Registrare l'abrasione del disco del freno e del pneumatico

La VW Jetta Hybrid sul banco di prova a rulli nella sala macchine dell'Empa ha già avuto una lunga carriera come veicolo di flotta. Da luglio 2020, legato nella camera di prova, serve un nuovo scopo di ricerca: generare polvere di freni rigorosamente lungo il ciclo di guida standardizzato WLTP, che viene utilizzato anche per determinare le emissioni di scarico.

L'interesse per le misurazioni della polvere dei freni è ancora relativamente giovane: nel giugno 2016, una divisione della Commissione economica per l'Europa delle Nazioni Unite (UNECE) chiamata Particle Measurement Programme Informal Working Group (PMP IWG) ha deciso che era tempo di sviluppare una procedura di test generalmente utilizzabile per la polvere dei freni che potesse determinare in modo affidabile la massa e il numero di particelle emesse. Da allora, un certo numero di istituti di ricerca, produttori di veicoli e aziende specializzate in dispositivi di misurazione hanno lavorato sull'argomento. Ma il problema non è facile da risolvere.

Distribuito in tutte le direzioni

A differenza di un tubo di scarico che soffia in una sola direzione, un freno rotante distribuisce le sue particelle in tutte le direzioni spaziali. Quindi bisogna prima catturare le particelle e poi farle volare attraverso un imbuto verso il dispositivo di misurazione. Il meno possibile deve essere perso nel processo: Né le particelle leggere possono sfuggire, né le particelle pesanti possono rimanere nei tubi.

Ci sono due ulteriori complicazioni: Il freno di un'auto è attaccato a un albero di trasmissione rotante, che deve essere accuratamente sigillato per la misurazione in modo che non fuoriescano particelle. E un freno ha bisogno di raffreddamento. Quando un'auto è in movimento, il flusso d'aria, insieme alle lamelle di ventilazione tra i dischi dei freni, fornisce una corrente d'aria di raffreddamento. Un freno completamente chiuso su un banco di prova, d'altra parte, può riscaldarsi rapidamente - e produrrebbe quindi particelle completamente diverse da quelle del traffico quotidiano reale. Una tale misurazione avrebbe poco valore.

Misura tutte le emissioni simultaneamente 

Il gruppo di lavoro PMP IWG dell'UNECE risolve il problema semplificandolo: le prove di frenata desiderate dovrebbero aver luogo in banchi di prova completamente chiusi. Tali banchi di prova esistono. Assomigliano a grandi armadi in cui i dischi e le pastiglie dei freni sfregano l'uno contro l'altro. Quindi viene testato solo un componente, non tutta l'auto.

"Stiamo provando un approccio diverso", dice Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler, che sta progettando la configurazione del test all'Empa. "Vogliamo misurare tutte le emissioni di un'automobile simultaneamente durante una prova su strada al banco di prova. Questo è più significativo dei dati provenienti da un banco prova freni isolato, che poi devono essere convertiti in condizioni reali".

Una costruzione speciale ariosa

Insieme all'ingegnere Daniel Schreiber, Dimopoulos Eggenschwiler ha sviluppato una variante Empa del test, i cui risultati devono ora reggere il confronto con altri gruppi di lavoro internazionali. All'Empa, un'auto vera e propria è sul banco di prova, la VW Jetta Hybrid menzionata all'inizio. Il freno della ruota anteriore destra è stato racchiuso in un alloggiamento di metallo appositamente progettato. Un tubo dell'aria compressa convoglia grandi quantità di aria di raffreddamento nell'involucro metallico dalla parte anteriore dell'auto; allo stesso tempo, l'aria è il mezzo di trasporto delle particelle abrase del freno. Queste sono dirette in un tubo lungo circa un metro accanto al davanzale dell'auto e, dopo un breve tempo di volo, atterrano in un impattatore a cascata a 13 stadi, uno speciale dispositivo di misurazione che ordina le particelle in base alle dimensioni. Dopo il test, le frazioni di particelle possono essere pesate, analizzate chimicamente e, se necessario, anche esaminate al microscopio elettronico, per esempio per la loro morfologia.

"Nei test preliminari, abbiamo già determinato in cosa consistono le particelle", dice Dimopoulos Eggenschwiler. "È principalmente ossido di ferro, che proviene principalmente dal disco del freno, così come una serie di elementi come alluminio, magnesio, calcio, potassio e titanio, che provengono dalle pastiglie dei freni". Oltre alle particelle grandi e pesanti, ce ne sono anche di più piccole che possono sicuramente essere inalate ed entrare nei polmoni.

Le auto ibride frenano in modo diverso?

Ora che la procedura di misurazione funziona in modo stabile, la VW Jetta verrà inizialmente fatta funzionare nel ciclo WLTP prescritto dalla legge, consegnando le sue particelle dei freni alla macchina di conteggio. Dopo di che, sono previste altre serie di test. "Vogliamo scoprire, per esempio, se le auto ibride frenano in modo diverso rispetto alle auto con motori tradizionali e quindi causano anche emissioni diverse", spiega il responsabile del progetto. Le auto ibride possono anche frenare con l'aiuto del loro motore elettrico e quindi hanno bisogno di usare meno spesso i freni meccanici. "Con i valori misurati, sarà possibile ottimizzare le fasi di funzionamento delle future generazioni di veicoli e controllare meglio di oggi le emissioni di polvere dei freni".