Plaquette de frein - Brake pad

Les plaquettes de frein sont un composant des freins à disque utilisés dans l'automobile et d'autres applications. Les plaquettes de frein sont composées de plaques d'appui en acier avec un matériau de friction lié à la surface faisant face aux disques de frein à disque.

Fonction

Les plaquettes de frein convertissent l' énergie cinétique du véhicule en énergie thermique par friction . Deux plaquettes de frein sont contenues dans le frein avec leurs surfaces de friction tournées vers le rotor. Lorsque les freins sont appliqués hydrauliquement , l'étrier serre ou serre les deux plaquettes ensemble sur le rotor en rotation pour ralentir et arrêter le véhicule. Lorsqu'une plaquette de frein chauffe en raison du contact avec le rotor , elle transfère de petites quantités de son matériau de friction sur le disque, laissant un revêtement gris terne dessus. La plaquette de frein et le disque (les deux ayant maintenant le matériau de friction), puis "collent" l'un à l'autre, fournissant la friction qui arrête le véhicule.

Dans les freins à disque, il y a généralement deux plaquettes de frein par rotor de disque. Ceux-ci sont maintenus en place et actionnés par un étrier fixé au moyeu de roue ou au montant de suspension . Les étriers de course, cependant, peuvent utiliser jusqu'à six plaquettes, avec des propriétés de friction variables dans un motif décalé pour des performances optimales. Selon les propriétés du matériau, le poids du véhicule et les vitesses auxquelles il est conduit, les taux d'usure des disques peuvent varier. Les plaquettes de frein doivent généralement être remplacées régulièrement (en fonction du matériau des plaquettes) pour éviter la décoloration des freins. La plupart des plaquettes de frein sont équipées d'une méthode pour alerter le conducteur lorsque cela doit être fait. Une technique courante consiste à fabriquer une petite rainure centrale dont la disparition éventuelle par usure indique la fin de la durée de vie d'une plaquette. D'autres méthodes consistent à placer une fine bande de métal mou dans une rainure, de sorte que lorsqu'elles sont exposées (en raison de l'usure), les freins grincent de manière audible. Une languette d'usure en métal souple peut également être intégrée dans le matériau de la plaquette qui ferme un circuit électrique lorsque la plaquette de frein s'use, allumant un voyant d'avertissement du tableau de bord.

Histoire

Le concept de plaquettes de frein ou des freins à disque comme une alternative à tambour freins avait été autour au moins aussi tôt que le brevet par FW Lanchester en 1902. Toutefois, en raison du coût élevé et de l' inefficacité par rapport freins à tambour , ils ne sont pas souvent mises en œuvre qu'après mondiale Seconde guerre . Une fois la technologie des freins à disque améliorée, les performances de freinage ont rapidement dépassé celles des freins à tambour. La différence de performance s'est manifestée le plus nettement en 1953 lorsqu'une Jaguar équipée de plaquettes de frein a remporté le Grand Prix d'Endurance des 24 Heures du Mans . Le succès de la Jaguar est généralement attribué aux freins à disque de la voiture, qui ont permis aux pilotes d'approcher les virages plus rapidement et de freiner plus tard que leurs adversaires, ce qui a finalement conduit à sa victoire. Jusqu'en 1963, la majorité des automobiles utilisant des freins à disque étaient de fabrication européenne, les voitures américaines adoptant la technologie à la fin des années 1960 après l'invention des étriers fixes qui rendaient l'installation moins chère et plus compacte.

La technologie

Avantages des freins à disque

Les freins à disque offrent de meilleures performances de freinage par rapport aux freins à tambour . Ils offrent une meilleure résistance au « brake fade » causé par la surchauffe des plaquettes de frein, et sont également capables de récupérer rapidement d'une immersion (les freins humides sont moins efficaces). Contrairement à un frein à tambour, le frein à disque n'a pas d'effet d'auto-servo-la force de freinage est toujours proportionnelle à la pression appliquée sur le levier de la pédale de freinage. Cependant, de nombreux systèmes de freins à disque disposent d'une servo-assistance ("Brake Booster") pour réduire l'effort du conducteur sur la pédale.

Les plaquettes de frein à disque sont plus faciles à inspecter et à remplacer que les garnitures de friction de frein à tambour.

Les types

Un jeu de plaquettes pour freins à disque hautes performances

Il existe de nombreux types de plaquettes de frein, en fonction de l'utilisation prévue du véhicule, de très souples et agressives (comme les applications de course) à des composés plus durs, plus durables et moins agressifs. La plupart des constructeurs automobiles recommandent un type spécifique de plaquettes de frein pour leur véhicule, mais les composés peuvent être modifiés (en achetant une marque de plaquette différente ou en passant à une plaquette de performance dans la gamme d'un fabricant) selon les goûts personnels et les styles de conduite. Des précautions doivent toujours être prises lors de l'achat de plaquettes de frein non standard, car les plages de températures de fonctionnement peuvent varier, telles que des plaquettes de performance qui ne freinent pas efficacement à froid ou des plaquettes standard qui s'estompent sous une conduite difficile. Dans les voitures qui souffrent d'un évanouissement excessif des freins , le problème peut être minimisé en installant des plaquettes de frein de meilleure qualité et plus agressives.

Matériaux

Les caractéristiques les plus importantes prises en compte lors de la sélection d'un matériau de plaquette de frein sont les suivantes :

  • La capacité du matériau à résister à l'évanouissement des freins, causé par une augmentation de la température que le matériau subira lors de la conversion de l'énergie cinétique en énergie thermique.
  • Les effets de l'humidité sur la décoloration des freins. Tous les freins sont conçus pour résister au moins à une exposition temporaire à l'eau.
  • La capacité de récupérer rapidement d'une augmentation de la température ou de l'humidité et de présenter à peu près les mêmes niveaux de friction à tout moment du processus de séchage ou de refroidissement.
  • Le coefficient de friction des plaquettes de frein modernes doit être suffisamment faible pour empêcher le blocage des roues mais suffisamment élevé pour fournir une puissance de freinage suffisante. Les coefficients de frottement sont généralement compris entre 0,3 et 0,5 pour les matériaux des plaquettes de frein.
  • La capacité de résister à l'usure due au frottement, mais pas dans la mesure où l'usure du rotor se produit plus rapidement que le matériau de frein est sacrifiée.
  • La capacité du matériau à fournir un contact régulier et uniforme avec le rotor ou le tambour, au lieu d'un matériau qui se brise en morceaux ou provoque des piqûres, des bosses ou d'autres dommages à la surface en contact.
  • La capacité d'appliquer une force de friction appropriée tout en fonctionnant silencieusement.

Une autre exigence matérielle prise en compte est la compressibilité des plaquettes de frein ; s'ils sont trop compressibles, la course des freins peut être excessive. Le matériau des plaquettes de frein doit également être poreux afin que l'eau n'affecte pas le coefficient de friction.

L'amiante a été ajoutée comme ingrédient commun aux plaquettes de frein après la Première Guerre mondiale, alors que la vitesse des voitures commençait à augmenter, car les recherches ont montré que ses propriétés lui permettaient d'absorber la chaleur (qui peut atteindre 500 °F) tout en fournissant la friction nécessaire pour arrêter un véhicule. Cependant, comme les graves dangers de l'amiante pour la santé ont fini par devenir apparents, d'autres matériaux ont dû être trouvés. Les plaquettes de frein en amiante ont été largement remplacées par des matériaux organiques sans amiante (NAO) dans les pays du premier monde. Aujourd'hui, les matériaux des plaquettes de frein sont classés dans l'une des quatre catégories principales suivantes :

  • Matériaux non métalliques - ils sont fabriqués à partir d'une combinaison de diverses substances synthétiques liées dans un composite, principalement sous forme de cellulose , d' aramide , de PAN et de verre fritté. Ils sont doux pour les rotors, mais produisent une bonne quantité de poussière, ayant ainsi une courte durée de vie.
  • Matériaux semi-métalliques - synthétiques mélangés avec des proportions variables de métaux en flocons. Ce sont des plaquettes plus dures que les plaquettes non métalliques, plus résistantes à la décoloration et plus durables, mais au prix d'une usure accrue du rotor/tambour qui doit alors être remplacé plus tôt. Ils nécessitent également plus de force d'actionnement que les plaquettes non métalliques pour générer un couple de freinage.
  • Matériaux entièrement métalliques - ces plaquettes sont utilisées uniquement dans les véhicules de course et sont composées d'acier fritté sans aucun additif synthétique. Ils durent très longtemps, mais nécessitent plus de force pour ralentir un véhicule tout en usant les rotors plus rapidement. Ils ont également tendance à être très bruyants.
  • Matériaux céramiques - Composés d'argile et de porcelaine liées à des flocons et des filaments de cuivre, ils constituent un bon compromis entre la durabilité des patins métalliques, l'adhérence et la résistance à la décoloration de la variété synthétique. Leur principal inconvénient est cependant que contrairement aux trois types précédents, malgré la présence du cuivre (qui a une conductivité thermique élevée), les plaquettes en céramique ne dissipent généralement pas bien la chaleur, ce qui peut à terme provoquer les plaquettes ou d'autres composants du freinage. système à déformer. Cependant, étant donné que les matériaux céramiques élèvent le bruit de freinage au-delà de celui de l'audition humaine, ils semblent exceptionnellement silencieux.

La résine phénol formaldéhyde est fréquemment utilisée comme agent liant . Le graphite peut servir de matériau de friction ainsi que d'agent liant. Un autre matériau de friction couramment utilisé est le silicate de zirconium . Un producteur italien mène des recherches pour utiliser le ciment comme liant bon marché et moins énergivore. Le tableau ci-dessous décrit la composition d'une plaquette de frein commune.

Constituant % par poids
Merlan (Craie) 31,6
Poudre de bronze 15
Graphite dix
Vermiculite 16
Résine phénolique 16
Fibres d'acier 6
Particules de caoutchouc 5
« Poussière de friction » 5
Sable 3
Fibres d'aramide 2

Il existe des facteurs environnementaux qui régissent le choix des matériaux des plaquettes de frein. Par exemple, le projet de loi SSB 6557 adopté dans l'État de Washington en 2010 limite la quantité de cuivre pouvant être utilisée dans les matériaux de friction, pour être finalement éliminée à des traces, en raison de l'impact négatif des niveaux élevés de cuivre sur la vie aquatique. Pour sa substitution, différentes combinaisons de matériaux ont été développées, bien qu'aucun remplacement direct ne soit encore disponible. D'autres matériaux, comme les composés à base d'antimoine, sont à l'étude.

Les véhicules ont des exigences de freinage différentes. Les matériaux de friction offrent des formules et des conceptions spécifiques à l'application. Les plaquettes de frein avec un coefficient de friction plus élevé offrent un bon freinage avec moins de pression sur la pédale de frein, mais ont tendance à perdre de leur efficacité à des températures plus élevées. Les plaquettes de frein avec un coefficient de friction plus petit et constant ne perdent pas leur efficacité à des températures plus élevées et sont stables, mais nécessitent une pression plus élevée sur la pédale de frein.

Entretien et dépannage

Les plaquettes de frein doivent être vérifiées au moins tous les 5 000 milles pour une usure excessive ou inégale. Bien que l'usure des plaquettes de frein soit unique à chaque véhicule, il est généralement recommandé de remplacer les plaquettes de frein tous les 50 000 milles.

Les dysfonctionnements des plaquettes de frein peuvent avoir de nombreux effets sur les performances d'un véhicule. Le tableau suivant décrit certains problèmes courants pouvant être causés par des dysfonctionnements des plaquettes de frein :

Problème Cause possible
Le freinage nécessite une force anormale

sur la pédale de frein

Plaquettes de frein usées, liquide de frein contaminé, étrier de frein défectueux, maître-cylindre défectueux, perte de dépression, perte de liquide de frein
La voiture tire d'un côté lors du freinage Étrier de frein défectueux, restriction dans le circuit hydraulique, garniture(s) de plaquette de frein contaminée(s) par de l'huile ou du liquide de frein, plaquettes de frein non remplacées par paires, plaquette de frein mal montée,
Mauvaise performance de freinage Garnitures de plaquettes de frein imbibées d'eau, d'huile ou

liquide de frein; Garnitures de plaquettes de frein surchauffées, plaquettes de frein usées, maître-cylindre défectueux, fuite de liquide de frein, air dans le liquide de frein, mâchoires de frein mal réglées, liquide de frein bouillant

Freinage sensible Garnitures de plaquettes de frein incorrectes ; Garnitures de plaquettes de frein graisseuses, valve de dosage défectueuse, poussoir de maître-cylindre mal réglé
Freinage bruyant (grincements ou grincements)

au freinage)

Plaquettes de frein extrêmement usées, plaquette(s) de frein mal montée(s), cale de plaquette de frein défectueuse ou manquante, indicateur d'usure de plaquette de frein
Vibrations au freinage Rotors ou plaquettes contaminés, rotors voilés, tambours non ronds, activation ABS

Essais de matériaux

Le National Bureau of Standards (NBS) a commencé à tester le matériel de freinage aux États-Unis en 1920. La configuration de test a ensuite été partagée avec les fabricants qui le souhaitaient afin qu'ils puissent commencer à tester leurs propres produits. Au fil du temps, le NBS a continué à développer de nouveaux instruments et procédures pour tester les plaquettes et les garnitures, et ces normes sont finalement devenues les normes du code de sécurité pour les freins et les essais de freins de l'American Engineering Standards Committee.

Le test SAE J661 est utilisé pour déterminer le frottement de différents matériaux de plaquettes de frein en testant une doublure carrée de 1 pouce (25 mm) avec un tambour de frein. Ce test donne des valeurs à la fois un coefficient de friction à chaud et à froid, qui est ensuite associé à une désignation de lettre. Le tableau ci-dessous indique quelle lettre correspond à chaque plage pour le coefficient de frottement. Un exemple de la désignation serait "GD", où "G" est le coefficient normal, tandis que le "D" représente chauffé.

Désignation des lettres pour les coefficients de frottement
C <0.15
0,15 à 0,25
E 0,25 à 0,35
F 0,35 à 0,45
g 0,45 à 0,55
H >0,50
Z non classé

Catalogage

Il existe différents systèmes de catalogage des plaquettes de frein. Le système le plus utilisé en Europe est le système de numérotation WVA .

Le système de catalogage utilisé en Amérique du Nord et reconnu dans le monde entier est le système de numérotation des pièces normalisées pour les freins et les garnitures d'embrayage émis par le Friction Materials Standards Institute (FMSI). La mission de FMSI est de « Maintenir et améliorer ce système de numérotation de pièces normalisé pour tous les véhicules routiers utilisés en Amérique du Nord ».

Plaquette de frein à cartouche

Type de plaquette de frein utilisée sur les freins sur jante .

Voir également

Les références