Il "Brake Fade", quando i freni a disco cuociono
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Il “Brake Fade”, quando i freni a disco cuociono

Bikelife, Mtb • di

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Durante una gara di extreme downhill, la Tianmen Red Bull svoltasi in Cina, è avvenuto un grave incidente. Il biker Kelly Mc Grey stava scendendo i mille gradini della scalinata, per raggiungere la rampa che l’avrebbe proiettato in aria per consentirgli di effettuare le evoluzioni del caso. Il biker però ha continuato ad aumentare la velocità senza controllo, arrivando troppo veloce sulla rampa. Proiettato in aria è caduto per terra a una velocità pazzesca. Guardando le foto della bicicletta (il telaio si è aperto all’altezza della serie sterzo) si comprende bene l’enorme velocità dello schianto. Una volta analizzata la bici (o quello che ne rimaneva), è stato accertato che il problema è da ricondurre ai freni “cotti”. Cosa significa questa espressione?

Nel campo dell’ingegneria meccanica applicata ai trasporti, con il termine “brake fade” si indica un repentino abbassamento della qualità del lavoro del freno, che può anche portare all’annullamento totale dell’azione frenante. Il brake fade è dovuto all’accumulo di calore tra le parti frenanti, che non riesce più a essere evacuato e che quindi produce delle trasformazioni nell’intero sistema. Si tratta, come si può intuire, di un aspetto molto importante, poiché ne deriva l’incolumità del conducente, in questo caso di chi utilizza la bicicletta.

L’innesco del brake fade

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I freni a disco lavorano utilizzando un principio molto semplice: un rotore ruota solidale con il mozzo e viene rallentato avvicinando alla superficie in rotazione un corpo, denominato pastiglia, dotato di una pasta frenante chiamata ferodo. Il rallentamento della rotazione del rotore avviene per attrito: le pastiglie, lavorando sulla superficie del disco, danno vita a un attrito che via via rallenta l’energia cinetica e consente di fermare la bicicletta. Il lavoro per attrito comporta però due aspetti:
Usura superficiale: ogni volta che avviene una frenata, le superfici a contatto sfregano tra loro, usurandosi e liberando del materiale;
Calore: il lavoro per attrito sviluppa un notevole calore che surriscalda le superfici a contatto;

Solitamente il calore e l’usura vengono gestiti molto bene dal sistema, che non subisce alcun problema e continua a lavorare in modo eccellente. Esistono però dei casi in cui l’usura o le temperature sviluppate raggiungono livelli di guardia e sfuggono al controllo del biker, comportando delle reazioni che riducono drasticamente la potenza frenante. E’ l’inizio appunto del brake fade, che può esprimersi in tre diversi aspetti:

Fade dell’attrito: le superfici a contatto non sono più in grado di sviluppare attrito e la frenata diventa poco potente;
Fade meccanico: l’usura è repentina e incontrollata e le superfici si consumano e si temprano;
Fade idraulico: detto anche “fluid fade”, deriva dall’abbattimento delle caratteristiche fisiche dell’olio idraulico per via di elevate temperature di lavoro.
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Nel primo caso, ovvero il fade dell’attrito, troviamo disco e pastiglia che lavorano a contatto per troppo tempo (come un lunga frenata in discesa). Questo contatto continuativo sviluppa un elevato calore che fa aumentare la temperatura delle superfici. Dato che il ferodo delle pastiglie è solitamente costituito da resine organiche, il raggiungimento di temperature più alte di 232°C innesca delle vere e proprie reazioni polimeriche (definite “cross-link”), durante le quali la struttura molecolare del ferodo stesso si modifica e la superficie a contatto con il rotore diventa liscia e molto dura. Tecnicamente questo processo viene chiamato “vetrificazione” delle pastiglie. Un ferodo vetrificato è talmente duro e liscio da non riuscire più a generare attrito con il rotore, abbattendo così la capacità di frenata. Quando le pastiglie vetrificano non si notano problemi alla leva o all’impianto frenante, che appare funzionante e modulabile come in precedenza. Se però si va a frenare, si nota come nonostante la leva venga azionata a finecorsa, il rallentamento sia minimo, accompagnato da suoni striduli e fastidiosi. La vetrificazione delle pastiglie è un problema risolvibile quando è ai primi stadi, ovvero se la parte temprata riguarda pochi decimi di profondità del ferodo. In questo caso basterà carteggiare la superficie con della carta abrasiva per rimuovere lo strato vetrificato e riportare alla luce il ferodo “buono”. Se le pastiglie sono rimaste a lungo a contatto con temperature elevate e la vetrificazione è profonda, non rimarrà altro da fare che sostituirle.

Fade_4Il fade meccanico invece non è influenzato direttamente dalla temperatura di esercizio bensì da un’usura notevole che abrade le superfici a contatto, deformandole e rovinandole velocemente. Qui, più che l’incapacità del biker di gestire la frenata il problema deriva da un’incuria nella manutenzione. Infatti il fade meccanico s’innesca con pastiglie o dischi molto usurati, ormai giunti a fine della vita utile. Le pastiglie vanno sempre sostituite quando lo spessore del ferodo è uguale o minore di 0,5mm, mentre il disco quando il suo spessore varia tra 1,75mm-1,5mm (dipende dalle case produttrici). Come avviene il fade meccanico? In sostanza lo spessore insufficiente delle pastiglie e del disco fa sì che quello che rimane della superficie utile alla frenata si usuri molto velocemente, lasciando così scoperte parti dei componenti che non sono pensate per lavorare per attrito, come l’anima dei rotori (solitamente in lega metallica leggera) e i corpi pastiglia (in metallo). Il contatto tra le parti provoca un’abrasione continua e notevole, con elevato sviluppo di calore. I dischi si deformano e subiscono un vero e proprio trattamento termico di brunitura, ovvero la superficie diventa rossastra o nera, la classica “cottura” o “scottata” dei disci. Il fade meccanico è riconoscibile dal fatto che la leva del pompante, quando viene azionata, raggiunga il finecorsa prima di iniziare una frenata e che appena pastiglie e disco (quel che ne resta) entrano in contatto, lo sterzo diventa instabile e comincia a vibrare notevolmente, rendendo quasi inguidabile la bicicletta.
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Per ultimo abbiamo il fade idraulico, ovvero il “fluid fade”, dovuto a reazioni termiche cui viene sottoposto l’olio idraulico contenuto nel sistema. Si tratta di uno dei più gravi problemi che possono occorrere a una bicicletta. Infatti l’elevata temperatura generata dal contatto tra pastiglia e freno non viene più sfogata adeguatamente ma si propaga ben oltre la superficie di contatto. Il calore si trasmette ai pistoni e quindi all’interno sistema. La temperatura dell’olio idraulico si innalza in poco tempo e questi comincia letteralmente a bollire. Bollendo sprigiona vapore acqueo che (sottoforma di bolle d’aria) “tappa” il sistema, rendendo inefficace qualunque lavoro da parte del pompante, che non riesce a mandare l’olio in pressione e quindi la frenata si annulla totalmente. Il fluid fade è riconoscibile dal fatto che la leva diventi “spugnosa”, morbida e difficile da gestire, contemporaneamente a un abbattimento della potenza di frenata.

Le cause del brake fade e prevenzione

Fade_6 Abbiamo visto quali sono le caratteristiche e le diverse situazioni d’innesco dei diversi tipi di brake fluid ma da cosa dipendono? Il collasso dei freni a disco è dovuto sempre a un loro utilizzo troppo frequente e prolungato, che fa innalzare la temperatura fino al punto da renderla ingestibile. E’ appunto il caso delle discese, dove invece di lasciar correre la mtb lungo la sua traiettoria, si continua a frenare e a bloccare le ruote. Il contatto continuativo delle superfici innalzerà notevolmente la temperatura, cuocendo i freni. Ritornando all’esempio di apertura, il biker è stato costretto ad azionare per lungo tempo le leve per poter affrontare i mille gradini ripidi della scalinata cinese, per evitare di raggiungere una velocità troppo elevata (perdere il controllo su quella scalinata avrebbe significato una caduta di 200mt, tutta su gradini). Questa condizione ha innalzato la temperatura del sistema e ha fatto collassare l’impianto frenante.

Com’è possibile prevenire i diversi casi di brake fade? Si può agire sia a livello di tecnica di guida che di manutenzione:
Guida: evitare di far lavorare i freni a finecorsa, azionandoli solo il tempo necessario a rallentare e rilasciandoli il prima possibile. Evitare inoltre di affrontare lunghe discese con (come dicono i biker) i freni tirati. per questo bisogna apprendere le tecniche discesistiche, che non sono appannaggio di tutti;
Manutenzione: controllare sempre l’usura di pastiglie e disco, mantenere pulito il sistema ed effettuare gli spurghi dell’aria non appena la leva diventa spugnosa. Una volta all’anno (ogni anno e mezzo / due se non si usa la bici in modo assiduo) è bene sostituire totalmente l’olio idraulico, soprattutto il DOT che è igroscopico.

Fade_7E le aziende, come si stanno muovendo per affrontare e risolvere il problema del brake fade? Partiamo dall’assunto che i freni a disco vengono utilizzati in ambito automotive sin dagli anni ’50, per cui di esperienza e di riscontri pratici sul tema se ne trovano a bizzeffe. I dipartimenti di ricerca e sviluppo delle case produttrici lavorano soprattutto per creare sistemi frenanti che riescano a sopportare temperature di esercizio sempre più elevate. Per fare questo si testano materiali più performanti, soprattutto leghe metalliche per i dischi , composti organici differenti per i ferodi e schermature ceramiche per i pistoni, abbattendo la capacità di trasmissione termica. Inoltre si riprogettano le pastiglie e i pistoni affinché possano rilasciare il calore con più facilità: è il caso delle pastiglie ventilate, dotate di alette di aereazione che consentano un miglior scambio termico con l’aria e quindi un’evacuazione del calore sprigionato.

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