Jusqu'à présent, les particules fines provenant de l'usure des pneus et des freins n'ont pas été prises en compte dans la législation européenne sur les émissions. Ce n'est qu'avec la norme Euro-7, qui entrera en vigueur fin 2026 pour les véhicules nouvellement développés (homologués) et fin 2027 pour tous les nouveaux véhicules à moteur et fourgons, que des limites contraignantes seront introduites. L'objectif : limiter les émissions de particules fines d'un diamètre inférieur à 10 micromètres, qui peuvent pénétrer profondément dans les voies respiratoires. Ces particules sont considérées comme particulièrement nocives pour la santé. Un consortium de projet impliquant le Fraunhofer IWU présente maintenant un disque de frein en acier inoxydable qui respecte sans problème les exigences strictes de l'UE.
Le disque de frein en acier inoxydable fabriqué par déformation a une usure extrêmement faible et une durée de vie prévue allant jusqu'à 300 000 km. Dans un système de freinage à disque avec un matériau de plaquette de frein inorganique, l'usure est réduite de plus de 85 % par rapport à la solution standard actuelle en fonte grise et plaquette de friction organique.
Pourquoi l'acier inoxydable durci (nitruré) est particulièrement adapté
L'équipe du projet a rapidement opté pour l'acier inoxydable nitruré, qui est particulièrement adapté en raison de ses propriétés tribologiques et thermiques. Les expériences positives avec les disques de frein en acier inoxydable pour motos plaident également en faveur de ce choix. Des solutions spéciales coûteuses comme le carbone/céramique ne sont envisagées que pour des véhicules particulièrement haut de gamme ; le revêtement de la fonte grise est extrêmement exigeant - les méthodes de soudage laser ne sont pas encore prêtes pour la production en série. Les disques en acier de construction, en revanche, ne répondent pas aux exigences de stabilité dimensionnelle à des températures supérieures à 650 °C ; les transformations de structure qui se produisent à cette température peuvent également modifier les propriétés de l'acier.
Fabrication par déformation, avantages en termes de poids
L'équipe du projet a fabriqué des disques de frein avec un diamètre légèrement plus grand que celui des disques en fonte grise conventionnels, afin d'assurer une surface suffisante pour la performance de décélération requise (pouvoir de freinage). En contrepartie, l'épaisseur d'un disque de frein en acier inoxydable peut être inférieure. Comme le matériau de départ pour la pièce est d'abord sous forme carrée, des chutes de découpe sont générées, qui peuvent cependant être refondues. Selon le véhicule, quatre disques de frein en acier inoxydable peuvent être jusqu'à 5 kg plus légers que les solutions en fonte grise.
Le poids réduit diminue non seulement la consommation d'énergie du véhicule, mais réduit également les masses non suspendues. Cela permet aux ressorts et aux amortisseurs de fonctionner plus efficacement, ce qui améliore la dynamique verticale et donc le comportement de conduite dans son ensemble.
Option d'un frein à durée de vie, bilan coûts positif
Les coûts de fabrication des disques de frein en fonte grise semblent bas tant qu'il n'existe pas d'exigences légales concernant les émissions de particules fines résultant de l'usure des freins. Avec l'entrée en vigueur de la norme Euro-7, seules 3 mg/km pour les véhicules électriques à batterie et 7 mg/km pour tous les autres types de propulsion sont désormais autorisées pour les voitures particulières et les véhicules utilitaires légers jusqu'à 3,5 tonnes de masse totale. Ici, un frein à disque conventionnel doit souvent « s'adapter », même en combinaison avec des plaquettes de frein de haute qualité - de telles valeurs ne peuvent pas être atteintes. Mais même sans exigences réglementaires de la norme Euro-7, son bilan global des coûts, sur la base d'une durée de vie du véhicule allant jusqu'à 300 000 km, est défavorable. Une fois la limite d'usure atteinte, il doit être remplacé (souvent avec les plaquettes de frein), les coûts de main-d'œuvre représentant souvent la plus grande part des coûts. Un remplacement peut être nécessaire après moins de 40 000 km d'utilisation, si des temps d'arrêt prolongés du véhicule et du sel de déneigement (corrosion), des trajets courts ou une conduite sportive (usure accrue, formation de rayures) ont eu lieu.
Premiers tests réussis
Le disque de frein en acier inoxydable développé par le Fraunhofer IWU en collaboration avec la chaire de conception de systèmes de véhicules de l'Université technique de Chemnitz, ElringKlinger AG et ANDRITZ AWEBA GmbH a déjà été testé avec succès sur le banc d'essai de masse d'inertie de l'Université technique de Chemnitz. Le disque de frein a réussi les tests selon la norme SAE J2522 (AK-Master). Le test a montré un très bon comportement tribologique. Le système, composé d'un disque de frein en acier inoxydable et d'un matériau de friction inorganique, a présenté une usure d'environ 85 % inférieure par rapport aux solutions actuellement disponibles sur le marché.
Les partenaires du projet
Le fournisseur de l'industrie automobile ElringKlinger AG a apporté son savoir-faire en matière de processus de revêtement et ses connaissances en matière de matériaux dans le domaine de la métallurgie dans le projet « Ufo-Bremse ». ANDRITZ AWEBA GmbH fait partie des fournisseurs complets dans le domaine des outils, allant du développement à la production en série pour les outils de déformation, de coupe et de moulage sous pression. La chaire de conception de systèmes de véhicules de l'Université technique de Chemnitz a mis à disposition son infrastructure de test et a pris en charge la conception du disque de frein. Le Fraunhofer IWU a ses racines dans la technologie de déformation et a également réalisé la simulation par éléments finis ainsi que la mise en œuvre expérimentale des étapes de déformation pour le disque de frein.
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