Optimiser encore les freins de voiture

Des vies humaines dépendent des freins. Ils doivent serrer rapidement le disque de frein et retourner immédiatement en position de repos dès que la pédale est relâchée. S’ils ne reviennent pas complètement en arrière, cela peut entraîner des pertes d’énergie. Lorsqu’on conduit, on ne s’en aperçoit pas et cela n’entrave pas non plus le fonctionnement des freins. Toutefois, cela peut se traduire par un moins bon bilan de CO₂ du véhicule. Des chercheuses et chercheurs du PSI, des collaborateurs du centre de transfert de technologie ANAXAM et le partenaire industriel Audi Sport ont investigué ce point en détail: ils ont radiographié avec des neutrons de la source suisse de neutrons de spallation SINQ un étrier de frein et montré comment visualiser et optimiser le mouvement des pistons de frein. L’étrier de frein entoure le disque de frein en rotation comme une pince. Quand le conducteur appuie sur la pédale de frein, la pression hydraulique provenant de la conduite de frein pousse plusieurs pistons vers l’avant. Ceux-ci pressent les deux plaquettes de frein – une de chaque côté – contre le disque de frein et ce dernier s’arrête sous l’effet de puissantes forces de frottement.  

ANAXAM à Villigen est un centre de transfert de technologie cofondé par le PSI, qui soutient les entreprises industrielles lorsqu’elles utilisent l’infrastructure de recherche de l’institut.

Audi Sport était le partenaire industriel de ce projet. Mathias Kolb, ingénieur de développement chez Audi Sport à Neckarsulm, en Allemagne, s’était adressé à son ancien collègue Matthias Wagner, entre-temps devenu ingénieur en chef chez ANAXAM. Avec David Mannes du PSI, ils ont développé une méthode de mesure pour scruter en direct l’étrier de frein et y dénicher des possibilités d’optimisation. Cette méthode a été appliquée pour la première fois avec succès au PSI.

Des neutrons pour améliorer les freins de voiture

Les partenaires ont établi très tôt que les rayons X n’entraient pas en ligne de compte pour ce projet, car ils pénètrent mal dans les métaux. Les choses sont différentes avec les neutrons: pour eux, l’aluminium de l’étrier de frein est presque transparent, alors qu’ils sont très sensibles aux éléments chimiques. C’est la raison pour laquelle le liquide de frein, qui contient entre autres des substances hydrogénées, est bien identifiable à l’image. Pour leurs expériences, qui ont démarré en 2021 et ont été achevées cette année, le PSI a mis à disposition la ligne de faisceau de neutrons et son savoir-faire: l’expérience a été conduite à la ligne de faisceau Neutra de la source de spallation SINQ. Le détecteur utilisé à cet effet enregistrait les neutrons derrière le dispositif expérimental et a finalement fourni une image bidimensionnelle de l’intérieur de l’étrier de frein.

ANAXAM a monté un étrier de frein devant le détecteur. Le dispositif a été complété par un système hydraulique spécialement conçu pour permettre des pressions de freinage réalistes jusqu’à 100 bars. Une chambre climatique pour tempérer l’étrier de frein simulait différents états de fonctionnement. Contrairement à ce qui se passe sur la route, le disque de frein ne tournait pas durant les essais. «Pour de futures mesures, ce serait une option si l’on veut obtenir des résultats plus précis», déclare Matthias Wagner d’ANAXAM. Il est toutefois probable que ce ne sera plus nécessaire, car la campagne de mesures est terminée et a déjà apporté de nombreux résultats intéressants.

Le jeu de l’air est décisif

Les images fournies par le détecteur montrent de manière impressionnante ce dont l’imagerie neutronique est capable. L’étrier de frein avec ses six pistons hydrauliques – trois de chaque côté – est clairement identifiable, tout comme les moindres écarts dans la course des pistons. Il s’est avéré par exemple que le jeu d’air – l’écart entre la plaquette de frein en position de repos et le disque de frein – était de 0,4 millimètre (ce qui est correct) pour le piston inférieur de la plaquette de frein extérieure, alors qu’il était parfois inférieur à 0,3 millimètre pour les cinq autres pistons. Les partenaires du projet ont également pu mesurer pour la première fois avec précision la manière dont l’étrier de frein en forme de pince s’élargissait sous la pression des deux plaquettes de frein.

Ce projet est un bon exemple de la manière dont le savoir-faire scientifique du PSI et les compétences d’ANAXAM peuvent encore améliorer un produit de série qui a fait ses preuves. Au terme d’une optimisation du fonctionnement des pistons de frein par le partenaire de l’industrie, les trois pistons de l’intérieur de l’étrier de frein affichent maintenant un jeu d’air agrandi de 0,1 millimètre sous le faisceau de neutrons. Ainsi, le contact entre plaquette de frein et disque de frein est interrompu de manière fiable lorsque le frein est desserré. «Notre recherche pourrait contribuer à réduire les émissions de CO₂ dans le trafic routier», conclut David Mannes du PSI.

Texte: Bernd Müller