Le automobili elettriche e ibride sono sulla cresta dell’onda per vari motivi, dalla spinta degli incentivi alla necessità delle Case di abbassare le emissioni. A favore di queste automobili possiamo poi citare una certa maggior sensibilità ambientale degli automobilisti e agevolazioni interessanti per l’accesso alle ZTL e simili. Sappiamo che queste automobili hanno una meccanica diversa rispetto a quelle convenzionali ma queste differenze appaiono, per esempio, smontando una ruota?
Il discorso è ampio e va accompagnato da qualche informazione in più.
Convertiamo l’energia
Una delle caratteristiche più importanti del motore elettrico è la reversibilità, cioè la sua capacità di produrre energia oltre che di consumarla. Fornendo energia elettrica si ottiene una coppia motrice ma è possibile immettere energia meccanica, trascinando in rotazione un motore elettrico, e ottenere energia elettrica. L’elettricità ottenuta non è “gratis”: la rotazione deve vincere una coppia resistente che non è soltanto quella generata dai cuscinetti e dagli attriti aerodinamici del rotore in rotazione. Quel che accade è la trasformazione di energia meccanica in energia elettrica e il processo si manifesta con un “indurimento” dell’albero del rotore. L’energia non si crea infatti dal nulla e quindi per ottenere “X” kWh di energia elettrica in uscita occorre introdurre qualcosa in più di “X” kWh di energia meccanica. Si tratta di una resistenza alla rotazione che, vista dalle ruote, è identica a quella ottenuta dai freni ad attrito. La grande differenza è che nei freni convenzionali l’energia meccanica viene integralmente convertita in calore mentre l’uso del motore elettrico come freno permette un importante recupero sotto forma di energia elettrica. Ovviamente un po’ di energia viene dissipata in calore ma in generale la conversione è molto efficiente e l’energia elettrica può essere immagazzinata in una batteria.
I freni? A riposo o in superlavoro
I freni, con questo sistema, lavorano molto di meno perché la forza frenante viene trasmessa dal motore elettrico alle ruote tramite la trasmissione. Questo cambiamento ha dei riflessi sui freni? La risposta è sì. In questo caso basta pensare al fatto che gran parte dei rallentamenti non avvengono più con i freni ad attrito ma con la frenata a recupero d’energia. La frenata convenzionale interverrà in situazioni di rallentamento deciso o di emergenza perché quella rigenerativa non è abbastanza potente. Il motore in rigenerazione non riesce infatti a sviluppare la sua potenza nominale e poi se il veicolo non è a trazione integrale il rallentamento sarà affidato soltanto a un assale, a differenza della frenata per attrito. Questo pone nuove sfide ai freni, che saranno inutilizzati – e quindi freddi – per gran parte del tempo per poi dover fronteggiare le frenate più intense. Da non sottovalutare poi la questione dell’ossidazione dei dischi, sempre in agguato dato che essi rischiano prolungati inutilizzi. La ruggine è non solo antiestetica ma limita, almeno inizialmente, la potenza frenante. In effetti l’industria ha già predisposto delle contromisure: Continental, per esempio, ha creato dischi, cerchi e tamburi pensati proprio per le automobili elettriche e ibride.
Pensare in elettrico
Uno di questi componenti è già in produzione ed equipaggia l’elettrica ID.3 di Volkswagen. Si tratta di un freno a tamburo a costruzione mista alluminio/acciaio. Questi tamburi sono sull’asse posteriore, quello della trazione, e sono quindi poco sollecitati (la Casa afferma che dureranno quanto l’automobile) proprio perché interessati dalla frenata rigenerativa. Il sistema ha sensori per misurare in real time la coppia frenante, un dato essenziale per coordinare i freni ad attrito con la frenata rigenerativa. I freni a tamburo sono stati scelti anche perché le ganasce “ritornano” perfettamente e questo minimizza gli attriti, dannosi per l’autonomia. Un concept Continental, poi, rivoluziona completamente la ruota. Si tratta di una ruota composita costituita da una “stella” che si imbullona al cerchio e offre ancoraggio anche a un grande disco con punti di fissaggio esterni. Questo design permette di usare un leggero disco di lega di alluminio il cui grande diametro consente di diminuire la pressione delle pastiglie a parità di potenza frenante e questo, insieme alla conduttività termica di questo metallo, tiene sotto controllo la temperatura anche nelle frenate intense. La pinza è montata in posizione simmetrica rispetto al piano del disco e questo va a vantaggio della rumorosità (le elettriche hanno una meccanica silenziosissima) e della minimizzazione degli attriti residui, che possono diminuire l’autonomia.
Gli organismi e i sensori
Da questo concept sono nate le pinze Bionic, ispirate alle strutture organiche e ottimizzate per la massima leggerezza asportando il materiale non necessario. La loro forma potrà quindi stupire un gommista che smonta una ruota ma questo design è funzionale alla diminuzione del peso delle automobili elettriche e ibride. Non ci stupiamo della presenza dei sensori nei freni della ID.3: è infatti indispensabile raccordare la frenata per attrito con quella rigenerativa. La frenata rigenerativa è infatti più aleatoria di quella convenzionale: non funziona a velocità molto basse e se la batteria è già carica al 100% (cosa che può accadere sia nelle auto elettriche sia nelle ibride) saranno attivi soltanto i freni ad attrito. Le monoposto di Formula 1 e formula E sono ibride ed è per questo che sono ammessi freni posteriori a controllo elettronico. La tecnologia by wire usata nelle corse è già arrivata alla produzione di serie: le Giulia e Stelvio Alfa Romeo e le Jeep Renegade e Compass usano infatti il Continental MK C1, un gruppo che ha una pompa elettrica per mettere in pressione il fluido idraulico e una serie di valvole che stabiliscono la pressione da applicare alle pinze di ogni ruota. Il pedale del freno è collegato a un pistone che dà al guidatore il feeling di un impianto tradizionale e serve per azionare le pastiglie in emergenza, nel caso di guasti alla pompa elettrica. In pratica il sistema “interpreta” il tipo di frenata voluta dal conducente e pressurizza in conseguenza l’impianto.
La via italiana ai freni by wire
Anche Brembo, ha presentato il suo Brake By Wire che compie un ulteriore passo verso freni totalmente elettrici/elettronici. Questo sistema ha infatti le pinze posteriori azionate esclusivamente da motorini elettrici. Anche i freni anteriori sono innovativi con il loro azionamento misto: ogni ruota dispone di un attuatore elettroidraulico, comandato da una centralina, che mette in pressione il fluido che aziona le pinze. È presente il simulatore che restituisce al pedale la sensazione di un impianto convenzionale e un circuito di emergenza che usa il fluido idraulico direttamente sulle pinze in caso di avaria della pompa elettrica. Questo schema migliora la velocità di assemblaggio, dato che le tubazioni sono poche e molto corte, e promette grande flessibilità: la risposta dell’impianto è impostabile via software ed è prevista una regolazione anche da parte dell’automobilista. Viene dichiarata una velocità di risposta molto alta, cosa utilissima per gli Adas e ancor più per la guida autonoma, e la facile implementazione del torque vectoring, della frenata di emergenza, dell’Abs e così via.
Il disco che non si consuma
La ricerca Brembo ha anche investito il settore dei materiali e delle soluzioni per i freni più convenzionali, producendo soluzioni come il rivestimento Greentive che unisce prestazioni elevate, riduzione dell’impatto ambientale ed eleganza. Questa finitura si applica a molti tipi di disco e, usurandosi poco, riduce le emissioni di polveri sottili. I dischi rimangono lucidi anche se non usati per molto tempo, come succede per le elettriche e ibride, e il logo Brembo sulla superficie funge da indicatore di usura. La riduzione degli attriti spuri passa anche da un piccolo componente chiamato Brembo Enesys - Energy Saving System. È una speciale molla che fa rientrare completamente le pastiglie quando non si frena: gli attriti vengono minimizzati e quindi l’autonomia aumenta, cosa importantissima nelle elettriche e nelle ibride. Pastiglie e dischi si usurano di meno, durano di più e si abbassano le emissioni di polveri sottili. Una nota per finire: l’uso ridotto dei freni ad attrito aumenterà l’umidità assorbita dal fluido idraulico, che si riscalderà molto meno. Chi smonta le ruote potrebbe quindi suggerire di cambiarlo perché nelle auto elettriche e ibride potrebbe durare meno di dischi e pastiglie!
