LE FREINAGE

Pour commencer, un peu d'histoire et quelques dates :

L'automobile naissante du début du siècle freinait comme les "carrioles" et les trains c'est à dire, un patin de bois serré sur le cerclage métallique d'une roue en bois !
Le bandage caoutchouc sur une roue en fer, puis, le pneu, ont rejeté le frein dans un tambour, nettement plus efficace, au point qu'il existe encore à l'arrière d'une majorité de voitures. Ces véhicules étaient juste pourvus de 2 freins arrière à tambours. Ceux-ci étaient très petits. (Ford T par exemple).
Deux demi-segments en métal à l'intérieur du tambour étaient actionnés par un câble relié à une pédale, voire un simple levier manuel. Il n'y avait bien entendu aucune obligation ni législation! ...
Très vite, la vitesse des véhicules évoluant avec la puissance des moteurs, ce freinage devint obsolète. Les ingénieurs de l'époque, après quelques nuits blanches et quelques incidents !*?!*?! *! *!, ont mis au point le freinage hydraulique sur les 4 roues, toujours avec des tambours, mais avec un matériau composite métal/amiante/céleron pour les demi- segments.
Lancement, en grande série, du freinage hydraulique sur les 4 roues, fin 1923, sur voitures 6 cylindres Chrysler; puis adoption se généralisant au cours des années 20 (freins Lockheed - Tracta 1928). Le freinage s'effectuait par l'intermédiaire de tambours aux 4 roues. Ceux-ci grossissaient jusqu'à remplir totalement la roue. Ils étaient souvent en alliage et comportaient des ailettes de refroidissement.
Monté sur les voitures de série dans les années 60, l'assistance de freinage, les freins à disques à l'avant puis à l'arrière vers 1980 et enfin vers 1990 l'ABS.
Les matériaux de freinage ne cessent d'évoluer, autant dans leur efficacité que dans leur résistance.

Quelques grandes dates du freinage :
- 1902 : Freins à disque brevetés par F.W. Lanschester (G.-B.).
- 1903 : frein sur roues avant (VAN HOOYDONK)
- 1904 : 1ère voiture à pétrole pourvue de freins (à air comprimé) sur les 4 roues (voiture Charley sur châssis Mercedes).
- 1910 : brevet du frein hydraulique (WEIGHT)
- 1911  : 1er freinage sur les 4 roues.
- 1912 : frein à main sur Isetta Fraschini.
- 1919 : 1er frein à commande hydraulique : Lockheed.
- 1921 : Dépôt du brevet de servo-frein par Renault
- 1926 : Les freins à tambours Adoption universelle après 1926 ......
- 1953 : Apparition du frein à disque (lancé en série sur la DS 19 CITROËN en 1955)
- 1973 : L'invention de l'ABS par Bosch
- 2000 : Vers les années 2000, la suppression de l'amiante contenu dans les plaquettes.

I) Le freinage hydraulique :
Ce nouveau mode de commande fut inventé en 1919 par la firme américaine Lockeed. La première auto à en bénéficier était une Rolland-Pilain, préparée pour le Grand Prix de l'ACF, 1914 à Lyon.
Fini les câbles ... la transmission de l'effort à la pédale de frein se fait avec de l'huile (le Lockeed) dans des petits tuyaux jusqu'aux tambours ou aux disques.
Derrière la pédale, un maître cylindre distribue aux cylindres récepteurs grâce à de l'huile très fluide, la pression de la pédale de frein. Cette distribution est répartie, environ 70% à l'avant et 30% à l'arrière, suivant la charge du véhicule, par l'intermédiaire d'un répartiteur de freinage situé sur l'essieu arrière.

II) L'assistance de freinage, ou servo-frein :

Son rôle est d'amplifier l'effort de freinage. 
Première application commerciale sur la Renault 40 en 1921. Il a été "vulgarisé" progressivement (servo-frein à dépression) à partir de 1961 (Mercedes). D'autres modes d'amplification avaient été inventés auparavant mais la simplicité et le faible coût du servo à dépression lui donneront l'avantage.
Fonctionnement :
Le système utilise la dépression située dans la pipe d'admission du moteur pour accentuer l'effort du  freinage, par l'intermédiaire d'une petite bombonne (mastervac) située derrière le maître cylindre. Cette capacité est constituée de 2 demi-coquilles métalliques assemblées hermétiquement.
Dans cet ensemble on trouve : le piston moteur, le diaphragme et le ressort. Le maître-cylindre est fixé sur la face extérieure du servo-frein et assure l'étanchéité de l'ensemble. Le piston moteur est soit directement actionné par la pédale de frein (Mastervac)

soit par l'intermédiaire d'une canalisation hydraulique (Hydrovac). Tous les véhicules actuels utilisent des Mastervac.

   


L'amplification est fixée par le constructeur après calculs et essais des divers composants du système de freinage. On le nomme "Ratio"ou Rapport d'amplification.

Aujourd'hui d'autres formes d'assistance voient le jour, le freinage EHB par ex. (Electro-Hydraulic Brake) système commercialisé sur la Mercedes classe E.

La principale évolution du servo-frein est survenue très récemment avec l'arrivée des AFU, BAS, DBC etc… et autres appellations barbares. Le principe de base est d'utiliser toute la puissance disponible du servo-frein le plus rapidement possible en cas de freinage d'urgence et tout ça grâce à l'électronique qui détectera un appui rapide sur la pédale.

La disparition de l'amplification de freinage telle que nous la connaissons est programmée, car l'avènement du freinage électrique et électronique (Brake By Wire) est pour bientôt.

III) L'ABS
L'anti-blocage des roues dans un freinage d'urgence, est mis au point par Bosch en 1973, puis est monté sur les voitures de haute gamme en 1978 (sur la classe S de Mercedes) et petit à petit sur les voitures de série vers 1990.
C'est un système électronique constitué d'un calculateur relié électriquement à un répartiteur de freinage hydraulique et de 4 petits capteurs situés sur les tambours ou les disques. Ils contrôlent la rotation de la roue. Si, dans un freinage brutal, la roue vient à bloquer, le capteur transmet immédiatement l'information au calculateur qui relâche la puissance du freinage hydraulique sur cette roue ... On ressent à la pédale des petits à-coups.  

IV) Les matériaux modernes :
Le remplacement systématique de l'amiante dans les freins sera obligatoire après le 1er janvier 2003 et  vous ne pourrez plus changer de carte grise sans montrer "patte blanche" . . .

V) Pour bien freiner :
Un bon freinage se construit dès les premiers dixièmes de seconde. En pratique d'urgence, on freine "fort" d'abord, et on régule ensuite et JAMAIS l'inverse.

Conclusion :
N'oublions pas que le système de freinage requiert une attention particulière pour être toujours efficace, liquide propre, pièces d'origine constructeur, particulièrement les plaquettes de freins. Pas de "bouine" sur les freins ! ! !

Les freins suite ...

Les freins à tambours

Avec l'apparition du bandage caoutchouc (1888), puis du pneumatique, le patin de freinage intègre la roue arrière dans un tambour.
D'abord monté sur l'essieu arrière, le tambour gagnera rapidement les roues avants. Son adoption sera universelle après 1926. Dès les débuts, la commande de freinage se fait par des câbles, une simple tringle, actionnés à la main ou par une pédale. Les freins à tambours grossiront jusqu'à remplir totalement l'intérieur de la roue, s'équiperont d'ailettes de refroidissement et seront en fonte, en alliage.

Types de frein à tambour: Pour gagner en efficacité, beaucoup de solutions furent imaginées, Duo-servo, twin-plex, Hcsf, etc… ......

De nos jours tous les freins à tambours montés sur nos auto sont de type "Segments flottants" et équipés de rattrapage automatique de l'usure.
Ce montage permet un auto-centrage des segments lors du freinage, un nombre de pièces limitée, une facilité de montage-démontage sans oublier une répartition des forces de freinages la plus favorable. On parlera de segment "Comprimé" et de segment "Tendu" nommés ainsi en fonction du sens de rotation de la roue.

Fonctionnement :
Le frein à tambour est solidaire de la roue mais la différence c'est que le système est encapsulé et inaccessible. Il se compose de 2 mâchoires -ou segments- qui s'écartent. Sur leur face extérieure se trouve la garniture qui vient frotter contre l'intérieur du tambour.
Les segments sont actionné par l'intermédiaire d'un cylindre hydraulique de réception. Le fameux cylindre de roue! (voir figure ci-dessus). Le frein à tambour a une efficacité élevée - Coefficient d'auto serrage- dès la mise en pression, mais celui-ci chute très rapidement sous l'influence de la vitesse.

Ses avantages Ses inconvénients
Efficacité Déformation
Coût Manque de progressivité
 Rayon frotté important Refroidissement insuffisant
Protection à l'eau, à la boue Ventilation faible (poussière)
Flux thermique (faible usure) Manque de stabilité

Conclusion :
 Avec ses qualités et ses défauts, le tambour présente aujourd'hui une solution satisfaisante. Ce qui explique que l'on en trouve sur la grande majorité des petites autos, même équipées de système ABS, le frein à main est intégré au tambour. Ces mêmes défauts expliquent aussi pourquoi les freins à tambours ont été détrônés rapidement par les freins à disques pour l'essieu avant.

Les freins à disques

Après la lecture de l'article concernant le frein à tambour, quelques explications supplémentaires me semblent nécessaires pour les freins à disques.

Frottement et chaleur:
On a vu précédemment que le freinage n'était que du frottement d'une pièce fixe sur une autre mobile. De ce frottement naît un phénomène connu, la chaleur. Bref le freinage, c'est la transformation de l'énergie cinétique en énergie calorifique. Cette chaleur induisant des perturbations sur la qualité du freinage, c'est pourquoi le Frein à disque !!!!

Les freins à disques :

Bien que les freins à disques se fondent sur les mêmes principes de base pour ralentir un véhicule (frottement et chaleur), leur conception est de loin supérieure à celle des freins à tambour. Au lieu de loger les composants principaux dans un tambour en métal, les freins à disque utilisent un rotor mince et un étrier pour stopper le mouvement de roue.

Dans l'étrier se trouvent deux garnitures de frein, une de chaque côté du disque (rotor), qui frottent ensemble lors d'un freinage. Mais à la différence des freins à tambour, qui permettent à la chaleur de s'accumuler à l'intérieur du tambour pendant le freinage, le rotor utilisé dans des freins à disque est entièrement exposé à l'air extérieur. Cette exposition permet le refroidissement constant du rotor, réduisant considérablement sa tendance à surchauffer. De ce fait on peut appliquer une plus grande force de freinage sur un temps plus long. Avec une mise au point assez rapide, et un coût de production correct, le frein à disque en fonte s'est généralisé sur tous les types de véhicule, amenant une plus grande sécurité aux utilisateurs.

Types d'étriers :
Fixe :
2, 4, 6 voire à 8 pistons. L'étrier est fixé solidairement à la fusée, est composé d'une seule pièce. C'est le mouvement des pistons (poussés par le liquide hydraulique), qui permettent aux plaquettes de venir serrer le rotor.
Flottant :
1 ou 2 pistons L'étrier se compose de deux pièces. La chape fixée sur la fusée et la pince articulée sur la chape par l'intermédiaire de colonnettes. Lors d'un freinage, le piston est poussé par le liquide contre la plaquette intérieure et par réaction d'équilibre, la pince coulisse sur les colonnettes et vient à son tour appuyer la plaquette extérieure sur le rotor.

Dans chaque configuration d'étrier, on trouve deux types de disques : Plein ou Ventilé Le disque ventilé comme son nom l'indique permet un meilleur refroidissement et du coup une plus grande endurance. Dans certains cas, la forme des ailettes internes est optimisée pour accroître encore le refroidissement.


ici un disque au banc d'essai à plus de 1000°C

L'évolution vers le disque en céramique est déjà prête, puisque quelques voitures de prestige en sont équipées (Porsche, Mercedes). Cette technologie accrois la résistance à la chaleur, 1400°C pour 900 / 1000°c actuels, reste insensible à la corrosion, de plus le coefficient de frottement reste stable.

(Merci à Michel B.)

A SUIVRE . . .

JSO ... Michel B.  &  Gérard              Retour à Mécanique