Thermique - Refroidissement d'un étrier de frein à disque (vtt)

[SIMEARTH]

Bonjour,

Je travaille sur la conception d'un vtt de descente tout suspendu qui aura la particularité d'avoir un bras oscillant arrière de type "mono-bras" (la roue AR est maintenue que d'un côté, en porte à faux). Le mono-bras serait fait en une seule pièce alu usinée dans la masse. La faisabilité du projet n'est pas encore certaine mais ce n'est pas l'objet de mon message.

Ma conception actuelle me permets d'envisager d'intégrer entièrement l'étrier de frein à disque arrière dans le bras oscillant.

Les avantages initiaux :
- Suppression du corps alu d'un étrier standard, et gain de poids associé (100g potentiel). Le corps de l'étrier serait remplacé par des poches usinée dans la matière du mono-bras.
- Design épuré.

J'aimerais savoir quelle est la solution la plus efficace en terme de refroidissement entre :

- un étrier de frein standard : étrier alu de 130g, indépendant, fixé par 2 pates de fixation sur la cadre. Il est relativement isolé du cadre (=> peu de conduction vers le cadre à priori) mais il est bien dégagé et entouré d'air (donc bonne convection avec le milieu ambiant)

- un étrier intégré dans un mono-bras :
La zone de frottement (contact disque/plaquettes) est plus confinée => moins bonne convection avec l'air
Par contre cet étrier (= mono-bras=1kg d'alu) est bien plus massique donc j'imagine que la chaleur du frottement disque/plaquettes peut se diffuser facilement par conduction à travers les 1kg d'alu. Cette pièce comporte aussi tout de même une grande surface en contact avec l'air ambiant donc une bonne convection peut s'effectuer dans un second temps.
Inconvénient : le mono-bras est une pièce de structure qui doit être mécaniquement résistante, il faut s'assurer que la hausse de température de la pièce n'altère pas (trop) son comportement méca.

Question 1 : quelqu'un serait-il en mesure de me dire lequel des 2 systèmes est le plus efficace en terme de refroidissement ? Quel raisonnement faut-il adopter pour analyser ce problème ? Je manque malheureusement de connaissances en thermique pour raisonner facilement sur ce sujet, si jamais quelqu'un pouvait m'aider...

Question 2 : plus globalement, quelles sont les différentes étapes du refroidissement d'un étrier de frein à disque, en général ? => quels types de transferts thermiques (conduction/convection/rayonnement) interviennent majoritairement et entre quoi et quoi (plaquettes, piston, corps étrier, air ambiant) ?

Avec mes connaissances limitées sur le sujet je dirais que les transferts thermique principaux dans l'ordre d'importance sont :
1. Plaquettes > air : convection
2. Plaquettes > piston>corps étrier : conduction
3. Corps étrier > air : convection
4. Corps étrier > cadre vélo : conduction

Du rayonnement intervient-il de manière significative dans ce genre de refroidissement ?


(Pour info, pour les freins hydrauliques de vtt on utilise de l'huile minérale ou du DOT 5 ; lors de descentes raides et longues il arrive de mettre le circuit hydraulique en ébullition => on peut considérer que la température maxi dans un étrier est autour de 250°C.)

Merci d'avance !
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[RomVi]

Bonjour

C'est le genre de problème qui doit être modélisé puis simulé, il est pratiquement impossible de répondre autrement.

[SIMEARTH]

Merci pour la réponse.

Oui ce genre de problème nécessiterait une simulation numérique pour avoir des résultats précis ;
mais je pensais qu'une personne un peu calée en thermique aurait pu me donner un avis de part son expérience et son feeling.

Et j'ai d'autre interrogation sur le sujet : de manière générale, est-il préférable de "conserver" la chaleur au niveau de la source et de contrôler sa dissipation par un type de transfert déterminé (convection) ? Par exemple on évite d'avoir de la conduction incontrôlée dans l'ensemble des pièces du mécanisme en concevant des plaquettes avec un matériaux isolant. et on miserait sur la convection Plaquettes>air ambiant pour dissiper toute la chaleur...

[invite07941352]

Bonjour,
Les plaquettes sont déjà en matériau isolant .
Les rendre encore plus isolées , va faire que la surface d'appui va chauffer , chauffer ....
De plus , vous ne parlez pas du disque : il me semble que , quelque soit le véhicule , c'est le disque qui dissipe la plus grande quantité de chaleur produite .
Le bras devrait évacuer au minimum aussi bien qu'un étrier . Vous pourriez aussi mettre un volume d'huile tampon dans le bras .

Je n'achèterai pas votre vélo , car en cas d'ennui tel que grippage des pistons , il faudra changer le bras complet qui risque d'être assez onéreux en usinage ...

[A voir en vidéo sur Futura]

[RomVi]

Merci pour la réponse.

Oui ce genre de problème nécessiterait une simulation numérique pour avoir des résultats précis

Je peux regarder plus en détail, mais il faudrait un plan de ton système avec la nature des matériaux.

[SIMEARTH]

@ RomVi

Merci pour l'éventuel coup de main ! Y a-t-il une messagerie privé sur ce forum? je ne trouve pas. Je peux t'envoyer ça par email adresse mail supprimée conformément à la charte du forum ou sinon ici directement mais c'est moins pratique..
De quoi as-tu besoin exactement ? quelques vues pour avoir un aperçu ? un plan d'ensemble avec quelques cotes générales ? ou quelquechose plus précis ? Je commence à préparer ça.

@Catmandou

Le disque me préoccupe moins car thermiquement je pense qu'il aura à peu près le même comportement sur ma configuration que sur la configuration standard (plus ou moins la même implantation sur le moyeu, et plus ou moins la même surface de contact à l'air libre).
Si c'est le disque qui dissipe la plus grande quantité de chaleur, c'est déjà une bonne nouvelle (que j'ignorais) ! (pour moi la source chaude se créait au niveau du contact disque/plaquette donc j'imaginais par défaut du 50%/50%)..

En fait pour récapituler, mes objectifs finaux dans cette démarche thermique sont :
- Vérifier que étant donné le confinement de l'étrier, les composants du système de freinage (plaquettes, pistons, joints, fluide) ne vont pas plus monter en température que s'ils étaient sur un étrier standard.
- Vérifier que la température du mono-bras ne va pas dépasser une certaine valeur critique, au delà de laquelle la résistance méca et la rigidité du bras serait trop altérée (à moi de déterminer cette valeur critique en tant que mécanicien)


"Je n'achèterai pas votre vélo , car en cas d'ennui tel que grippage des pistons , il faudra changer le bras complet qui risque d'être assez onéreux en usinage ..."

ça reste un projet amateur perso, pas d'autres perspectives pour l'instant. Le bras aura un certain coût et il est certain que l'usinage dans la masse est loin d'être la solution la plus rentable ; mais la rentabilité ne fait pas parti de mes critères principaux dans ce projet. Je travaille dans la conception mécanique, j'ai un pieds dans le milieu de l'usinage, donc je développe ça en toute connaissance de cause, même si le concept parait farfelu En ce qui concerne la question du prix, tout est relatif dans le monde du vélo où des milliers d'utilisateurs sont prêts à mettre 3000 à 5000€ pour un vélo qui va leur durer 2 ans.

Ceci dit, vous mettez le doigts sur la 2ème problématique lié à ce concept de freinage : l'interchangeabilité du corps d'étrier. J'avais pas forcément l'intention d'en parler ici mais puisque que vous évoquez le sujet : l'interchangeabilité d'un corps d'étrier est-il vraiment indispensable ? (sachant qu'on est en mesure de changer tout le reste (plaquettes, pistons, joints, fluide).

En général dans le vélo, quand on a un problème récurent sur un frein, on se prend pas la tête et on change tout d'un coup (levier/durite/étrier), c'est financièrement plus intéressant et c'est plus rassurant de repartir sur du 100% neuf. Donc je ne me suis jamais posé la question mais peut-être que le corps d'étrier (et surtout l'alésage qui guide le piston) ne s'endommage pas.

Je n'ai jamais été confronté à des problème de grippage de piston/étrier. Quelle pièce est vraiment affectée dans ces cas là? la surface de l'alésage de l'étrier est-elle endommagée?

Pour info, sur un étrier de freins que j'ai à disposition (mesures pieds à coulisse précision 0.02mm) :
Øext piston = Ø20.9mm
Øint alésage = Ø21,06mm
Øint joint racleur = Ø20.6mm

Je sais pas si ces infos peuvent donner des indices. Le piston n'a pas un ajustement très serré avec l'alésage (jeu supérieur à 0.1mm sur le Ø). => D'une part le piston a plus tendance à être guidé par le joint racleur et il y a en permanence une fine couche de liquide de frein entre piston et alésage. Donc à priori peu de contact et peu de frottement... si jamais quelqu'un auvait un avis là-dessus

Et enfin, ces problèmes de grippage peuvent-ils être évités par un choix judicieux d'une huile particulière ? En vélo les 2 types d'huiles utilisées sont l'huile synthétique DOT5.1 et les huiles minérales (type LHM de Citroen). Tous mes freins en DOT5.1 m'ont posés des problème de fiabilité (freins spongieux etc...) à cours terme alors que ça s'est toujours bien passé avec l'huile minérale (fiable à long terme, peu de purges à faire,..). A priori tout est dû à l'humidification de l'huile (environ 4%), inconvénient majeur chez les DOT, qui n'éxiste pas chez les huiles minérales.

Eh mince, dsl je viens de rédiger un pavé indigeste !

[RomVi]

On peut poster une pièce jointe directement sur le fil, il suffit de la zipper avant.
Ce qu'il me faudrait c'est un schéma grossier avec les cotes et la nature des matériaux.

[invite07941352]

Re,
Souvent , en automobile , les étriers sont plus abimés que les pistons ( oxydés ,piqués , rayés ) et ce sont eux qui entraînent les fuites .
Et encore ils sont acier , je suppose que sur les VTT ils sont en alliage d'aluminium résistant moins bien au frottement des pistons .
Personne n'a jamais essayé , en VTT , un liquide silicone DOT 5 ? Normalement aussi résistant à l'ébullition , neutre vis à vis des joints et non hydrophile .
L'inconvénient serait une commande plus spongieuse à chaud . A voir ...
Quand vous parlez d'un joint racleur , vous parlez bien d'un joint élastomère torique ou carré ?

[40CDV20]

Bjr,
Sur un vélo, je n'ai pas la moindre idée de la composition des plaquettes, par contre sur une moto (c'est ce qui s'en rapproche le plus), il en existe de 3 types :
-alliage métallique fritté pour les hautes performances,
-un mix organique/métallique de type à fibres courtes, le basique actuel,
-organique, petites cylindrées, sans qu'il soit pratiquement possible d'en connaitre la composition.
La conductivité thermique va de maximale à significative, la dureté des plaquette est calculée pour un remplacement du disque tous les 50 000km.
Bon pédalage !
Cdt.

[invite07941352]

Re,
http://www.velotech.fr/plaquettes-vt...s-metalliques/

[albi69]

Bonjour
Concernant le comportement du piston et des joints.
le piston est guidé dans l'alésage et je suppose que cet alésage est en alliage d'alu. lors du freinage, le couple passe par le piston qui s'appuie dans l'alésage.
La différence de diamètre entre le piston et l'alésage implique une surface de contact pas très importante. Il est possible de calculer la contrainte pour évaluer le comportement. Il ne faut pas oublier que pour freiner, il devra y avoir un coulissement avec un frottement le plus faible possible pour augmenter le rendement. Je ne connais pas bien les caractéristiques du liquide, mais je ne suis pas sur qu'il ai de bonnes propriétés lubrifiantes.
Il faut peut être envisager un chemisage pour améliorer ce point? ou peut être travailler sur l'ajustement des diamètres en prenant en compte les dilatations.
Le joint racleur ne peut pas guider le piston.
Je suis peut être hors sujet.

[invite07941352]

Re,
Tout cela est exact , mais vous vous doutez bien , parfaitement connu , notamment les jeux nécessaires .
On ne chemise pas en général , on change , sur les pièces de grande série cela revient moins cher et c'est l'utilisateur qui paie .
On chemise en dernier recours , pièces introuvables , automobiles de collection , chemise inox ou bronze .
C'est le piston qui guide , jamais les joints toriques ( parfois carrés ) , les coupelles sont toujours très utilisées , plus la pression est élevée et plus la lèvre est plaquée sur le cylindre .
Les joints ont l'avantage d'assurer - sur leur élasticité - un recul suffisant du piston pour libérer la plaquette qui , ainsi , ne restera pas au contact du disque ( bruit ) , en fin de freinage .

[SIMEARTH]

Merci à tous pour les avis, c'est instructifs.

Concernant la thermique, RomVi je t'ai mis une pièce jointe, j'espère que ça t'iras. J'ai indiqué les matériaux mais ça reste vague la plupart du temps (disque en acier, etc...)? Je ne connais pas non plus le matériau du piston (très léger, non-métallique, et censé être isolant (céramique?)). Bon sinon évidemment ça n'est qu'un début d'avant projet, il y a encore pas mal d'aberrations mécaniques non résolue (tenue méca du bras, rigidité de la liaison pivot, etc..), faut pas tenir compte de tout ça

Au passage, j'ai trouvé une doc super intéressante sur la gestion de la chaleur d'un frein à disque vtt :
http://www.sram.com.cn/sites/default...iew_french.pdf

"Gestion de la chaleur
La plupart des systèmes de frein sont conçus pour gérer la chaleur en la contenant au niveau des plaquettes et du disque. Ces deux composants ont un accès plus direct aux flux d’air et peuvent supporter des températures plus élevées que les autres composants du système (comme le liquide de frein). On obtient ce résultat en utilisant des matériaux pour les pistons qui ne sont pas conducteurs de chaleur afin de limiter les transferts de chaleur depuis le point de contact entre la plaquette et le disque vers l’étrier. Dans la mesure où la plus grande partie de la chaleur reste concentrée au niveau du disque, les disques sont conçus pour absorber et dissiper la chaleur de manière efficace. La masse thermique globale du disque détermine la quantité de chaleur qu’il peut absorber. Les disques les plus lourds, grâce à leur masse thermique plus élevée, peuvent absorber davantage de chaleur que des disques plus légers et plus petits. Puisque la plupart des actions de freinage sont plutôt brèves, un disque plus lourd fonctionne à une température moyenne plus basse parce qu’il s’échauffe moins vite. De plus, on a recours à des trous et des découpes sur le disque afin d’augmenter sa surface totale pour améliorer la dissipation de la chaleur dans l’air par convection ainsi que pour éliminer les débris et la poussière issus des plaquettes lors du freinage. La solidité et la stabilité des rayons du disque et de la bande de freinage doivent aussi être pris en compte lors de la conception des disques en ce qui concerne leur capacité à gérer la chaleur. Des changements importants de température vont avoir des conséquences sur le matériau qui compose les disques et ceux-ci peuvent passer de températures basses à des températures extrêmement élevées plusieurs fois au cours d’une même descente."

Conclusion : dans un système de freinage de ce type, on essaye de bloquer le transfert de chaleur au niveau de la plaquette et on essaye d'envoyer le maximum vers le disque (=> plaquette et piston en matériaux isolants, pour préserver principalement le fluide de la chaleur. ça rejoint ce que certains me disaient plus haut


@Catmandou :

Nan le DOT 5 n'est jamais utilisé pour le vélo à priori, je ne sais plus pourquoi.
Pour le joint racleur, oui je parlais du joint élastomère qui fait l'étanchéité entre piston et alésage. Les miens ont une section carrée.

@ albi69 :

Pas de hors sujet, pas de soucis! C'est moi qui me suis un peu dispersé dans mes questions
Je me suis déjà posé la question mais sur les étriers de vélo je ne pense pas que le piston ait pour fonction de transmettre l'effort à l'étrier.. c'est plus directement les plaquettes qui sont guidées dans l'étrier et en appuis sur l'épaisseur de leur support. Je pense que le transfert d'effort se fait principalement par là, non? Après les pistons doivent forcément transmettre un peu aussi...
Pour le chemisage, oui ça pourrait être une solution. Mais ça veut dire que la chemise doit intégrer la gorge du joint donc avoir une certaine épaisseur => on arriverait rapidement à recréer un corps d'étrier cylindrique entier (tout est miniature dans le vélo)..

[invite07941352]

Re,
Votre type de fichier image n'est pas accepté : voir http://forums.futura-sciences.com/ph...s-jointes.html

[RomVi]

C'est ma faute, j'ai dis plus haut qu'il fallait la zipper...
Les images peuvent se poster directement.

[invite07941352]

re,
Au sujet des efforts internes , dès que vous serrez la poignée , du maître-cylindre jusqu'au piston , étrier , flexible , tout est à la même pression !
Donc , vous pouvez calculer les efforts ou les forces sur chaque pièce ; si le piston veut avancer , l'étrier veut reculer par réaction .

[SIMEARTH]

Désolé pour la pj, j'avais pas vu.

Pièce jointe supprimée

[SIMEARTH]

@Catmandou : oui c'est un effort à prendre en compte pour le dimensionnement méca du bras si je conserve l'idée du frein intégré. Mais ça n'intervient pas dans la problématique de thermique ni d'endommagement de l'étrier, à priori.

Juste pour info, 2 photos d'un étrier et d'un piston de frein vtt (Avid Elixir R 2010). 1.5 an d'utilisation régulière sur des profil descendants et montagneux. Fluide déjà monté à ébullition.

Il y a des traces de frottements sur l'alésage de l'étrier => ça prouve bien qu'il s'endommage (le contraire aurait été surprenant mais j'avais envie d'y croire), donc un étrier non interchangeable sur un cadre semble bien critique. L'insertion de chemises serait la solution mais encore une fois, au vu du peu de matière présent sur l'étrier ça reste difficile à envisager.

Sinon au passage le piston dont j'ignore toujours le matériau, pèse 4,5g et son volume est de 0.000002403 m3 (donné logiciel CAO) soit une masse volumique de 1800 à 1900 kg/m3.... donc c'est donc bien de la céramique industrielle (Carbone pur) d'après la masse volumique du doc suivant (http://www.materiatech-carma.net/htm...lles_CARMA.pdf).

[JPL]

Les images doivent être postées dans un format graphique (gif, png, jpg). Merci.

[SIMEARTH]

Dans la procédure de Catmandou, ce n'est pas indiqué que les documents pdf sont interdits... je ne comprends pas tout.. Je me suis contenté de mettre en pièce jointe un document pdf.

[JPL]

Les pdf sont autorisés uniquement pour les documents de textes, complexes ou multipages. Il faut privilégier le format graphique chaque fois que c'est possible, bien plus rapide à consulter (et pour nous plus rapide à contrôler et à valider).

[SIMEARTH]

ça marche.
On va s'en sortir

[SIMEARTH]

Je reviens juste sur ce que j'ai dis, le carbone pur a une conductivité thermique de 129 donc c'est pas du tout isolant... pas cohérent avec sa fonction de piston.

Si quelqu'un a une idée du matériau que ça pourrait être (piston sur la photo ci-dessus, densité 1,8-1,9, couleur noire, non-métallique...)

[invite07941352]

Re,
Une autre remarque en passant : En mettant l'étrier intégré au bras , vous figez la position angulaire de l'étrier par rapport à l'axe ;
Ici , vous avez l'étrier en plein avant par rapport à l'axe , position peu orthodoxe ...: il faut s'attendre à une réaction ( bizarre ? violente ? ...à voir à l'usage ) avec un mono bras suspendu .
Le positionnement angulaire de l'étrier ne se fait pas au hasard .

[SIMEARTH]

Bonjour, merci pour la remarque.

Pour moi il y a 2 points indépendants à analyser :

1. L'impact du freinage sur la cinématique de la suspension
2. Les efforts dû au freinage qui sollicitent le bras oscillant

Le freinage perturbe dans certains cas la cinématique de la suspension, c'est entre autre le cas avec un bras oscillant mono-pivot (mono-pivot = traj de roue AR circulaire contrairement à une cinématique dite à "pivot virtuel"), il y a quelques artifices pour améliorer le problème (étrier flottant, ou optimisation de la position du pivot pour atténuer l'effet indésirable) mais en aucun cas la position de l'étrier arrière influe sur la cinématique (pour s'en persuader, il suffit d'imaginer qu'en phase de freinage l'étrier bloc le disque, donc le bras oscillant et la roue ne forment plus qu'un seul sous-ensemble rigide).
La position de l'étrier (12h ou 15h) peut effectivement en revanche impacter la façon dont le bras sera sollicité, puisque l'effort local disque/étrier n'est pas appliqué au même endroit et n'a pas la même direction dans les 2 cas. Le problème parait simple (vélo constitué seulement de 5 sous-ensemble cinématiques) mais c'est jamais évident d'imaginer tous les efforts et d'isoler chaque pièces mentalement (je parle pour moi en tout cas ). Du coup votre mise en garde m'a perturbée et j'ai fait une analyse statique du système en phase de freinage. Conclusion : les 2 cas de figures sont quasi-identique en terme d'efforts. J'ai fait une application numérique et définie les inter-efforts sous Rdm6.

Si vous êtes toujours sceptique, merci de me faire part de la subtilité qui m'échapperait, je prends avec intérêt tout type de critiques/conseils, je crois être plutôt sur de moi sur ce que je viens de dire, mais je suis pas à l'abri d'une erreur de raisonnement et je sais me remettre en cause s'il faut.

Sinon l'aspect "mono-bras" complexifie sans contestation le système d'un point de vue sollicitation mécanique car on a en permanence une combinaison flexions/ torsion engendrée par le porte à faux de la roue mais encore une fois la position angulaire de l'étrier n'a aucun impact sur tout ça.

[SIMEARTH]

Juste en complément de mon message précédent : il a existé des étriers flottant sur certains modèle de vélos tout-suspendus, mais ça reste très rare et ce n'est plus utilisé (pas esthétique, pas vendeur, ... je ne sais pas). Actuellement tous les étrier de freins AR sont fixés sur le chassis arrière.

Pour les cinématiques à pivot virtuel : étrier fixés sur les haubans => freinage complètement isolé de la cinématique
Pour les cinématiques à mono-pivot : étrier fixés sur les bases (= bras oscillant) =>freinage non isolé de la cinématique et donc un peu gênant mais on arrive à atténuer l'effet en placement judicieusement le pivot du bras. => on trouve encore beaucoup de suspension à mono-pivot efficaces sur le marché.

[RomVi]

ça marche.
On va s'en sortir

Tu as fais ton schéma sur quel logiciel ? Je dois pouvoir faire une simulation thermique, mais j'aimerai si possible ne pas refaire la modélisation...

[Jaunin]

Bonjour,
C'est juste pour information.
Cordialement.
Jaunin__

https://www.comsol.fr/search/?s=disc+brake

[SIMEARTH]

@Jaunin, merci pour le lien. Je connaissais pas, par contre j'ai pas encore 8000€ à mettre là-dedans J'ai pas vu de version de démo.

@RomVi, sur Catia V5. Je peux t'envoyer un fichier step de l'ensemble simplifié. Tu comptes utiliser quel logiciel par curiosité ?
Je t'envoie un mp.

[Jaunin]

Je ne sais pas si vous êtes étudiant ou dans une école, mais il est possible, pas toujours, d'avoir une version complète pour 15 jours avec assistance.
La version 5.2 est en 64 bits maintenant les autres en 32 bits.