Réduction des particules fines sur les freins des voitures

La problématique des particules fines est d’une grande actualité, en partie suite à l'introduction de zones de basses émissions dans certaines villes. L'origine des particules fines est complexe. Si les poêles à bois et à charbon émettent de fines particules de suie, le transport en voiture et en bus, en forte augmentation, est lui aussi responsable d’une pollution considérable dans les villes.

Il est incontestable que les vieux véhicules au diesel émettent plus de particules fines que les véhicules à essence. L'emploi de filtres à particules sur les voitures et les bus urbains modernes peut en partie réduire ce problème. Cependant, une autre source de particules fines provient elle aussi des voitures : la poussière de frein.

Pollution

La Commission européenne entend réduire la pollution causée par les poussières de frein, notamment en améliorant la composition des plaquettes de frein. La plupart des plaquettes de frein contiennent en effet du cuivre. Lors du freinage, de petites particules sont libérées en raison du frottement entre le disque de frein et la plaquette de frein. Dans un certain nombre d'États américains, l'utilisation du cuivre dans les plaquettes de frein est déjà interdite. Il convient à présent de faire de même en Europe. Selon des recherches, le freinage est responsable de 20% des émissions nocives dans la circulation.

(Source : Mann+Hummel)

Types de freins

Le freinage d’un véhicule se fait au moyen de freins à disque et de tambours de frein, montés dans chaque roue. L'effet de freinage est obtenu par un contact mécanique entre le matériau de friction de la plaquette ou du segment de frein (communément appelé « Ferodo », d'après une marque bien connue) et le frein à disque ou à tambour. Le matériau de friction se compose généralement de fibres compressées. Par le passé, l'amiante était également utilisé à cette fin en raison de sa grande résistance à la chaleur. Lors du freinage, il faut en effet que la chaleur de frottement puisse être dissipée sur une surface relativement petite, ce qui génère des températures élevées. Il importe que cette chaleur soit efficacement dissipée par les freins à disque ou à tambour sans réduire les performances de freinage. Lors du freinage d’une voiture qui roule à 80 km/h, on génère suffisamment d'énergie pour faire bouillir 2 litres d'eau en 3 secondes.

De nos jours, les freins à disque sont fabriqués en fonte lamellaire et sont dotés de canaux de refroidissement internes (fentes ou perforations). Les tambours de frein étaient autrefois en fonte. De nos jours, les voitures modernes sont généralement équipées de tambours en aluminium, en raison de la meilleure conductivité thermique de l'aluminium et de son poids réduit.

Le contact du matériau de friction avec les freins à disque en métal et, dans une moindre mesure, les freins à tambour (parce que ceux-ci sont fermés) crée une grande quantité de poussières fines qui aboutissent sur la chaussée et donc dans l'environnement.

Plaquettes de frein organiques

La composition des matériaux de friction est très diverse. Sur les plaquettes de frein organiques, le matériau de friction est généralement maintenu par un liant à base de phénol. Parmi les autres liants, citons le ciment, le graphite et le silicate de zirconium. Comme nous l’avons dit plus haut, l'amiante était autrefois aussi employé pour les plaquettes de frein organiques. Toutefois, cette substance cancérigène a désormais été remplacée par du Kevlar, des fibres de verre et d'autres composants minéraux.
Comme les plaquettes de frein organiques ont un bon coefficient de frottement, elles exigent moins de force. Avantage supplémentaire, elles produisent peu de bruit de freinage à basse température.
Les plaquettes de frein organiques sont moins adaptées aux applications de haute performance. Elles s'usent rapidement parce qu’elles sont plus souples, elles s'effacent (surchauffe avec réduction de la puissance de freinage) et elles s'oxydent à l'air.

Plaquettes de frein frittées

Comme leur nom l'indique, ces plaquettes de frein sont réalisées en métal fritté, avec peu de liant. Le frittage consiste à comprimer une poudre de métal broyée sous une pression et des températures élevées. Ce procédé produit une masse solide. Les métaux les plus utilisés à cette fin sont le cuivre, le bronze ou un mélange des deux. Les métaux mixtes sont souvent utilisés pour un usage ordinaire, tandis que les blocs comportant des particules de fer sont plus adaptés aux voitures de haute performance (de course). Ils peuvent en effet résister à des températures extrêmes. Pour les températures extrêmement élevées, comme celles des Formules 1, une poudre céramique est ajoutée.

Les plaquettes de frein frittées sont moins souples que les plaquettes de frein organiques. Il faut donc exercer plus de force au moment du freinage. Les plaquettes produisent souvent une fine poussière noire qui salit rapidement les jantes des roues.

Filtres pour plaquettes de frein

Le fabricant allemand Mann+Hummel a désormais trouvé une solution innovante au problème de la poussière de frein. En plaçant un filtre au-dessus du frein à disque, la poussière fine est collectée en continu. Ce filtre se compose d'un boîtier en plastique comportant un élément filtrant intégré. Le réservoir est vidé après un certain temps, par exemple lors d'un gros entretien.     

(Source : Mann+Hummel)

Selon ce fabricant, ce système peut collecter 80% de la poussière de frein. Un prototype a été testé avec succès sur une VW Golf 8 en 2019. À partir de 2021, ces filtres pourraient être montés sur certains modèles de voitures de série.

Dans son laboratoire d'essai à Zwijnaarde, Sirris peut réaliser des tests d'usure comparatifs (test rubber-wheel-abrasion et test de culbutage) sur de petits composants métalliques, par exemple en acier ou en fonte.

Sources