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#1 05-04-2016 22:09:39

Audi-Tech
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Les freins en céramique sur les véhicules Audi

Freins en céramique équipant les véhicules Audi

freins-en-ceramiqe.jpg



L’Audi A8 06 a été le premier véhicule de série de la marque à être équipé en option d’un système de freinage
doté de disques de frein en céramique. En raison des propriétés de leur matériau, les freins en céramique
offrent des avantages incontestables par rapport aux systèmes de freinage conventionnels, notamment sur
des véhicules se caractérisant par des motorisations musclées et des puissances élevées. C’est pourquoi
l’offre a été étendue à d’autres modèles.L’Audi Q7 V12 TDI est la première Audi à recevoir de série un frein en
céramique.
freins-2.jpg


Introduction

Les matériaux composites fibreux des freins

L’utilisation de matériaux renforcés de fibres en technique automobile ne cesse d’augmenter. Cela tient aux propriétés spécifiques de ces matériaux, qui sont par conséquent privilégiés dans certains domaines d’application.
Dans le cas présent, il s’agit essentiellement de résistances élevées alliées à un faible poids spécifique, d’une bonne tenue à la température et d’une résistance à l’usure exemplaire.

Dans le domaine du sport automobile, des matériaux composites fibreux à base de carbone (matériaux C/C*) sont utilisés avec succès depuis de
nombreuses années comme disques et garnitures de frein. Une variante de ce matériau, la céramique C/SiC*, a été mise en point pour la mise en oeuvre dans les freins des véhicules de série. Ce matériau fera l’objet d’une description détaillée au chapitre suivant.

disques-de-frein.jpg

*Définition des termes :

PRFC : plastique renforcé de fibres de carbone
C/C : carbone renforcé de fibres de carbone
C/SiC : carbure de silicium renforcé de fibres de carbone

En comparaison avec les matériaux métalliques conventionnels des freins, tels que la fonte grise, les principaux avantages de la céramique C/SiC utilisée dans les disques de frein sont les suivants :

ceramique-C.jpg

–Poids réduit des composants, d’où réduction des masses en rotation non suspendues sur le véhicule (env. 50 % de gain de poids par roue)

– Excellente résistance à l’usure des disques de frein, allant de pair avec une durée de vie pratiquement multipliée par quatre par rapport aux disques de frein classiques

– Meilleure stabilité dans le cas de variations de températures rapides (résistance aux chocs thermiques) – excluant pratiquement toute déformation géométrique des disques de frein sous l’influence de la chaleur

– Bonne résistance à haute température, d’où diminution nettement plus faible du coefficient de frottement disque de frein / garniture de frein lorsque les températures augmentent (fading) *


* En présence de sel de déneigement ou d’humidité importante, la performance de freinage est assimilable à celle d’un système de freinage classique. Le conducteur, habitué au niveau de freinage élevé du système de freinage céramique, peut percevoir cela comme une réduction de l’efficacité des freins.

Le composite céramisé C/SiC

On entend par céramique C/SiC un carbure de silicium renforcé de fibres de carbone.
Les propriétés du carbure de silicium s’apparentent à celles du diamant, à savoir une extrême dureté et donc une résistance à l’usure très élevée, alliée à une excellente résistance chimique comme thermique.

Pour pouvoir exploiter les propriétés de ce matériau, dont l’inconvénient est toutefois d’être fragile, dans le cas spécifique des disques de frein, il est fait appel à des fibres de carbone pour renforcer la matrice en carbure de silicium. Cela permet d’augmenter considérablement la résistance à la rupture et d’obtenir, en raison de son comportement pseudo-plastique, une sensibilité réduite à l’endommagement du matériau constitutif de la pièce, et donc de cette dernière.

materiaux-initiaux.jpg

Matériaux initiaux : mélange de fibres de carbone, de résine phénol et de granulat de silicium


Procédé de fabrication d’un disque de frein en céramique

Le procédé de fabrication d’un disque de frein en céramique est extrêmement complexe. De nombreuses opérations sont encore réalisées manuellement et prennent beaucoup de temps.
Pour satisfaire aux standards de qualité élevés, des étapes de rectification coûteuses du disque de frein brut sont nécessaires.

La figure ci-dessous identifie les principales étapes du processus de fabrication d’un disque de frein en céramique.

procede-fabrication.jpeg

Le matériau initial servant à la fabrication d’un disque de frein en céramique C/SiC est un mélange de fibres de carbone de longueur différente et de résine phénol. Ce mélange est comprimé et durci sous l’effet de la pression et de la température, et l’on obtient alors un plastique renforcé de fibres de carbone (PRFC).

La pièce brute est ensuite soumise à un traitement thermique (à une température de l’ordre de 900 °C) en milieu anaérobe (procédé dit de carbonisation), durant lequel la résine phénol est transformée en carbone, ce qui permet d’obtenir un matériau de type C/C.

Cette étape est suivie, après usinage mécanique intermédiaire, d’une infiltration de silicium en fusion, réalisée à une température supérieure à
1500 °C dans un four à vide, dans la pièce brute en C/C (procédé dit de silicisation), au cours de laquelle le carbone de la matrice et le silicium en fusion sont transformés en carbure de silicium ; les fibres de carbone de renfort sont conservées dans la structure.

Au terme de ce process, la céramique C/SiC constitue le matériau du disque de friction, qui est ensuite usiné et vissé sur le bol dedisque de frein métallique, avant d’être soumis à un polissage de finition.


Structure d’un disque de frein en céramique

Le disque de frein en céramique présente sur chacune de ses faces une surface de friction, revêtant une importance décisive pour le comportement tribologique du système de freinage. Ces surfaces de friction présentent une composition matérielle légèrement différente de celle du support sous-jacent, qui est pour sa part responsable de la résistance de la pièce et de l’absorption de l’énergie du freinage.

Tous les disques de frein en céramique utilisés sur les véhicules de série Audi sont à ventilation intérieure avec géométrie spéciale des canaux de refroidissement, en vue de pouvoir réaliser un refroidissement optimal du frein.

structure-du-disque.png

disque-en-face.jpeg

Le disque de frein en C/SiC est essentiellement constitué de trois composants matériels. La matrice est composée de carbure de silicium et de silicium libre, le renfort étant assuré par des fibres de carbone intégrées. Dans les couches de friction, le pourcentage de carbure de silicium est nettement plus élevé que dans le support car, en surface, ce sont la dureté et la résistance à l’usure qui importent.
Dans le support, par contre, la proportion de fibres de carbone est nettement plus élevée en vue de pouvoir garantir une résistance suffisante de la
pièce.

vue-en-section.png


Réalisation technique

La première mise en oeuvre de matériaux composites renforcés de fibres dans les disques de frein a eu lieu en compétition automobile. Les exigences s’adressant aux composants C/C utilisés dans ce cas diffèrent cependant beaucoup de celles de l’utilisation sur des véhicules de série.

Tandis qu’en sport automobile, c’est surtout la réalisation d’une puissance de freinage élevée jusque dans la plage des hautes températures qui importe, des critères tels que l’usure, la dosabilité, le confort et les coûts jouent un rôle important dans le cas des véhicules de série.

En compétition, il faut préalablement « chauffer » les disques et garnitures de frein C/C à une température définie avant d’atteindre des coefficients de frottement suffisants et donc des puissances de freinage adéquates. Ce comportement n’est pas acceptable dans le cas de véhicules de série.
C’est la raison pour laquelle il est fait appel, dans le cas des véhicules de série Audi, à des disques de frein C/SiC, garantissant des valeurs de décélération optimales dans toutes les conditions de service.

Sur les véhicules de série Audi, le système de freinage céramique est équipé de garnitures de frein composites organiques conventionnelles. L’alliage utilisé pour les garnitures renferme, par rapport au matériau des garnitures d’un système de freinage classique, un peu plus de métaux non ferreux, afin de pouvoir réaliser les températures de service plus élevées envisageables.
La durée de vie des garnitures est identique à celle des garnitures de frein conventionnelles.

garniture-de-frein.jpg

En raison des températures plus élevées possibles du disque et de la garniture de frein, on requiert également, en comparaison des systèmes de freinage classiques, des étriers de frein spéciaux. Il faut éviter que les températures élevées de la garniture et du piston de frein ne soient transmises au liquide de frein.

En cas d’ébullition du liquide de frein, des bulles de vapeur se produiraient et de l’air serait généré dans le système de freinage. Pour éviter ce phénomène, certains fabricants (Brembo par exemple) utilisent entre le piston de frein et la garniture de frein des isolateurs en céramique d’oxyde de zirconium.

isolateur-de-piston.png

Du fait des propriétés du matériau, les disques de frein en céramique se distinguent des disques de frein classiques dans leur comportement de freinage sur mouillé. Sur tous les véhicules Audi équipés de freins en céramique, l’ESP est doté de la fonction déjà connue de « raclage du disque de frein ». Les garnitures de frein sont, sur chaussée mouillée, appliqués cycliquement et la surface du disque de frein est nettoyée et séchée.

frein-esp.jpg

Réalisation technique:

realisation-technique.png


Tableau des modèles

Conformément à l’offre de décembre 08, les freins en céramique sont exclusivement proposés sur les modèles Audi figurant dans le tableau ci-dessous.

tableau-des-modeles.png

vue-frein.jpg

Disques de frein céramique des Audi de série

Architecture et marquage des disques de frein en céramique

La disque de friction en céramique est solidarisé avec le bol de disque de frein métallique via des éléments de jonction métalliques. Le bol de disque de frein et les éléments de jonction sont réalisés en alliage métallique résistant à la corrosion. Sur certains modèles de véhicules, le bol de disque de frein est doté d’un revêtement spécial. Des orifices et canaux de refroidissement sont usinés dans le disque de friction.

Le refroidissement correct n’est garanti que si les disques de frein ont été montés à la position prévue sur le véhicule. C’est pourquoi il y a une indication du sens de marche ; les disques de frein sont différents pour les côtés gauche et droit du véhicule.

* Nota :
La désolidarisation du disque de friction etdu bol de disque de frein par le SAV n’est pas autorisé !

architecture.png

Les principales caractéristiques du produit sont gravées sur le bol du disque de frein en céramique :

le-bol-du-disque.jpg

Opérations d’entretien:

Manipulation des disques de frein en céramique : généralités

Lors de la manipulation des disques de frein en céramique, il faut tenir compte de ce qui suit :
• Il convient d’éviter les chocs mécaniques sur le disque de frein. (Ne pas donner de coups de marteau, par exemple, pour détacher le disque de frein du moyeu de roue.)
• Des interventions mécaniques sur la surface en céramique ne sont pas autorisées. Le nettoyage des perforations des disques de frein peut, en cas d’encrassement tenace, être réalisé à l’aide d’un outil approprié.
• Le nettoyage des disques de frein s’effectue avec des détergents pour freins classiques, à l’aide d’un nettoyeur haute pression ou à l’air comprimé. Des disques de freins défectueux ou usés doivent être renvoyés à Audi AG.

* Nota :
En cas de nettoyage à l’air comprimé, respecter à la lettre les directives de protection respiratoire !

mandarins-de-montage.jpg

Procédure à suivre lors du changement d’une roue

Pour éviter que, lors de la dépose de la roue du véhicule, la jante ne frappe sur le disque de frein en céramique, un auxiliaire de montage supplémentaire a été ajouté à l’outillage de bord. Il se compose d’un mandrin qui, à la dépose, écarte suffisamment la roue du disque de frein en vue d’exclure toute collision avec le disque de frein.

mandarins-de-montage-2.jpg

Caractéristiques optiques des disques céramique à l’état neuf

Afin de déterminer si un disque de frein doit être remplacé, il est indispensable de savoir en apprécier objectivement l’usure et l’endommagement.

1. Fissuration en relaxation des surfaces de friction

Les surfaces de friction présentent déjà à l’état neuf une structure plus ou moins marquée par la fissuration en relaxation. Des fissures isolées sont parfois décelables le long des perforations.
Cette fissuration est dans certains cas assez marquée et peut nettement différer entre le côté du bol de disque de frein et le côté opposé. La fissuration de relaxation est générée lors de la fabrication et ne constitue pas un défaut.

Les surfaces du disque de friction en céramique se distinguent donc nettement de celles d’un disque de frein classique. Un disque de frein classique présentant un tel aspect devrait être remplacé, tandis que dans le cas des disques en céramique, il ne s’agit pas d’un défaut !

La structure profilée de la surface limitrophe entre couche de friction et support présente parfois une structure en grille nettement reconnaissable.

fissuration-de-relaxation.jpg

Pour pouvoir en juger, il est important de connaître l’aspect du disque de frein à l’état neuf. Les principales caractéristiques en sont décrites ci-après.

2. Indicateurs d’usure sur les surfaces de friction

Chaque surface de friction comporte trois indicateurs d’usure circulaires décalés de 120°. Ils servent, au bout d’un kilométrage donné et/ou d’une sollicitation plus ou moins élevée des disques de frein en céramique, à l’appréciation de l’usure.
Nous aborderons plus en détail au chapitre suivant l’évaluation des indicateurs d’usure.

indicateur-de-fissure.jpg


3. Fissures superficielles dans les cloisons des canaux de refroidissement

Les fissures superficielles dans les cloisons des canaux de refroidissement sont également liées à la fabrication et ne constituent pas un défaut.

fissure-d-une-cloison.jpg

Critères d’usure

En règle générale, il existe deux types d’usure des disques de frein en céramique :

1. Usure en épaisseur
En raison du frottement mécanique entre la garniture de frein et le disque de friction, il se produit une réduction de l’épaisseur du disque de frein. Du fait de la dureté de la surface de friction, cette usure en épaisseur est toutefois nettement plus faible que dans le cas des disques de frein conventionnels.

usure-en-epaisseur.jpg

2. Perte pondérale par oxydation
Le disque de frein en céramique est soumis à une usure thermomécanique et oxydative. Lors du réchauffement du disque de frein à des températures dépassant 400 °C, il y a oxydation des fibres de carbone en présence de l’oxygène de l’air. À des températures de service persistantes au dessus de 400 °C, il se produit par conséquent une perte de poids continue du disque de frein et une modification superficielle visible de la structure du matériau due à la pyrogénation et à l’apparition d’une porosité.

Surface d’un disque de frein à l’état neuf:

etat-neuf.jpg

Surface d’un disque de frein après pyrogénation:

apres-pyrogenation.jpg

Détermination de l’usure

Le critère d’usure se manifestant le premier dépend essentiellement des conditions de service du disque de frein en céramique.

1. Mesure de l’usure en épaisseur
L’épaisseur minimale autorisée du disque de friction est gravée comme suit sur le bol du disque de frein en céramique :
min. Th.(= « minimum Thickness »).

mesure-de-l-usure.jpg

La cote de l’épaisseur du disque de frein X doit être mesurée à l’aide d’une vis micrométrique appropriée ou d’un gabarit dans la zone des pistes intérieure ou extérieure des surfaces de friction (voir flèches sur la figure). La mesure de l’épaisseur du disque de frein doit être effectuée à chaque remplacement de la garniture et les valeurs de mesure doivent être consignées.
Une fois la cote X = min. Th. + 0,2 mm atteinte, il faut toujours procéder à un pesage supplémentaire du disque de frein en céramique (méthode, voir point 2).

cote-de-l-epaisseur.jpg

* Nota :

Une fois la cote minimale atteinte, l’utilisation du disque de frein en céramique n’est plus autorisée. Il convient de déposer immédiatement les disques de frein et de les renvoyer à Audi AG !


2. Détermination de l’usure par pesage

En raison de l’oxydation du carbone, le disque de frein en céramique subit, dans le cas d’une sollicitation élevée, une perte de poids constante. La pesée du disque de frein constitue par conséquent une autre possibilité de détermination de l’usure.
Cette procédure n’est toutefois réalisable qu’à condition de disposer d’une balance ayant la précision requise (tolérance : +/- 1g).

Les poids initiaux à l’état neuf sont gravés sur les bols des disques de frein.
La plage de mesure de la balance doit être comprise entre 0 et 12 kg.

determination-de-l-usure.jpg

Les valeurs limites pour la perte pondérale admissible sont précisées dans le Manuel de réparation correspondant.

* Nota :

Avant de procéder à la pesée, il faut que le disque de frein soit nettoyé et sec car des disques de frein fortement encrassés et humides risquent de
fausser le résultat de la mesure.
Sur les disques de frein présentant un dépôt sur les surfaces de friction, il faut au préalable effectuer des « freinages de nettoyage ».
Une fois les valeurs limites de perte de poids atteintes, il faut remplacer les disques de frein. Ils ne doivent plus être réutilisés ! Les disques de frein
remplacés doivent être renvoyés à Audi AG !


3. Évaluation des indicateurs d’usure

Les indicateurs se distinguent optiquement par une teinte légèrement différente de celle de la surface de friction environnante.
La différence de teinte provient d’une teneur plus élevée en carbone, ce qui explique ici l’usure plus importante que sur le reste
de la surface de friction.
L’usure des indicateurs se présente sous forme de pyrogénation du matériau, qui se manifeste par des creux plus sombres. Si une nette usure est perceptible, il faut procéder à une mesure de l’épaisseur du disque de frein (méthode, voir point 1.).
Cette mesure doit être effectuée dès que l’un des six indicateurs présente cet aspect d’usure.

exemple-d-usure.jpeg

Endommagements

Dans le cadre des révisions périodiques et en cas de réclamations, il faut procéder à un contrôle optique des endommagements. Le contrôle visuel inclut également les éléments de jonction entre le disque de friction et le bol de disque de frein, les vis, écrous et rondelles de pression. L’absence de pièces ou des pièces desserrées entraînent le remplacement des disques de frein.
Il est strictement interdit de « resserrer » les éléments de jonction.

1. Fissures dans la zone de liaison
Les disques de frein en céramique présentant des fissures allant de la zone de liaison (zone de vissage sur le bol) jusqu’aux surfaces de friction doivent être remplacés !

fissures-critiques.jpg

2. Ébréchures dans la zone de l’arête
Les ébréchures dans la zone de l’arête sont dues à des endommagements mécaniques de l’arête.
Sont acceptables :
– largeur / profondeur max. admissibles = 2 mm
– longueur max. admissible = 10 mm
– max. 3 endommagements de l’arête par disque de frein
En cas de dépassement de l’un des critères susmentionnés, il faut remplacer le disque de frein.

ebrechure.jpg


3. Ébréchures dans la zone des surfaces de friction
Des disques de frein présentant des ébréchures dans la zone des surfaces de friction dont la surface totale est supérieure à 1 cm
doivent être systématiquement remplacés !

ebrechure-2.jpg

* Nota :

Les disques de frein doivent systématiquement être remplacés par essieu si :

– les disques de frein doivent être remplacés en raison de l’usure
– le disque de frein de rechange a faitl’objet d’une modification technique (reconnaissable à une modification de la référence de la pièce) !

Dans ce cas, il faut toujours remplacer les garnitures de frein d’un même essieu !
Les disques de frein en céramique remplacés doivent être renvoyés à Audi AG !


Les surfaces de friction des disques de frein en céramique résistent mieux à l’usure que celles des disques de frein classiques.
Dans le cas de disques de frein neufs, il faut préalablement « roder » les disques et les garnitures en vue de leur adaptation.
Cette procédure peut, en fonction de la sollicitation, nécessiter des trajets plus longs que dans le cas des systèmes de freinage conventionnels.

Si les freins ne sont pas rodés conformément à la directive, il peut s’ensuivre des réclamations ayant trait au confort (broutage, bruits) et une usure accrue.


Directive de rodage des freins

Après remplacement de disques de frein en céramique et/ou de garnitures de frein, il est impératif de se conformer à la directive de rodage des freins suivante :

Garniture neuve, disque de frein neuf

10 freinages d’env. 80 km/h à env. 30 km/h avec faible décélération(correspond à une conduite prudente et préventive avec freinage à l’approche d’un obstacle, aucun mouvement de tangage du véhicule dû au freinage n’est perceptible, pas de verrouillage de la ceinture)

20 freinages de 100 km/h à env. 50 km/h avec décélérations moyennes(un faible mouvement de tangage du véhicule est perceptible)

Il convient d’éviter les freinages consécutifs.

Autoriser un refroidissement des freins entre les freinages individuels.
Durée requise de trajet env. 30 minutes


Garniture neuve, disque de frein usagé

5 freinages d’env. 80 km/h à env. 30 km/h avec faible décélération(correspond à une conduite prudente et préventive avec freinage à l’approche d’un obstacle, aucun mouvement de tangage du véhicule dû au freinage n’est perceptible, pas de verrouillage de la ceinture)

10 freinages de 100 km/h à env. 50 km/h avec décélérations moyennes(un faible mouvement de tangage du véhicule est perceptible)

Il convient d’éviter les freinages consécutifs.

Autoriser un refroidissement des freins entre les freinages individuels.
Durée requise de trajet env. 20 minutes


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#2 06-04-2016 15:48:09

DaddyKool
Administrateur
Inscription : 05-01-2014
Messages : 1 254
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Re : Les freins en céramique sur les véhicules Audi

Merci pour ce dossier vraiment très intéressant sur le freinage céramique. Je ne savais pas qu'on pouvait controler une usure de disque par pesée! smile


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