volano e del disco di pressione; oppure (nel caso di frizioni multidisco) gli interi dischi possono essere realizzati con materiali diversi. Esempi di questo approccio sono le linee Dual Friction di Centerforce e Dual Performance di McLeod. “Prendiamo il ferro o il bronzo e lo sinterizziamo su una piastra di supporto sul lato del volano con materiale organico sul lato della piastra di pressione”, dice Red Roberts di McLeod. “La piastra di supporto ha un martello, in modo che non ci siano vibrazioni. E’ il migliore dei due mondi”.

Piastre di pressione a membrana

Un diaframma ha alcune caratteristiche uniche che lo rendono una buona scelta per una vasta gamma di applicazioni una volta superati certi problemi di progettazione intrinseca. Una maggiore potenza di coppia del motore richiede un gruppo di dischi di pressione che sviluppi un maggior carico statico (pressione della molla) per mantenere la frizione innestata. Ma ad un certo punto, il carico statico richiesto alla coppia massima e al numero di giri massimo diventa così alto che il pedale della frizione diventa eccessivamente rigido, mettendo a dura prova il leveraggio di azionamento della frizione e la gamba sinistra del guidatore.

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Ecco perché le frizioni ad alte prestazioni sostituiscono le vecchie frizioni OEM a forma di dita piatte della vecchia scuola con una configurazione a cono alto. Una volta imbullonata la piastra di pressione, le dita mantengono ancora un angolo verso l’alto, permettendo al disco di sganciarsi senza centrare eccessivamente la molla. La forza di centraggio aggiunge anche pesi centrifughi che galleggiano sul diaframma. Si dice che produca più forza all’aumentare del numero di giri, evitando che il diaframma si attacchi al centro.

Collegamento idraulico

Le configurazioni a membrana sono particolarmente adatte ai meccanismi idraulici e ai meccanismi di frizione a cavo utilizzati negli ultimi 25 anni. Le frizioni ad alte prestazioni per questi tipi di sollevatori devono essere accuratamente adattate per evitare di superare i loro limiti di capacità e di corsa. Su un idraulico, se il carico del disco di pressione diventa troppo elevato o la curva utilizzata per applicare la pressione è troppo lineare, può superare le capacità di pressione e di volume del sistema. Per i collegamenti idraulici con un cuscinetto di rilascio idraulico integrato, la corsa e l’altezza complessiva del disco e del disco di pressione e persino l’altezza del dito della molla di Belleville devono corrispondere il più possibile all’unità di serie per evitare che il cuscinetto si sfondi o si estenda troppo, il tutto compensando la normale usura della frizione. Questo rende praticamente obbligatorio un diaframma a disco singolo o multidisco progettato correttamente.

Per applicazioni ad alta potenza estrema, potrebbe essere necessario aggiornare l’intero sistema idraulico per supportare la frizione. Kit di aggiornamento o di retrofit sono disponibili presso Ram, McLeod e altri produttori di frizioni. Si dice che Hays stia sviluppando un dispositivo di booster che altera la quantità di lancio al cilindro schiavo senza cambiare lo schiavo della frizione o il cilindro maestro.

Dal 1979 al 2004, Ford Mustangs si è affidata a frizioni azionate da cavi. I seri aggiornamenti delle frizioni aftermarket necessari per supportare i motori ad alta potenza richiedono anche un quadrante aftermarket più robusto e regolabile per garantire la corretta funzionalità dei cavi. McLeod rilascerà presto i kit di conversione della frizione idraulica bullonata per le Mustang a corpo di Fox così come '65 a '73 Mustang.

Frizioni multidisco <br />
I produttori di frizioni hanno tradizionalmente usato un metodo di forza bruta per gestire le elevate richieste di potenza: Costruire un disco di pressione più rigido, aumentare il coefficiente di attrito del disco, passare ad un disco più grande e ad un disco di pressione più grande e infine passare ad un disco di pressione bobina-molla. L’adattamento del sollevatore idraulico e in generale le buste di campana più piccole dei veicoli odierni hanno richiesto ai progettisti di frizioni di rivisitare il design della frizione multidisco per l’uso su strada o a doppio uso. Una volta perfezionato, si è scoperto che le frizioni multidisco stradali funzionano benissimo anche per le combo muscolari ad alta potenza della vecchia scuola.

Diaframmi multi-elemento in primo luogo è diventato popolare per i corridori di ovale-tracciati che don't preoccuparsi di partenze in piedi o rapidi cambi di potenza. "Un sistema di frizione ovale-tracciati solo flat-out ha bisogno di tenere la potenza in termini di carico di pinza,"Ram mantiene. "quot;Peso e diametro sono più importanti. Utilizzando frizioni multidisco di diametro più piccolo, possiamo permettere al motore di accelerare e decelerare più velocemente. Ciò significa che il pilota può guidare l’auto più duramente nelle curve e far scendere velocemente i giri del motore per rallentare l’auto; in accelerazione fuori dalla curva, il motore è in grado di tornare indietro fino al massimo dei giri più velocemente di quanto sia possibile con una frizione più pesante;" Le superfici di attrito aggiunte fornite da dischi multipli compensano in termini di potenza di tenuta per la riduzione del diametro del disco.

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Nella loro forma originale, i multidischi da corsa are't adatti all’uso stradale. "Multiplate, frizioni da corsa costruite appositamente sono generalmente molto suscettibili al rilascio del pedale rispetto a quelle di serie," dice Jeff Neal al Quarter Master. "Queste frizioni si rilasciano rapidamente, e quando si tiene conto del basso peso rotante rispetto a quello di serie, può essere difficile da guidare."

Tipici multis a due o tre dischi a traccia ovale sono disponibili nei diametri da 4,5 a 7,5 pollici, ma per bilanciare le esigenze di contenere l’alta potenza e migliorare l’accelerazione del motore con la necessità di evitare eccessivi slittamenti da una partenza in piedi, i multis stradali domestici V-8 sono più grandi, di solito tra 9,5 e 10,5 pollici. "Due dischi effettivamente raddoppiano la quantità di superficie di attrito," Hays dice. "quot;Ciò significa meno carico di bloccaggio sulla piastra e materiali di attrito meno aggressivi possono essere utilizzati per un dato carico. Immaginate una frizione che può contenere 800 libbre-ft ma che richiede meno sforzo sul pedale e ha caratteristiche lisce come una frizione a disco singolo strada / striscia di frizione nominale a 500 libbre-ft."

In passato, i multidischi hanno avuto a volte problemi di spostamento nelle applicazioni stradali e stradali/strisce. Ciò era causato dall’usura tra i montanti distanziatori che guidano i dischi metallici flottanti tra ogni disco, dalla difficoltà di estrarre l’anello di pressione dai dischi di frizione quando la frizione è disinnestata e dalla deformazione intermedia dei dischi. Questi problemi potrebbero causare una frizione appesa o problemi di sincronizzazione della trasmissione in caso di cambio brusco. I materiali più leggeri, i mozzi molleggiati, i galleggianti reggettabili e altri miglioramenti del design hanno superato questi problemi. La nuova Challenger, la Viper e la ZR1 Corvette sono tutte dotate di una frizione a doppio disco, il che indica che gli OEM hanno fiducia nella loro redditività a lungo termine.

Riferendosi alle sue nuove frizioni a due dischi Small Twin, McLeod commenta, "Hanno una leggera pressione del pedale e uno sgancio rapido. Abbiamo fatto un disco marcel sul fondo, abbiamo legato il galleggiante, e poi abbiamo fatto il disco superiore piatto. Le unità funzionano con la maggior parte dei sistemi idraulici di serie, hanno una potenza da 800 a 1.000 cv e sono facili da installare. Utilizzano i volani di serie e non richiedono spessori distanziatori; quot;

Il nuovo multidisco True Sprung Hub di Centerforce ha un disco anteriore con un mozzo di trasmissione scanalato in metallo cromato a molla, più spesso dei mozzi utilizzati sulla maggior parte dei multidischi. Il secondo disco (posteriore) non ha un mozzo; si allinea sul galleggiante tramite sei perni di allineamento, ma è in realtà guidato dal mozzo molleggiato del disco anteriore.

Hays sta sviluppando un gruppo monoblocco a doppio disco contenente i dischi e l’anello galleggiante combinati in un unico mozzo condiviso. I vantaggi sono la minore rumorosità durante il funzionamento, l’innesto più rapido e – poiché il mozzo della frizione è la parte più pesante della frizione oltre al coperchio – una riduzione del 40% del peso. Il gruppo compatto potrebbe essere proprio quello che la dottoressa ha ordinato per le installazioni compatte di oggi; una configurazione per un T56 di produzione, per esempio, ha solo 4 1/2 pollici e mezzo per contenere il disco di pressione, il volano, i dischi e il cuscinetto di rilascio, compresa la corsa consentita su e giù per l’albero d’ingresso. La disponibilità provvisoria è impostata per la fine del 2010.

RPS offre multis doppia e tripla CC multis specifica per selezionate Corvette C5 o più recenti fortemente modificate, V-10 Vipers, la famiglia Ford 4.6L Modular (applicazioni particolarmente sovralimentate come la G.T. 500), la ’10 Camaro, la ’09 Dodge Challenger, e varie importazioni di turbocompressori. RPS dice che le sue frizioni CC “sono state una manna per i ragazzi della Corvette”. Ha permesso loro di far slittare la frizione per controllare la velocità della ruota senza preoccuparsi di danneggiare la frizione. Un pilota della C5 del ’06 ha recentemente stabilito il record non ufficiale di un quarto di miglio a sei marce a 9,25 a 153 utilizzando la frizione a tre dischi di RPS”.

Allora, dov’è il punto di crossover quando si deve passare da un singolo a un multi? Anche se un doppio disco può essere eseguito in qualsiasi momento (anche in un magazzino), prendete in considerazione la possibilità di passare ad un multi da qualche parte nella gamma da 500 a 600 CV. Un disco singolo può essere fatto per contenere da 550 a 600 cv, ma è probabile che sia metallico o estremamente aggressivo, con una pressione statica della piastra a pressione relativamente alta che influisce pesantemente sulla guidabilità giornaliera.

Frizioni per bobine

I moderni diaframmi a diaframma singolo e multidisco hanno praticamente relegato i design a molla a spirale della vecchia scuola nel cestino della spazzatura, a meno che tu non sia un irriducibile della vecchia scuola con una tradizionale muscle car Ford o Chrysler restaurata, che abbia più di 1.200 CV sulla strada o che abbia più di 1.200 CV in circolazione, o che abbia un drag racer di livello superiore che ha bisogno di una frizione a slittamento controllato per ottenere la potenza a terra.

Le frizioni lunghe possono modificare la pressione statica regolando l’altezza delle molle elicoidali. È anche possibile cambiare le leve, i punti di rotazione della leva, i contrappesi e molti altri aspetti della frizione per controllare come la frizione si blocca quando la macchina accelera. “Regolando la pressione di base e i contrappesi, possiamo far uscire l’auto dalla linea con un minimo giro di pneumatici e poi applicare progressivamente l’intero carico della frizione durante la corsa”, dice Ram. “Una Funny Car o una frizione Top Fuel non si innesta completamente prima degli ultimi 200 piedi”, aggiunge Hays. Altrimenti, non ci sarebbe altro che il fumo dei pneumatici di quei mostri da 8.000 CV.

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Le frizioni lunghe Pro-level vanno dalle configurazioni a tre dita tipicamente utilizzate in Pro Stock fino alle configurazioni a 12 dita Top Fuel in cui ogni dito ha un peso diverso e viene impostato ad un’altezza diversa. Le dita si innestano in sequenza quando il cuscinetto del throwout si sgancia sotto il controllo di un timer pneumatico. L’impostazione della frizione è diventata così critica nelle classi Pro che uno specialista della frizione è ora uno dei membri più importanti del team.

Anche la tecnologia delle frizioni lunghe è scesa a classi inferiori. Ad esempio, la regola dei pneumatici da 10 pollici della NMCA obbliga i corridori a limitare la potenza attraverso i primi 100-300 piedi, e lo fanno con una pantofola lunga.

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Volani

I volani sono generalmente realizzati in ferro, ferro nodulare, acciaio o alluminio (quest’ultimo con un inserto compatibile con il rivestimento della frizione). Secondo Quarter Master, “I volani in billetta o in acciaio forgiato sono molto più sicuri di quelli fusi ad alto numero di giri e possono essere prodotti con un peso target sia per le prestazioni che per la guidabilità. Ora possiamo progettare e produrre un volano in acciaio per essere sicuri e leggeri come la maggior parte dell’alluminio. Tuttavia, i volani in alluminio sono piacevoli per la manutenzione; l’anello di superficie di attrito è avvitato al nucleo, quindi è una facile sostituzione”. Per prestazioni serie, i volani dovrebbero essere certificati SFI.

Oltre a costituire parte del pacchetto di frizione totale della frizione, i volani agiscono come un secondo smorzatore armonico per smussare le armoniche del motore. Un volano più pesante assorbe e immagazzina la potenza del motore. Quando questa energia viene rilasciata improvvisamente, può aiutare a far muovere un veicolo pesante o a rendere un veicolo più maneggevole nella guida stop-and-go. Al contrario, un volano più leggero permette al motore di accelerare più rapidamente una volta che il veicolo è già in movimento. Tradizionalmente, le auto leggere con marce più aggressive o quelle che operano a regimi sostenuti potrebbero cavarsela con volani più leggeri; le auto più pesanti, le auto da strada con marce posteriori più leggere o le auto sportive che hanno bisogno di uscire dalla linea di partenza, si sono rapidamente affiancate alle auto pesanti. Questo pensiero si è evoluto perché molte delle hot rod di oggi producono così tanta potenza e coppia che non hanno più bisogno di essere schiacciate dai volani pesanti. A meno che non si disponga di una chiatta davvero pesante o di ingranaggi posteriori delicati, inclinarsi verso un volano leggero sopra i 500 CV.

Alcuni volani trucco anche spostare il peso intorno per controllare meglio l’inerzia, che è notevolmente influenzata da dove il peso è posto rispetto al centro del volano. Più il peso è lontano dal centro, maggiore è l’inerzia; più è vicino al centro, minore è l’inerzia. Ciò significa che un volano più pesante può salire più velocemente di un’unità più leggera se il suo peso o la sua massa è concentrata più vicino al centro perché la sua inerzia è più bassa.

Molti volani sono dotati di molteplici modelli di montaggio dei dischi di pressione in modo da poter accogliere una varietà di design di frizioni, compresi i multidischi. Ad esempio, Hays offre volani a doppia foratura per motori a cassa GM LSX che possono ospitare frizioni a diaframma o lunghe.

Il futuro

In futuro, i rivestimenti esotici delle frizioni e le configurazioni multidisco diventeranno comuni anche nelle applicazioni OEM, rendendole più accessibili. Alcune tecnologie di produzione arriveranno persino alle corse: Stiamo già iniziando a vedere frizioni idrauliche che si inseriscono nelle corse su pista ovale.

Stanno arrivando le frizioni controllate dal computer. Alcune auto sportive esotiche le usano già. I cambi di marcia vengono avviati da un cambio a paletta sul volante. Il computer controlla i cambi di marcia e l’applicazione della frizione senza pedale della frizione. Il risultato: cambi di marcia perfetti ogni volta.

Lasciando che l’ECU sposti una frizione manuale a trans sfociare la linea tra il cambio manuale e quello automatico, non dovrebbe sorprendere nessuno se l’odierno convertitore di coppia del cambio automatico sarà presto sostituito da frizioni multidisco azionate dal computer. Con l’ECU in grado di modulare e controllare da vicino l’azionamento della frizione, lo slittamento e il bloccaggio, le perdite parassitarie complessive sarebbero inferiori rispetto a quelle di un convertitore tradizionale. Alcuni VW ce l’hanno già, e si dice che GM sia vicino. . . sì, un stock di fabbrica Clutch-Turbo forse già nel 2012.

Riesci a vedere i tecnici della NHRA che si grattano la testa su come classificare le auto con cambio a pale o le auto Clutch-Turbo di fabbrica? Appartengono a una classe automatica, a una classe con cambio manuale o a una classe completamente nuova? E questo dove li porta i ragazzi del passato? Avranno il permesso di utilizzare la nuova tecnologia?

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