le carbone pour les disques et les plaquettes de frein est irremplacable

23/11/2018

En Formule 1, les freins en carbone sont utilisés depuis les années 1980. Aujourd’hui, dans la plupart des grandes courses automobiles, les voitures ont adopté ce matériel de friction pour les disques et les plaquettes de frein.

Comme vous l’aurez certainement compris, il s’agit du haut de gamme absolu en matière de matériel de freinage. Aucun autre élément que le carbone ne présente en effet une telle combinaison de légèreté, de conductivité thermique élevée et d’absence de dilatations sous température.

Ces caractéristiques se traduisent par un coefficient de friction élevé, par des performances stables et constantes et par une dissipation de la chaleur quasi instantanée. Pour vous permettre de mieux le connaître, nous vous livrons cinq curiosités sur l’utilisation de cet élément.

LE CARBONE N’EST PAS UNE EXCLUSIVITÉ DE LA FORMULE 1

L’incroyable puissance de freinage des monoplaces de Formule 1 modernes – qui passent de 300 à 0 km/h en moins de 3 secondes – est impossible à atteindre dans des disques et des plaquettes en carbone.

Toutefois, les freins en carbone ne sont pas exclusivement réservés à la Formule 1 et sont employés depuis des décennies sur les prototypes qui participent aux 24 Heures du Mans et aux autres courses du WEC (World Endurance Championship).

Pourtant, pour que le carbone donne le meilleur de lui-même dans les courses d’endurance, il fallait surmonter le principal problème de cette technologie, à savoir l’usure ! Le matériel de friction doit en effet tenir pendant 24 heures, contre 2 heures, au maximum, pour les grands prix de F1.

Un véritable défi pour Brembo, qui a réalisé des solutions spécifiques pour s’adapter au mieux à des voitures plus lourdes et à un contexte qui n’est pas exclusivement lié à la performance pure : le diamètre des disques est différent car, dans ce cas, les jantes de 18” permettent de monter jusqu’à 380 mm de diamètre, mais l’épaisseur est toujours de 32 mm.

Le principal travail de ces dernières années a donc principalement porté sur la réduction de la consommation, avec le développement de matériel caractérisé par une usure basse. Dans une course de 24 heures, cette amélioration peut se révéler « décisive » car elle permet de ne pas avoir à changer les disques usés au cours de la course et donc de gagner un temps précieux.

Grâce à l’adoption d’un nouveau matériel de friction, qui a permis d’augmenter considérablement le nombre de kilomètres parcourus et qui a garanti une conductivité thermique plus efficace, Brembo, dès 2001, a permis à l’Audi R8 de l’écurie Joest, pilotée par Frank Biela, Emanuele Pirro et Tom Kristensen, de terminer la course en tête sans remplacer les disques et les plaquettes une seule fois.

L’usure incroyablement réduite a également permis, au cours de ces dernières années, de conserver les mêmes performances du début à la fin de la course.

C’est aussi au carbone que la Formule E fait confiance : à partir de la cinquième saison (2018/19), cette catégorie aura en effet Brembo comme producteur exclusif du système de freinage.

Pour répondre de manière optimale aux exigences d’une voiture entièrement électrique, le carbone utilisé est différent de celui de la Formule 1 et du WEC.

De plus, l’épaisseur des disques en carbone de la Formule E est nettement réduite : 24 mm à l’avant et 20 mm à l’arrière.

Formule 1 contre Le Mans : étude comparée des systèmes Brembo et des performances de freinage.
Brembo compare les systèmes de freinage fournis aux équipes des deux compétitions et leurs performances de freinage

LE CARBONE EST AUSSI UTILISÉ SUR LES MOTOS

Parallèlement aux principales catégories automobiles, les disques en carbone sont aussi utilisés dans le championnat du monde de moto, mais uniquement en MotoGP.

Si ce matériel a fait des débuts timides dans la catégorie reine en 1988, il est devenu depuis le standard absolu. La différence avec les disques en acier utilisés précédemment, en termes de performances, de poids (les freins sont des masses non suspendues) et de sensation, est trop importante.

Aujourd’hui, en MotoGP, la plupart des pilotes préfère les disques de 340 mm, soit High Mass (piste de freinage haute) soit Standard (piste de freinage basse).

Pour garantir le même couple de freinage et alléger encore les disques, Brembo a mis au point les disques de 340 mm Light. D’autres, en revanche, continuent à utiliser des disques de 320 mm.

De plus, deux compositions, qui diffèrent en termes de mordant initial et de résistance aux températures élevées, sont disponibles pour chaque format de disque de frein et de plaquette.

Dans une application où la sensation de freinage est déterminante pour le pilote, Brembo met à disposition dix options différentes dans le choix des disques de frein.

Quant à l’absence des disques en carbone en Moto2 et Moto3, elle s’explique par la nécessité de contenir les coûts. Le même motif vaut pour l’exclusion du carbone du championnat du monde de Superbike à partir de 1994 : ce sont effet des disques en acier inox, dont la plupart sont réalisés par Brembo, qui sont utilisés dans ce championnat.

LES FREINS BREMBO POUR LE CHAMPIONNAT DU MONDE DE MOTOGP 2018:TOUTES LES TENDANCES
Tous les pilotes du MotoGP ils étaient équipés de freins Brembo mais chacun avec une approche personnalisée

LE CARBONE : LA CONDUCTIVITÉ ÉLEVÉE FAVORISE LA VENTILATION

L’un des aspects les plus critiques pour le système de freinage des monoplaces de Formule 1 a toujours été la gestion des températures de fonctionnement.

Pour satisfaire au mieux l’exigence de dissipation de la chaleur, la ventilation des disques Brembo en carbone a subi une constante évolution. En 2005, chaque disque présentait une centaine de trous de ventilation alors qu’à présent, grâce à la réduction progressive de leurs dimensions, ils en comptent plus de 1 400.

Les trous actuels des disques Brembo en carbone mesurent 2,5 millimètres de diamètre, sont disposés sur 4 ou 5 rangées et sont réalisés avec une tolérance d’usinage de seulement 4 centièmes de millimètre.

Leur forme et leur nombre sont liés aux caractéristiques des monoplaces sur lesquelles ils seront montés : en effet, grâce à la CFD (Computational Fluid Dynamics), les ventilations sont développées en fonction des caractéristiques propres à chaque voiture.

Sur les prototypes hybrides LMP1, où la régénération au freinage est supérieure à celle de la Formule 1, les trous de ventilation sont moins nombreux.

En Formule 1, la température des disques peut en effet atteindre des pics de plus de 1 000 degrés centigrades durant le freinage, alors qu’aux 24 Heures du Mans, c’est souvent au problème inverse qu’il faut faire face : de fait, la nuit et sous régime de neutralisation, il existe le risque que la température des systèmes descende au-dessous de 300 degrés centigrades, seuil au-dessous duquel peut se produire la vitrification (glazing) tant redoutée du matériel de friction.

Pour les Formule E, en revanche, les températures maximales atteignant environ 800 degrés centigrades, les disques Brembo en carbone ne présentent pour le moment que 70 trous de ventilation de 6,2 mm de diamètre sur les disques avant et 90 trous de 4,2 mm de diamètre sur les disques arrière.

LE CARBONE FONCTIONNE AUSSI SUR CHAUSSÉE DÉTREMPÉE

Depuis que les disques en carbone ont été employés, en permanence, en Formule 1, les pilotes ne peuvent plus s’en passer, même en cas de pluie.

Malgré la baisse des températures, due à la réduction de l’adhérence sur l’asphalte humide et au contact avec l’eau qui augmente l’échange thermique, l’énorme puissance de freinage dont bénéficient ces monoplaces permet en effet aux pilotes d’atteindre, en quelques freinages durant le tour d’alignement, la température optimale de fonctionnement uniquement avec de légères obturations des prises d’air.

Dans le motocyclisme, la situation était différente : les disques de frein tournent à l’air libre et refroidissent beaucoup plus rapidement.

De plus, la présence de 2 roues seulement empêche de transférer au sol toute la force de freinage exercée par le système Brembo en carbone. Il y a encore un an et demi, les disques en acier étaient d’ailleurs préférés aux disques en carbone en cas de pluie car ces derniers, qui n’atteignaient par la température minimale de fonctionnement fixée aux alentours de 250 degrés centigrades, n’étaient pas en mesure de garantir un bon coefficient de friction. .

Brembo n’a pourtant jamais cessé d’améliorer les procédés de production de ses matériaux et est ainsi parvenue, grâce à l’augmentation de la puissance des motos, aux pneumatiques plus performants et à l’utilisation de protections pour les disques, à réaliser l’impossible : au GP du Japon de 2017, malgré la pluie qui n’a laissé aucun répit aux pilotes sur la totalité des 24 tours et a fait baisser la température de l’asphalte à 15 petits degrés centigrades, les neuf premiers pilotes à franchir la ligne d’arrivée avaient utilisé les disques en carbone.

Brembo est l’artisan du premier triomphe en MotoGP, avec la pluie, des disques en carbone
Ils disaient que c’était impossible... mais pas pour Brembo !

SUR LA ROUTE, LE CARBONE-CÉRAMIQUE EST PRÉFÉRABLE

Si, comme nous l’avons vu, les disques en carbone présentent de considérables avantages dans la conduite sur piste, ils sont néanmoins inadaptés à l’utilisation sur route.

En termes de performances, tout d’abord, car la conduite quotidienne ne permet pas au système de freinage d’atteindre les températures minimales de fonctionnement que requiert le carbone.

Un autre facteur exclut son utilisation sur les automobiles routières, à savoir le haut degré d’usure : durant les 24 Heures du Mans, l’épaisseur des disques en carbone d’un prototype se réduit de 3 à 4 mm et celle de la plaquette de 8 à 10 mm.

Bien que l’usure soit inférieure sur les supercars routières, la durée serait toutefois trop basse pour justifier les coûts. En effet, le coût des disques en carbone est très élevé, ce qui explique d’ailleurs leur exclusion de nombreux championnats, automobiles ou motocyclistes, de premier plan.

C’est pour que les voitures routières puissent bénéficier, en partie au moins, des nombreux avantages offerts par le carbone, qu’ont été créés les disques en carbone-céramique dont Brembo, grâce à la coentreprise avec SGL Group, Brembo SGL Carbon Ceramic Brakes est le principal producteur mondial.

Les disques en carbone-céramique garantissent une réduction de poids de 5 à 6 kg par rapport à un disque traditionnel en fonte ; de plus, leur durée peut égaler, en fonction du type de conduite, la durée de vie de la voiture sur laquelle ils sont montés ; enfin, la réduction de la distance de freinage de 100 à 0 km/h est d’environ 3 mètres.

Par ailleurs, les disques Brembo en carbone-céramique sont résistants à la corrosion, ne se déforment pas quand ils montent en température, ne subissent pas de vibrations, sont fiables même en cas de pluie, et garantissent une force de freinage constante même après des actionnements répétés et en cas de basses températures.

Disques carbone céramique: Performances maximales, poids minimal.