I.1 INTRODUCTION
Grâce aux continuels progrès technologiques dans l’industrie du transport, les véhicules sont devenus plus puissants et plus rapides. De ce fait, les systèmes de freinage doivent aussi suivre cette progression pour assurer un fonctionnement adéquat avec les dernières améliorations. Le frein, organe de sécurité, reste ainsi un sujet d’étude très actuel pour les ingénieurs. L’apparition de nouveaux matériaux (alliages divers, céramique, etc.) et de nouveaux procédés de fabrication ou de traitement de surface (grenaillage, trempe par induction, etc. ) génère de nouveaux types de frein et donc la nécessité de nouvelles études.
De plus, avec la concurrence industrielle toujours croissante, les problématiques changent : en plus du souci d’efficacité, de fiabilité et de confort, s’ajoute ceux du moindre coût et du délai de fabrication. L’objectif pour l’ingénieur est de trouver le meilleur compromis entre ces exigences. Il s’agit alors remplacer, du moins, compléter les essais expérimentaux par des analyses numériques afin de tester plus de possibilités pour mieux s’approcher du meilleur compromis, réduire les coûts en fabriquant moins de prototypes et minimiser les durées d’étude en limitant le nombre d’essais.
I.2 STRUCTURE GENERALE D’UN SYSTEME DE FREINAGE
La structure ci-dessous (Fig .I.1) représente une structure de base que l’on retrouve dans tous les véhicules de tourisme dit bas de gamme. On pourra cependant trouver des variantes telles que la disposition de freins à disque sur l’essieu arrière, ou bien la mise en place de système tels que l’ABS ou bien ESP [1].
Fig .I.1 : Schéma d’implantation du système de freinage
Dans un système de freinage, on distingue deux parties :
– Partie commande
– Partie opérative.
I.3 FREINS TRAVAILLANT PAR FROTTEMENT
I.3.1 Frein à tambour
Il se compose d’un tambour en fonte solidaire de la roue, de mâchoires solidaires du châssis, garnies d’un matériau à haute résistance au frottement et à l’échauffement et d’un cylindre qui presse les mâchoires contre le tambour (Fig.I.2). Les mâchoires sont en acier recouvert d’une garniture d’un matériau composite ayant un bon coefficient de frottement (0,35 à 0,40) avec le matériau du tambour et s’usant plus vite. L’usure peut être rattrapée par un mécanisme de réglage accessible de l’extérieur (non automatique) [2].
Fig. I.2 : Frein à tambour
I.3.1.1 Principe de fonctionnement
Le tambour est solidaire du moyeu de roue et tourne avec lui. Les segments et les composants qui génèrent la force de freinage sont généralement montés sur un plateau circulaire en tôle emboutie nommé flasque qui ferme le tambour et est fixé rigidement au porte-moyeu. Des ressorts hélicoïdaux travaillant en traction connectent les deux segments et les empêchent de frotter contre la couronne du tambour lorsque les freins ne sont pas actionnés (Fig.I.3).
Fig. I.3 : Vue 3D d’un frein à tambour.
Fig. I.4 : Différentes technologies.
Le serrage de la mâchoire secondaire est donc plus faible que le serrage de la mâchoire primaire ce qui entraîne une usure inégale puisque les freins sont généralement utilisés en marche avant. Ainsi il existe d’autres configurations permettant de rendre l’usure égale et une puissance de freinage accrue. Si les axes des segments sont intervertis, l’auto-serrage agit sur les deux mâchoires, mais n’est effectif que dans un seul sens de rotation du tambour. On peut également remplacer les pivots des deux segments par un palier flottant. Au freinage, l’extrémité aval du segment primaire s’appuie sur le palier et pousse l’extrémité amont du segment secondaire, qui devient auto-serrant lui aussi. Ce montage est valable pour les deux sens de rotation et est la technique la plus répandue aujourd’hui. Une autre configuration consiste également à serrer les deux mâchoires à l’aide de deux cylindres hydrauliques à leur extrémité, mais ce type de frein est très peu employé en raison de son rapport efficacité/prix peu favorable.
Les tambours actuels montés sur l’essieu arrière sont généralement en fonte. Quant aux mâchoires, elles sont en tôle d’acier soudée ou en aluminium, et revêtues d’une garniture de frottement à base de laine d’acier, de cuivre et de coke en poudre ou encore d’oxyde de fer. La principale caractéristique requise est un coefficient de frottement relativement constant avec la température et assez élevé, de l’ordre de 0,5. Les freins à tambour sont encore bien répandus aujourd’hui sur l’essieu arrière des véhicules légers, aux performances modestes.
I.3.2 Frein à disque
Le frein à disque est un système de freinage performant pour les véhicules munis de roues en contact avec le sol : automobile, avion, train, etc. et pour diverses machines. Ce système transforme l’énergie cinétique du véhicule en chaleur.
Le frein à disque (Fig. I.5) est composé de :
– un disque généralement en fonte lié à la roue par l’intermédiaire du moyeu et qui lui est intérieur ;
– deux plaquettes de part et d’autre du disque, composées chacune d’une garniture en matériau composite collée ou rivetée sur un support métallique ;
– un étrier en acier, solidaire de l’essieu (par l’intermédiaire du pivot par exemple), qui supporte les plaquettes ; en forme de chape, il recouvre un secteur du disque ;
– un piston hydraulique dans le cas d’un étrier flottant ou coulissant ou deux pistons dans le cas d’un étrier fixe posés contre les supports des plaquettes.
Fig. I.5 : Désignation des principaux éléments.
Les disques sont des composants soumis à de fortes températures. De manière générale, on trouve sur les véhicules de série des disques pleins. Afin d’augmenter l’échange thermique entre le disque et l’air environnant, on peut utiliser des disques ventilés. En diminuant ainsi la température, on garantit un meilleur frottement des garnitures sur les disques [1].
Si les systèmes de frein à disque sont utilisés dans tous les domaines du transport (automobile, ferroviaire et aéronautique), les caractéristiques techniques dépendent des exigences de freinage ce qui donne des technologies différentes (Fig.I.6).
Fig. I.6 : Exemples de freins à disque.
I.3.2.1 Description d’un disque
Le disque est constitué d’un anneau plein avec deux pistes de frottement (Fig. I.7), d’un bol qui est fixé sur le moyeu et sur lequel est fixée la jante et d’un raccordement entre les pistes et le bol. Ce raccordement est nécessaire car l’anneau et la partie du bol qui est fixée au moyeu ne sont pas sur un même plan pour des questions d’encombrement et de logement des plaquettes et de l’étrier. La jonction entre le bol et les pistes est souvent usinée en forme de gorge pour limiter le flux de chaleur issu des pistes vers le bol afin d’éviter un échauffement excessif de la jante et du pneumatique.
Les pistes de frottement sont dites extérieures quand elles se situent du côté de la jante et intérieures quand elles se situent du côté de l’essieu.
Fig. I.7 : Le disque plein.
La région de la gorge du bol est aussi très sévèrement sollicitée. En effet, le disque tend à se mettre en cône à cause des dilatations des pistes chaudes, mais ce déplacement est retenu par la présence du bol qui est moins chaud et par celle de l’étrier. De ce fait, de grandes concentrations de contraintes naissent dans cette zone. Lors d’essais très sévères sur banc dynamométrique, on peut parfois voir apparaître une fissure circonférentielle (du côté externe et/ou du côté interne du disque) qui se propage et provoque la rupture brutale du bol.
Les gradients dans la gorge du bol s’expliquent de la même manière. En début de freinage, la température du bol est à 20° C tandis que celle des pistes est de quelques centaines de degrés. De plus, dans le but d’éviter que la température du moyeu ne soit trop élevée (ce qui engendrerait des élévations de température du pneu, très critique pour son comportement), la gorge est usinée de manière à ne pas transmettre trop de chaleur au bol (Fig.I.8). Avec cet usinage, la température du bol baisse effectivement, mais les gradients thermiques augmentent conséquemment dans cette zone. Ceux-ci engendrent des contraintes thermiques qui expliquent les ruptures de bol observées lors d’essais expérimentaux sévères.
Fig. I.8 : Gorge calorifique
I.4 ELEMENTS D’UN FREIN Á DISQUE
Le disque de frein est un organe de friction fortement sollicité, il doit résister à des températures de 600° C à 800° C dont les éléments sont illustrés sur la figure .I.9 :
1. Disque
2. Plaquettes
3. Protections de disque de frein
4. Support d’étrier
5. Colonnette
6. Etrier
7. Vis de purge
8. Capuchon.
Fig. I.9 : Les éléments d’un frein avant.
I.5 TYPES DES ETRIERS
On peut distinguer principalement, dans le secteur automobile, deux types de réalisations. Les freins à étriers coulissants ou à étriers fixes (Fig I.10). Les premiers sont les plus répandus. Les étriers fixes sont surtout utilisés dans le domaine des motocycles [1].
Naturellement, les étriers, comme tous les composants non suspendus, doivent être le plus léger possible. Ils sont habituellement coulés en alliage d’aluminium, parfois en alliage de magnésium ou en fonte. Le porte-étrier peut être en fonte et l’étrier en alliage léger.
Le diamètre des pistons récepteurs hydrauliques dans les étriers est plus grand que celui des pistons actionnant les segments des freins à tambour et la pression dans le circuit hydraulique peut dépasser 100 bars alors que 15 bars suffisent avec des freins à tambour.
Fig. I.10 : Types d’étriers.
I.5.1 Frein à étrier coulissant
Lorsque le véhicule est en mouvement, le disque est en rotation. Dans le cas d’un système à étrier coulissant (Fig. I.11), pendant la phase de freinage, un circuit hydraulique commandé par la pédale de frein actionne le piston qui presse la première plaquette (plaquette interne) contre le disque. Lorsque celle-ci est en contact avec le disque, l’étrier se déplace par réaction grâce à un système de coulissage et entraîne la seconde plaquette contre le disque. On pourra également trouver des freins à chape coulissante au fonctionnement quasi identique que les freins à étriers coulissants [1] (Fig. I.12).
Fig. I.11 : Le système à étrier flottant.
Fig. I.12 : Le système à étrier à chape flottante.
I.5.2 Frein à étrier fixe
Dans le cas de l’étrier fixe, qui est rigidement attaché à l’essieu et qui comporte deux pistons opposés alimentés par un même circuit hydraulique, les deux pistons viennent presser les deux plaquettes sur le disque lors de la mise en pression (Fig. I.13). L’avantage de ce dispositif par rapport à l’étrier coulissant est la moindre quantité de liquide mise en jeu (puisque chaque piston ne parcourt qu’une demi-distance).
Fig. I.13 : Le système à étrier fixe.
I.6 LES TYPES DE DISQUE FREIN
Il existe deux types de disque : les disques pleins et les disques ventilés. Les disques pleins, de géométrie simple et donc de fabrication simple, sont généralement placés sur l’essieu arrière de la voiture. Ils se composent tout simplement d’une couronne pleine reliée à un ”bol” qui est fixé sur le moyeu de la voiture (Fig. 1.14). Les disques ventilés, de géométrie plus complexe, sont apparus plus tardivement. Ils se trouvent la plupart du temps sur le train avant. Toutefois, ils sont de plus en plus à l’arrière et à l’avant des voitures de haut de gamme. Composés de deux couronnes – appelées flasques – séparées par des ailettes (Fig. 1.15), ils refroidissent mieux que les disques pleins grâce à la ventilation entre les ailettes qui, en plus, favorisent le transfert thermique par convection en augmentant les surfaces d’échange. Le disque ventilé comporte plus de matière que le disque plein ; sa capacité d’absorption calorifique est donc meilleure. Le nombre, la taille et la forme (ailettes radiales, incurvées, pions circulaires…) des ailettes sont variables (Fig. 1.16).
Fig. I.14 : Exemple de disque plein.
Fig. I.15 : Exemple de disque ventilé.
Fig. I.16 : Différentes géométries d’ailettes.
Fig. I.17 : Disques ventilés : différentes conceptions [3].
La figure I.17 représente deux types de disque ventilé. Le modèle « a » présente une moins bonne ventilation que le « b », mais possède une meilleure rigidité. La figure I.17 montre également la déformation du deuxième type de disque soumis à un fort gradient de température. La rotation du disque entraîne une circulation d’air dans les canaux [3], d’où une amélioration du refroidissement (Fig. I.18).
Fig. I.18 : Circulation de l’air dans les canaux d’un disque ventilé [3].
I.7 AUTRES TYPES DE DISQUES ET LEURS CARACTERISTIQUES
I.7.1 Les disques rainurés
La raison pour laquelle on rainure les disques est trop souvent mal comprise. Les gens croient généralement que les rainures sont là pour améliorer le refroidissement. Il n’en est rien. Elles sont là pour nettoyer la surface de la plaquette et briser la couche gazeuse qui peut se former entre la plaquette et le disque quand les hautes températures sont atteintes [4] . En pratique, la chaleur crée des poussières et des gaz entre le disque et la surface de la plaquette, réduisant ainsi l’efficacité, (Fig. I.19).
Fig. I.19 : Disque rainuré.
I.7.2 Les disques percés
Le perçage des disques permet en plus du refroidissement, le nettoyage des disques,(Fig. I.20). Les trous sont plus efficaces avec le temps car ils sont plus ou moins autonettoyants. Mais l’augmentation du nombre de trous réduit la surface de friction, un disque avec une masse insuffisante (diamètre trop petit ou trop fin) a tendance à craqueler et casser [4].
Fig. I.20 : Disque percé.
I.8 COMPARAISON ENTRE TAMBOUR ET DISQUE
I.8.1 Avantages
Par rapport aux freins à tambour, les freins à disque se distinguent par les avantages suivants [5] :
– Meilleur refroidissement.
– La dilatation n’affecte pas la qualité de freinage.
– Jeu de fonctionnement faible, action rapide.
– Bonne progressivité.
– Répartition uniforme de la pression.
– Absence de déformation.
– Puissance de freinage identique en marche avant et en marche arrière.
– Pas de réglage (rattrapage de jeu automatique.
– Remplacement des garnitures plus rapide.
I.8.2 Inconvénients
Les inconvénients des freins à tambour se résument comme suit [5] :
– Mauvaise répartition de l’effort.
– Moins bonne tenue à chaud.
– Dilatation et déformation du tambour.
– Usure plus prononcée sur le segment primaire (comprimé).
I.9 LES PLAQUETTES
Les plaquettes de frein sont composées d’une plaque en métal relativement rigide sur laquelle est collée une garniture, semblable à celle que l’on peut trouver dans les freins à tambour. Elle est toutefois soumise à des pressions plus élevées, la surface de contact étant plus réduite. La garniture est l’élément d’usure d’un système de frein et sa périodicité de changement est plus courte que celle du disque. La surface d’une garniture est très réduite comparativement à la puissance de freinage qu’elle doit fournir. Elle doit avoir de bonnes propriétés thermomécaniques et également fournir un coefficient de frottement relativement stable avec la température afin d’assurer un freinage le plus constant possible. Si la rigidité de la garniture est relativement faible, de l’ordre de quelques GPa, la plaque métallique au dos de la garniture se doit d’être relativement rigide d’une part pour transmettre l’effort provenant du piston hydraulique et d’autre part pour répartir la pression le plus uniformément possible sur l’ensemble de la surface de la garniture. Cela permet une usure uniforme de la garniture, rendant le freinage constant au cours du temps et une répartition optimale du flux de chaleur.
Les plaquettes sont les pièces les plus essentielles de l’étrier, elles assurent le pincement du disque et de ce fait l’arrêt du véhicule. Elles doivent supporter des températures importantes liées aux frottements contre le disque (ces températures peuvent atteindre les 800°C) [6] . Les plaquettes de frein automobile comportent des rainures (Fig.I.21). Outre leurs caractères d’évacuation des poussières et de l’eau, ces rainures influent elles sur le comportement thermique de la plaquette. Cette dernière doit présenter :
– Une bonne résistance à l’usure, non agressivité des pistes de frottement.
– Absence de bruit.
– Haute résistance thermique. La température des garnitures peut atteindre 600°C à 700°C.
Fig. I.21 : Plaquette de frein.
Une température trop élevée peut entraîner une perte d’efficacité presque totale du freinage appelée : évanouissement ou fading.
La fabrication de la plaquette nécessite l’application de plusieurs techniques [7]:
– support métallique : obtenu par découpage (découpage fin pour la première monte), il subit des opérations de nettoyage et de grenaillage.
– matériau de friction : pesage mélange (et remélange).
– l’ensemble : cuisson, cautérisation (pour la première monte), rectification et peinture.
– personnalisation : plaque antibruit, marquage
I.10 PROBLEME DU DISQUE DE FREIN
L’analyse bibliographique des phénomènes de freinage montre que la principale sollicitation vient des fortes variations de température induites par le frottement des plaquettes contre le disque. En effet, la température peut varier de 20° C à plus de 700° C en quelques secondes seulement. Ces brusques variations ne permettent pas à la température de s’homogénéiser. De ce fait, le disque est le lieu de très forts gradients thermiques dans l’épaisseur des pistes de frottement, mais aussi dans la direction circonférentielle. Ces derniers gradients sont dus au fait que le flux de chaleur qui entre dans le disque est localisé sous les plaquettes de frein et que le disque tourne. Parfois, il apparait ce qu’on appelle des points chauds; ce sont des zones circulaires régulièrement espacées sur les pistes où la température est localement plus élevée. Soumis à de tels cycles thermiques, le disque subit des déformations anélastiques (plastiques voire même viscoplastiques) qui sont elles aussi homogènes dans la pièce. La prédiction numérique des champs thermomécaniques qui s’établissent dans le disque, a été mise en place la méthode de calcul fondamental qui prenne en compte les couplages essentiels entre les différents phénomènes, le caractère transitoire de l’histoire thermique du disque, le comportement anélastique du matériau, les gradients thermomécaniques orthoradiaux et la rotation du disque. Dans cette étude, On se rend vite compte que la simulation d’un freinage par une méthode classique par éléments finis engendrerait des temps de calcul exorbitants.
I.11 LES MATERIAUX DU DISQUE DE FREIN
Les matériaux des composants du système de freinage sont choisis selon les critères suivants : la fonction de la pièce, le coût de la matière première et sa facilité de fabrication, la masse.
I.11.1 Le disque
Afin d’assurer un bon comportement thermique et mécanique, le matériau idéal pour le disque de frein doit pouvoir emmagasiner beaucoup de chaleur et supporter un effort mécanique important, sur une large gamme de température de fonctionnement (dans l’automobile, les températures d’utilisation varient entre 0 °C et 800 °C ; dans l’aviation les températures peuvent atteindre les 3000°C). De plus, il doit être bon marché et être de fabrication relativement facile.
Ainsi, s’il existe des matériaux à meilleur comportement thermomécanique, la fonte grise à graphite lamellaire est la plus communément utilisée dans l’industrie automobile. En effet, la fonte est peu chère, se fabrique aisément et peut être coulée facilement. Elle présente également une bonne conductivité, une assez bonne résistance mécanique, et une faible usure. Les proportions de carbone et les ajouts de différents types d’éléments d’addition (phosphore, potassium, silicium, manganèse, cuivre, soufre, nickel, chrome, molybdène, aluminium, autres éléments d’alliages et des impuretés diverses) permettent de faire varier légèrement les propriétés thermomécaniques de la fonte qui reste ainsi en perpétuelle évolution [8][9][10]. On rappelle que plus la teneur en carbone est élevée, plus la résistance mécanique de la fonte est mauvaise. Par contre, la conductivité augmente, ce qui diminue les contraintes thermiques.
Il existe néanmoins dans le cas de véhicules à hautes performances des disques bi-matière avec un moyeu (ou bol) en aluminium ou acier et une piste de freinage (couronne) en carbone-céramique vissée ou rivetée (Fig.I.22). Ces disques sont particulièrement coûteux mais plus légers et plus résistants à l’usure, à la corrosion et aux hautes températures.
Fig. I.22 : Disque carbone-céramique.
I.11.2 Les garnitures
Pour les garnitures, on cherche un matériau qui génère un bon coefficient de frottement (le plus élevé possible et le plus constant possible, quelles que soient les variations de températures, de pression ou de vitesse). Il faut cependant souligner que le comportement de friction dépend aussi du matériau qui compose l’autre structure frottante, à savoir le disque, des conditions d’appui de la plaquette, etc. On veut aussi limiter les problèmes d’usure, de corrosion et de bruit (qui est un problème classique de pièces frottantes sur des solides en mouvement). Bien sûr, il y a aussi des contraintes de coût.
Les garnitures sont faites de matériaux dits de friction. Ceux-ci sont composés d’abrasifs et de lubrifiants, d’élastomères, de poudre de métaux et autrefois, d’amiante. Leur composition est souvent mal connue, restant confidentielle chez les équipementiers.
1.11.3 Les supports
Les supports sont fabriqués avec un acier doux. Leur rôle est de répartir l’effort exercé par le piston hydraulique sur la totalité de la surface des garnitures, dans le but d’obtenir une surface de contact disque/plaquette la plus large et la plus homogène possible. Cela constitue un des critères de bon fonctionnement du frein.
Le support est la pièce intermédiaire entre les garnitures et le piston. Elle transmet donc la chaleur des garnitures (qui peut être élevée) vers le liquide dans le piston. Afin d’éviter ce phénomène, on utilise parfois des sous-couches qui servent d’isolant thermique. Ces sous-couches permettent aussi d’absorber une partie des bruits et des vibrations engendrés par le système de frein à disque.
I.12 CRITERES D’EVALUATION D’UN SYSTEME DE FREINAGE
Le frein à disque doit répondre à différents types d’exigence, dont les principaux sont : l’efficacité de freinage, l’endurance du système et le confort d’utilisation.
I.12.1 Efficacité
L’efficacité du frein se mesure par son aptitude à arrêter un véhicule en mouvement, sur une distance minimale, quelles que soient les conditions extérieures.
L’effort qui sert à ralentir la rotation du disque doit donc être le plus élevé possible. En d’autres termes, il faut optimiser l’effort tangentiel issu du frottement des plaquettes sur le disque. Ainsi, plusieurs paramètres interviennent : la pression de contact, la surface de frottement et le coefficient de frottement. Plus ces valeurs sont élevées, plus la distante d’arrêt du véhicule est faible.
La pression de contact disque/garnitures dépend essentiellement de la pression hydraulique dans le piston. Celle-ci varie entre 0 bar et 80 bars pour une voiture particulière. La pression de contact dépend aussi de l’état de surface des deux pièces frottantes, de l’usure, des rigidités des matériaux, des dilatations thermiques, etc.
Le coefficient de frottement, noté , doit aussi rester le plus stable possible, afin d’assurer un freinage constant, quelles que soient les conditions de freinage. Or, une fois les matériaux choisis, va dépendre de la pression de contact, de la vitesse de rotation mais aussi de l’hygrométrie et de la température de fonctionnement. En effet, la valeur de baisse par temps de pluie. De même, quand la température atteint 400° C environ, chute brutalement. C’est ce qu’on appelle le fading.
Kennedy et Ling [11] pour l’aéronautique puis Day [12] pour l’automobile ont mis en évidence que la surface réelle de contact peut être très différente de la surface potentielle de contact (surface totale des garnitures) avec des variations permanentes dues au couplage entre les dilatations thermiques, les pressions de contact et l’usure. Ces investigations ont été menées pour des géométries simples de type annulaire avec l’hypothèse de matériaux à comportement élastique linéaire.
I.12.2 Confort
Les problèmes de confort rencontrés avec le frein à disque résident dans l’apparition de bruits et de vibrations dans certaines configurations de freinage. Théoriquement, les vibrations et les bruits sont reliés puisque le bruit est toujours engendré par des vibrations. Cependant, on appelle communément vibrations les vibrations qui sont ressenties autrement que par les bruits. Dans le problème du frein, il s’agit principalement des vibrations de la pédale de frein et du volant. Elles sont essentiellement dues aux chocs entre le disque et les plaquettes et sont donc liées à la vitesse de rotation de la roue. Les fréquences de ces vibrations varient de quelques hertz à quelques centaines de hertz.
Les bruits sont générés par les instabilités du frottement des plaquettes contre le disque. Le frottement est donc ce qu’on appelle l’excitation du bruit. Le résonnateur (la pièce vibrante) est le plus souvent le disque, mais il peut arriver que ce soit la plaquette ou l’étrier ou encore une autre pièce de l’assemblage
I.12.3 Endurance
Un autre critère d’évaluation d’un frein à disque est son endurance. Plus précisément, il s’agit de garantir dans la durée l’ensemble des fonctions du système, éviter toute avarie dangereuse et définir un seuil d’usure à partir duquel les pièces doivent être changées. Pour dimensionner un disque de frein, il faut alors connaître les avaries susceptibles d’apparaître. Les observations expérimentales permettent d’établir la liste des endommagements suivants (certains peuvent se manifester sur un véhicule en clientèle, d’autres ne surviennent que lors d’essais sur banc) :
– du faïençage sur les pistes de frottement (Fig.I.24) ;
– des fissures radiales sur les pistes de frottement (Fig.I.25) ;
– des fissures au pied des ailettes (Fig.I.26) ;
– une fissure circulaire (Fig.I.28), (Fig.I.29) au niveau de la gorge qui peut aboutir à la rupture du disque (Fig.I.27) ;
– de l’usure (Fig.I.30), (Fig.I.31).
Le disque s’use par frottement contre les plaquettes. En réalité, celles-ci sont fabriquées dans l’optique de s’user davantage que le disque (Fig.I.33). Le frottement des deux pièces engendre des problèmes de dépôt (Fig.I.32) et d’arrachement de matière qui modifient la nature du contact.
Fig. I.23 : Observation d’une fissure radiale de la bordure extérieure du disque jusqu’au bol
Fig. I.24 : Faïençage sur les pistes de frottement
Fig. I.25 : Fissure radiale sur les pistes de frottement
Fig. I.26 : Fissure en pied d’ailette
Fig. I.27 : Rupture dans la gorge du bol
Fig. I.28 : Section de disque fissuré
Fig. I.29 : Fissure dans la gorge
Fig. I.30 : Usure des pistes
Fig. I.31 : Usure non-uniforme
I.12.4 Autres critères
D’autres critères entrent en ligne de compte lors de la conception d’un frein : son coût (matière première, facilité de fabrication, etc.), son encombrement (on veut le réduire au minimum), son poids (plus un véhicule est léger, plus la vitesse maximale est élevée, et plus la consommation de carburant par kilomètre est faible).
Fig. I.32 : Dépôts de matière sur les pistes du disque
Fig. I.33 : Usure excessive des plaquettes
I.13 PHENOMENES THERMIQUES DANS LE DISQUE
Lors de la phase de freinage, il existe des gradients thermiques qui apparaissent dans le disque qui causent son endommagement. En effet, le disque tend à se dilater dans les zones chaudes, mais il est finalement ”maintenu” par les zones froides. Cela donne lieu à des contraintes de compression avec plastification. Lors du refroidissement, il y a apparition de contraintes résiduelles de traction. Le disque subit donc des cycles de contraintes traction/ compression qui s’apparentent à des cycles de fatigue thermique. Il existe différents types de gradients thermiques :
– les gradients dans l’épaisseur des pistes ;
– les gradients surfaciques (radiaux et surtout orthoradiaux) ;
– les gradients dans la gorge du disque.
I.14 PHENOMENES MECANIQUES DANS LE DISQUE
Les phénomènes mécaniques peuvent être classés en trois catégories :
– le chargement (pression et couple), les conditions aux limites (serrage du disque sur le moyeu, contact avec la jante, présence de l’étrier) et la géométrie du disque qui donnent la déformation globale du disque, La dissymétrie de dilatations engendrée favorise la mise en cône du disque (Fig.I.34) ;
– le contact entre le disque et les plaquettes ;
– l’usure.
Fig. I.34 : Mise en cône d’un disque de frein.
I.15 MATERIAUX CONVENTIONNELS : ACIERS ,FONTES
I.15.1 Acier
L’acier et la fonte sont les matériaux utilisés le plus couramment de nos jours dans l’industrie automobile. Les aciers sont des aciers inoxydables austénitiques tel que un X2 Cr Ni Mo 17-12 (ancienne désignation : Z2 CND 17-12 soit 0,02% de carbone, 17% de chrome et 12% de nickel ainsi que des traces de molybdène). Les propriétés mécaniques de ces aciers sont une grande ductilité ainsi qu’une grande résilience, en particulier à haute température [13].
I.15.2 Fontes
Les fontes à forte teneur en carbone sont aussi les matériaux les plus couramment utilisés dans l’industrie automobile, le tableau ci-après donne les compositions des alliages en fontes (FG) destinés à la fabrication des disques de frein.
Tableau. I.1 : Composition et résistance des 03 sortes de fontes pour la conception des disques [14].
L’indice de saturation du carbone a été calculé par la formule de Jungbluth :
C : teneur en carbone.
Si : teneur en silicium.
P : teneur en phosphore.
I.15.3 Carbone
Le matériau composite qu’est le carbone a été découvert en 1958, à la suite de la pyrolyse d’une fibre composite avec une matrice organique. Ce matériau, composé d’un renforcement de carbone et d’une matrice carbone, ont été développés dans un premier temps pour une application dans le domaine aéronautique [13].
Les disques en carbone sont dotés des propriétés suivantes :
Un coefficient de frottement exceptionnel quelle que soit la température.
– Ils possèdent une grande stabilité physico-chimique, même à des températures supérieures à 1000°C.
– Ils ne sont pas sensibles aux chocs thermiques (dilatation négligeable) ou à la fatigue mécanique.
– Ils sont invulnérables à l’oxydation jusqu’à 500°C. Une couche antioxydation permet une protection à plus haute température.
– Ils ont une capacité d’absorption thermique double de l’acier
– Ils ont des caractéristique mécaniques spécifiques (comparable, quelle que soit la température, à l’aluminium quand il est froid) qui augmentent avec la température jusqu’à 2000° C.
I.15.4 Conditions d’utilisation
De façon à fonctionner avec le meilleur rendement et durer le plus longtemps possible, les températures des disques doivent être correctes et équilibrées. En général, les disques d’un véhicule devraient tous fonctionner à des températures identiques [13]. La température maximale du disque doit être accordée avec la qualité des plaquettes utilisées. Les faces du disque ne doivent pas dépasser les températures maximales recommandées pour chaque type de plaquette. Avec une qualité CM 83 la température du disque doit être entre 400° C et 600°C.