Frein a disque

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Frein à disque carbone-carbone sur Airbus A330/A340

Le frein à disque est un système de freinage performant pour les véhicules munis de roues en contact avec le sol : automobile, avion, train, etc. et pour diverses machines.

Ce système transforme l'énergie cinétique du véhicule en chaleur.

Principe et fonctionnement

Le frein à disque est un système utilisant un disque fixé sur le moyeux de la roue et des plaquettes venant frotter de chaque côté du disque. Les plaquettes sont maintenues dans un étrier (frein fixe) ou une chape (frein coulissant) fixés au véhicule. Un ou plusieurs mécanismes poussent sur les plaquettes, en général un ou plusieurs pistons soumis à une pression hydrauliques (véhicules de tourismes, commerciaux, poids lourds) ou à un mécanisme lui-même actionné par un actionneur pneumatique (frein de semi-remorque). L'effort ainsi généré provoque le serrage puis le frottement des plaquettes sur le disque. La force de frottement entre les plaquettes et le disque crée le couple de freinage.

Étrier fixe ou flottant

Afin d'assurer la pression des plaquettes sur les deux faces du disque, deux concepts de freins sont communément utilisés :

- le frein (ou étrier) fixe : les plaquettes sont poussées contre le disque par l'intermédiaire d'un ou plusieurs pistons situés de chaque côté du disque et dédiés à chaque plaquette. Ce concept est en général utilisé sur des voitures performantes car sa fabrication est couteuse, notamment à cause de l'étanchéité à réaliser entre les deux chambres hydraulique qui alimentent les pistons de part et d'autre du disque.

- Le frein à disque à étrier flottant ou coulissant : seule la plaquette intérieure est poussée contre le disque par un ou plusieurs pistons. La pression de la plaquette extérieure contre le disque est réalisée par l'intermédiaire de l'étrier monté sur un système coulissant dans la chape (pièce de fonderie supportant les plaquettes et fixant le frein complet sur le véhicule). C'est le concept le plus répandu.

Dans les années 1960 à 1970, Honda utilisa sur ses motos un montage à étrier pivotant. Ce montage a l'inconvénient d'user les plaquettes de travers, ce qui induit une efficacité variable au fur et à mesure de l'usure des plaquettes.

Avantages/Inconvénients

Par rapport au frein à tambour, le frein à disque a l'avantage d'être plus progressif car il n'est pas autoserrant. En revanche, il nécessite une plus grande pression pour être efficace, la pression du conducteur est transmise par un système hydraulique bien souvent assisté (c'est pourquoi la commande en est rarement mécanique, car il est malcommode d'obtenir une démultiplication suffisante par un système de leviers).

Sensibilité à l'eau

Le disque est perforé, l'étrier est à double piston. La commande est hydraulique.

Habituellement, le frein à disque fonctionne à l'air libre, ce qui lui permet d'évacuer les calories du freinage par ses deux faces. En revanche, cela l'expose aux projections d'eau, ce qui provoque un retard au freinage lorsqu'il est mouillé (nécessité de le sécher en quelques tours avant de récupérer le mordant). Pour contrer cet ennui, il est d'usage de perforer les disques des motos de nombreux trous destinés à rompre le film liquide.

Technique et Technologie

Disque ventilé en acier.

Toutes sortes de matériaux peuvent être utilisés.

Pour les disques :

• Acier inoxydable (assez cher, peu accrocheur)
• Fonte (le plus économique, rouille facilement, le plus lourd, le plus utilisé)
• Carbone (cher, extrêmement léger, très endurant, efficace essentiellement à haute température, réservé à la compétition ou sur des véhicules de sport de très haut de gamme)

Les plaquettes sont généralement formées d'un support en acier, assurant la fixation dans les étriers, sur lequel est fixé par collage un patin en matériau composite, s'usant progressivement au cours de l'usage. La composition du patin varie suivant le matériau du disque et suivant les fabricants. L'amiante a été longtemps utilisée dans la composition de ces patins et elle y est désormais interdite.

De nombreux modèles de motos sont munis de deux disques sur la roue avant, pour mieux répartir la force de chaque coté de la fourche afin d'éviter qu'elle ne se vrille, ce qui nuirait à la tenue de route.

Frein de moto Buell : le disque est fixé à la jante et l'étrier (à triple piston) est à l'intérieur

Le diamètre des disques est un facteur important en compétition. L'effet gyroscopique augmente lorsque le diamètre/la masse en mouvement augmente. En d'autres termes, l'agilité diminue. Par conséquent, nous ne verrons jamais le genre de disque que propose Buell sur certains de ses modèles.

Le système de commande peut être indépendant pour les différents disques ou être couplé avant-arrière par un répartiteur (cas général des voitures et du freinage intégral de certaines motos (Moto Guzzi, Honda CBR1000F)).

Afin d'éviter le blocage en cas d'adhérence réduite, le frein à disque se prête bien à l'ajout d'un ABS. Le système relâche brièvement le freinage lorsqu'il détecte une décélération anormale de la roue.

Historique

Le frein à disque est à peu près aussi ancien que les véhicules à roues motorisés. Il est d'ailleurs très proche du frein à patin des vélos. Seul le manque de fiabilité dû aux fortes contraintes imposées aux matériaux du système a freiné son utilisation massive.

Sur les motocyclettes, son utilisation a été rare jusqu'à la Honda CB 750 Four de 1969, qui a imposé le disque à commande hydraulique. Ce même type de freinage a rapidement été repris sur les machines de compétition. Il s'est perfectionné en se perforant et en devenant double (à l'avant).

Dans le domaine automobile, les freins à disques ont commencé à se généraliser dans les années 60 sur les véhicules haut de gamme, avant de s'étendre à tous les véhicules sur le train avant. En 2005, seules les petites automobiles utilisent encore les frein à tambours sur l'essieu arrière.

La première voiture à adopter les freins à disques à l'avant de série fut la Citroën DS en 1955.

En aviation, ce type de frein, plus léger, plus facile d'entretien que les autres systèmes, dans un domaine où les coûts sont accessoires, est utilisé depuis plus longtemps.

En 2003, Mercedes Benz innove en proposant des disques de freins en céramique.

Voir aussi

• Le Wikilivre de tribologie et en particulier le paragraphe consacré aux recherches actuelles en matière de freinage.
• Automobile
• Motocyclette
• Avion
• Tribologie

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