Freno a tamburo

Il freno a tamburo è costituito da un cilindro rotante (detto tamburo) solidale col sistema da frenare e da uno o più ceppi realizzati in materiale d'attrito atti ad esercitare una forza sul cilindro e che prendono il nome di ganasce.

Il ceppo può essere sia interno che esterno al rullo. Un esempio del tipo interno è quello delle automobili, un esempio del tipo esterno è quello dei carri.

Storia

L'invenzione del freno a tamburo si fa risalire a Louis Renault nel 1902.

Comando e azionamento dei freni

Freno a tamburo di una motocicletta smontato e che presenta una lieve alettatura sul tamburo e una presa d'aria, con azionamento a cavo

Il comando dei freni può essere:

Leva
Pedale

I freni possono essere azionati tramite vari sistemi:

Idraulico
Pneumatico
Meccanico

Diversi schemi di funzionamento del freno a tamburo

Cilindretti idraulici per tamburi simplex

Il sistema di azionamento del freno può essere^[1]:

Simplex, i ceppi freno sono infulcrati da un lato e azionati da un unico sistema sul lato opposto.
Duplex, i ceppi freno hanno un fulcro e una camma o cilindro d'azionamento autonomi.
Uni-Servo, i ceppi freno sono collegati tra loro, uno dei due ceppi è infulcrato, mentre il secondo è azionato dal comando d'azionamento
Duo Servo, i ceppi freno sono collegati tra loro e sono azionati entrambi dal comando d'azionamento.
Duo-Duplex, i ceppi freno sono azionati da entrambi i lati dal comando d'azionamento.

Tamburo e piatto

Freno a tamburo fisso di una bicicletta

Il freno a tamburo può essere vincolato al telaio in vari modi:

Fisso; questo è il sistema più comune, caratterizzato da un bloccaggio del freno con l'elemento che lo sorregge
Oscillante; caratterizzato dall'uso di un braccio, che assieme alla sospensione crea una struttura snodata, che modifica l'azione del freno durante i trasferimenti di carico.

Il tamburo può essere caratterizzato da alcune soluzioni per migliorarne il raffreddamento:

Alettature disposte lungo il perimetro del tamburo parallele alla rotazione dello stesso o inclinate, come nel caso dell'Alfa Romeo Giulietta 750, permette un controllo delle temperature esterne del tamburo
Prese d'aria disposta sul piatto del tamburo, permette un migliore controllo delle temperature interne del tamburo e dei ceppi freno, inoltre permette una migliore pulizia interna favorendo l'espulsione della polvere creata durante l'azione frenante, soluzione utilizzata principalmente sulle motociclette, alcuni esempi sono la Triumph T25SS e la Triumph Daytona T100T degli anni '70.

Ceppi

Ceppi infulcrati all'interno di un tamburo con un solo perno, in questo casi il materiale frenante è intagliato

I ceppi possono essere disposti:

Internamente disposizione più comune
Esternamente i ceppi invece che essere posti dentro al tamburo sono posti al suo esterno

Inoltre il ceppo può essere:

Infulcrato il ceppo è fissato da un lato su un perno che fa da fulcro e dall'altra parte viene azionato contro il tamburo
- monofulcro i ceppi vengono incernierati su un unico perno
- multifulcro ciascun ceppo ha il suo perno di rotazione
Flottante il ceppo è collegato tramite il suo centro al centro di una leva, la quale da un lato ruota su un fulcro e viene azionata dal lato opposto

Il materiale d'attrito può essere:

Uniforme la superficie del materiale di attrito è omogeneo e con soluzione di continuità
Intagliato la superficie del materiale d'attrito è caratterizzato da intagli o solchi inclinati^[2]

Calcolo del loro potere frenante

Freno a tamburo di un treno, con ceppi esterni

L'azione frenante è calcolabile attraverso la forza di pressione esercitata perpendicolarmente alla superficie del rullo dal ceppo.
In particolare denominando F_n la forza normale esercitata sul cilindro si ha:

F_{n}=(hS)/(b+fa)

dove: h rappresenta la distanza fra il centro di rotazione del ceppo e la sua estremità S rappresenta la forza applicata all'estremità del ceppo b rappresenta la distanza fra il centro di rotazione del ceppo ed il punto nel quale è applicata Fn f rappresenta il coefficiente di attrito e dipende dai materiali di realizzazione del ceppo e del cilindro a rappresenta la distanza fra il punto di rotazione del ceppo ed il punto di applicazione di Fn, proiettata sul piano perpendicolare a "b"

Adesso è banale ottenere Il momento resistente (M_r)

M_{r}=(fhrS)/(b+fa)

Caratteristiche dinamiche

Contrariamente a quello che si pensa, i freni a tamburo raggiungono livelli di decelerazione assai più elevata rispetto a quella raggiungibile da un impianto con pinze e dischi.

In particolare, l'efficacia frenante di un freno a tamburo, a parità di forza di chiusura, diametro del disco e coefficiente di attrito pastiglia-disco, vale dalle tre alle quattro volte quella di un freno a disco, a seconda che i ceppi siano "avvolgenti" o "svolgenti".

Inoltre tali impianti frenanti una volta diseccitati non generano attrito, cosa che si ha negli impianti a disco, dove nei primi istanti del disinnesco le pastiglie rimangono leggermente premute sul disco, dato che le pompe frenanti non hanno la capacità di richiamare i pistoncini della pinza frenante alla loro sede, quindi un minimo di pressione rimane sulle pastiglie che rimangono premute sul disco, anche se per poco tempo.

Utilizzo

ceppi freno che integrano la leva del freno a mano

L'uso di questo sistema sta via via scomparendo a causa delle enormi temperature che il complesso frenante raggiunge, portandolo facilmente a un fenomeno di dissolvenza o come viene chiamato più frequentemente in inglese fade o fading. Tale fenomeno porta a una diminuzione della forza frenante e può arrivare anche a deformare l'impianto frenante. Non esistendo un adeguato sistema di raffreddamento del tamburo, i sistemi a disco risultano assai più efficienti nelle condizioni di stress. È questo il motivo per cui i freni a tamburo vengono montati in genere solo sulle ruote posteriori, cioè quelle che lavorano meno in frenata, oltre a permettere un'integrazione più semplice del freno a mano.