Repris sur un autre forum (schemas absents)
Voici la traduction d'un article de Carroll Smith (1932-2003), un gourou du sport auto aux Etats-Unis.
Il y tord le cou à un certain nombre d'idées reçues concernant les systèmes de freinage à disque.
Bonne lecture !
Mythe 1 : Les vibrations au freinage sont dues à des disques qui ont été voilés suite à une surchauffe.
L’expression « disque de frein voilé » est d’usage courant dans la course automobile depuis des décennies.
Quand un pilote indique ressentir des vibrations lors d’un violent freinage, les mécaniciens inexpérimentés, après avoir cherché sans succès la présence de fêlures sur les disques, attribuent souvent ces vibrations à des « disques de frein voilés ».
Ils mesurent ensuite l’épaisseur du disque en plusieurs endroits, trouvent des variations significatives et le diagnostic est considéré comme acquis.
Quand les disques de frein des voitures de hautes performances sont arrivés, on a commencé à entendre parler de « disques de frein voilés » sur les voitures de route, avec les mêmes analyses et diagnostics.
Habituellement, les disques sont re-surfacés pour résoudre le problème et après quelque temps, tout aussi habituellement, les vibrations reviennent. De nombreuses voitures ont dû ainsi retourner chez leur constructeur en accord avec les lois « citron » en raison du mauvais état de leurs freins.
Chaque état des Etats-Unis comporte une « loi citron » établissant les critères selon lesquels un véhicule déficient doit être remplacé ou racheté par le constructeur [NdT].
Cela dure maintenant depuis des décennies et, comme nombre de choses que nous considérons comme acquises, ce diagnostic est erroné.
En plus de 40 ans de courses professionnelles, y compris sur Shelby et Ford GT40 – un des programmes de développement de disques les plus intenses de l’histoire -, je n’ai jamais vu un disque de frein voilé, pourvu que le moyeu et le déport du disque soient plats et en bon état ainsi que les écrous, installés correctement et serrés uniformément et dans le bon ordre avec le couple de serrage adéquat.
J’ai vu par contre beaucoup de disques fêlés (figure 1), de disques qui étaient profondément creusés à leur température d’utilisation parce qu’ils étaient montés trop serrés à leurs points d’ancrage ou à leurs écrous (figure 2), quelques uns où la surface de friction s’était écroulée au niveau des trous radiaux servant à la ventilation du disque (figure 3) et un nombre incroyable de disques avec des dépôts de plaquette inégalement répartis sur la surface de frottement – parfois visibles, mais invisibles le plus part du temps (figure 4).
En fait, tous les cas de « disques de frein voilés » que j’ai pu étudier, que ce soit sur une voiture de course ou sur une voiture traditionnelle, se sont révélés être des dépôts de plaquette inégalement répartis sur la surface du disque.
Ces dépôts inégaux provoquent des variations de l’épaisseur du disque au niveau de dépôts qui se produisent à très haute température.
Pour mieux comprendre ce qui se passe, nous allons rapidement étudier la nature du pouvoir de décélération d’un système de frein à disques.
La nature des frottements de freinage
Le frottement est le mécanisme qui transforme l’énergie cinétique en chaleur. Tout comme il y a deux types de frottements entre le pneu et le bitume (adhérence mécanique entre les irrégularités de la route et le composant élastique du pneu d’une part, et adhésion moléculaire temporaire entre le caoutchouc du pneu et la route, au cours de laquelle du caoutchouc est transféré vers la route), il y a deux différents types de frottements de frein : le frottement abrasif et le frottement adhésif.
Le frottement abrasif implique la rupture de liaisons cristallines au sein du composant de la plaquette aussi bien que de la fonte du disque. La rupture de ces liaisons génère l’échauffement dû au frottement. Dans les frottements abrasifs, les liaisons entre les cristaux du matériau de la plaquette (et dans une moindre mesure celui du disque) sont définitivement rompues. Le composant le plus dur récupère le plus tendre (normalement, le disque récupère le matériau de la plaquette).
Les plaquettes dont le matériau fonctionne principalement par abrasion ont tendance à s’user rapidement et à perdre de leur efficacité à haute température. Lorsque de telles plaquettes atteignent leur température de fonctionnement limite, un transfert de leur matériau vers le disque va se produire de manière aléatoire et inégale. Ce sont ces dépôts qui sont à l’origine des variations de l’épaisseur du disque mesurées par les mécaniciens et des vibrations ressenties par les pilotes.
Avec le frottement adhésif, une partie de la matière de la plaquette diffuse au travers de l’interface entre la plaquette et le disque et forme une couche très fine et uniforme de plaquette sur la surface du disque. Comme les surfaces de frottement de la plaquette et du disque sont formées du même matériau, ce matériau peut traverser l’interface dans les deux sens et les liaisons se cassent et se reforment. En fait, avec les frottements adhésifs entre la plaquette et le disque, les liaisons entre le matériau de la plaquette et les dépôts sur le disque sont naturellement temporaires – elles se rompent et se reforment perpétuellement.
Un freinage n’est jamais dû à un frottement purement abrasif ou purement adhésif. Le matériau des plaquettes modernes est suffisamment abrasif pour conserver la surface du disque propre et lisse – du moins tant que la température limite d’utilisation de la plaquette n’a pas été dépassée et si le disque et la plaquette ont été complètement et correctement rodés.
Si le rodage n’a pas été effectué correctement, et donc si une couche uniforme de matériau de la plaquette n’a pas été déposée sur le disque, des dépôts irréguliers ou très localisés peuvent se produire à haute température. Les plaquettes organiques ou semi-métalliques du passé étaient nettement plus abrasives qu’adhérentes et donc très limitées en température.
Les plaquettes de course actuelles en « carbone métal » (métal fritté ?) utilisent principalement le frottement adhésif, tout comme nombre de voitures de route de haut de gamme, et sont utilisables jusqu’à des températures élevées. Malheureusement, rien n’est gratuit, et de telles plaquettes ne sont pas efficaces aux températures nettement plus basses rencontrées en utilisation normale sur route.
Par conséquent, il n’y a pas de plaquette idéale pour toutes les conditions. Le matériau fonctionnant en friction sur route ouverte à température relativement basse ne sera pas suffisant pour freiner efficacement la voiture en conditions plus sévères. Si vous essayez de conduire de manière agressive des voitures équipées de plaquettes standard, vous observerez une perte de mordant des freins, le dépôt de matériau des plaquettes sur le disque et la mise en ébullition du liquide de frein – point final. Et les véritables plaquettes de course, utilisées sur la route en condition normale, seront bruyantes et manqueront d’efficacité dans ces conditions.
Dans l’idéal, pour éviter de devoir gérer des freins bruyants et manquants d’efficacité en condition normale ou bien des freins perdant de mordant en chauffant lors d’une session sur piste ou lors d’une descente rapide sur route de montagne, il faudrait changer de plaquettes avant de se lancer dans une session de roulage intensif. Personne ne fait ça. La question reste donc entière : quelles plaquettes utiliser pour des voitures de haut de gamme sur route - des plaquettes de route pour les températures relativement basses ou bien des plaquettes de course pour les hautes températures ? De manière assez surprenante, à mon avis, il faut choisir des plaquettes de route de haut de gamme avec une bonne efficacité à basse température. La raison est simple : si l’on conduit de manière soutenue, les conséquences de cette manière de faire (perte de mordant des freins, passage en ébullition du liquide de frein, voire les deux) arrivent suffisamment progressivement pour qu’une modification du style de conduite résolve le problème. Par contre, si un freinage d’urgence est nécessaire alors que les plaquettes de course ne sont pas en température, la voiture ne s’arrêtera tout simplement pas.
Par exemple, au milieu des années 60, ceux d’entre nous qui travaillions chez Shelby American n’utilisaient pas des Mustang GT350 ou GT500 comme véhicules de société tout simplement parce qu’elles étaient équipées de plaquettes de course Raybestos M-19 et aucune de nos femmes ne pouvait appuyer suffisamment fort sur la pédale pour stopper la voiture en condition normale.
Indépendamment de la composition de la plaquette, si le disque et les plaquettes ne sont pas rodées correctement, un transfert de matériau peut se produire de manière aléatoire entre les deux éléments et entraîner la formation de dépôts irréguliers sur le disque et donc l’apparition de vibrations au freinage.
Autre problème, même si les plaquettes et le disque ont été correctement rodés, si on continue d’appuyer sur la pédale de frein alors que le système de freinage est très chaud ou après un long freinage à partir d’une vitesse élevée, on peut laisser sur le disque un dépôt qui reproduit exactement la forme de la plaquette. Ce type de dépôt est appelé une « impression de plaquette » et ressemble à ce qui se passerait sur l’on encrait la plaquette avant de l’appliquer sur le disque. Il reproduit très fidèlement la forme de la plaquette avec tous ses détails. (Figure 5)
Ca peut même empirer. La fonte est un alliage de fer et de silicone en solution mélangés avec des particules de carbone. A haute température, des carbures peuvent se former dans la matière. Dans le cas du disque, tout dépôt irrégulier de matière, en relief par rapport à la surface du disque, devient plus chaud que le métal autour. A chaque fois que ce dépôt frotte sur la surface de contact de la plaquette, cette température s’élève encore. Quand cette température atteint environ 1200 –1300 °F (650 à 700 °C), la fonte située sous le dépôt se transforme en cémentite (Fe3C), un carbure de fer très dur, très abrasif et très mauvais conducteur thermique. Si l’utilisation intensive continue, le système va rapidement se dégrader : la quantité de cémentite et la profondeur de cette couche vont augmenter, ainsi que les défauts de freinage. Perdu !
Prévention
Il n’y a qu’une chose à faire pour éviter cela : utiliser les plaquettes adaptées aux conditions et à votre style de conduite, et roder le disque et ces plaquettes de manière correcte. Tout système de freinage de haut de gamme (disque et plaquettes) devrait être livré avec des instructions d’installation et de rodage. Les procédures de rodage des différents fabricants sont très similaires. En ce qui concerne les plaquettes, la résine liante doit être brûlée relativement lentement pour éviter le glaçage et les dépôts irréguliers de matière sur le disque. Cela consiste en plusieurs freinages d’intensité croissante avec une courte période de refroidissement entre chaque freinage. Après le dernier freinage, il faudrait laisser le système de freinage se refroidir jusqu’à la température ambiante. Typiquement, une série de 10 freinages de plus en plus intenses pour faire passer la voiture de 100 à 10 km/h, et avec une accélération normale entre chaque freinage, devrait faire l’affaire pour des plaquettes de route de haute performance.
Pendant ce rodage, le freinage ne devrait pas entraîner un arrêt complet du véhicule, donc choisissez bien l’endroit où vous ferez ce rodage pour votre sécurité et celle des autres. Si vous stoppez complètement le véhicule avant que le rodage soit terminé, vous risquez que des dépôts irréguliers se forment sur le disque ou qu’une impression de plaquette apparaisse, et le résultat obtenu sera le contraire de celui recherché. Fin de l’histoire.
Un point au sujet de l’intensité du freinage. Un système ABS se déclenche en général aux alentours de 0.9 G, selon le type de véhicule. Ce que vous recherchez est un freinage aux alentours de 0.7 à 0.9 G. Cela correspond à un freinage légèrement en deçà du blocage de roues ou de l’activation de l’ABS. Vous devriez commencer à sentir l’odeur de plaquette entre le 5ème et le 7ème freinage, et cette odeur devrait diminuer avant le dernier freinage.
Une zone poudreuse grise apparaîtra sur la surface de la plaquette (en fait, le bord de la zone de frottement en contact avec le disque, pas le support), là où la peinture et la résine se consument.
Lorsque la zone grise sur les bords de la plaquette atteint une épaisseur d’environ 3 mm, la plaquette est rodée.
Pour une plaquette de compétition, selon le type de plaquette, d’autres freinages seront aussi nécessaires : typiquement, quatre freinages de 130 km/h à 10 km/h et deux freinages de 160 km/h à 10 km/h. Cela permettra de monter le système de freinage en température pendant la période de rodage pour atteindre la température à laquelle le matériau de la plaquette a été conçu pour fonctionner. Ainsi, la couche de composant de plaquette pourra être répartie uniformément sur toute la surface du disque.
Heureusement, cette procédure est également valable pour les disques. Elle soulagera toutes les tensions thermiques résiduelles créées lors de la fabrication de la fonte (l’étape finale du processus de fabrication des disques devrait être un traitement thermique pour éliminer les tensions) et déposera une couche lisse de matériau de plaquette sur le disque.
Si possible, un disque neuf devrait être rodé avec des plaquettes usagées du même matériau que celui des plaquettes utilisées plus tard. Là aussi, le système de freinage doit être monté en température lentement, au moyen de freinages d’intensité croissante séparés par des périodes de refroidissement. L’une des idées importantes est d’éviter un contact prolongé entre le disque et les plaquettes. Avec des plaquettes fonctionnant en frottement abrasif (donc non adaptées pour des voitures très performantes), le rodage est considéré comme terminé lorsque les surfaces de frottement ont atteint une couleur bleue uniforme. Avec les plaquettes en métal fritté, le rodage est terminé lorsque la surface de frottement du disque a une couleur grise ou noire homogène. Dans tous les cas, la coloration d’un disque complètement rodé sera uniforme.
En fonction du composant de la plaquette, une utilisation très modérée des freins pendant une longue période peut entraîner l’élimination de la couche de matériau déposée sur le disque par l’action abrasive des plaquettes. Avant de travailler avec une voiture dont le freinage n’a pas été utilisé intensivement depuis longtemps, un rodage partiel est recommandé pour éviter les dépôts irréguliers.
Un pilote peut sentir un dépôt ou variation d’épaisseur de 1/100 de mm. A partir de 4/100 de mm, cela devient gênant. Au-delà, c’est franchement désagréable. Lorsque de tels dépôts sont présents, en raison de ces zones dépassant du disque et atteignant des températures beaucoup plus élevées qu’alentour, de la cémentite se forme inévitablement et l’usure augmente localement, accentuant les variations d’épaisseur du disque et l’inconfort d’utilisation des freins.
Même en dehors de la période de rodage, après une utilisation intensive des freins, n’appuyez jamais sur la pédale de frein lorsque la voiture est à l’arrêt. Cela n’est pas un problème sur route ouverte en utilisation normale, car les freins ont le temps de se refroidir avant que le véhicule ne s’arrête (à moins que, comme moi, vous habitiez en bas d’une grande colline abrupte). Dans tous les types de course, y compris en autocross et en journée « portes ouvertes », c’est crucial. Indépendamment du matériau de friction, maintenir les plaquettes contre un disque brûlant immobile va se traduire par un transfert de matériau et un inconfort d’utilisation des freins notable. Encore pire, la plaquette laissera une empreinte visible qui signalera à tous votre erreur…
La question évidente, c’est « Y a t’il un moyen d’arranger les choses lorsque des dépôts irréguliers de plaquette se sont formés sur un disque ? » La réponse est oui mais sous certaines conditions. Si les vibrations ne font que débuter, il est possible que la température de formation de la cémentite n’ait pas encore été atteinte. Dans ce cas, placer de bonnes plaquettes « semi-métalliques » et les utiliser de manière intense (après un rodage correct) pourrait bien éliminer les dépôts et remettre les choses en ordre, mais avec des plaquettes améliorées. Si la quantité de matière transférée est faible, c’est à dire si les vibrations ont à peine démarré, il est possible qu’un frottage intensif avec un papier de verre au corindon puisse éliminer le dépôt. Comme nombre de dépôts sont invisibles, veillez à gratter scrupuleusement la surface complète du disque. N’utilisez pas de papier de verre standard ou de papier émeri, car l’oxyde d’aluminium servant d’abrasif traversera la surface de la fonte et rendra les choses encore pires.
Pour la même raison, n’utilisez pas les techniques de sablage ou de microbillage pour traiter un disque de frein.
La seule solution pour réparer un disque comportant des dépôts très étendus consiste à le démonter et à le re-surfacer avec une surfaceuse « Blanchard » - une opération peu coûteuse mais au minimum ennuyeuse. Un disque ainsi traité devra suivre la même procédure de rodage qu’un disque neuf.
Le problème avec ce traitement est que si le re-surfaçage n’élimine pas toutes les inclusions de cémentite, à mesure que le disque s’usera et que la fonte comparativement tendre autour de ces inclusions sera éliminée, celles-ci vont émerger du matériau, favorisant leur échauffement et donc recréant le problème. Malheureusement, la cémentite est invisible à l’œil nu.
Prendre le temps de roder correctement votre système de freinage rapporte gros, mais tout écart de conduite doit être proscrit sous peine de le dégrader.
Mythe 2 : Les disques de frein de compétition sont en acier.
Au passage, nombre de personnes censées être au courant, comme des commentateurs TV ou des pilotes, parlent de « disque de frein en acier ». C’est une erreur. A part sur certaines motos ou karts, tous les disques métalliques sont faits en fonte – un matériau parfaitement adapté à ce rôle. Bien que l’acier supporte mieux les contraintes en traction que la fonte, cette dernière est plusieurs fois plus robuste que nécessaire pour un disque de frein. Sa conductivité thermique est bien meilleure que celle de l’acier, de telle sorte que la chaleur créée à la surface de frottement entre les plaquettes et le disque se répand aisément à l’intérieur du disque jusqu’aux zones prévues pour l’évacuation de la chaleur. Les dimensions d’un objet en fonte s’altèrent moins aux températures élevées que celles d’un objet en acier. La fonte permet également une meilleure dissipation de la chaleur.
Alors ne parlons plus de « disque de frein en acier ».
Mythe 3 : Une pédale de frein molle provient du glaçage des plaquettes.
Le problème trop familier de la « pédale de frein molle » résulte d’une surchauffe du liquide de frein, pas d’une surchauffe des plaquettes. Un usage intensif des freins peut conduire au phénomène de « fading ». On distingue deux types de fading.
A) Quand la température sur la zone de contact entre les plaquettes et le disque dépasse la limite thermique des plaquettes, les caractéristiques de friction de ces dernières se dégradent, en raison principalement du dégazage qui se produit à cette température parmi les agents de liaison du matériau de la plaquette. La pédale reste ferme mais le véhicule ne freine plus. Le premier signal de cette dégradation est une odeur désagréable, bien particulière. Il est alors temps de calmer le jeu.
B) Quand le liquide de frein se met à bouillir dans les étriers, des bulles se forment. L’air étant un gaz compressible, la pédale devient molle et s’enfonce plus profondément. Il est probablement encore possible d’arrêter la voiture en pompant sur la pédale, mais le freinage devient difficile à doser. C’est un phénomène progressif avec beaucoup de signaux d’alerte.
Mythe 4 : Un liquide de frein qui a bouilli sera utilisable une fois refroidi.
Une fois que le liquide de frein a bouilli dans les étriers, son point d’ébullition est notablement abaissé, et il devrait donc être remplacé. Il n’est cependant pas nécessaire de remplacer tout le liquide, on peut se contenter de purger jusqu’à ce que du liquide clair apparaisse.
Mythe 5 : Etant non-hygroscopiques, les liquides de frein basés sur des silicones sont adaptés pour une utilisation dans des voitures hautes performances.
Les liquides de frein DOT3 et DOT4 contiennent de l’éther et sont naturellement hygroscopiques, ce qui veut dire qu’ils absorbent la vapeur d’eau. Comme le système de freinage n’est jamais parfaitement étanche, une quantité significative d’eau peut être absorbée sur une période d’un an. L’apport de 3% d’eau dans le liquide de frein peut faire chuter sa température d’ébullition de 75 à 80°C. Le liquide de frein devrait être complètement remplacé chaque année.
Les liquides de frein DOT5 sont basés sur des silicones et non hygroscopiques, ce qui est un avantage. La présence de vibrations de haute fréquence peut aussi entraîner la formation d’une émulsion, ce qui se traduit par une pédale molle. Une pédale molle est acceptable pour une voiture normale (en fait, la plupart des conducteurs considèrent une pédale molle comme normale), mais ce n’est pas le cas si on veut pouvoir freiner fort tout en dosant.
Mythe 6 : Le réservoir de liquide de frein devrait être complètement rempli en utilisation normale.
Dans la plupart des voitures routières modernes, le réservoir de liquide de frein est conçu pour recevoir un volume bien précis, et il comporte un flotteur interne.
Le volume correspond au volume de liquide déplacé lorsque les plaquettes seront complètement usées, plus une réserve confortable.
Quand les plaquettes ont atteint leur limite d’usure, la descente du flotteur ferme un circuit électrique et une lumière apparaît sur le tableau de bord, indiquant au conducteur que les plaquettes doivent être changées.
Si le réservoir est complètement rempli, la première indication que les plaquettes sont usées sera le crissement de l’acier des supports de plaquettes sur le disque. Et ça, ce sera à la fois ennuyeux et coûteux.
Accueil 
...