Liaisons au sol
Freinage

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Généralités  

Depuis les temps les plus reculés, un bon freinage a toujours été nécessaire pour garder le contrôle de son véhicule dans les passages difficiles, en descente et depuis que la circulation s'intensifie, pour réagir aux impératifs liés aux autres usagers.

Pour ce faire, on utilise depuis toujours la même méthode : le frottement.

Sur les vieux charriots hippomobiles, on a mis un patin qui frottait sur une roue, actionné par un levier manipulé par le conducteur. Imaginez l'efficacité d'un tel mécanisme sur un charriot bien chargé dans une descente boueuse...

Bien sûr, on a perfectionné la méthode avec les bandes, puis les tambours et enfin les disques. C'est ce que nous allons voir ici.

Mais dans tous les cas, il faut que le mécanisme transforme l'énergie du véhicule à ralentir, voire à arrêter, en énergie calorifique.

Un véhicule en mouvement possède une énergie, dite cinétique, dont la valeur est :

E = ½ . m . v²

Où E est cette énergie exprimée en J, m est la masse du véhicule en kg et v sa vitesse en m/s

Ainsi, un véhicule d'une tonne (1000 kg) roulant à 72 km/h (20 m/s) a une énergie cinétique de 200 kJ.
Sachant qu'un Joule est équivalent à 0,24 calorie, arrêter ce véhicule revient à transformer ces 200 kJ en 48 kcal qu'il faudra évacuer dans l'atmosphère.
Rappelons que 48 kcal permettent d'élever la température d'un litre d'eau de 48 °C. Cela peut sembler peu mais les tambours et disques qui doivent évacuer cette quantité de chaleur sont en acier et 48 kcal élèvent la température d'un kg d'acier de 400 °C !

Un tambour ou un disque pèse dans les 4 kg et le freinage est assuré grosso modo aux 2/3 par les roues avant ; ainsi, chaque élément de freinage avant voit sa température globale augmenter d'environ 133 °C ; mais les surfaces de frottement atteignent des températures bien plus élevées par rapport aux parties plus éloignées du tambour ou du disque.

Frein à bande  

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Hors du domaine automobile,le frein à bande est encore très utilisé, on le rencontre sur les trottinettes et les cycles d'entraînement, mais une de ses principales utilisation est rencontrée sur les treuils, dans le domaine naval (treuil de manœuvre du filet sur les chalutiers, treuil de mât de charge, treuil de descente pour les embarcations de sauvetage), dans le forage pétrolier (treuil du train de tiges de forage) et dans toutes les applications impliquant une faible vitesse de rotation mais nécessitant un couple important.

Frein à tambour  

Les freins à tambour peuvent être de plusieurs types. Le plus simple (schéma n°1) n'a qu'un seul cylindre et voit ses mâchoires réunies par le bas avec une pièce de longueur fixe.

Le fonctionnement du frein à tambour est illustré par cette animation ; le tambour tourne avec la roue et le véhicule avance ici vers la gauche. Au repos, les pistons du cylindre de freins sont entrés, le ressort de rappel maintient les mâchoires à distance du tambour. Dès qu'on agit sur la pédale de frein, la pression du liquide dans le cylindre s'accroît repoussant les pistons qui font avancer les mâchoires vers le tambour. Quand les garnitures commencent à effleurer celui-ci, il se produit un déséquilibre : la garniture avant (celle de gauche sur le schéma) s'arc-boute sur le tambour, provoquant une petite rotation de la mâchoire dont la partie basse s'éloigne du tambour, appliquant la totalité de la garniture arrière (celle de droite sur le schéma) sur le tambour par l'intermédiaire de la pièce de liaison. Il s'agit là d'un des défauts de ce système de freinage : les garnitures ne s'usent pas de façon uniforme.

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Les tambours

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Les garnitures

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Frein à disque  

Fredrick William Lanchester, constructeur automobile britannique, a été le premier à breveter une version mécanique du frein à disque automobile en 1902, toutefois, il n'avait fait qu'améliorer une technologie existante qui avait été installée sur la roue avant d’un véhicule électrique construit aux États-Unis par Elmer Ambrose Cleveland en 1898.

Ce système de freinage très basique et peu performant de Lanchester était constitué d'un disque et d'un étrier dont les plaquettes étaient en cuivre, matériau très peu résistant et trop bruyant à l'usage.

Bien que les versions ultérieures aient été équipées de plaquette en amiante bien plus efficaces, les systèmes de freinage à tambour restaient plus simples et bien moins onéreux à fabriquer, ce qui fait que les freins à disques tels que nous les connaissons aujourd'hui n'ont réellement été utilisés qu'à partir des années 1950.

Après quelques améliorations dues à Albert Girling dans les années 1920, ce n'est qu'en 1953, avec l’aide de Dunlop, que Jaguar teste les freins à disque en compétition. C’est un système plus performant utilisant un disque et des plaquettes qui frottent de chaque côté du disque.

Après la seconde guerre mondiale, la société britannique Dunlop était devenue un important producteur de freins à disque aéronautiques, ce qui a conduit l’entreprise à adapter la technologie pour les véhicules routiers. En 1953, la voiture de course Jaguar de type C a fait sensation lorsqu’elle a été équipée d’une paire de freins à disque résistants à la chaleur fabriqués par Dunlop pour le parcours contre-la-montre Mille Milgia de cette année-là en Italie. Citroën a poursuivi avec une paire de disques avant in-bord sur sa DS 1955 et en 1956, la Triumph TR3 est devenue la première voiture de série construite au Royaume-Uni à être équipée de série de freins à disque avant. En 1956, la Jensen 541 est dotée de 4 freins à disques, puis toutes les Jaguar. L’usage se généralisera, surtout pour l’essieu à avant dans les autres marques qui conserveront un bon moment les freins à tambour sur les roues arrière, moins sollicités par l'effort de freinage.

En France, en 1964, la Dauphine sera la première populaire équipée de quatre freins à disques.

Le principe est simple : les freins à disque utilisent des plaquettes qui serrent des disques rotatifs solidaires des roues pour ralentir ou arrêter le véhicule. Lorsque la pédale de frein est actionnée, les plaquettes exercent une pression sur les disques, générant ainsi la force de pincement nécessaire. Les freins à disque offrent de meilleures performances de freinage et une dissipation de chaleur plus efficace que les freins à tambour. L’un de leurs principaux avantages est leur capacité supérieure à dissiper la chaleur.

Les disques de frein sont généralement fabriqués à partir de matériaux, tels que la fonte, l'acier et plus récemment la céramique pour les voitures de course, qui ont une meilleure capacité à résister à la chaleur et à dissiper rapidement l’énergie thermique. Cela permet de maintenir des performances de freinage constantes, même lors d’une utilisation prolongée. De plus, ils offrent une plus grande sensibilité et une meilleure réponse lors du freinage, ce qui permet un contrôle plus précis du véhicule.

Sur les voitures particulières, les freins à disque sont généralement actionnés hydrauliquement. Sur les poids lourds, ces pistons de frein sont toutefois actionnés pneumatiquement, c’est-à-dire par de l’air comprimé.

Les disques

Le disque est relié à la roue par le biais des goujons qui fixent la roue au moyeu et tourne avec elle. Il doit résister à de fortes contraintes thermiques et mécaniques.

Le disque a une forme plate et peut être de construction simple ou creuse (disques à refroidissement interne). Comme on l'a vu plus haut, la chaleur générée doit être dissipée rapidement, ainsi, certains disques sont équipés d'un refroidissement interne, un système de canaux créant une circulation effuicace de l'air.

Il existe des disques dans lesquels des trous sont percés pour aider à drainer l'eau et la saleté et ainsi améliorer l'effet de freinage. Certains disques ont également des rainures créées sur la surface de friction. Ces rainures permettent une inspection visuelle de l'état d'usure des disques, mais aussi améliorent leur capacité d'auto-nettoyage et accélèrent le rodage des plaquettes de frein.

Le disque peut avoir différentes dimensions, mais plus son diamètre est grand, plus le couple de freinage est important.

Sur nos anciennes, les disques sont en général en acier ; is sont le plus souvent simples, c'est à dire composés d'un disque plein, non nervuré et non ventilé.

Les étriers

Les étriers sont essentiellement un cylindre dans lequel coulissent un ou plusieurs pistons mus hydrauliquement qui viennent appuyer les plaquettes sur le disque.

Il existe deux types d'étrier :

• L'étrier fixe :
  L'étrier possède des cylindres de part et d'autre du disque, dans lesquels se déplacent les pistons. Lors du freinage, le liquide de frein pousse les pistons, qui à leur tour poussent les plaquettes contre la surface du disque des deux côtés. Pour que le freinage soit encore plus puissant, certains étriers ont plusieurs pistons de chaque côté ;
• L'étrier flottant :
  L'étrier ne possède qu'un piston situé d'un seul côté. Le piston pousse la plaquette sur le disque, ce qui crée une force de réaction de l'autre côté de l'étrier, déplaçant celui-ci sur des coulisseaux, ce qui presse la plaquette du côté opposé au piston contre le disque.

L'étrier flottant est donc moins performant que l'étrier fixe et est couramment utilisé sur les motos dont le poids est bien moindre que celui d'une auto. Évidemment, pour une même pression P appliquée à l'étrier et pour le même diamètre de piston, comme expliqué à la page Connaissances de base - Hydraulique, plus les pistons sont nombreux, plus la force de freinage est importante.

Les plaquettes

Les plaquettes de frein sont constituées d'une plaque support en métal et de garnitures composées de plus de dix composants différents. Elles sont de plusieurs types :

Semi-métal

Les plaquettes de frein semi-métal contiennent au moins 65% de métaux. Les 35% restant sont un mélange de graphite et de matériaux inorganiques. L'avantage de ce type de plaquettes est leur capacité à évacuer la chaleur efficacement ; leur inconvénient est une dureté élevée qui peut provoquer une usure prématurée du disque de frein.

Faible teneur en métal

Les plaquettes de frein à faible teneur en métal sont constituées de matériaux organiques associés à du métal (pas plus de 30%). Elles offrent une bonne conductivité de la chaleur et un freinage efficace. Elles sont bien plus chères que les plaquettes semi-métal.

Organique

Les plaquettes de frein organiques sont faites en générale avec du kevlar, du verre et du carbone. Elles ne doivent pas contenir plus de 15% de métal. Elles sont tendres et silencieuses, mais s'usent plus vite que les autres types de plaquettes, c'est pourquoi elles ne sont pas adaptées à une conduite agressive ou sportive.

Céramique

La composition des plaquettes de frein céramique comprend des fibres de céramique, du caoutchouc de synthèse et des métaux non ferreux, notamment du cuivre. Ces plaquettes fournissent un coefficient de frottement constant, elles sont moins abrasives. C'est le meilleur choix pour une conduite sportive. Elles sont bien plus onéreuses que les autres types de plaquettes de frein.

Faire le choix

Les plaquettes de frein peuvent être soit d'origine, soit adaptables.

Les plaquettes de frein d'origine proviennent de fabricants connus et sont de qualité suivie, mais elles coutent plus cher que les plaquettes adaptables. Elles sont vendues dans leur emballage d'origine.

Les plaquettes adaptables ont des caractéristiques techniques légèrement inférieures à celles des plaquettes d'origine. Elles sont moins onéreuses, tout en offrant une performance de freinage convenable. Toutefois, elles sont fabriquées avec des matériaux de qualité inférieure et ne sont pas soumises aux essais nécessaires et ne répondent pas aux normes. Donc, attention ! un prix trop bas doit vous alerter.

Un bon choix de plaquettes de frein doit prendre en compte les paramètres suivants :

• Température de fonctionnement : les plaquettes de frein qui résistent à des températures de 300 à 350°C doivent suffire pour une conduite citadine et des vitesses pas trop élevées. Les voitures de sport sont équipées de plaquettes de frein qui peuvent fonctionner à 900°C, mais n'assurent un freinage efficace qu'à partir de 100°C ;
• Coefficient de frottement : les plaquettes avec un coefficient de frottement de 0,25 à 0,35 sont suffisantes pour arrêter un véhicule lors d'une conduite souple. Ce sont les valeurs typiques des pièces équivalentes aux pièces d'origine. Le coefficient de frottement des plaquettes de frein d'origine est légèrement plus élevé, de 0,3 à 0,5. Les plaquettes de frein de sport ont une température de fonctionnement de 150 °C et ont un coefficient de frottement faible (0,2). Lorsqu'elles sont chaudes, ce coefficient peut atteindre 0,5 ;
• Durée de vie : la résistance à l'usure des plaquettes dépend des matériaux qui les composent. Les garnitures tendres s'usent plus rapidement, mais des garnitures trop dures provoquent une usure prématurée du disque de frein. Il s'agit donc d'un choix personnel en fonction du style de conduite, du type de véhicule et évidemment du coût...

Les contrefaçons

Évidemment, comme pour toute pièce détachée, il existe des contrefaçons ; comment s'y retrouver  ?

• Il convient de vérifier la présence d'un certificat de conformité. Si la mention R90 ou 90R ne figure pas sur l'étiquette, c'est une contrefaçon ;
• L'emballage doit contenir le passeport du produit, un certificat de garantie, un certificat de qualité et un guide d'instructions ;
• La surface des plaquettes neuves doit être lisse et uniforme ;
• Il faut vérifiez le numéro unique de la pièce sur le site internet du fabricant.

En résumé, quand vous choisissez des plaquettes de freins, prenez une marque reconnue et ayant un site Internet qui vous donne toutes les précisions voulues.
De plus, quand on remplace des plaquettes, on remplace toutes les plaquettes d'un même essieu (avant ou arrière) de manière à garder un freinage équilibré.

Circuit hydraulique  

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Le maître-cylindre

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Le répartiteur

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Les cylindres

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Le circuit rigide et ses flexibles

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Le liquide de frein

On ne parlera pas ici des liquides de freins ; ce sujet est traîté sur la page Connaissances de base - Carburants, lubrifiants et autres fluides.

Entretien et réparation  

Durée de vie

La durée de vie de ces deux types de freins varie en fonction du style de conduite, de l’état de la route et de l’entretien.

En moyenne, les freins à tambour peuvent parcourir entre 80 000 et 160 000 kilomètres avant de devoir être remplacés grâce à leur construction simple et robuste.

Les tambours de frein sont moins sujets à l’usure, ce qui garantit une plus grande durabilité.

Les freins à disque, quant à eux, ont une durée de vie moyenne de 50 000 à 100 000 kilomètres. Leur conception les expose davantage aux éléments extérieurs, ce qui peut entraîner une usure plus rapide des disques et des plaquettes de frein.

Entretien courant

D'une façon générale, pour optimiser la durée de vie des freins, il est essentiel de suivre les recommandations du fabricant et de les entretenir régulièrement.

L'entretien courant des freins est lié aux avantage et aux inconvénients de chacun des types :

• Freins à tambour :
  
  • Avantages :
  • Ils nécessitent moins de pression hydraulique en raison d'un effet auto-énergisant intégré (cf. plus haut) ;
  • Ils permettent l'installation facile du frein de parking ;
  • Ils sont moins couteux à fabriquer et à installer.
  • Inconvénients :
  • Ils sont fermés et dissipent difficilement la chaleur ; ils peuvent donc surchauffer facilement et provoquer une distorsion du tambour, ce qui entraîne des vibrations lors du freinage. D'ailleurs, il est courant, en montagne, de faire une pause lors des descentes pour que les freins puissent refroidir ;
  • Étant fermés, ils ont tendance à accumuler la poussière de frein généré par les mâchoires de frein à tambour. Si la poussière accumulée devient excessive, les performances de freinage peuvent diminuer. Par conséquent, ils doivent être nettoyés et entretenus assez souvent pour garantir des performances de freinage optimales ;
  • Étant fermés, il est plus difficile de vérifier leur état d'usure ;
  • Ils sont de plus en plus difficiles à reconditionner car ils nécessitent l'intervention d'un atelier spécialisé.
• Freins à disque :
  
• Avantages :
• Ils sont autonettoyants ; les plaquettes essuient le disque dès qu'elles le touchent, ce qui élimine généralement tous les débris qui pourraient s'y coller ;
• Ils offrent une excellente puissance de freinage ;
• Ils sont moins sensibles à la rouille ;
• Il est facile de vérifier l'état d'usure des plaquettes et du disque et les plaquettes sont faciles à remplacer et se trouvent couramment chez les revendeurs ;
• Ils refroidissent plus facilement que les freins à tambour.
• Inconvénients :
• Ils sont plus coûteux à fabriquer et à installer ;
• Ils nécessitent un mécanisme de frein de parking séparé (frein à main ou frein d'urgence) ;
• En cas forte humidité, la décélération peut être sensiblement plus faible lors d’un premier freinage.

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