Carlos Sainz (Scuderia Ferrari) scende in pista a bordo della sia SF-23
Una delle componenti principali di una vettura di F1 è sicuramente l’impianto frenante. Questo sistema è forse il meno “chiacchierato” tra tutti gli elementi fondamentali come power unit, telaio, sospensioni o struttura aerodinamica, ma con il suo semplice funzionamento ferma le vetture. Il concetto fisico che viene sfruttato per rallentare le monoposto è l’attrito che si genera tra la pastiglia, spinta dai pistoncini della pinza, e il disco.
Il contatto tra questi due elementi genera del calore, che dev’essere amministrato e smaltito a dovere. L’azienda che da parecchi anni fornisce l’impianto frenante alle scuderie è Brembo. Il marchio italiano, leader nella produzione di questi sistemi, mette a disposizione degli elementi standard e permette ai team di customizzare solamente il disegno delle pinze anteriori e posteriori.
Nelle attuali vetture di F1 le decelerazioni raggiunte in fase di frenata toccano i 5g e la nuova categoria di monoposto, con ruote da 18 pollici, può ospitare dischi freno dal diametro più grande in grado di generare forze frenanti superiori. A parità di pressione vengono sfruttati dei dischi con una sezione circolare di area maggiore e la forza applicata può anch’essa essere più elevata.
Sono realizzati in carbonio, un materiale composito capace di fornire resistenza e leggerezza e presentano nei fori di ventilazione uno degli elementi fondamentali per il funzionamento. Come si può notare nella tabella che segue, i dischi di un diametro superiore hanno permesso una misura più grande dei fori di ventilazione. Rispetto al 2021 le analisi CFD sui nuovo dischi freno, davano feedback migliori con un minore numero di fori ed un diametro maggiore.
L’elemento “meno ingegnerizzato” tra quelli elencati in tabella è la pastiglia, un pezzetto di carbonio che ha le sembianze di un rettangolo con i due lati lunghi e curvilinei. La pastiglia viene spinta dai pistoncini della pinza sul disco del freno, per rallentarne la velocità angolare tramite attrito. Per funzionare necessita di un buon raffreddamento e di un’alta capacità di smaltimento del calore. La pinza è l’unico elemento customizzatile dai team tramite un’iterazione continua con Brembo.
Il materiale di cui è costituita è una lega di alluminio di serie 7000 denominata Ergal con una densità di 2,7 Kg/cm3. La composizione di questa lega prevede l’utilizzo di rame, magnesio, manganese e silicio, per ottenere una resistenza a trazione di circa 520 MPa a snervamento. Per comprendere meglio di cosa stiamo parlando, possiamo compare l’Ergal con un acciaio legato che ha una densità di 7,8 kg/dm3.
L’acciaio è sottoposto a snervamento tramite un comportamento elastico. Con una forza di circa 1200 MPa, pertanto, il rapporto carico di snervamento su densità del materiale è a favore della lega di alluminio. Nel progettare la pinza si cerca una buona rigidezza del manufatto tramite il giusto rapporto di massa e dimensioni. Inoltre, con le simulazioni strutturali CAD / CAE, si va alla ricerca della forma strutturalmente più solida togliendo materiale in eccesso.
La gestione termica si focalizza nello smaltimento del calore generato dall’attrito delle frenate, con temperature che possono superare i 1000°. Il nuovo regolamento ha imposto delle brake duct standard nella loro forma esterna per aiutare i team in fase di progettazione. All’interno invece, vi sono dei canali creati su misura per soffiare aria pulita su pinza e disco, che vengono validati tramite delle simulazioni CFD. Si va a creare un circolo d’aria all’interno del “cestello”, elemento che funge da cover aerodinamica per mozzo ed impianto frenante, con l’obbiettivo di asportare il calore.
Il regolamento tecnico in vigore dal 2022 ha imposto le front wheel deflector, provvedimento per diminuire le turbolenze generate dal rotolamento della gomma. Questo miglioramento aerodinamico, però, impedisce lo smaltimento del calore generato dai freni attraverso il cerchio. La fuoriuscita dei fluidi caldi, dunque, avviene tramite un piccolo pod che ha sede posteriormente alla presa del freno e che indirizza i flussi più esternamente possibile al corpo vettura.
Infine, proviamo a capire come viene gestito l’impianto frenante all’interno di un weekend di gara. Il Gran Premio più critico è sicuramente quello messicano, dove l’altitudine mette a dura prova il sistema di raffreddamento. Oltre a questo, sono presenti circuiti con caratteristiche diametralmente opposte che impongono sforzi di frenata diversi, basti pensare ad esempio a Monza e Austin nei confronti di Montecarlo. In queste piste si usano dischi freno con spessori e numero di fori diversi per adattarsi al meglio alle caratteristiche del tracciato.
Nel singolo fine settimana, nelle varie sessioni e più specificatamente curva dopo curva, i piloti tendono a spostare continuamente il bilanciamento e cercano di stare il più possibile con aria pulita davanti a sé per favorire il raffreddamento. Nei giri di preparazione delle mescole il bilanciamento viene spostato sull’asse anteriore, così da poter portare energia sulle coperture sfruttando l’attrito con l’asfalto e le temperature che si vengono a generare dalle staccate.
Autore: Leonardo Pasqual – @PasqualLeonardo
Immagini: Brembo – Scuderia Ferrari