Le pastiglie svolgono un’azione fondamentale nell’impianto frenante, insieme ai dischi, alle pinze e al circuito idraulico. A differenza di quanto si potrebbe pensare a causa della loro semplice conformazione, la progettazione di questi componenti è complessa e richiede molto tempo anche per svolgere i necessari test di verifica. Le pastiglie devono, infatti, sopportare notevoli stress termici e meccanici di tipo discontinuo. Il materiale di attrito con cui vengono costruite deve agire correttamente sul metallo del disco per generare la miglior frenata in tutte le condizioni di esercizio (quando piove, durante una manovra di rallentamento o quando il pilota effettua “staccate” violente). Anche se devono garantire prestazioni sempre perfette e cioè un elevato attrito, non devono consumarsi in modo precoce e, inoltre, non possono “aggredire” il metallo del disco, assicurando perciò una buona longevità di questo importante componente. Sono composte da due elementi distinti: una piastra metallica con spessore di pochi millimetri e forma tale da poter essere montata all’interno della pinza (dove sono presenti i pistoni che la spingono contro la superficie frenante) e dal materiale di attrito, che agisce sul disco e viene depositato sulla piastra metallica stessa. Fino all’anno 1992, nessuna legislazione vietava l’utilizzo di amianto per la costruzione delle pastiglie. Questo materiale miscelato con particolari resine, non è un buon conduttore di calore, si comporta perciò da isolante e dunque evita il surriscaldamento dell’olio presente nel circuito idraulico. Inoltre, assorbe le vibrazioni minimizzando i rumori che si generano durante la frenata. E’ stato però eliminato da tutti i processi produttivi, poiché molto dannoso per la salute umana e i progettisti hanno perciò dovuto formulare nuovi materiali che durante la frenata garantissero prestazioni analoghe a quelle raggiunte con l’amianto. Come già osservato, la pastiglia non deve aggredire il disco, deve avere una buona resa chilometrica e deve garantire un elevato coefficiente di attrito. Inoltre, occorre che quest’ultimo parametro rimanga il più costante possibile durante la frenata, che può avvenire in diverse condizioni e cioè: quando il disco e la pastiglia stessi sono ancora freddi, quando sono eccessivamente caldi (frenate sostenute e prolungate), quando non sono più perfettamente nuovi, quando è presente un velo di acqua sulla superficie frenante in caso di pioggia. Se il coefficiente di attrito non decade, l’azione di rallentamento imposta dal pilota non varia e dunque rimane sempre perfettamente prevedibile e modulabile. E’ necessario sottolineare inoltre che la pastiglia, oltre ad usurarsi lentamente per garantire un’adeguata resa chilometrica, non deve vibrare e dunque non deve essere fonte di fastidiose rumorosità. Il suo supporto metallico costruito in acciaio ha un lato affacciato sui pistoni della pinza che deve sopportare la pressione dei pistoni stessi applicata anche al disco. Su quello opposto, invece, viene depositato il materiale di attrito costruito con diverse e complesse miscele che si dividono sostanzialmente in due grandi famiglie: sinterizzate e organiche. Le prime sono costruite con polveri metalliche (alta percentuale di rame) coese tra di loro tramite il processo di sinterizzazione (compattamento ad alta pressione ed elevata temperatura).

Questo materiale assicura buone prestazioni sia su superfici asciutte che bagnate e agisce perfettamente sui dischi dei freni in acciaio. A differenza di quest’ultimo metallo, la ghisa usata fino a circa dieci anni fa per costruire le fasce frenanti assicura un ottimo coefficiente di attrito e dunque non è necessario utilizzare su di essa materiali di attrito particolarmente aggressivi. Ha però alcune caratteristiche negative, infatti arrugginisce facilmente, deteriorando l’aspetto estetico, ed è fragile. Inoltre non sopporta adeguatamente gli stress termici in corrispondenza dei fori realizzati per rompere il velo d’acqua in caso di pioggia. Dunque è stata sostituita con l’acciaio inox, che però non è in grado di generare il medesimo “mordente” e dunque deve lavorare con pastiglie sinterizzate, capaci di produrre un coefficiente di attrito con valore anche superiore a 0,5. Quelle organiche hanno invece fibre metalliche (principalmente alluminio e ottone), miscelate con altre di tipo organico (ad esempio il kevlar) unite tra loro tramite particolari resine leganti. Una loro importante caratteristica è il rodaggio. Devono infatti essere sottoposte a un periodo di adattamento per permettere il corretto contatto con la superficie del disco e anche il necessario adeguamento agli shock termici (quest’ultimo non necessario per quelle sinterizzate). Infatti, le prime sollecitazioni con il calore sono determinanti, poiché riscaldano le resine provocando la conseguente stabilizzazione delle prestazioni. Ciò significa che le pastiglie nuove con materiale di attrito organico vengono fortemente deteriorate se durante le iniziali fasi di funzionamento sono sottoposte a frenate deboli (basse pressioni) e prolungate. Sulla loro superficie si genera infatti uno strato vetrificato (detto “glazing”) molto difficile da consumare e che limita notevolmente il valore dell’attrito generato, facendo decadere le prestazioni della frenata. Il materiale sinterizzato, a differenza di quello organico, ha però una caratteristica negativa: è infatti un buon conduttore di calore e dunque riscalda la pinza dei freni e l’olio presente nel circuito idraulico. In alcuni casi, il supporto metallico della pastiglia ha dei fori che permettono alla miscela composta con diversi elementi di aggrapparsi meglio alla sua superficie. Migliora perciò la resistenza alla sollecitazione a taglio, generata dal contatto con il disco. Comunque, tra materiale di attrito e supporto metallico, è sempre presente un particolare collante, che consente la perfetta coesione tra i due elementi. In alcuni casi, oltre al collante appena citato, viene depositato anche uno strato a base di gomma (detto underlayer), utilizzato per realizzare uno schermo termico e per assorbire e smorzare le vibrazioni che possono causare rumorosità. Oltre alla sollecitazione a taglio, esiste un ulteriore fenomeno detto “bimetallico” che può provocare la separazione dei due fondamentali elementi che costituiscono la pastiglia. Infatti, la piastra metallica e il materiale che lavora sulla fascia frenante del disco hanno diversi coefficienti di dilatazione e dunque possono generarsi deformazioni che alterano la perfetta planarità della pastiglia. Se tale effetto è di elevata entità, il materiale di attrito si distacca e causa una diminuzione drastica dell’efficienza della frenata. Per contenere questa dilatazione, durante il processo produttivo, si effettuano dei solchi rettilinei sul materiale di attrito, in modo da limitare gli effetti dello scorrimento relativo dovuto alle differenti dilatazioni termiche.

. Occorre anche notare che la pastiglia dei freni non deve adattarsi unicamente alle caratteristiche del materiale col quale è costruita la fascia frenante del disco, ma deve accoppiarsi perfettamente anche con la pinza e cioè la pressione dei pistoni sul suo dorso deve essere tale da provocare una spinta uniforme su tutti i punti della sua superficie. Bisogna comunque osservare che, anche se la condizione appena citata è perfettamente verificata, il consumo del materiale di attrito non è mai regolare. Infatti, lo spigolo nel quale entra il disco durante la sua rotazione si consuma maggiormente rispetto a quello dove il disco stesso esce. Ciò accade poiché tale zona, detta di “attacco”, determina maggiormente la prestazione della prima parte della frenata. Per questo motivo sono state progettate pinze che possono ospitare quattro pastiglie (due per lato). In questo modo, infatti, gli spigoli di attacco raddoppiano, inoltre è meglio distribuita la pressione che ciascun pistoncino esercita sul dorso della pastiglia. In alcuni casi, per equilibrare il consumo non uniforme delle pastiglie stesse quando se ne utilizzano unicamente due (una sola per lato), vengono impiegati pistoni più piccoli nella zona di ingresso del disco in modo da contenere la pressione generata, mentre sono più grossi quelli nella zona opposta. Fondamentale è anche il sistema di fissaggio della pastiglia all’interno della pinza dei freni, effettuato con specifici perni e con una molla che la deve mantenere in posizione, evitando che si muova eccessivamente durante la frenata. La superficie di questa molla, in particolari applicazioni, ha anche il compito di evitare l’infiltrazione della sporcizia. Durante la fase di progettazione e definizione di una pastiglia dei freni vengono fatti diversi test al banco e su strada per determinare la sua struttura e la corretta miscela dei materiali. Con questi test si misura il fading (decadimento del coefficiente di attrito all’aumentare della temperatura), l’efficienza frenante, l’usura, l’aggressività sul materiale del disco, la resistenza al taglio (distacco del materiale dalla piastra metallica), le distorsioni e si valuta la sensazione che il pilota percepisce durante la frenata. Da quanto fino a ora detto si nota come il processo che permette di definire con precisione le caratteristiche che deve avere una pastiglia, sia complesso e lungo. In alcuni casi può, infatti, durare anche più di un mese e deve essere ripetuto se le applicazioni sul veicolo hanno caratteristiche particolari. Completamente diverso è invece il principio di funzionamento dei freni in carbonio, usati molto frequentemente nelle competizioni poiché molto leggeri (abbassano gli effetti giroscopici). In questo caso, le pastiglie e il disco devono essere realizzate con il medesimo materiale e hanno un costo elevatissimo, a causa del processo di produzione molto complesso e lungo. Il contatto tra materiale e fascia frenante non provoca il classico attrito, come accade invece tra i dischi in ghisa o in acciaio e le pastiglie sinterizzate od organiche, ma con l’aumentare della temperatura si generano delle microsaldature tra gli elementi in carbonio (questo è il motivo per il quale devono essere costruiti con il medesimo materiale). La frenata è perciò molto potente, ma leggermente ritardata poiché bisogna aspettare che le temperatura salga fino a circa 400°C per innescare il processo appena descritto. Il particolare comportamento dei freni in carbonio richiede dunque una specifica azione di comando che deve necessariamente anticipare la staccata in ingresso di curva.