Freni e rallentatori: Quando è necessario fermarsi

Il sistema frenante di un camion per la raccolta si allena incredibilmente ogni settimana in alcuni degli ambienti e delle circostanze più difficili. Il camion deve mantenere le normali funzioni di frenata in condizioni di traffico che vanno dall’autostrada al traffico urbano pesante al ripetitivo stop-and-go del percorso di raccolta. Ad ogni fermata il peso del camion aumenta fino a raggiungere il suo carico utile, con l’aspettativa che le caratteristiche di frenata del camion rimangano abbastanza costanti da vuoto a pieno. Aggiungete la necessità di fare quelle fermate di panico inaspettate per l’automobilista che improvvisamente taglia davanti al camion o il bambino su un triciclo che sfreccia non visto tra due auto parcheggiate per vedere il “grande camion”, e avrete un sistema che è a prova di errore.

In poche parole, i sistemi di frenatura e di rallentamento lavorano sul concetto di offrire una resistenza selettiva a un componente in movimento, sia su una ruota che gira o un albero rotante in una forza di attrito uguale e opposta al movimento finché l’oggetto si ferma. Come risultato della funzione di frenatura, l’energia contenuta nell’oggetto in movimento viene trasformata in calore che successivamente si disperde nell’atmosfera. I sistemi di frenatura sono principalmente di natura meccanica, mentre i ritardatori funzionano attraverso la resistenza del fluido o le forze elettromagnetiche. I rallentatori sono usati per integrare il sistema di frenatura principale riducendo la quantità di sforzo che il sistema di frenatura primario deve esercitare per portare un veicolo all’arresto.

Un’introduzione ai sistemi di frenatura

Su un camion per la raccolta dei rifiuti, il sistema di frenatura consiste di due sottosistemi: il freno di servizio, che è progettato per funzionare attraverso il pedale ed essere applicato durante il normale funzionamento del veicolo; e il freno di stazionamento, che è un sistema meccanico progettato per mantenere i freni quando il veicolo è parcheggiato e il motore è spento. In situazioni in cui il conducente deve ripetutamente uscire dal veicolo mentre lo pone in una situazione di parcheggio, un sistema di freno di lavoro, che combina le caratteristiche sia del freno di servizio che del freno di stazionamento, può essere utilizzato senza generare un’usura significativa sul freno di stazionamento a molla.

I sistemi di frenatura utilizzano sia il fluido idraulico che l’aria per funzionare. Mentre entrambi i sistemi hanno applicazioni appropriate su vari veicoli, i sistemi di frenatura principali sui veicoli per la raccolta dei rifiuti sono ad aria. Ciò richiede un compressore per generare aria alla pressione appropriata e un serbatoio di stoccaggio per contenere l’aria compressa. L’aria viene poi trattata per rimuovere l’umidità, che può ridurre l’efficacia dei sistemi frenanti. Il sistema di frenatura è spesso diviso in circuiti che sono progettati per fornire una ridondanza al sistema. Questa ridondanza ha lo scopo di permettere al veicolo di conservare più del 50% della sua funzione frenante in caso di guasto del circuito. Ogni circuito ha un sistema di valvole appropriato che distribuisce l’aria ai freni di fondazione su ogni gruppo di ruote.

I sistemi di freni ad aria sono la piattaforma dominante a causa della loro affidabilità e del minor costo di manutenzione. “Un sistema di freni ad aria è un sistema indulgente”, afferma Ron Bailey, responsabile tecnico delle vendite per Bendix Spicer Foundation Brake LLC di Elyria, OH. “Si può far funzionare un sistema di freni ad aria con qualche perdita nel sistema e non si perde il sistema frenante. Voglio dire, sia i sistemi ad aria che quelli idraulici hanno una ridondanza, nel senso che se si perde una parte del sistema, l’altra metà del sistema funziona. Tuttavia, un sistema ad aria può funzionare con piccole perdite nel sistema e continuare a funzionare, mentre non è possibile farlo con un sistema idraulico. Se c’è una perdita in un sistema idraulico, si perde parte del sistema”

I componenti dei freni dei camion per la raccolta devono essere robusti per fermare i veicoli pesanti nel loro giro quotidiano. In senso orario da sinistra in alto ci sono un freno a disco ad aria; un attuatore a valvola, che usa l’aria dei freni di stazionamento per mantenere il pedale del freno applicato durante le ispezioni; e un compressore, che è usato come fonte di energia per caricare l’aria per il sistema dei freni ad aria. A destra, un tecnico lavora su un freno a disco ad aria.

I freni di fondazione possono consistere in freni a disco o a tamburo. La maggior parte dei sistemi frenanti sui veicoli per la raccolta dei rifiuti sono freni a tamburo con camma a S, che consistono in una camera dei freni e un regolatore di allentamento che gira una camma a forma di S che applica le ganasce contro il tamburo per creare la forza frenante. I freni a disco usano una pinza per applicare la pressione attraverso le pastiglie a un rotore. I freni a tamburo spingono verso l’esterno contro la superficie del tamburo che si muove parallelamente alla superficie stradale, mentre i freni a disco applicano la pressione a un disco che ruota perpendicolarmente alla superficie stradale.

Secondo Bailey, ci sono alcune differenze distintive tra i due sistemi. “Meno del 2% dei veicoli pesanti negli Stati Uniti sono dotati di freni a disco ad aria”, dice. “Penso che la ragione principale sia l’economia. I freni a disco sono generalmente più costosi all’inizio, ma crediamo che ci siano dei pagamenti per il ciclo di vita che ridurranno questo, e renderanno più ragionevole l’opportunità dei freni a disco ad aria attraverso una maggiore durata delle guarnizioni e una più facile manutenzione. In confronto, i freni a tamburo hanno un paio di caratteristiche che i freni a disco superano. Il numero uno è la stabilità. Ci può essere fino al 30% di variazione da destra a sinistra. I freni a disco hanno intrinsecamente molta più stabilità, probabilmente meno del 10% di variazione da freno a freno. L’altra cosa con i freni a disco rispetto ai freni a tamburo è quella che chiamiamo dissolvenza dei freni, che sarebbe la perdita di efficacia dei freni. Con l’aumento della temperatura, i freni a tamburo avranno certamente delle perdite di efficienza quando i freni si riscaldano. Si può avere fino al 30% – 40% di dissolvenza in un freno a tamburo da una situazione fredda a una situazione calda. I freni a disco hanno probabilmente meno del 10% di variazione da freddo a caldo. I rifiuti sono considerati un’operazione di frenata a caldo pesante. Abbiamo visto fino a 60 fermate per miglio sui rifiuti. I freni a tamburo si surriscaldano, si affievoliscono e si comincia a perdere l’efficacia dei freni e ad aumentare l’usura delle guarnizioni con l’aumento delle temperature. I freni a disco sono molto meno sensibili a queste condizioni e possono offrire un miglioramento nell’usura delle guarnizioni e un tempo di servizio molto più rapido quando è necessario sostituire le pastiglie.”

Determinare quale tipo di sistema frenante (disco o tamburo) è appropriato per una specifica applicazione dipende da una varietà di fattori, dice John Hall, vice presidente dell’ingegneria dei prodotti presso Webb Wheel Products a Cullman, AL. Alcuni di questi fattori sono il duty cycle, le abitudini del conducente, il tipo di carico, il peso e il costo.

Oggi il costo di un freno a disco ad aria è sostanzialmente più alto di quello di un freno a tamburo. La ragione principale di ciò è che i componenti di un freno a tamburo sono prodotti in un volume molto maggiore rispetto ai componenti di un freno a disco ad aria. Il costo dei componenti è estremamente sensibile al volume. Man mano che il volume dei componenti del freno a disco ad aria aumenta, la differenza tra il costo di un freno a disco ad aria e quello di un freno a tamburo diminuirà.

Migliorare la vita del tamburo del freno

La vita dei tamburi di ricambio può essere aumentata non seguendo la pratica comune di “allineare” un tamburo nuovo prima di metterlo in servizio. Oggi la maggior parte dei produttori di tamburi lavorano il tamburo in un solo serraggio. Questo permette di minimizzare il runout tra il diametro della superficie frenante e il diametro pilota. La pratica di lavorare ulteriormente un tamburo per freni riduce la durata di usura di un nuovo tamburo aumentando il diametro della superficie frenante. Inoltre, questa pratica di solito aumenta il runout del diametro della superficie frenante rispetto al diametro pilota, che può contribuire alla formazione di controlli di calore sulla superficie frenante. Questo può ridurre la vita del tamburo.

L’uso di tamburi ventilati insieme alle turbine dei freni può ridurre la temperatura d’esercizio dei tamburi dei freni in servizio grave. L’aggiunta di un freno di lavoro al sistema permette di utilizzare il sistema frenante in modo più efficiente, dice Chuck Eberling, ingegnere senior del personale di Bendix Commercial Vehicle Systems. “Uno dei più grandi nemici di un sistema frenante su un veicolo per rifiuti è l’applicazione del freno di stazionamento nelle fermate di routine casa per casa”, osserva. “Attraverso studi con l’industria, abbiamo imparato che è letteralmente impossibile per i sistemi di ricarica che sono tipicamente usati su questi veicoli tenere il passo con un percorso da 800 a 1.200 fermate in cui il conducente applica effettivamente i freni di stazionamento ad ogni fermata. È molto importante che egli abbia quello che è conosciuto come il freno di lavoro che impiegherà effettivamente il freno di servizio. Così facendo, questo ridurrà il consumo d’aria di tre volte e quindi darà la possibilità al sistema di ricarica di tenere il passo con la domanda. Se il sistema di carica non riesce a stare al passo con la domanda, saturerà l’intero sistema e avrà problemi lungo la strada con la corrosione interna e il congelamento e quel genere di cose.”

I ritardatori aiutano la frenata

Chiunque si sia trovato lungo una rampa autostradale in discesa mentre un camion pesante rallenta ha sentito il familiare brontolio di un sistema di rallentamento del motore. Accoppiati con i rallentatori della trasmissione e della trasmissione, sono progettati per assistere il sistema di frenata esistente convertendo l’energia generata dalla trasmissione del veicolo in un sistema di frenata.

Quando l’acceleratore di un camion da raccolta viene premuto, il motore accelera perché il carburante viene spinto nei cilindri e si accende, creando lavoro. Quando l’acceleratore viene rilasciato, il motore si spegne. Un rallentatore del motore cattura lo scarico del motore e lo comprime in modo che il motore debba lavorare di più per spingere il gas fuori dai cilindri, e quindi ritarda e rallenta il motore attraverso la resistenza. Questo fa sì che il veicolo rallenti, richiedendo meno forza frenante sui freni di servizio per portare il veicolo all’arresto.

I ritardatori di trasmissione svolgono una funzione simile in quanto rallentano le forze di rotazione della trasmissione creando resistenza all’interno della trasmissione. Steve Spurlin, ingegnere capo della Allison Transmissions di Indianapolis, IN, descrive il funzionamento del sistema: “Il rallentatore consiste in un elemento rotante a palette chiamato rotore. Su entrambi i lati del rotore, ci sono elementi a palette che non ruotano, chiamati statori. La cavità tra il rotore e gli statori è pressurizzata con olio. Il rotore è collegato all’albero di uscita della trasmissione. L’olio pressurizzato che lavora tra il rotore e lo statore rallenta il veicolo quando l’operatore chiede il rallentamento. Il rallentatore pompa olio fino a circa 60 galloni al minuto e preleva l’olio dalla normale riserva d’olio della trasmissione.”

I rallentatori della driveline sono installati tra la trasmissione e la parte posteriore del camion, e usano l’energia elettromagnetica per contrastare l’energia della driveline in rotazione, come un motore elettrico. “Nel mercato dei rifiuti, vengono acquistati principalmente per prolungare la durata dei freni”, dice Joe Gawlik, responsabile regionale delle vendite per Telma Inc. di Elk Grove Village, IL, una filiale del Valeo Group. “Data la quantità di lavori di frenatura che vengono eseguiti nel mercato dei rifiuti, si risparmierà sulla durata dei freni e sulle spese associate per i freni, nonché sulla durata dei pneumatici. due rotori che sono attaccati alla catena cinematica e che ruotano alla stessa velocità della catena cinematica. Lo statore è imbullonato alla guida del telaio ed è fermo. Quando il rallentatore viene attivato, c’è un campo elettromagnetico creato utilizzando correnti parassite che rallentano la rotazione di questi rotori, il che significa che si sta rallentando il camion senza usare i freni”. Secondo John Gillespie, direttore generale di Telma, “Nessun’altra tecnologia di frenatura ausiliaria è così adatta al settore dei rifiuti come quella elettromagnetica. Abbiamo visto un aumento di cinque volte della durata dei freni e una riduzione dei guasti ai pneumatici legati al calore utilizzando questa tecnologia.”

Secondo Spurlin, ci sono due ragioni per avere qualsiasi tipo di sistema di rallentamento su un veicolo di raccolta. “Uno di questi è il controllo della velocità sui gradi, che non è proprio quello per cui un veicolo per la raccolta dei rifiuti lo vorrebbe”, dice. “Il secondo scopo è quello di fornire una frenata supplementare al veicolo che potrebbe, in effetti, aiutare a salvare i normali freni di servizio in modo da prolungare la vita dei freni. Il beneficio più prevalente è in una vocazione ad alto stop/start come un camion dei rifiuti. Nella normale raccolta dei rifiuti residenziali, che si tratti di un sideloader, di un caricatore posteriore o anche di un caricatore frontale, quando si lavora a bassa velocità non si otterrà un grande beneficio da nessun tipo di rallentatore perché si corre a bassa velocità. L’energia frenante che stai mettendo nei freni di servizio è molto piccola perché la velocità è bassa. Ma ognuno di quei camion esce dal quartiere. Vanno nel traffico normale e, nella maggior parte dei casi, vanno in autostrada più volte al giorno ad alta velocità verso discariche o stazioni di trasferimento. Otterrebbero il beneficio del rallentatore in termini di risparmio dei freni, perché ora sono a velocità più elevate e c’è più energia frenante che va nei freni di servizio. Se il retarder può assorbire quell’energia rispetto ai freni di servizio, allora è così che si prolunga la vita dei freni.”

L’attivazione dei sistemi di retarder può essere impostata in base alle esigenze del sistema operativo. “Gli autisti e le compagnie hanno la possibilità di scegliere come vogliono che il sistema sia impostato”, dice Gawlik. “La maggior parte delle unità che escono sul mercato dei rifiuti sono con controllo a pedale, cioè non appena l’autista preme il freno, il rallentatore viene attivato in quattro fasi diverse con il 25% per ogni fase. Viene attivato da un interruttore della pressione dell’aria e si attiva a 3, 5, 7 e 10 libbre d’aria nelle linee di frenatura. Questa è l’opzione più popolare nel mercato dei rifiuti. Tuttavia, ci sono altre opzioni come il controllo off-throttle. Alcune aziende di rifiuti scelgono questa opzione in cui circa il 25% o il 50% della potenza viene attivata non appena si rilascia l’acceleratore, mentre le fasi aggiuntive vengono attivate dal pedale del freno. Non appena si lascia l’acceleratore, boom, il 50% del rallentatore funziona immediatamente.”

Sistemi futuri

Attualmente, tutti i sistemi frenanti devono soddisfare o superare i requisiti della National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) per essere in grado di portare un veicolo di classe 8 ad un arresto in 355 piedi da 60 miglia all’ora. La NHTSA ha attualmente un programma in nove fasi per ridurre gli incidenti mortali legati ai veicoli pesanti del 50% entro l’anno 2010. “In uno degli sforzi principali, stanno pianificando una riduzione del requisito della distanza di arresto dagli attuali 355 piedi a 248 piedi”, dice Bailey. “I freni a tamburo possono essere in grado di arrivare a quel livello, ma è qui che entra in gioco il fattore efficacia, quando si iniziano a mettere freni a tamburo molto più grandi sugli assi anteriori. I freni a disco possono gestirlo. Abbiamo informazioni che mostrano la distanza di arresto su un tipico trattore con freni a disco fino a 185 – 215 piedi di distanza di arresto.”

Siccome l’attivazione dei sistemi di frenatura può causare problemi di stabilità e maneggevolezza, specialmente in condizioni di maltempo o di panico, i sistemi futuri incorporeranno caratteristiche come controlli di stabilità e sistemi di frenatura automatizzati più avanzati. “I sistemi avanzati di cui stiamo parlando sono in realtà quelli che si trovano più frequentemente in un sistema di frenata elettronico completo, che è abbastanza comune in Europa”, dice Eberling. “Tuttavia, a causa dell’assenza di uno spazio di arresto più breve e del costo che comporta avere un sistema frenante completamente elettronico con la ridondanza pneumatica richiesta dalla legge, quello che abbiamo fatto è incorporare le caratteristiche avanzate di un sistema frenante completamente elettronico nell’attuale piattaforma del sistema antibloccaggio. Pensiamo che il nostro sistema sia al punto, con questi concetti avanzati di stabilità di rollio e di stabilità elettronica migliorata, che non c’è un valore reale in un sistema di freni completamente elettronico”.