Il freno è un dispositivo utilizzato per rallentare o bloccare il movimento di un corpo. Si distinguono vari tipi di freni, sia per il modo con cui vengono azionati (freno a mano o a pedale), sia in base al principio di funzionamento (freni meccanici, idraulici, aerodinamici, elettrici e pneumatici).
Sfruttano l'attrito radente tra due superfici (ad esempio nelle biciclette i "pattini" in gomma della ganascia frenante e i bordi laterali del cerchione).
Pertanto agendo generano un'usura di una o entrambe le parti a contatto.
Il freno a tamburo è semplice ed economico, costituito da un componente fisso (tamburo) e componenti mobili (ceppi) che vanno a contatto con il tamburo per generare l'attrito frenante.
I freni a tamburo si classificano in base al numero di ceppi, e in base alla loro posizione rispetto al tamburo stesso.
Il numero di ceppi per tamburo varia da un minimo di uno ad un massimo di tre, e a seconda del numero varia la forza impressa al tamburo.
I ceppi, oltre che per numero, si dividono anche per posizione rispetto al tamburo, che li differenzia per costi, prestazioni e resistenza agli agenti esterni:
Nel caso di più ceppi essi possono inoltre essere comandati da uno o da due pistoncini idraulici.
Il freno a tamburo a ceppi interni, inventato nel 1899 (poco prima dei freni a disco) per la sua semplicità è stato impiegato sin quasi dagli esordi della motorizzazione su auto, moto e automotrici ferroviarie, ma dagli anni '60 del XX secolo ha dovuto cedere molto terreno al freno a disco, prima sulle moto e poi sulle automobili.
I motivi sono vari:
Auto e moto che oggi adoperano ancora i freni a tamburo, solo sull'asse posteriore, sono generalmente di fascia bassa e comunque di massa ridotta, ad esempio gli scooter di bassa cilindrata, o le utilitarie in versione non sportiva. Oppure sono auto elettriche che grazie alla frenata che si converte in energia elettrica utilizzano l’impianto frenante meno delle auto termiche, e quando frenano sul serio richiedono l'’intervento quasi esclusivo dei freni anteriori, a disco. Perciò se i freni posteriori di auto elettriche fossero a disco con il tempo e il poco utilizzo potrebbero arrugginirsi e divenire meno efficaci e più rumorosi qualora dovessero entrare in azione, mentre quelli a tamburo, avendo all'interno l'elemento frenante sono meno esposti alla ruggine. Per queste auto il freno a tamburo si accinge ad un'evoluzione verso l'elettromeccanico assistito elettronicamente.
Inoltre il freno a tamburo è talvolta in uso su veicoli pesanti o d'alta gamma come freno di stazionamento/emergenza, montato sull'asse posteriore dietro i freni a disco.
È un nastro metallico e flessibile, con un rivestimento interno per l'azione frenante tramite attrito. Il nastro viene fissato ad un lato su un punto fisso del telaio, poi viene avvolto sul tamburo rotante ed infine l'altra estremità del nastro viene collegata ad una leva. I due estremi del nastro vengono quasi a toccarsi in modo da coprire più porzione possibile del tamburo e dare quindi il massimo effetto frenante. Questo tipo di freno è spesso usato negli impianti di montacarichi e trasporto pesante come gli autobus. Venne utilizzato anche sulle locomotive ferroviarie a cremagliera.
Costituito essenzialmente da un disco d'acciaio, singolo o doppio, da una ganascia contenente pistoncini idraulici, in numero variabile a seconda dei modelli, che agiscono su elementi di frizione (detti pastiglie).
I dischi sono montati sugli assi, talvolta direttamente sul mozzo d'ogni ruota, talvolta più all'interno (vedasi alcuni modelli Citroen ed Alfa Romeo).
La frenata avviene per la pressione delle pastiglie su entrambe le superfici dei dischi.
L'attrito produce calore, che può essere molto elevato quando vengono usati a lungo, ma che i dischi dissipano rapidamente grazie alla loro ampia superficie e l'essere sempre esposti all'aria generata dal moto del veicolo. Per migliorare il raffreddamento i dischi anteriori dei veicoli potenti e/o pesanti sono spesso del tipo ventilato, cioè costituiti da due dischi di ridotto spessore, collegati e distanziati da apposite alette, talvolta radiali, talora conformate in modo da migliorare ulteriormente l'apporto di aria tra le due superfici.
Il freno a disco è la soluzione su cui da decenni si orientano tutti i produttori di mezzi di trasporto, siano essi auto, moto o autocarri, in particolare sull'asse anteriore.
Questi freni non producono usura delle loro componenti, non sfruttando l'attrito radente, ma altre forme d'attrito; generalmente hanno un andamento esponenziale con il crescere della velocità.
Per misurare la potenza di un albero motore si fa uso di uno speciale freno simile a quello a nastro. Le due estremità del nastro sono collegate con un indice. L'albero del motore preme il nastro e fa deviare l'indice. La lettura della scala, la circonferenza e la velocità dell'albero sono i fattori necessari per determinare la potenza del freno.
Questo tipo di freno (detto anche freno elettrodinamico) è generalmente applicato sull'albero motore di grandi camion, autobus, filobus e treni e si basa su un generatore elettrico. L'albero motore del generatore è montato direttamente sull'albero di trasmissione del veicolo, formando un unico albero; al momento della generazione di corrente da parte del generatore, questo imprime una coppia resistente sull'albero di trasmissione producendo, di fatto, un'azione frenante.
Un inconveniente del freno rigenerativo sta nella necessità di esperienza e accortezza nel suo utilizzo, in quanto, nel caso d'un azionamento troppo rapido e di elevato sforzo, si rischia la rottura dell'albero motore. Esiste però un indubbio vantaggio, quello di non arrivare mai al completo bloccaggio delle ruote, dato che diminuendo la velocità diminuisce automaticamente anche la forza frenante (si noti che lo slittamento tra ruota e suolo può comunque avvenire per differenza di velocità, portando comunque allo spiattellamento della ruota).
Nei motori diesel degli autocarri e degli autobus può essere presente (soprattutto su motori di grande cilindrata) anche il freno motore, costituito da una valvola a farfalla che, se azionata, chiude parzialmente il condotto di scarico, mentre viene interrotta l'iniezione di gasolio; in questo modo anche la fase di scarico del motore (oltre a quella di compressione) diventa una fase frenante, aumentando così l'azione frenante complessiva. Questo freno viene utilizzato principalmente nelle lunghe discese, in quanto permette di frenare maggiormente il veicolo senza sollecitare troppo l'impianto di frenatura. Tale sistema viene utilizzato, in alcuni paesi, anche nelle locomotive diesel in caso di linee con pendenze rilevanti, al fine di evitare il surriscaldamento dell'impianto frenante.
Nel linguaggio comune indica talvolta, seppur impropriamente, l'azione di rallentamento del veicolo ottenuta scalando i rapporti del cambio (passando da una marcia alta a una più bassa) in modo da innalzare il regime di rotazione del motore, effetto comunque presente anche nei motori sprovvisti del dispositivo propriamente detto.
Agisce sul flusso d'aria esterno al veicolo, opponendovi resistenza e comportando quindi un rallentamento. Gli aeroplani utilizzano gli aerofreni a questo scopo. Anche alcuni modelli di automobili, soprattutto sportive, utilizzano questa soluzione sommandola all'effetto frenante dei freni meccanici, per raggiungere decelerazioni ragguardevoli: ad esempio la Bugatti Veyron con questo accorgimento arriva ai 2 g di decelerazione; anche altri modelli meno esclusivi tuttavia lo adottano. Le macchine di Formula 1 non lo usano in quanto il regolamento impedisce di adottare parti aerodinamiche mobili, se si esclude il sistema di riduzione della resistenza aerodinamica (DRS, Drag Reduction System), che viene utilizzato per lo scopo opposto. Viene di fatto ottenuto un freno aerodinamico anche dai piloti di moto da gran premio che sono soliti esporre il busto dalla carenatura all'inizio della staccata (punto di rilascio gas e inizio frenata): questa operazione genera un grosso carico sugli avambracci che debbono essere ben saldi al manubrio ma permette di aiutare in modo sensibile la decelerazione della moto.
Freno a pattino utilizzato in campo tramviario e ferroviario. Si presenta principalmente in due tipologie.
Nella prima il pattino va a contatto con la rotaia metallica a causa dell'attrazione tra i due elementi, la frenatura è di tipo ad attrito e la forza frenante sarà proporzionale alla forza d'attrazione tra i due corpi; la sua efficacia è maggiore di quella del freno tradizionale poiché l'azione di compressione tra pattino e rotaia può superare il peso del veicolo stesso e quindi consentire l'espressione di una forza di aderenza maggiore di quella naturale espressa dalle ruote.
Nella seconda tipologia il pattino dissipa energia sfruttando il fenomeno delle correnti parassite, quindi non c'è usura o pericoli di slittamento del pattino poiché l'effetto frenante non è causato dall'attrito. È di impiego comune in diversi tipi di attrazioni per parchi di divertimento.
La frenata può essere di diverso tipo:
Il comando dei freni può essere:
I freni possono essere azionati tramite vari sistemi:
Azionando l'impianto frenante, si forza la pastiglia contro il disco o il ceppo contro il tamburo; l'attrito fa rallentare la rotazione del disco o del tamburo e la perdita dell'energia cinetica si converte in calore. Per questo motivo i freni, subito dopo essere stati usati, sono caldi e più il freno viene usato con forza, più l'attrito è grande e maggiore è il calore sviluppato.
I materiali con i quali sono normalmente realizzati i freni perdono efficacia con l'aumento della temperatura, causando una diminuzione della forza frenante chiamata frequentemente con i termini inglesi fade o fading. L'uso prolungato può portare anche alla deformazione degli elementi d'attrito, con effetti negativi sull'efficienza dell'impianto.
Anche per questi motivi, lungo le strade ad elevata pendenza viene installato un segnale di pericolo, invitando alla prudenza e ad un uso efficiente dei freni.
I problemi di surriscaldamento sono stati ridotti nel tempo con l'utilizzo di tamburi e dischi forati, i quali sono capaci di raffreddarsi più velocemente. Nel caso del freno rigenerativo il problema del riscaldamento è oggi praticamente scomparso, ma deve essere accoppiato ugualmente ai sistemi classici.
Gli accorgimenti generali sono:
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