Plaquette de frein

Une plaquette de frein est l'élément qui entre en friction avec la surface en rotation dans les freins à tambour ou à disque.

Il existe une grande diversité de plaquettes de freins, en matériaux plus ou moins agressifs et plus ou moins durables, selon que la plaquette équipe les freins d'un avion, qui nécessite une grande puissance pour un usage ponctuel, un véhicule de course, une voiture citadine ou encore dans les différentes pratiques du vélo.

Segments de frein à tambour.

Frein d'Airbus A330/A340 (Musée du Bourget).

Histoire

L'invention de la garniture de frein est due à Bertha Benz qui, à l'occasion du premier voyage d'agrément de l'histoire automobile, effectué en 1888 dans la Benz Patent Motorwagen développée par son mari, est amenée à réparer le système de freinage et lui apporte cette amélioration. Le mot "plaquette" est relié actuellement aux freins à disques.

Description

La friction des plaquettes fixes sur la surface métallique en mouvement transforme l'énergie cinétique en chaleur, jusqu'à devenir problématique lorsqu'elle prend des valeurs importantes comme lors de l'atterrissage d'urgence d'un avion. C'est la raison pour laquelle la céramique est de plus en plus utilisée sur les avions, les Formule 1 et quelques voitures de sport haut de gamme.

frein à tambour

Lors du fonctionnement, les plaquettes ou garnitures frottent sur l’intérieur du tambour. Le matériau des plaquettes est plus tendre que l'acier ou la fonte du tambour pour éviter d'user trop rapidement ce dernier, les garnitures étant plus faciles à remplacer que le tambour.

frein à disque

Les plaquettes pincent le disque avec plus ou moins de force, ce qui transforme l'énergie cinétique en chaleur, évacuée dans l'air ambiant. Parfois les disques sont rainurés ou perforés pour améliorer la ventilation. En aviation, les freins sont la plupart du temps composés d'une alternance de disques fixes et tournant, à la manière d'un embrayage. Dans ce cas, des plaquettes sont rivetées sur les deux faces des disques fixes. Ce système tend à disparaitre au profit des disques en carbone (heat pack), plus indiqués dans le domaine des hautes températures.

Types

Plaquettes réalisées avec différents matériaux:
1) Métal fritté (avec reflets de cuivre)
2) Semi-metallique
3) Carbone-céramique
4) Organique

Il existe diverses technologies:

- Les plaquettes en amiante initialement fabriquées à partir des années 1950 dans un matériau absorbant la chaleur sont bien adaptées à l’usure des plaquettes de frein. Cependant, on a découvert que l’amiante était un agent cancérigène très puissant, pouvant provoquer un cancer du poumon ou un mésothéliome (ou cancer de l’enveloppe du poumon) ainsi que l’amiantose (une fibrose pulmonaire) chez les personnes exposées de manière prolongée. Lorsque ces plaquettes de frein à base d’amiante étaient usées, elles libéraient dans l’air de l’amiante que les conducteurs pouvaient inhaler sans le savoir. Les fabricants ont réalisé que l’amiante n’était pas un composé sûr à utiliser dans les systèmes de freinage. C’est pourquoi les plaquettes de frein organiques - ou plaquettes de frein organiques sans amiante (OSA) – ont été créées pour combler cette lacune. En France le décret n°2002-1528 du 24 décembre 2002 interdit l’amiante pour les véhicules automobiles et de véhicules et appareils agricoles et forestiers. Les véhicules mis en circulation après le 1er janvier 1997 ne doivent déjà plus contenir d’amiante et il y a obligation de désamiantage des plaquettes de freins à disque lorsque le véhicule est mis en vente ou de façon générale est cédé (y compris à titre gratuit). L’obligation ne s’impose pas aux propriétaires tant qu’ils conservent leur véhicule.

- Les plaquettes de type organique qui sont en fait des matériaux composites avec une matrice en résine et une charge (ou renfort). Ils sont fabriqués à partir d'une combinaison de diverses substances synthétiques liées à un composite, principalement sous forme de cellulose, d'aramide, de PAN ou de verre fritté. Ils sont doux pour les disques, mais produisent une importante quantité de poussière, ayant ainsi une courte durée de vie. Contrairement aux plaquettes de frein haute performance, les plaquettes de frein organiques génèrent une quantité modérée de friction sans qu’il y ait beaucoup de chaleur, ce qui les rend appropriées pour les conducteurs qui utilisent leur voiture pour la conduite et les déplacements quotidiens. Les plaquettes de frein organiques ont également tendance à être silencieuses. Cependant, les plaquettes de frein organiques présentent quelques inconvénients par rapport aux autres types. Elles ont tendance à s’user plus rapidement en raison de leur nature, ce qui signifie qu’elles doivent être remplacées plus souvent. Elles ont également tendance à mieux fonctionner dans une plage de températures plus restreinte. Elles ne sont pas aussi performantes que les plaquettes semi-métalliques dans des conditions climatiques extrêmes ou lorsqu’elles sont poussées trop fort et surchauffent. Les plaquettes de frein organiques ont également un niveau de compressibilité plus élevé, ce qui signifie que le conducteur doit appuyer sur la pédale de frein avec plus de force pour les engager.

- Les plaquettes de type semi-métalliques - synthétiques mélangés avec des proportions variables de métaux en flocons contenant entre 30 % et 70 % de métal, notamment du cuivre, du fer, de l’acier et d’autres alliages composites. Ces différents métaux sont associés à un lubrifiant en graphite et à d’autres charges pour compléter la plaquette de frein. Les composés de plaquettes de frein métalliques disponibles varient, chaque type offrant ses propres avantages pour tout, des trajets quotidiens aux courses sur circuit. Ceux-ci sont plus durs que les plaquettes non métalliques, plus résistants à l'usure et plus durables, mais au prix d'une usure accrue du disque/ tambour qui doit alors être remplacé plus tôt. Ils nécessitent également plus de force d'actionnement que les patins non métalliques afin de générer un couple de freinage.

- Les plaquettes de type métalliques qui sont composées de poudres métalliques frittées. Ces plaquettes sont utilisées uniquement dans les véhicules de course et sont composées d'acier fritté sans aucun additif synthétique. Ils sont très durables, mais nécessitent plus de force pour ralentir un véhicule tout en usant plus rapidement les disques. Ils ont également tendance à être très bruyants.

- Les plaquettes de type céramique - Composées d'argile et de porcelaine liées à des flocons et filaments de cuivre, ils constituent un bon compromis entre la durabilité des plaquettes métalliques, l'adhérence et la faible résistance à l'usure des organiques. Leur principal inconvénient est 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 éventuellement provoquer un déformation des composants du système de freinage. Le son de freinage étant élevé au-delà de celui de l'audition humaine, ils semblent exceptionnellement silencieux. Les plaquettes de frein en céramique sont fabriquées dans un matériau très similaire au type de céramique utilisé pour fabriquer des poteries et des assiettes. En revanche, le matériau des plaquettes de frein en céramique est plus dense et beaucoup plus durable. Les plaquettes de frein en céramique contiennent également de fines fibres de cuivre, qui contribuent à augmenter leur friction et leur conductivité thermique. Depuis leur mise au point au milieu des années 80, les plaquettes de frein en céramique n’ont cessé de gagner en popularité pour un certain nombre de raisons :

-- Niveau de bruit : Les plaquettes de frein en céramique sont très silencieuses, ne créant que peu ou pas de bruit supplémentaire lors du freinage.

-- Résidus à la suite de l’usure : Par rapport aux plaquettes de frein organiques, les plaquettes de frein en céramique ont tendance à produire moins de poussière et d’autres particules lorsqu’elles s’usent.

-- Température et conditions de conduite : Par rapport aux plaquettes de frein organiques, les plaquettes de frein en céramique peuvent être plus fiables dans une plus large gamme de températures et de conditions de conduite.

Pourtant, les plaquettes de frein en céramique ont quelques limites. Principalement, leur coût : en raison des coûts de fabrication plus élevés, les plaquettes de frein en céramique ont tendance à être les plus chères de tous les types de plaquettes de frein. En outre, comme la céramique et le cuivre ne peuvent pas absorber autant de chaleur que d’autres types de matériaux, une plus grande partie de la chaleur générée par le freinage passera dans le reste du système de freinage. Cela peut entraîner une usure plus importante des autres composants du système de freinage.

Voir aussi

Articles connexes

• Frein
• Patin de frein
• Frein à disque
• Frein à tambour
• Frein de bicyclette
• Frein à sabot