L’ottimizzazione dei freni delle auto adesso è affidata ai… neutroni

La vita dell’uomo sulla strada dipende dalla capacità di arresto dei veicoli che abitualmente conduce.
I freni devono fare presa rapidamente e tornare immediatamente alla posizione di riposo, una volta rilasciato il pedale.
Se non ritornano completamente allo stato iniziale di utilizzo, possono verificarsi perdite di energia.
Questo non è percepibile dal conducente e non influisce sul funzionamento del freno.
Tuttavia, può aumentare l’impronta di carbonio di un veicolo.
I ricercatori dell’Istituto Paul Scherrer e i dipendenti di ANAXAM e del partner industriale Audi Sport hanno dunque esplorato in team questo decisivo fenomeno.

La crème della ricerca svizzera in mostra al PSI di Villigen

La “Swiss Spallation Neutron Source” per visualizzare il movimento dei pistoni

Hanno utilizzato i neutroni della “Swiss Spallation Neutron Source” (SINQ) del PSI per guardare all’interno di una pinza dei freni, dimostrando così un modo per visualizzare e ottimizzare il movimento dei pistoni al loro interno.
La pinza afferra il disco rotante del freno come una tenaglia.
Quando il conducente preme il pedale, la pressione idraulica del tubo del freno spinge in avanti una serie di pistoni, che schiacciano le due pastiglie, una per lato, contro il disco del freno, dove le elevate forze di attrito portano il disco stesso all’arresto.
L’ANAXAM di Villigen nel Canton Argovia, presso il parco tecnologico InnovAARE, è un centro per il trasferimento tecnologico, co-fondato dall’Istituto Paul Scherrer, che sostiene le aziende industriali che desiderano utilizzare l’infrastruttura di ricerca del PSI: il suo nome è l’acronimo in tedesco di “Materialanalytik weit jenseits des Labormassstabs” (“Analisi dei materiali ben oltre la scala di laboratorio”).
Il partner industriale di questo progetto era l’Audi Sport.
Mathias Kolb, ingegnere di sviluppo del reparto corse della Casa dei Quattro Anelli a Neckarsulm in Germania, aveva contattato il proprio ex collega Matthias Wagner, ora ingegnere senior presso l’ANAXAM.
Insieme a David Mannes del PSI, hanno ideato un metodo che consente di guardare all’interno della pinza dei freni in tempo reale e di cercare modi per ottimizzarla.
Questo risultato è stato raggiunto per la prima volta all’Istituto Paul Scherrer.

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Subito esclusi i raggi X per l’incapacità di penetrare i metalli, compreso l’alluminio

I partner si sono subito resi conto che i raggi X sono esclusi perché non riescono a penetrare nei metalli.
I neutroni sono diversi: l’alluminio delle pinze dei freni è quasi trasparente per loro, ma allo stesso tempo sono altamente sensibili agli elementi chimici leggeri.
Ciò significa che il liquido dei freni, che contiene composti di idrogeno, è chiaramente visibile nell’immagine.
Il PSI ha fornito la linea di fascio di neutroni e il proprio know-how per gli esperimenti, iniziati nel 2021 e completati nel 2022.
L’esperimento è avvenuto presso la linea di fascio neutronico della sorgente SINQ di spallazione, cioè il processo di frammentazione di un nucleo atomico in seguito a collisione con particelle di alta energia
Un rivelatore ha registrato i neutroni che passavano attraverso l’apparecchiatura, producendo infine un’immagine bidimensionale dall’interno della pinza del freno.

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Frenate realistiche fino a 100 bar (e a più temperature), però con il disco… fermo

ANAXAM ha montato una pinza del freno davanti al rivelatore.
Il set-up è stato completato da un sistema idraulico appositamente progettato che produce pressioni di frenata realistiche fino a 100 bar.
Una camera climatica ha permesso di controllare accuratamente la temperatura della pinza del freno, simulando varie condizioni operative.
A differenza di quanto avviene su strada, il disco del freno non ha ruotato durante i test.
“Questo, tuttavia, potrebbe essere un’opzione per i test futuri, per ottenere risultati ancora più precisi”, afferma Matthias Wagner di ANAXAM.
Probabilmente, però, non sarà necessario, perché la serie di misurazioni completata ha già portato a numerosi risultati interessanti.

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Visibili anche deviazioni di decimi di millimetri proprio grazie all’imaging neutronico

Le immagini registrate dal rivelatore dimostrano in modo impressionante le capacità dell’imaging neutronico.
La pinza del freno è chiaramente visibile, con i suoi sei pistoncini idraulici, tre per lato.
Sono visibili anche le più piccole deviazioni nella corsa dei pistoni.
In questo caso, risulta evidente che il gioco del pistone inferiore che aziona la pastiglia esterna del freno è corretto a 0,4 millimetri.
Ci si riferisce alla distanza tra la pastiglia in posizione di riposo e il disco del freno,
Gli altri cinque pistoni hanno invece un gioco inferiore a 0,3 millimetri.
I ricercatori hanno anche potuto misurare con precisione il modo in cui la pinza del freno, a forma di tenaglia, si piega verso l’esterno quando le due pastiglie esercitano una pressione su di essa.

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“La nostra ricerca può contribuire a ridurre le emissioni di CO2 dei veicoli stradali”

Questo progetto è un buon esempio di come il know-how scientifico dell’Istituto Paul Scherrer e le competenze dell’ANAXAM possano migliorare ulteriormente un prodotto già collaudato nella produzione di serie.
Il partner industriale ha ottimizzato ulteriormente il funzionamento dei pistoni dei freni, tanto che il gioco dei tre pistoni sul lato interno della pinza del freno è ora aumentato di 0,1 millimetri quando viene osservato sotto il fascio di neutroni.
Questo separa in modo affidabile le pastiglie dei freni dal disco quando i freni vengono rilasciati.
David Mannes del PSI non ha esitato ad affermare che “la nostra ricerca può contribuire a ridurre le emissioni di CO2 dei veicoli stradali”.

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