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Les disques de frein « voilés » et autres mythes sur les systèmes de freinage.
Par Carroll Smith
Mythe 1 : Les trépidations et les vibrations des freins sont dus à des disques qui ont été voilés suite à une surchauffe.
Le terme « disque de frein voilé » est d’usage courant dans la course automobile depuis des décennies.
Quand un pilote reporte des vibrations lors d’un violent freinage, l’équipe inexpérimentée, après avoir vérifié la présence de craquelures sur les disques (et ne pas les avoir trouvé), attribut souvent les vibrations aux « disques voilés ».
Elle mesure ensuite l’épaisseur du disque en divers endroits, trouve des variations significatives et le diagnostique est considéré comme acquis.
Quand les disques de frein des voitures de hautes performances sont arrivés, on a commencé à entendre parlé de « disques de frein voilés » sur les voitures de route traditionnelles, avec les mêmes diagnostiques et analyses.
Habituellement, les disques sont re-surfacés pour résoudre le problème et après une utilisation relativement courte, le mauvais état et les vibrations reviennent. Un nombre significatif de voitures a du retourné chez leur constructeur en accord avec les lois « Lemon » suite au mauvais état des freins.
Cela dure maintenant depuis de décennies et, comme toute chose que nous considérons comme acquise, les diagnostiques sont faux.
« With one qualifier », en supposant que le moyeu et le déport du disque soient à plat et en bon état et que les écrous soient en bon état, installés correctement et serrés uniformément et dans le bon ordre avec le couple de serrage adéquat, en plus de 40 ans de courses professionnelles, y compris les Shelby et les Ford GT40 – un des programmes de développement de frein les plus intense – je n’ai jamais vu un disque de frein voilé. J’ai vu beaucoup de disques craquelés (figure 1), de disques qui étaient profondément creusés à leur température d’utilisation parce qu’ils étaient montés trop serrés à leurs points d’encrage 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 incalculable de disques avec des dépôts de plaquettes inégalement déposé 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 étudié, que se 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 une variations de l’épaisseur du disque due à des point chaud qui apparaissent à hautes températures.
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 (accroche mécanique entre les irrégularités de la route par élasticité du pneu et adhésion moléculaire entre le caoutchouc et la route sur laquelle le caoutchouc est transféré), il y a deux différents types de frottements de frein
– frottements abrasifs et frottements adhésifs.
Les frottements abrasifs mettent en jeu les ruptures des liaisons cristallines de la plaquette et de la fonte du disque. La rupture de ces liaisons génèrent l’échauffement du aux frottements. Dans les frottements abrasifs, les liaisons entre les cristaux de la plaquette (et dans une moindre mesure du matériau du disque) sont irrémédiablement cassés. Le métal le plus dure récupère le plus tendre (normalement, le disque récupère la plaquette).
Les plaquettes dont la fonction première est l’abrasion ont un fort taux de recouvrement et tendent à se détacher à hautes températures. Quand ces plaquettes atteignent leur température de fonctionnement limite, elles vont déposer du dépôt de plaquette aléatoirement et inégalement sur le disque. C’est ce dépôt sur la surface du disque qui provoque aussi bien la variation d’épaisseur mesurée par les techniciens que le mauvais état et les vibrations lors du freinage ressenti par les conducteurs.
Avec les frottements adhésifs, 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. Si la surface de frottement entre la plaquette et le disque contient le même matériau, alors 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 toujours en mouvement – elles sont continuellement cassées et quelques unes reformées.
Il n’y a jamais de frottements abrasifs ou adhésifs seuls lors d’un freinage. Avec de nombreuses formules de plaquettes actuelles, le matériau de la plaquette doit être suffisamment abrasif pour garder la surface du disque lisse et propre. Tout le temps que le matériau peut traverser l’interface, la couche sur le disque est constamment renouvelée et gardée uniforme – jusqu’à ce que la température limite de la plaquette soit dépassée ou si la plaquette ou le disque n’ont pas été complètement ou convenablement rodés. D’un autre côté, si une couche uniforme de plaquette transférée sur le disque n’a pas été faite lors du rodage, des tâches ou des transferts incontrôlés de matière peuvent se produire lors d’une utilisation à hautes températures. Les plaquettes organiques et semi-métalliques utilisées dans le passé étaient plus abrasives qu’adhésives et sévèrement limitée en température.
Toutes les générations actuelles de plaquettes « métal carbone », les plaquettes de courses font principalement appel à la technique adhésive, comme le font beaucoup de voitures de route actuellement, et sont stables sur une plus grande plage de températures. Malheureusement, il n’y a pas de recette miracle et les plaquettes de courses ultra hautes températures sont inefficaces à faibles températures comme celles que l’on rencontre sur les voitures de route.
Néanmoins – il n’y a rien de mieux qu’une plaquette de frein « tout en un ». Le matériau en frottement qui est adéquat pour des températures relativement basses comme en ville n’arrêtera pas une voiture qui est conduite plus brusquement. Si vous voulez conduire de nombreuses voitures à leurs limites avec des plaquettes OEM, vous glacerez alors vos plaquettes, transfert de matériau de frottement et liquide en ébullition – fin de la discussion. Les vraies plaquettes de frein courses seront bruyantes en utilisation normale et ne freineront pas très bien à basses températures comme en ville.
Idéalement, pour éviter aussi bien de se retrouver avec des plaquettes qui couinent et qui ne freinerons pas la voiture en ville qu’avec des plaquettes glacées sur un circuit ou lors d’une descente rapide de montagne, nous devrions changer de plaquettes avant de conduire rapidement. Personne ne le fait. La question reste en suspend, quelles plaquettes doivent être utilisées sur des voitures de routes très performantes – des plaquettes pour températures relativement basses ou des plaquettes compétitions ? A mon avis, aussi surprenant que cela puisse paraître, la réponse est une plaquette de route hautes performances avec de bonnes caractéristiques à basses températures. La raison en est simple : si on adopte une conduite vraiment soutenue et que l’on commence à atteindre la limite, que se soit avec le glaçage des plaquettes ou l’ébullition du liquide de frein (ou les deux), les conditions viennent suffisamment progressivement pour nous permettre de modifier simplement notre style de conduite pour compenser ces phénomènes. D’un autre côté, si une urgence apparaît quand les freins sont froids, la plaquette hautes températures n’arrêtera tout simplement pas la voiture. A titre d’exemple, durant le milieu des années 60, à Shelby American, nous ne conduisions pas les Mustang GT350 et GT500 comme voiture de tous les jours simplement parce qu’elles étaient équipées des plaquettes compétition Raybestos M-19 et aucune de nos femmes ne pouvaient appuyer assez fort sur la pédale de frein pour arrêter la voiture en conduite normale.
En regard de la composition des plaquettes, si la plaquette et le disque ne sont pas correctement rodés, le transfert de matière entre les deux matériaux peut se faire de différentes manières – le résultat en est des dépôts éparses et la vibration au freinage. De la même manière, même si les freins sont correctement rodés, si, quand ils sont très chauds ou après un seul gros freinage à partir d’une grande vitesse, les freins restent collés après un arrêt complet, il est possible de laisser un dépôt révélateur de la forme de la plaquette. Ce type de dépôt est appelé impression de plaquette et fait comme si la plaquette avait été imbibée d’encre et imprimée sur le disque comme un tampon. On peut parfaitement voir le contour de la plaquette sur le disque (figure 5).
Pire encore. La fonte est un alliage de fer et de silicone en solution entremêlés avec des particules de carbone. A Hautes températures, des inclusions de carbures commencent à se former dans la matrice. Dans le cas d’un disque de frein, tous les dépôts inégaux – trônant fièrement à la surface du disque – deviennent plus chaud que le métal alentour. A chaque fois que le bord supérieur d’un des dépôt en rotation rentre en contact avec la plaquette, la température locale augmente. Quand cette température locale atteint environ 1200 à 1300°F (650 à 700°C) la fonte sous le dépôt se transforme en cémentite (un carbure de fer dans lequel 3 atomes de fer sont combinés avec 1 atome de carbone). La cémentite est très dure, très abrasive et un faible dissipateur de chaleur. Si une utilisation intensive continue, le système va rentrer dans une spirale d’auto-destruction – la quantité et la profondeur de la cémentite augmentent avec l’augmentation de la température ce qui crée le mauvais état des freins. Sapristi !
Prévention
Il n’y a qu’une seule façon de prévenir cette chose – en suivant les procédures de freinages pour la plaquette et le disque et utiliser la plaquette convenant le mieux à votre style et aux conditions de conduite. Tous les disques et plaquettes hautes performances du marché devraient être vendue avec les procédures d’installations et de rodage. Les procédures sont très similaires d’un fabricant à l’autre. En respectant les plaquettes, la résine liante doit être enlevée relativement lentement afin d’éviter le glaçage et les dépôts inégaux. La procédure est d’effectuer plusieurs freinage du plus en plus forts avec une période de refroidissement assez brève entre chaque freinage. Après le dernier freinage, le système doit pouvoir se refroidir à température ambiante. Typiquement, une série de 10 freinages forts de plus en plus prononcés de 60 mph (100 km/h) à 5 mph (10 km/h) avec une accélération normale entre chaque devrait convenablement roder une plaquette routière hautes performances. Pendant le rodage de la plaquette ou du disque, ne pas s’arrêter complètement, alors, planifiez où et quand vous faites cette opération avec attention, pour vous et la sécurité des autres. Si vous arrivez à un arrêt complet avant que le rodage soit terminé, il y a une chance qu’il y aie un transfert non-uniforme du matériau de la plaquette ou d’imprimer la plaquette et les résultats seront exactement tout ce que la procédure tente d’éviter. Game over.
En terme de puissance de freinage, un freinage avec déclenchement de l’ABS sera aux environs de 0.9 G ou plus selon le véhicule. Ce que vous voulez faire sont des freinages entre 0.7 et 0.9 G. C’est une décélération proche mais inférieure au blocage de roue ou au déclenchement de l’ABS. Vous devriez sentir une odeur de plaquette du 5e au 7e freinage et l’odeur devrait diminuer avant le dernier freinage. Une zone poudreuse grise apparaîtra sur le bord de la plaquette (en fait, le bord de la matière en frottement en contact avec le disque - non le plat derrière) où la peinture et la résine de la plaquette ont brûlé. Quand la zone grise sur les bords de la plaquette atteint environ 1/8² (3 mm) d’épaisseur, la plaquette est rodée.
Pour une plaquette compétition, quatre 80 mph (130 km/h) à 5 mph (10 km/h) et deux 100 mph (160 km/h) à 5 mph (10 km/h), indépendamment de la plaquette, seront aussi nécessaires pour atteindre la température du système pendant le rodage dans la zone où la matière de la plaquette a été faite pour fonctionner. De là, le matériau travaillant à la plus haute température peut former une couche uniforme sur la totalité de la surface du disque.
Heureusement, la procédure est également valable pour les disques et soulagera toutes les tensions thermiques résiduelles créées lors de la fabrication de la fonte (tous les disques doivent être soulagés thermiquement des tensions comme un des derniers processus de fabrication) et transfèrera la légère couche de plaquette sur le disque. Si possible, les nouveaux disques doivent être rodés avec des plaquettes rodées composées du même matériau que précédemment. Là encore, l’échauffement du système doit être progressif – en augmentant les gros freinages avec des périodes de refroidissement entre chaque freinage. Une partie de l’idée est d’éviter un contact prolongé entre la plaquette et le disque. Avec des plaquette abrasives (lesquelles ne devraient pas être utilisées sur des voitures de hautes performances) le disque peut être considéré comme rodé quand les surfaces de frottements ont atteint une couleur bleue lisse. Avec les plaquettes de type carbone métal, le rodage est total quand les surfaces de frottements sont d’un gris ou noir uniforme. Dans tous les cas, la décoloration d’un disque complètement rodé sera complète et uniforme.
Indépendamment de la « friction compound », une utilisation légère des freins pendant une période prolongée peut entraîner le retrait de la couche de transfert du disque par l’action abrasive des plaquettes. Quand nous allons tester une voiture qui a freiné légèrement pendant un moment, une procédure partielle de rodage préviendra tout dépôt inégal.
Le conducteur peut ressentir un dépôt ou une variation d’épaisseur de 0.0004² (10 µm). 0.001² (25 µm) est gênant. Plus que ça, ça devient vraiment pénible. Quand le dépôt est présent, en ayant des régions isolées qui jonchent la surface et qui s’échauffent beaucoup plus que les régions voisines, la cémentite se forme inévitablement et les caractéristiques locales du revêtement changent ce qui produit toujours une augmentation du mauvais état et de la variation d’épaisseur.
Autre chose que le rodage à proprement parlé, comme mentionné plus haut, ne laissez jamais votre pied sur la pédale de frein après avoir freiné fortement. Ce n’est généralement pas un problème sur les routes ouvertes simplement parce que, dans des conditions normales, les freins ont le temps de se refroidir avant un arrêt (sauf si, comme moi, vous habitez derrière une colline abrupte). Dans le cas d’une course, même en autocross et en « conduite de tout les jours », c’est crucial. En dépit de la matière en frottement, maintenir la plaquette contre un disque inerte chaud produira un transfert de matériau et un mauvais état des freins perceptible. Pire encore, la plaquette laissera une trace ou son contour imprimé sur le disque et votre erreur sera visible de tous.
Maintenant, la question évidente est « y a-t-il un traitement curatif pour les disques qui ont des dépôts inégaux de matière ? » La réponse est oui, mais sous certaines conditions. Si les vibrations viennent juste de commencer, le point positif est que la température n’a jamais atteint le stade où la cémentite commence à se former. Dans ce cas, mettre simplement un jeu de bonnes plaquettes « semi-métalliques » et les utiliser violemment (après rodage) retirera probablement bien les dépôts et rétablira le système à l’état initial mais avec de meilleures plaquettes. Si seulement une faible quantité de matière a été transférée, c’est-à-dire si les vibrations viennent juste de commencer, frottez vigoureusement sur du papier de verre (« garnet paper ») peut retirer le dépôt. Comme la plupart des dépôts ne sont pas visibles, frottez complètement toute la surface de frottement. N’utilisez pas de « sand paper » traditionnel ni de toile émeri parce que l’oxyde d’aluminium pénètrera la surface de la fonte et rendra les conditions pires. Ne « bead blast » pas et ne pulvérisez pas du sable pour la même raison.
La seule réparation pour des dépôts inégaux étendus consiste au démontage des disques et de les faire « Blanchard ground » (re-surfacer) - pas très cher mais gênant au possible. Une nouvelle surface du disque nécessitera la même procédure de rodage qu’un disque neuf. Le problème avec cette procédure est que si le surfaçage ne retire pas toutes les inclusions de cémentite, l’endroit où le disque était recouvert de cémentite se trouvera un disque relativement tendre et la spirale thermique recommencera une fois de plus. Malheureusement, la cémentite est invisible à l’œil nu.
Prendre le temps de roder correctement votre système de freinage rapporte gros mais , après la plupart des excès, le retour du comportement qui avait provoqué le problème entraînera son retour.
Mythe 2 : les disques de frein compétition sont fait en acier.
Pour faire digression pendant un moment, les « disques acier » sont une erreur fréquemment utilisée par les gens qui devrait le savoir le mieux. Cette catégorie inclus les commentateurs de variations d’épaisseur et les pilotes qui ont été interviewer.
A l’exception près des quelques motos et karts, tous les disques ferreux sont fait de fonte – un matériau excellent pour cette tâche.
Tandis que l’acier a une meilleure force de dilatation, la fonte est bien plus résistante que les exigences des disques de frein. Ses caractéristiques de transfert thermique sont nettement meilleures que celle de l’acier de telle sorte que la chaleur dégagée à l’interface entre la plaquette et le disque soit efficacement transmise de la surface de frottement vers la surface intérieure du disque et dans les conduits dans lesquelles la chaleur est dissipée par la circulation d’air. La fonte est plus stable à températures élevées que l’acier et est une meilleure dissipatrice de chaleur – alors ne nous parlez plus de disques de frein « acier ».
Mythe 3 : Une pédale de frein molle est le résultat du glaçage des plaquettes.
Toutes les pédales de frein trop familièrement spongieuses résultent d’une surchauffe du liquide de frein et non d’une surchauffe de la plaquette. Un usage intensif des freins peut conduire à un fading. Il y a deux variétés distinctes de fading :
Quand la température à l’interface entre la plaquette et le disque (« rotor ») dépasse la capacité thermique de la plaquette, la plaquette perd ses capacités de frottements largement due à « out gassing » de l’agent liant de la composition de la plaquette. La pédale de frein restera ferme et solide mais la voiture ne s’arrêtera pas. La première indication est une odeur désagréable et reconnaissable qui devrait servir d’alerte pour dégager.
Quand le liquide bout dans les étriers, des bulles d’air se forment. Comme l’air est compressible, la pédale de frein devient molle et spongieuse et sa course augmente. Vous pouvez sûrement encore arrêter la voiture en pompant, mais la précision du dosage est perdue. C’est un procédé avec beaucoup d’alertes.
Mythe 4 : Un liquide de frein qui à bouilli sera de nouveau efficace quand il aura refroidi.
Quand le liquide de frein a bouilli dans les étriers, il a perdu un pourcentage important de son point d’ébullition initial et devrait être remplacé. Ce n’est pas la peine de remplacer tout le liquide du système, il faut juste purger jusqu’à ce que du liquide clair apparaisse.
Mythe 5 : Parce qu’il y a du silicone non-hygroscopique, les liquides de frein traditionnels sont dommageable pour une utilisation dans des voitures hautes performances..
Les liquides de frein DOT 3 et DOT 4 sont tous deux de même nature, de nature hygroscopique - c’est-à-dire qu’ils absorbent la vapeur d’eau. Si le circuit de freinage n’est pas étanche, une quantité non négligeable d’eau peut-être absorbée de l’atmosphère au cours de l’année. 3% d’eau dans le liquide de frein diminue le point d’ébullition de 170°F (77 °C). Le liquide de frein doit être remplacé tous les ans.
Les liquides de frein DOT5 sont à base de silicone et sont non-hygroscopique, ce qui est bien. Ils sont aussi sujet à l’émultion lors de fréquences de vibrations élevées, ce qui rend la pédale molle. Les pédales de frein molles peuvent être correctes dans des voitures n’ayant pas de hautes performances (en fait, la plupart des conducteurs accepte qu’une pédale de frein spongieuse soit normale) mais ne sont pas acceptable dans les situations où le conducteur tente de moduler un freinage avec de fortes pressions sur la pédale.
Mythe 6 : Le réservoir de liquide de frein devrait être rempli pour une utilisation quotidienne.
Dans la plupart des voitures modernes, le réservoir de liquide de frein est étudié pour contenir un volume spécifique.
Ce volume correspond à la quantité de liquide qui sera déplacé quand les plaquettes sont usées après le témoin d’usure plus une réserve généreuse. Quand le témoin d’usure est atteint, le niveau descendant complète un circuit électrique et une lumière apparaît sur le tableau de bord prévenant le conducteur que les plaquettes doivent être remplacées.
Si le liquide de frein est rempli le premier signe de plaquettes « warn out » sera le crissement du plateau en acier brûlé sur le disque métallique. Se sera autant bruyant que cher.
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