Recherche et développement de pointe : Les freins à disque intégrés

Les freins à disque : sécurité, précision, omniprésence - et pénalité aérodynamique garantie ? Voilà un défi que nous ne pouvions laisser passer. Entrons dans les coulisses avec notre équipe de R&D pour comprendre comment nous sommes arrivés à surmonter la pénalité aérodynamique causée par les freins à disque en intégrant les étriers dans le module cadre/fourche de nos vélos.

Nous n'avons jamais pensé que le passage aux freins à disque se résumait à simplement installer de nouveaux freins sur un cadre. Pour améliorer la rigidité et la maniabilité de notre génération actuelle de vélos équipés de freins à disque, nous avons commencé par mettre au point de nouvelles structures de matériaux composites. Une fois ces objectifs de performance atteints, nous nous sommes tournés vers l'aérodynamique. Comment éviter l'inévitable : la pénalité aérodynamique ?

En 2016, nous avions présenté à Eurobike un vélo concept qui s’est attiré l'attention de toute l’industrie. Baptisé le FWD, il s’agissait davantage d’un projet de design que d'un prototype fonctionnel, mais les réactions ont été si positives que nous avons décidé d’adapter certains aspects du concept et de les utiliser sur nos vélos de série. Le FWD présentait une première version de ce qui allait devenir Notio, le tube de Pitot servant à mesurer les performances aérodynamiques, ainsi que des étriers de frein intégrés et partiellement cachés dans la structure de la fourche.

Un design conceptuel dépasse rarement le stade de concept. Ainsi, nous avons vite compris que le principal problème posé par le design des freins du FWD était que, contrairement à un étrier conventionnel, l'étrier de frein intégré est moins exposé à l’écoulement d'air et pourrait donc surchauffer. Même si un étrier de frein à disque hydraulique peut résister à des températures atteignant le point où l'huile de frein se détériore, les propriétés mécaniques de la structure composite de la fourche commencent à baisser à environ 120 degrés Celsius.

Pour passer du concept à la réalité, nous nous sommes donc associés à TRP pour développer le premier frein à disque intégré qui résout entièrement le problème de surchauffe et compense la pénalité aérodynamique causée par les rotors des freins.

Développement de la fourche : Intégrité structurelle
Des analyses structurelles ont été effectuées à tous les stades du développement (prototypes et versions de production) pour valider la faisabilité et réduire le risque de modifications coûteuses et longues pendant les essais.

Étape 1 : Développement du prototype

Dès le début de la phase de design, nous savions que les deux principaux problèmes à résoudre seraient la surchauffe et la capacité à pouvoir ajuster les étriers une fois ceux-ci intégrés au cadre.

Après plusieurs versions conceptuelles, le design le plus abouti est passé à la phase de prototypage au laboratoire de R&D de Argon 18. Initialement, une moitié de l'étrier était conçue directement sur le fourreau de la fourche, l'autre moitié y était boulonnée. Par contre, cela empêchait l'ajustement adéquat de l'étrier. Nous avons résolu ce problème en revenant à une jonction boulonnée entre l'étrier et la fourche. Plutôt que d'avoir la moitié de l'étrier faisant partie de la fourche, cette conception permet d'englober complètement l'étrier pour mieux l'intégrer.

En collaboration avec TRP, la mécanique et l'hydraulique internes de l'étrier ont été conçues en réutilisant des pièces internes de produits offerts couramment sur le marché : piston et joints, par exemple. Des prototypes d’étriers ont ensuite été produits.

Pour nous permettre de les tester, une fourche de test était nécessaire. Nous avons utilisé une fourche Argon 18 existante que nous avons coupée du côté de l'étrier et collée avec un fourreau en composite fabriqué sur mesure. Cette nouvelle pièce comprenait la patte de fourche, le fourreau et les fixations de l'étrier de frein, ainsi qu'une partie du fourreau gauche original de la fourche. Une ouverture dans le fourreau était utilisée pour exposer à l’air des ailettes présentes sur l'étrier afin de permettre un meilleur refroidissement. Ce prototype utilisait des déblocages rapides (quick releases) - bien que nous ayons déjà prévu que la conception finale du système de freinage se ferait avec des axes traversants (thru axles), nous n'avons décelé aucune anomalie à ce stade des tests.

Bien qu'il soit difficile de réaliser un prototype avec des matériaux composites, il était toutefois nécessaire de déterminer si la chaleur générée par le frein poserait un problème structurel.

Développement des étriers - intégrité structurelle
Des analyses de la déformation des étriers ont été effectuées pour garantir la rigidité de l'étrier lors du freinage (faible déformation), ce qui est important pour garantir des performances de freinage sûres - et une sensation de réactivité au niveau du levier.

Non seulement avons-nous entièrement conçu la fourche prototype à l'interne, mais nous l'avons également fabriquée dans nos locaux chez Argon 18. Notre équipe de R&D possède un haut niveau d'expertise dans ce domaine. Le développement traditionnel nécessite l'usinage d'un moule afin de fabriquer des pièces prototype en fibre de carbone, mais dans ce cas-ci, nous savions que plusieurs itérations de conception seraient nécessaires et nous voulions accélérer le processus. Les compétences de notre équipe et nos équipements de fabrication internes permettent ce développement itératif rapide, selon des spécifications précises.

Le laminé a d'abord été élaboré à l'aide d'une analyse par éléments finis (FEA) basée sur les préimprégnés disponibles chez Argon 18. Le détail des plis a ensuite été conçu et les plis de préimprégnés dessinés, puis coupés. Un premier moule pour le prototype du fourreau en composite a été réalisé à l'aide d'une imprimante 3D. Un échantillon a été produit et collé à une fourche, qui a ensuite été testée sur un banc de test de fatigue pour s'assurer qu'elle permettrait de passer tous les tests de sécurité et de performance.

La fourche existante que nous utilisions avait été conçue à l’origine pour des freins sur jante, elle nécessitait donc un renforcement supplémentaire de la couronne pour résister aux contraintes du freinage à disque. Comme plusieurs échantillons du fourreau de fourche étaient nécessaires pour fabriquer une fourche de test acceptable, un moule en aluminium plus durable a été usiné.

Prototypage et fabrication interne
Tout le processus de fabrication a été réalisé chez Argon 18, de la découpe des matériaux à la finition. Le système de fabrication a également été développé à l'interne.

Étape 2 : Tests ISO et tests de performance

Les tests ISO se divisent en deux phases : la performance de freinage et la résistance à la chaleur. La performance de freinage consiste à vérifier qu'une puissance et une distance de freinage adéquates peuvent être atteintes à partir d'une force contrôlée au niveau du levier de frein. Le test de résistance à la chaleur consiste à appliquer une force constante sur le levier et à vérifier qu'une puissance de freinage suffisante peut être maintenue sur une durée donnée. Le prototype a réussi le test de performance de freinage et de résistance à la chaleur, mais avec une marge insuffisante par rapport pas à nos normes internes, supérieures aux normes ISO.

Nous avons constaté que le test de performance des freins était influencé par la mécanique de l'étrier lui-même; plus précisément, par la façon dont il se déforme sous la pression lors du freinage. Des modifications de conception ont été recommandées pour l’itération suivante du design, sur la base de mesures effectuées sur le prototype réel et les analyses par éléments finis (FEA).

Développement des étriers - CFD thermique
Ces analyses ont été utilisées dans les différentes phases de développement pour garantir la meilleure méthode de refroidissement des étriers et des plaquettes de frein et ainsi éviter le risque de surchauffe.

Pour être certains que nous dépassions largement les seuils des tests thermiques, nous avons révisé la conception de l'étrier pour limiter son ouverture et utilisé des plaquettes de frein plus petites. La nouvelle conception a été validée par FEA, et testée à nouveau. Cette solution comprenait la conception d'un conduit d'air, une caractéristique qui n'était pas présente sur le premier prototype testé. Lors de nos essais, les résultats ont démontré que le refroidissement de la plaquette de frein était essentiel, c'est pourquoi nous avons ajouté ce conduit. Cette conception finale a également passé avec succès tous les tests de sécurité et de performance.

Nos tests ont démontré que dans des conditions normales, la fourche atteignait une température maximale de 65°C lors du test de résistance à la chaleur. Cette température ne pose aucun problème ce qui évite de possibles dommages causés par la chaleur qui ferait perdre à la structure composite ses propriétés mécaniques. La fourche a passé avec succès tous les tests de qualification ISO.

Tests ISO de la fourche et de l'étrier de frein intégré
Test de fatigue de freinage et acquisition de données de température pendant le test de résistance à la chaleur.

Étape 3 : Évaluation aérodynamique

Bien sûr, nous voulions mettre notre conception finale à l'épreuve et comparer les performances aérodynamiques du frein à disque intégré à celles d'un frein à disque standard. En utilisant l'analyse CFD sur l'étrier avant, nous avons déterminé que l'amélioration aérodynamique des freins à disque intégrés par rapport aux freins à disque traditionnels offrait un avantage de 1W sur une route plate pour une puissance développée de 300W, ce qui représente une économie de 10 secondes sur 100km pour les mêmes conditions. En considérant la contribution à la trainée aérodynamique de l'étrier, du disque et de la surface de fourche environnante on observe une diminution de 25 % du CdA. Nous vous présenterons ces résultats prochainement dans le cadre d’une analyse en profondeur des améliorations de la performance aérodynamique.

Développement des étriers - Performances aérodynamiques en CFD
Des évaluations localisées de l'effet des étriers sur les performances aérodynamiques ont été réalisées et, bien que les gains soient faibles, le principal gain provient du fait que la gaine hydraulique disparaît. Les images montrent les analyses aux différents stades de développement.

Avant de passer en production, nous sommes également all avons également effectué des tests en soufflerie avec notre prototype pour valider notre concept et nous vous présenterons bientôt ces résultats.

Étape 4: Production

Maintenant, vous vous demandez probablement quel vélo Argon 18 sera le premier à être équipé de ces freins... c'est fort probablement notre secret le plus mal gardé.

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