Sur les automobiles modernes, les freins sont de deux types :
Les freins à tambour
Pour des efforts de serrage identiques (Sg, = Sd ). la force exercée à gauche sera plus élevée que celle de droite : on dit qu'il s'exerce un effet d'auto-serrage . Pour utiliser celui-ci sur les deux mâchoires, on déplace le point fixe et le piston de commande du segment de droite . Le raisonnement est valable pour un certain sens de rotation du tambour, mais lorsque la rotation se produit en sens contraire (marche arrière), les segments provoquent tous un effet d'autodesserrage. L'extrémité du segment non soumise à l'effort de serrage peut être articulée de diverses manières sur le flasque :
Cette dernière solution est appelée segments flottants ou autocentreurs. Elle permet le centrage du segment dans le tambour. donc une distribution plus uniforme du freinage. Il existe également des segments à double expansion (cylindres de commande aux deux extrémités).
- avec un axe d'articulation,
- une biellette,
- ou encore un simple plan incliné sur lequel l'extrémité du segment prend appui librement.
Les pivots des freins à tambour simples ont une forme excentrique, ce qui permet le centrage facile des segments par rapport au tambour et le rattrapage du jeu. Les principaux problèmes posés par les freins à tambour sont identiques à ceux des freins à disque.
Il faut tout d'abord considérer le refroidissement. étant donné l'influence de la température sur le coefficient de frottement et la qualité des garnitures. La pression doit être limitée pour ne pas user trop vite les surfaces de contact. On exige en principe des tambours les caractéristiques suivantes :
Les tambours sont construits en alliage d'aluminium (légèreté et bonne conductibilité thermique) ou en fonte (grande résistance à l'abrasion). La résistance à l'abrasion de l'alliage léger étant faible, on prévoit généralement, dans le premier cas, une couronne intérieure rapportée en fonte.
- - La légèreté, afin de réduire les masses non suspendues là cet effet, on monte parfois les tambours en sortie de différentiel ;
- - La résistance à l'abrasion ;
- - Une bonne conductibilité thermique, afin d'évacuer rapidement la chaleur produite pendant le freinage et de réduire la température des garnitures
Pour dissiper plus rapidement la chaleur, on augmente souvent la surface de déperdition en munissant le tambour d'une série d'ailettes extérieures, accroissant en même temps sa rigidité. Ces ailettes seront quelquefois disposées en hélice pour créer un effet de ventilation (Alfa Roméo 1900 Spider de 1954).
Les segments devant être légers (afin de réduire les masses non suspendues) tout en étant rigides (pour éviter les déformations élastiques au freinage) sont généralement réalisés en alliage d'aluminium ou en tôle d'acier soudée. Ils sont revêtus d'une garniture de frottement à base d'amiante dans laquelle sont noyés des éléments métalliques (fils ou copeaux d'alliage de cuivre ou d'aluminium) qui lui confèrent une résistance mécanique élevée (charge de rupture à la compression 560 kgp/cm2) et une bonne conductibilité thermique.
Les garnitures de freinage doivent présenter les caractéristiques suivantes :
La fixation au segment est réalisée au moyen de rivets en alliage de cuivre ou d'aluminium, dont la tête doit être en retrait par rapport à la surface extérieure de la garniture pour assurer une certaine marge d'usure.
- - Un coefficient de frottement élevé (0,3 à 0,4) peu sensible à la température ;
- - Une bonne résistance à l'abrasion et au cisaillement.
Très souvent, surtout dans les applications les plus modernes, les garnitures sont collées : la fixation est ainsi supérieure, l'évacuation de la chaleur plus efficace et enfin, toute l'épaisseur de la garniture peut être utilisée puisque le problème de l'encombrement des têtes de rivets n'existe plus.
Les freins à disque
Ils apparurent pour la première fois en 1902 sur une Lanchester 18 HP, mais avec des résultats peu satisfaisants faute de matériaux adéquats Au début des années vingt, les freins à disques trouvèrent quelques applications sur les tramways de quelques villes européennes, entre autres Paris, Rome et Berlin. Ils étaient constitués par deux disques opposés sur les faces internes desquels agissaient des plaquettes de frottement. Pendant la Seconde Guerre mondiale, quelques projets furent conçus pour des véhicules blindés ou des avions. Ces derniers devaient être capables de dissiper, après l'atterrissage, d'énormes quantités d'énergie cinétique En 1953, après des années de recherches et d'essais, les techniciens de Dunlop réussirent à mettre au point des freins à disque. Utilisés pour la première fois aux Vingt-Quatre Heures du Mans, ils connurent la victoire avec la Jaguar XK 120 de Rolt et Hamilton, qui s'adjugea en outre le record de la distance (4088,600 km contre 3 733,800 km parcourus l'année précédente par Mercedes) Les avantages présentés par ces nouveaux freins étaient de nature à les faire rapidement imposer malgré des tentatives d'amélioration des freins à tambour Dès la fin des années cinquante, les freins à disque équipèrent un nombre toujours croissant de voitures pour être finalement universellement utilisés.
Un frein à disque se compose d'une partie fixe : l'étrier, solidaire des structures du véhicule, et d'une partie mobile : le disque, entraîné par la roue. L'étrier supporte les deux plaquettes qui, sous l'action d'une commande généralement hydraulique, pressent le disque, empêchant ainsi sa rotation. Les plaquettes sont toujours maintenues en léger contact ou à très courte distance (0,20 à 0,25 mm) du disque.
A la fin du freinage, le rappel est assuré par des ressorts à réglage automatique, ou encore, plus simplement, par l'élasticité de la bague d'étanchéité en caoutchouc du cylindre de commande.
Dans ce dernier cas, au fur et à mesure que la garniture de frottement s'use, le piston de poussée effectue des courses toujours plus grandes jusqu'au moment où, ayant dépassé la course permise par la déformabilité de la bague d'étanchéité, il glisse sur celle-ci et trouve automatiquement sa nouvelle position : on obtient ainsi un réglage automatique.
Le fait que les plaquettes soient en léger contact avec le disque n'entraîne aucun inconvénient puisqu'elles sont parallèles à sa surface et qu'une faible pression est suffisante pour exercer l'action de freinage.
Dans les tambours, au contraire, la mise en contact entre les segments et le tambour se produit avec seulement une légère rotation et le contact s'accentue instantanément avec des segments autoserrants.
Les garnitures ne doivent donc pas lécher le tambour à l'arrêt.
En ce qui concerne le système de fixation du disque et de l'étrier, on peut rencontrer les cas suivants :
- - Montage axial. La pression du circuit hydraulique de commande pousse les deux plaquettes contre le disque (fig 5) ;
- - Une des deux plaquettes est fixée rigidement sur l'étrier, tandis que l'autre est commandée par un piston hydraulique. Lorsque la poussée s'exerce sur la plaquette mobile, la réaction fait déplacer axialement l'étrier du côté opposé, conduisant l'autre plaquette au contact du disque. Un tel étrier est dit flottant (fig. 6) ;
Dans le cas d'un étrier disposé en avant, la réaction due au frottement étrier-disque est dirigée vers le haut et s'ajoute par conséquent à la réaction verticale due au poids, ce qui surcharge les roulements.
Si, au contraire, l'étrier est disposé en arrière, la réaction est dirigée vers le bas et se soustrait de la réaction verticale due au poids, ce qui soulage les roulements.
Les disques de freins doivent présenter, en règle générale, des caractéristiques analogues à celles des tambours :
Ils sont normalement réalisés en fonte spéciale au chrome/ molybdéne , très résistante à l'usure. A chaud, en présence de projection d'eau, les disques en fonte ne présentent pas d'inconvénients, tandis que ceux en acier sont sujets à des phénomènes de trempe qui ont pour conséquence leur fragilisation.
- légèreté,
- résistance à l'usure
- et bonne conductibilité thermique.
Les étriers doivent être être légers et rigides ; ils sont habituellement construits en alliage d'aluminium, quelquefois en alliage de magnésium ou encore en fonte. Les matériaux de frottement des freins à disque ont des caractéristiques analogues à celles des matériaux de frottement retenus pour les freins à tambour.
Il ne faut cependant pas oublier qu'ils sont soumis à des pressions plus élevées , la surface de contact étant plus petite (une garniture a, en moyenne, une surface de 30 à 35 cm2 contre les 55 à 60 cm2 des freins à tambour) et que le rayon de frottement est plus faible. Sur les modèles à hautes performances, on monte souvent des disques perforés qui aspirent l'air par le centre et le refoulent par la périphérie. Ces types de disques (communément appelés auto-ventilés) sont apparus vers la fin des années cinquante sur les voitures de compétition, puis en 1965 sur les voitures de série, plus précisément sur la Chevrolet Corvette.
Afin de réduire l'importance des masses non suspendues, on monte quelquefois les disques à la sortie du différentiel.
Comparaison entre les freins à tambour et à disque
Pour donner une idée des énormes progrès réalisés dans le freinage, on peut comparer les distances de freinage d'une Rolls Royce Phantom 1 de 1926 (voiture équipée de freins mécaniques à tambour sur les quatre roues avec servofrein mécanique) à celles des voitures modernes (freins à disque avec servofrein mécanique).
La première stoppait sur 32,40 m à 60 km/h et sur 49,40 m à 80 km/h , alors que les automobiles modernes freinent respectivement sur 8,20 et 35 m.
Malgré la supériorité des freins à disque, les freins à tambour présentent certains avantages :
Par contre :
- Leur rayon de frottement est généralement supérieur au rayon géométrique du tambour, tandis que dans les freins à disque il est inférieur au rayon du disque : par conséquent, pour une même force de frottement, le couple de freinage sera plus grand dans les freins à tambour ;
- Pour une même force de serrage, il est possible d'augmenter le couple de freinage en montant, par exemple, deux segments à enroulement, alors que, pour compenser l'infériorité mécanique des freins à disque, la pression de freinage doit être plus forte, ce qui oblige au montage d'un servo-frein même sur des véhicules de poids relativement modeste (les pressions dans le circuit hydraulique sont de 80 à 100 kgp/cm2 dans le cas des freins à disque, tandis qu'elles ne sont que 12 à 15 kgp/cm2 pour les freins à tambour). L'effort musculaire reste, par contre, limité pour les deux types à des valeurs de 25 à 35 kgp.
Pour les freins à tambour, le refroidissement est beaucoup plus difficile, du fait que la partie extérieure seule est exposée à l'air, tandis que la chaleur est produite à l'intérieur.
- La surface de contact des plaquettes sur le disque étant exposée à l'air, il est toujours possible de prévoir une canalisation.
Pour cette raison, les freins à disque étant plus facilement débarrassés de l'eau, de la poussière et de la boue seront beaucoup moins sensibles au fading (la poussière des garnitures déséquilibre les freins à tambour) ;
Dans les freins à tambour, l'usure est irrégulière, atteignant sa valeur maximale vers l'extrémité libre du segment. Ceci s'explique par la rotation qui caractérise le mouvement d'approche du segment pour venir en contact avec le tambour. On pourra obtenir une distribution plus uniforme de l'usure avec des freins à segments flottants ou à double détente. Les pressions spécifiques et les forces de frottement plus élevées dans les freins à disque ont pour conséquence une plus grande production de chaleur. Pour éviter la formation de bulles de vapeur dans le cylindre, il faut utiliser un liquide de frein au point d'ébullition élevé (200 à 220 °C contre 150 à 160 °C pour l'huile des freins à tambour). La production de chaleur entraîne également des dilatations qui, bien que n'ayant aucune conséquence dans les freins à disque (le disque se dilate radialement), sont une source d'inconvénients dans les freins à tambour (la dilatation radiale du tambour est plus grande que celle des segments, ce qui, en augmentant le jeu tambour- segment, réduit l'effet de freinage).
- Avec un disque, l'usure des garnitures de freinage est régulière ; toute la surface des plaquettes frottant sur le disque, la distribution des pressions sera uniforme.
Autre point positif pour les disques : les opérations de contrôle, d'entretien et le remplacement des plaquettes sont faciles.Les freins à disque se prêtent peu à l'utilisation comme freins de stationnement, la difficulté concerne particulièrement la réalisation d'une double commande : hydraulique pour le frein principal et mécanique pour le frein de stationnement. On prévoit parfois un frein à tambour placé à côté du frein principal à disque, ou encore un second étrier qui agira sur le même disque. Il peut être intéressant d'établir une comparaison entre domaines d'utilisation en fonction de l'énergie cinétique absorbée par divers types de freins :
Pour une gamme de valeurs intermédiaire de l'énergie cinétique, le système mixte (freins à disque à l'avant et freins à tambour à l'arrière) est très répandu.
- Les freins à tambour sur les quatre roues sont utilisés dans les cas où les énergies cinétiques en jeu sont de l'ordre de 70 000 kgm (ce qui correspond, à titre indicatif, à des voitures de 900 kg circulant à 140 km/h) ;
- Les freins à disque sur les quatre roues sont utilisés pour l'intervalle approximatif des énergies cinétiques allant de 80 000 kgm (voitures de 900 kg à environ 150 km/h) jusqu'à 490 000 kgm (voitures de 1 600 kg à 280 km/h).
Disques classiques
Il existe deux types de matériaux de friction pour les plaquettes : les matériaux frittés et les matériaux organiques.
Seuls les matériaux frittés peuvent répondre à l'ensemble des sollicitations d'une voiture : freinages puissants, échauffement, utilisation sous eau, poussière et boue, réactivité à froid. Les plaquettes en métal fritté (sintered en anglais) sont fabriquées à partir de poudres. Le produit de friction contient au moins dix constituants (cuivre, bronze, fer, céramiques, graphites...). Chacun de ces constituants à un rôle essentiel au cours du frottement de la plaquette sur le disque (confort, bruit, performance).
Une fois mélangés, ces constituants forment le mélange de friction. Ce mélange est ensuite comprimé dans un outil qui lui donne sa forme finale.
La pièce obtenue est ensuite positionnée sur son support métallique cuivré puis introduite dans un four à 900°C. C'est le processus du frittage : un constituant du produit fond, consolide le matériau et le brase sur son support.
Disques en carbone
Ce matériau de friction est utilisé en aéronautique pour les freins d'avion et en compétition (F1, Grand Prix moto) en raison de sa légèreté et sa capacité à absorber la chaleur (un frein d'avion est appelé "puits de chaleur"). Ce matériau est un composite. Il est composé d'un réseau de fibres qui lui donne sa résistance et d'une "matrice" de carbone qui lui procure ses propriétés de frottement. Ce matériau a une densité de 1.80 contre 7.85 pour l'acier. La fibre est introduite dans un moule puis comprimée pour donner une préforme prête à densifier. La préforme fibreuse est introduite dans un four où la température est de 1000° C. Un gaz est introduit dans le four et va libérer du carbone qui se déposera autour des fibres. Après 500 à 800 heures, le produit est entièrement dense. Il peut subir ensuite différents traitements thermiques. Il est usiné aux dimensions finales. Le disque et les plaquettes sont tous les deux en carbone/carbone. Les composites carbone/carbone peuvent subir des températures d'utilisation de 1600°C sans être détériorés. Le coefficient de frottement du carbone/carbone n'est pas plus élevé que celui des matériaux frittés mais il reste stable à très haute température.
Disques perforés: une amélioration des disques classiques pour un usage performant
Depuis quelques années sont apparus des disques de freins perçés et rainurés qui offrent pas mal d'avantage par rapport aux classiques disques ventilés et surtout par rapport aux disques pleins:
- Élimination d'eau: grâce aux trous percés dans le disque, l'évacuation d'eau se fait beaucoup plus facilement par les trous que par évaporation normale, donc, par temps pluvieux, les disques perforés sont beaucoup plus performants. Il en est de même pour l'élimination de graisse, de poussière causée par l'usure des plaquettes et ainsi que l'élimination des gaz dûs au freinage.
- Surface de freinage: dûe à la déformation microscopique des plaquettes lors du freinage, la série de trous dans le disque va augmenter le coefficient de friction. Pour faire une comparaison, c'est la différence entre une surface lisse et une râpe à fromage .
- Refroidissement: grâce aux disques perforés, le refroidissement se fait beaucoup plus facilement .
- Poids suspendu: Le perçage réduit (un peu) le poids du disque ce qui veut dire moins de poids suspendu. Le moins de poids suspendu possible va amener à une réponse plus rapide lors du freinage grâce à l'inertie réduite de la pièce
On aborde un chapitre très subjectif : en fonction des voitures, des circuits, des pilotes et de la météo, les réactions seront très différentes.
On va éviter de rentrer trop dans le détail technique, mais plutôt aborder ce qui peut se passer quand ça ne va pas, et comment on peut envisager de résoudre le problème, par de petites interventions simples, mais aussi en intégrant la gestion des freins dans le pilotage.
Pourquoi ça se passe mal ?
Les freins, ça marche sur un principe de friction : quand ça frotte, ça chauffe, et les voitures de séries ne sont pas faites pour faire de la piste :
1. les freins sont souvent sous-dimensionnés (diamètre des disques) : on est donc amener à les solliciter énormément pour obtenir des freinages puissants, à la limite du blocage, que l'on peut assimiler à un freinage d'urgence. Une voiture de série n'est pas faite pour encaisser 4 freinages d'urgence, même courts, en 1 mn 10 (Folembray).
Le réusultat, c'est que ça chauffe, et quand ça chauffe trop, ça marche plus !
2. le deuxième problème, ce sont les calories (chaleur) en trop : les voitures de courses sont équipées d'entrées d'air énormes dirigées directement sur les étriers ou les disques. En plus d'avoir de gros freins, qu'ils sollicitent moins que des petits, ils sont refroidis par un jeu d'entrées mais aussi d'extracteurs d'air... forcément, ça marche mieux !
Concrètement, qu'est-ce qui se passe ?
On l'a dit, ça chauffe, et là, on a plusieurs conséquences possibles, qui peuvent se cumuler...
1. on se retrouve avec une pédale de freins "éponge", sans puissance : le liquide est en train de bouillir. Mieux vaut pomper tout de suite et faire quelques tours calmes pour ventiler tout ça !
2. les disques peuvent se voiler : on ressent alors un fort tremblement dans le volant à chaque freinage : c'est assez désagréable.
3. une bonne blague : à 180 en bas de la descente de Folembray : j'enfonce la pédale déjà bien molle depuis quelques tours: la voiture se met en travers: pile-poil face au virage ... mais 40 km/h trop vite : dans l'herbe ! La raison est simple, les freins avant étant trop chauds, seul l'arrière était encore efficace, et comme j'ai appuyé comme un goret, j'ai bloqué l'arrière: la suite était prévisible.
Conséquences
- Les plaquettes peuvent se détruire
- Les disques se voilent: le volant est difficile à tenir au freinage
- Les disques se fèlent: ça devient dangereux, mieux vaut ne pas continuer
- Les plaquettes s'en souviennent, souvent elles se "glacent" et deviennent innefficaces à froid : c'est pratique pour aller bosser le lendemain !
Qu'est-ce qu'on peut faire ?
Mécaniquement
On peut changer le liquide de frein (en général DOT 4 d'origine) pour du DOT 5 (point d'ébullition plus haut).
On peut poser des plaquettes "racing" de type Ferodo DS 2000, voir les disques qui vont bien.
On peut remplacer les flexibles de freins par des durites de type aviation (blindées) pour éviter la déformation des flexibles avec la chaleur, la pression.
Tant qu'on y est, pourquoi ne pas mettre les gros freins, ceux qui imposent de mettre des jantes en 19" pour laisser passer les disques ...
Pilotagement
Quand les freins commencent à souffrir, on le sent en général venir : les freinages deviennent moins précis, avec moins de mordant...
Si on arrive sur une belle ligne droite en monté, on peut y aller à fond pour refroidir tout ça ... mais ça n'existe qu'au Ring, partout ailleurs, on sera contraint de s'offrir un tour ou deux de ventilation. Si on attend trop, on risque de voiler les disques, et de tout défoncer, tout ça pour quelques tours de plus à fond de balle...
ABS
Savoir l'utiliser, c'est aussi savoir le débrancher !! sur circuit bien entendu : dans certains cas, l'ABS ne comprends rien... il peut même se révéler dangereux dans certaines circonstances : suite à un délestage, si vous êtes sur les freins, l'ABS va se déclencher en empêchant carrément de freiner : la valeur analysée est celle d'une roue dans le vide. Il mettra près d'une seconde à refaire un calcul : juste le temps qu'il faut pour se retrouver à 10 cm du joli mur en face.
A 50 km/h : 14m/s, donc à 100 km/h : 28 m/s. Rien qu'à 100, une seconde peut représenter la distance de freinage avant une courbe ... c'est beaucoup, une seconde sans frein.
On peut soi le déconnecter, soi retirer le fusible.
* Les infos techniques qui m'ont permis de composer la partie "principes" sont extraites de l'excellent site www.motorlegend.com
par