évanouissement des freins - Brake fade
L' évanouissement du système de freinage du véhicule , ou évanouissement des freins , est la réduction de la puissance de freinage qui peut se produire après une application répétée ou soutenue des freins, en particulier dans des conditions de charge élevée ou de vitesse élevée. La décoloration des freins peut être un facteur dans tout véhicule qui utilise un système de freinage à friction , y compris les automobiles , les camions , les motos , les avions et les vélos .
L'évanouissement des freins est causé par une accumulation de chaleur dans les surfaces de freinage et les changements et réactions subséquents dans les composants du système de freinage et peut être ressenti avec les freins à tambour et les freins à disque . La perte de puissance d'arrêt, ou évanouissement, peut être causée par l'évanouissement par friction, l'évanouissement mécanique ou l'évanouissement des fluides. L'évanouissement des freins peut être considérablement réduit par une conception et une sélection d'équipements et de matériaux appropriés, ainsi qu'un bon refroidissement.
L'affaiblissement des freins se produit le plus souvent lors d'une conduite haute performance ou lors de la descente d'une longue pente raide. Il est plus répandu dans les freins à tambour en raison de leur configuration. Les freins à disque sont beaucoup plus résistants à la décoloration des freins car la chaleur peut être évacuée plus facilement du rotor et des plaquettes, et sont devenus une caractéristique standard des freins avant de la plupart des véhicules.
Causes de l'évanouissement des freins
La réduction de la friction appelée évanouissement des freins est provoquée lorsque la température atteint le « point d'inflexion » sur la courbe température-frottement et que du gaz s'accumule entre le disque et la plaquette. Toutes les garnitures de frein sont durcies sous pression mécanique suite à une course de retour de courbe de chauffage et de refroidissement, chauffant le matériau de friction jusqu'à 232 °C (450 °F) pour " durcir " (réticuler) les polymères thermodurcissables en résine phénolique : Il n'y a pas de fusion de les résines liantes, car les résines phénoliques sont thermodurcissables et non thermoplastiques . Dans cette forme de fondu, la pédale de frein est ferme mais la capacité d'arrêt est réduite. La décoloration peut également être causée par l' ébullition du liquide de frein , avec la libération concomitante de gaz compressibles. Dans ce type de fondu, la pédale de frein est "spongieuse". Cette condition est aggravée lorsqu'il y a des contaminants dans le liquide, tels que de l'eau, que la plupart des types de liquides de frein sont susceptibles d'absorber à des degrés divers. Pour cette raison , le remplacement du liquide de frein est un entretien standard.
Fondu dans les freins auto-assistés
Diverses conceptions de frein telles que les freins à bande et de nombreux freins à tambour sont auto-assistées : lorsque le frein est appliqué, une partie de la force de freinage est réinjectée dans le mécanisme de freinage pour appliquer davantage le frein. C'est ce qu'on appelle « la rétroaction positive » ou « l'auto- asservissement ». L'auto-assistance réduit la force d'entrée nécessaire pour appliquer le frein, mais exagère la décoloration, car une réduction de la hauteur ou de l'épaisseur du matériau de friction des plaquettes réduit également la force des plaquettes. En revanche, pour un frein sans auto-assistance, tel qu'un frein à disque conventionnel, une perte de matériau de friction des plaquettes ne modifie pas la force des plaquettes, il n'y a donc pas de perte nécessaire dans la réaction du couple de freinage pour une quantité donnée de force d'entrée.
Le mécanisme d'auto-assistance affecte la pompe à eau et la quantité de décoloration. Par exemple, les freins Ausco Lambert et Murphy ont une auto-assistance à peu près proportionnelle au frottement des plaquettes, de sorte que le freinage total est réduit à peu près au carré de la perte de frottement. De nombreuses autres conceptions d'auto-assistance, telles que les freins à bande et de nombreux freins à tambour courants , ont une auto-assistance exponentielle, décrite par , où est la base du logarithme naturel, est le coefficient de frottement entre les patins et le tambour, et est l'angle d'engagement entre chaussures et tambour. Un petit changement de friction provoque un changement exponentiel de l'auto-assistance. Dans de nombreux freins courants, une légère augmentation de la friction peut entraîner un blocage des roues avec une application même légère. Par exemple, les matins humides, les freins à tambour peuvent se verrouiller dès la première application, glissant jusqu'à l'arrêt même après que la pédale de frein a été relâchée. Inversement, une légère diminution du frottement peut entraîner un évanouissement important des freins.
Facteurs contribuant à la décoloration
Les défaillances d'évanouissement des freins peuvent se produire en cascade . Par exemple, une combinaison type camion/remorque à 5 essieux possède 10 freins. Si un frein s'affaiblit, la charge de freinage est transférée aux 9 freins restants, les obligeant à travailler plus fort, à devenir plus chauds et donc à s'estomper davantage. Lorsque l'évanouissement n'est pas uniforme, l'évanouissement peut provoquer une embardée du véhicule. Pour cette raison, les véhicules lourds utilisent souvent des freins disproportionnés sur les roues directrices, ce qui réduit la distance d'arrêt et fait travailler plus fort les freins des roues non directrices, ce qui aggrave la décoloration. Un avantage des freins à faible évanouissement tels que les freins à disque est que les roues directrices peuvent faire plus de freinage sans provoquer de braquage des freins.
L'évanouissement des freins se produit généralement lors d'un freinage fort ou soutenu. De nombreux véhicules à grande vitesse utilisent des freins à disque et de nombreux véhicules lourds européens utilisent des freins à disque. De nombreux véhicules lourds américains et du tiers monde utilisent des freins à tambour en raison de leur prix d'achat inférieur. Sur les véhicules lourds, la traînée de l'air est souvent faible par rapport au poids, de sorte que les freins dissipent proportionnellement plus d'énergie que sur une voiture ou une moto typique. Ainsi, les véhicules lourds ont souvent besoin d'utiliser le frein moteur par compression et de ralentir afin que l'énergie de freinage soit dissipée sur un intervalle plus long. Des études récentes ont été menées aux États-Unis pour tester les distances d'arrêt des freins à tambour et des freins à disque en utilisant une norme nord-américaine appelée FMVSS-121. Les résultats ont montré que lorsqu'une nouvelle composition de matériaux de friction généralement utilisés dans les freins à disque est appliquée aux freins à tambour, il n'y a pratiquement aucune différence dans la distance d'arrêt ou l'évanouissement des freins. Comme les États-Unis ont modifié leurs règles FMVSS-121 pour les camions de classe huit construits en 2012 afin de réduire les distances d'arrêt d'environ 1/3, il n'y avait aucune recommandation d'utiliser des freins à tambour ou à disque dans la loi actuelle.
Les nouvelles technologies de tambour et les dispositifs de refroidissement de turbine à l'intérieur de ces tambours ont également éliminé tous les freins à disque de bord pouvant avoir été utilisés dans les applications lourdes. En installant des turbines de frein à l'intérieur d'un tambour spécialement configuré, les températures sont plusieurs fois réduites de moitié et l'évanouissement des freins est presque éliminé.
La défaillance des freins est également causée par la dilatation thermique du tambour de frein dans laquelle le jeu des segments de frein devient excessif à cause de l'usure. Cela a été largement corrigé dans les années 1950 par des freins à réglage automatique . Le mauvais réglage avec l'usure est toujours un facteur dans les camions équipés de freins pneumatiques à tambour. Une enquête canadienne sur les camions lourds arrêtés au hasard a révélé que plus de 10 % des camions utilisant des freins à réglage automatique avaient au moins un frein déréglé, soit en raison d'une défaillance du mécanisme de réglage automatique ou d'une usure dépassant la capacité du réglage automatique. Les pistons de frein plus récents ("canettes") étendent la course d'environ 65 mm à environ 75 mm; étant donné qu'environ 30 mm de course sont utilisés juste en mettant les plaquettes en contact avec le tambour, les 10 mm de course ajoutés représentent une augmentation de plus de 25 % de la course utile. Une course plus longue réduit en particulier la décoloration liée à l'usure, mais les freins à tambour sont toujours fondamentalement sujets à la décoloration lorsqu'ils sont chauds.
Après refroidissement, les freins décolorés fonctionnent généralement aussi bien qu'avant, sans aucun changement visible sur les patins et/ou les plaquettes de frein. Cependant, si les freins ont été excessivement chauds pendant une période prolongée, un glaçage peut se produire sur les deux garnitures de friction des patins et des plaquettes. Lorsque cela se produit, les surfaces de contact des garnitures auront un aspect lisse et brillant et ne fonctionneront pas aussi efficacement pour ralentir le véhicule au freinage. Ce vitrage peut être facilement retiré soit en utilisant doucement du papier émeri dessus, soit en conduisant le véhicule avec précaution tout en utilisant légèrement les freins sur plusieurs kilomètres.
Une explication incorrecte parfois donnée pour l'évanouissement des freins est que les patins de frein chauffés s'évaporent pour générer du gaz qui les sépare du tambour. De tels effets sont faciles à imaginer, mais physiquement impossibles, en raison du grand volume de gaz qui serait nécessaire pour un tel effet. Un palier à gaz aurait besoin d'être réapprovisionné en gaz aussi vite que le disque ou le tambour se déplace, car il n'y a pas de gaz à sa surface lorsqu'il s'approche du tampon ou du sabot. De plus, les freins à disque utilisent à peu près les mêmes matériaux et fonctionnent bien avec peu de décoloration, même lorsque les disques sont brûlants. Si les matériaux de frein dégazaient aux températures du tambour, ils dégazeraient également aux températures des disques et s'estomperaient considérablement. Étant donné que les disques ont peu de décoloration, ils démontrent également que le dégazage n'est pas une source de décoloration. Certains freins à disque sont percés ou fendus, mais les disques lisses ne montrent plus de décoloration.
Les longues marques de dérapage des pneus jumelés sur les autoroutes, faites par les camions équipés de freins à tambour, sont des exemples visibles de non-linéarité entre la réponse des freins et la pression sur la pédale. Les gros camions utilisent toujours des freins à tambour car ils sont économiques et s'adaptent facilement là où un frein à disque équivalent ne le fait pas. Plus récemment, les freins à disque pour camions ont été promus avec des caractéristiques telles que l'absence de décoloration, possible car ils n'ont pas d'auto-assistance (auto-servo).
Chemins de fer
Les chemins de fer utilisent des freins à disque sur les voitures particulières depuis plus de 60 ans, mais couplés à un système antiblocage Rolokron pour éviter la création de méplats (ou « roues carrées ») lorsque les roues se bloquent et patinent sur la surface du rail (audible comme bruit continu de bang-bang-bang lorsqu'un train passe - à ne pas confondre avec le son bang-bang...bang-bang...bang-bang produit par des roues qui roulent sur un joint de rail). Habituellement, les disques de frein sont installés au centre de l'essieu, mais dans certaines applications (comme les voitures de banlieue Bombardier Bi Level ), un seul disque est utilisé, monté sur l'extrémité de l'essieu à l'extérieur du châssis du camion. Les trains à grande vitesse (comme le TGV ) peuvent utiliser quatre disques par essieu.
Les voitures de marchandises (et certaines voitures de tourisme comme les voitures multiblocs dont les moteurs de traction ne laissent pas de place sur les essieux pour permettre le placement de freins à disque) sont équipées de freins à fermoir qui saisissent directement la surface de roulement des roues (un peu comme l'ancien buggy à cheval freins d'antan). De tels freins sont des freins à tambour à sabot externe; mais contrairement aux freins à bande et à de nombreux freins à tambour à mâchoires internes, il n'y a pas d'effet d'auto-assistance/d'auto-assistance, et ils sont donc beaucoup moins susceptibles de se bloquer que les freins à auto-assistance. En raison de leur rigidité élevée et de leur puissance relativement faible, ces freins à fermoir sont encore moins sujets au blocage que de nombreux freins à disque, et les wagons qui les utilisent ne sont donc pas équipés de systèmes antiblocage.
Le premier développement de freins céramiques modernes a été réalisé par des ingénieurs britanniques travaillant dans l'industrie ferroviaire pour les applications TGV en 1988. L'objectif était de réduire le poids, le nombre de freins par essieu, ainsi que de fournir un frottement stable à partir de très hautes vitesses et de toutes températures. . Le résultat a été un procédé céramique renforcé de fibres de carbone qui est maintenant utilisé sous diverses formes pour les applications de freinage automobile, ferroviaire et aéronautique.
Contrôle du fondu à travers la technique de conduite
L'évanouissement des freins et le gauchissement du rotor peuvent être réduits grâce à une technique de freinage appropriée ; lors d'une longue descente qui nécessiterait un freinage, sélectionnez simplement un rapport inférieur (pour les transmissions automatiques, cela peut nécessiter une brève application de l'accélérateur après avoir sélectionné le rapport). De plus, une application périodique plutôt que continue des freins leur permettra de se refroidir entre les applications. L'application continue et légère des freins peut être particulièrement destructrice en termes d'usure et d'ajout de chaleur au système de freinage.
Modification des freins pour réduire la décoloration
Les composants de freinage haute performance offrent une puissance de freinage améliorée en améliorant la friction tout en réduisant l'évanouissement des freins. Une friction améliorée est fournie par des matériaux de garniture qui ont un coefficient de friction plus élevé que les plaquettes de frein standard, tandis que la décoloration des freins est réduite grâce à l'utilisation de résines de liaison plus chères avec un point de fusion plus élevé, ainsi que des disques/rotors fendus, percés ou alvéolés qui réduire la couche limite gazeuse, en plus de fournir une meilleure dissipation thermique. L'accumulation de chaleur dans les freins peut être traitée par des modifications de la carrosserie qui dirigent l'air froid vers les freins.
La "couche limite gazeuse" est une explication de la mécanique du hot rod pour l'échec de l'effet d'auto-asservissement des freins à tambour, car elle ressemblait à une brique sous la pédale de frein lorsqu'elle s'est produite. Pour contrer cet effet, des mâchoires de frein ont été percées et fendues pour évacuer les gaz. Malgré cela, les freins à tambour ont été abandonnés pour leur effet d'auto-servo. Les disques n'ont pas cela car la force d'application est appliquée perpendiculairement à la force de freinage résultante. Il n'y a aucune interaction.
Les adeptes des émissions de gaz ont porté cette croyance sur les motos, les vélos et les voitures "de sport", tandis que tous les autres utilisateurs de freins à disque des mêmes constructeurs automobiles n'ont pas de trous à travers les faces de leurs disques, bien que des passages d'air radiaux internes soient utilisés. Les évents pour libérer le gaz n'ont pas été trouvés sur les freins des chemins de fer, des avions et des voitures particulières car il n'y a pas de gaz à évacuer. Pendant ce temps, les poids lourds utilisent encore des freins à tambour car ils occupent le même espace. Les chemins de fer n'ont jamais utilisé de freins à tambour à expansion interne car ils provoquent des dérapages, provoquant des méplats coûteux sur les roues en acier.
Les freins à disque et à tambour peuvent être améliorés par toute technique qui élimine la chaleur des surfaces de freinage.
La décoloration des freins à tambour peut être réduite et les performances globales quelque peu améliorées par une ancienne technique de perçage à tambour "hot rodder". Un motif de trous soigneusement choisi est percé à travers la section de travail du tambour ; la rotation du tambour pompe par centrifugation une petite quantité d'air à travers l'espace entre le sabot et le tambour, éliminant ainsi la chaleur ; l'évanouissement causé par les freins mouillés est réduit puisque l'eau est chassée par centrifugation ; et de la poussière de frein sort des trous. Le perçage des tambours de frein nécessite une connaissance approfondie et détaillée de la physique des tambours de frein et est une technique avancée qu'il vaut probablement mieux laisser aux professionnels. Il existe des ateliers de freinage performant qui effectueront les modifications nécessaires en toute sécurité.
L'évanouissement des freins causé par la surchauffe du liquide de frein (souvent appelé évanouissement de la pédale) peut également être réduit grâce à l'utilisation de barrières thermiques placées entre la plaquette de frein et le piston de l'étrier de frein, elles réduisent le transfert de chaleur de la plaquette à l'étrier et dans faire tourner le liquide de frein hydraulique. Certains étriers de course haute performance comprennent déjà de tels écrans thermiques de frein en titane ou en céramique. Cependant, il est également possible d'acheter des boucliers thermiques de frein en titane de rechange qui s'adapteront à un système de freinage existant pour fournir une protection contre la chaleur des freins. Ces inserts sont coupés avec précision pour couvrir autant de coussin que possible. Comme ils sont relativement bon marché et faciles à installer, ils sont populaires auprès des coureurs et des passionnés de piste.
Une autre technique employée pour empêcher l'évanouissement des freins est l'incorporation de refroidisseurs de frein à arrêt d'évanouissement. Comme les boucliers thermiques en titane, les refroidisseurs de freins sont conçus pour glisser entre la plaque d'appui des plaquettes de frein et le piston de l'étrier. Ils sont construits à partir d'un composite métallique à haute conductivité thermique et à haute limite d'élasticité qui conduit la chaleur de l'interface vers un dissipateur thermique externe à l'étrier et dans le flux d'air. Il a été démontré qu'ils diminuent la température des pistons d'étrier de plus de vingt pour cent et diminuent également considérablement le temps nécessaire pour refroidir. Contrairement aux boucliers thermiques en titane, cependant, les refroidisseurs de frein transfèrent réellement la chaleur à l'environnement et maintiennent ainsi les plaquettes plus fraîches.