Frein

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Un frein est un système permettant de ralentir, voire d'immobiliser, les pièces en mouvement d'une machine ou d'un véhicule en cours de déplacement.

Son fonctionnement repose sur la dissipation de l'énergie cinétique du véhicule (liée à la vitesse et à la masse: E = 1/2 . m V²) en énergie thermique. Le frottement de pièces mobiles (rotors) sur des pièces fixes (stators) est généralement utilisé. Le frein est donc un système de conversion d'énergie cinétique en chaleur. Son efficacité est liée à la capacité de ses constituants d'assurer un frottement suffisamment important, de pouvoir dissiper rapidement la chaleur afin d’éviter la surchauffe de l'ensemble du mécanisme.

Les freins constituent un organe de sécurité important :

  • sur les véhicules, ils permettent de réduire rapidement la vitesse, et de s'arrêter afin d'éviter une collision (freinage d'urgence) entre autres ;
  • sur les machines ayant des pièces en mouvement, la gestion du mouvement est un élément important du travail de la machine, et en cas de défaillance ou d'accident, l'arrêt de la machine est une nécessité absolue.

Histoire[modifier | modifier le code]

Les premières automobiles utilisaient une commande par câble[1] qui présentait l’inconvénient de ne pas pouvoir être très puissante, même en appuyant très fort sur la pédale de frein. Avec le passage a une liaison hydraulique la puissance appliquée a pu être beaucoup plus importante, rendant les freins plus efficaces, mais aussi plus sollicités. Le système a été de nouveau amélioré en remplaçant les tambours par des disques, beaucoup mieux ventilés. Dernièrement, sur les Formule 1, puis sur certaines voitures "haut de gamme", les disques en acier ont été remplacés par de la céramique, voire du carbone résistant beaucoup mieux à la température.

Commande des freins[modifier | modifier le code]

Dans un véhicule, le conducteur exerce un effort sur une commande (pédale dans le cas d'une automobile, levier dans le cas d'un deux roues et dans les anciennes voitures, etc.), et cet effort est transmis au frein. Cette transmission peut se faire :

Dans le cas d'un circuit pneumatique, on peut « inverser » la logique d'effort : sans pression de l'air comprimé dans le circuit, le frein est serré (par un puissant ressort), et la pression sert à écarter les freins. Ainsi, la moindre défaillance du circuit (fuite) provoque un freinage. C'est le principe adopté dans les camions et les trains de nombreux pays : le signal d'alarme provoque une ouverture du circuit et donc un freinage immédiat.

Types de freins[modifier | modifier le code]

Frein moteur 
Pour éviter de trop solliciter les freins (surtout dans les longues descentes, comme en montagne) et en cas de système de freinage défaillant ou de surchauffe, on peut utiliser ce que l'on appelle le frein moteur qui consiste à rétrograder afin de ralentir le véhicule.
Frein à bande 
Frein dans lequel une bande entoure et serre la périphérie d'une pièce cylindrique en rotation. Souvent utilisé pour les trotinettes et les bicyclettes d'entraînement.
Frein à tambour 
Le frein à tambour est constitué d'un cylindre au sein duquel des mâchoires munies de garnitures s'écartent pour réaliser le freinage, et d'un système de compensation d'usure. L'écartement est réalisé grâce à une came. Les mâchoires reviennent en position grâce à un ressort.
Frein à sabot sur un wagon
Frein à sabot ou frein à bloc 
Le frein à sabot est constitué d'une pièce mobile, le sabot, qui vient s'appliquer sur la roue ou un dispositif qui en est solidaire. Il est encore employé, notamment dans les transports ferroviaires.
Système de frein à disque sur une Porsche Cayenne
Frein à disque 
Les freins à disque, initialement utilisés dans l'aviation, font leur apparition en 1953 aux 24 Heures du Mans sur une Jaguar type C. Celle-ci ayant remporté l'épreuve, attire tout particulièrement l'attention sur cette solution hardie. Deux ans plus tard, en octobre 1955, Citroën équipe sa DS19 de freins à disque à l'avant. Les autres voitures européennes de sport et de luxe ne tardent pas à emboîter le pas. Les systèmes se multiplient (Girlin, Dunlop, Bendix, etc..) et la généralisation est maintenant quasi-totale.
Frein de stationnement 
Frein de stationnement communément appelé « frein à main », frein à vis.

ABS[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Système anti-blocage des roues.

« ABS », dispositif de frein anti-blocage, vient de l'allemand « Antiblockiersystem ». Le principe de fonctionnement est simple : un calculateur électronique gère un bloc d'électrovannes sur le circuit de freinage et surveille individuellement la rotation de chacune des roues à l'aide d'un capteur implanté sur chacune d'elles. Si le calculateur détecte le blocage (ralentissement significatif par rapport aux autres roues) d'une roue, le frein de celle-ci est relâché immédiatement (sans que le conducteur n'ait à modifier son action sur la pédale de frein). Le calculateur va permettre la pression de freinage la plus forte possible tout en évitant un blocage des roues.

Le but principal de l'ABS est de permettre de garder le véhicule manœuvrable lors d'un freinage d'urgence et non de réduire la distance de freinage.

L'efficacité de l'ABS sur les distances de freinage dépend de beaucoup de facteurs comme le poids du véhicule, sa vitesse, ses pneus, la surface de la route, la quantité d'eau présente sur celle-ci, etc. C'est pourquoi il serait faux de dire que l'ABS réduit les distances de freinage, tout comme il serait faux de dire qu'il ne les réduit pas. Généralement, l'ABS diminue très peu les distances de freinage sur bitume sec, légèrement sur bitume humide ou mouillé et les augmente sur graviers ou sur neige[2]. En effet sur ces surfaces meubles un blocage des roues peut aider à la formation d'un monticule au-devant des pneus, permettant ainsi un freinage plus court qu'avec l'ABS. Cependant, certains ABS modernes[3] prennent en compte ce genre de particularité.

Frein de bicyclette[modifier | modifier le code]

Frein de bicyclette
Article détaillé : Système de freinage (bicyclette).
  • Frein à mors, transmission par câble
  • Rétropédalage
  • Frein à disque hydraulique et mécanique
  • Frein à tambour
  • Frein sur jante

Frein rhéostatique[modifier | modifier le code]

Le freinage électrique permet de modifier le mode de fonctionnement des moteurs de traction d'un train en leur faisant jouer le rôle de générateurs pour produire de l'énergie électrique. L'énergie cinétique, liée à la masse en déplacement, est convertie en énergie électrique que l'on envoie vers des résistances qui la dissipent sous forme de chaleur (frein rhéostatique) ou réinjectée dans la source d'alimentation — caténaire... (frein par récupération).

Frein à courants de Foucault[modifier | modifier le code]

Type de frein utilisé notamment sur les camions et autocars, appelé aussi ralentisseur. Ce système n'est pas considéré comme un frein à proprement parler mais comme un ralentisseur.

Frein magnétique[modifier | modifier le code]

Frein magnétique en position normale
Frein magnétique appliqué

Le frein magnétique est employé dans la technologie ferroviaire pour accroître l'effort de freinage. Il est utilisé en complément du freinage pneumatique et, dans certains cas, en complément du freinage dit « électrique » comme par exemple sur les MI 2N (matériel RATP de la ligne A et SNCF sur la ligne E du RER)

Ce système n'est utilisé que pour les freinages dit d'« urgence » (en cas d'incident et non pas pour un arrêt normal comme l'arrêt en gare, ...) car il est nécessaire d'arrêter le train sur une distance la plus courte possible. À titre d'exemple un train de banlieue avec une Z 20500 il faut environ 800 mètres pour obtenir l'arrêt pour une rame qui circule à 140 km/h, contre environ 500 m pour une rame MI2N circulant à la même vitesse.

Le système des freins magnétiques est apparu en France à partir de 1969 sur les voitures « grand confort » premières voitures à circuler à 200 km/h sur le Capitole puis sur les rames RTG en 1972. Ce système fut ensuite mis de côté jusque dans les années 1990 où il est réapparu sur les rames MI2N, X73500, etc.. Et très bientôt sur les rames POS du TGV Est Européen qui feront la liaison France/Allemagne[réf. nécessaire].

Principe de fonctionnement :

Les freins magnétiques se composent d'un ensemble (vérins plus patins) fixé sur le châssis du bogie. Lors d'un freinage d'urgence, les patins descendent contre le rail grâce aux vérins. Ensuite, un champ magnétique est créé pour plaquer les patins sur le rail, ce qui permet de créer un effort de freinage supplémentaire en complément des freins à disque, à semelle et voire électrique sur certaines rames.

Le principal avantage de ce système est qu'il offre un effort de freinage constant puisque dans le cas d'un freinage par disque, si l'effort de pression exercé sur les disques est trop important il y a risque d'enrayage (blocage de l'essieu qui glissera sur le rail) et donc un risque d'allongement significatif de la distance d'arrêt. Ce risque est important en cas de pluie, ce qui est préjudiciable pour la sécurité des circulations qui est la base des règlements ferroviaires.

Freinage des aéronefs[modifier | modifier le code]

Le freinage des aéronefs est assez similaire à celui des automobiles mais avec la nécessité d’arrêter une masse importante le plus rapidement possible, ce qui explique que l'aviation a été le premier utilisateur des "nouvelles technologies" (freins à disque, frein carbone , etc.).

Au sol[modifier | modifier le code]

Frein d'Airbus A330 A340 vu du dessus (Musée du Bourget)
Un F-4 Phantom II utilisant son parachute de freinage.

En plus du freinage conventionnel au moyen de freins placés sur les roues, un aéronef peut également être freiné à l'aide de différents dispositifs permettant soit de raccourcir la distance de freinage soit de moins solliciter (et donc user) les freins de roues :

Dans le cas des avions militaires, un dispositif de secours permet d'arrêter en bout de piste un avion qui n'aurait pas pu freiner à temps par ses propres moyens. Deux possibilités existent :

  • un grand filet qui se lève en travers de la piste, dans lequel vient se jeter l'avion
  • utilisation d'une crosse d'appontage et de l'un des brin d'arrêt comme pour l'appontage (voir ci-dessous)

Freinage lors d'un appontage[modifier | modifier le code]

Un F/A-18 Hornet vient d'accrocher un brin avec sa crosse d'appontage. La postcombustion est encore activée.

Lorsqu'un avion se pose sur un porte-avions, il est le plus souvent freiné par l'utilisation combinée d'une crosse d'appontage et de brins d'arrêt :

  • l'avion se présente pour l'appontage avec la crosse abaissée ;
  • après le toucher des roues, la crosse agrippe naturellement l'un des brins disposés en travers du pont ;
  • le système associé au brin ralenti rapidement l'avion et l'arrête sur quelques dizaines de mètres.

Au cas où la crosse aurait raté tous les brins, l'avion n'a d'autre solution que de redécoller aussitôt sur sa lancée et de refaire une nouvelle tentative. Pour cette raison, la puissance moteur maximale est enclenchée dès le toucher des roues. Enfin un grand filet peut aussi être déployé en travers du pont, afin de permettre à l'avion d'apponter même si l'avion n'est plus en mesure d'attraper un brin d'arrêt (crosse cassée, panne, etc.). Cette méthode est cependant utilisée en dernier recours, en effet le filet risque d'endommager certaines parties de la structure de l'avion lors de son arrêt.

Lors d'un appontage sur le porte-avions Charles de Gaulle, le pilote d'un Rafale dispose de 90 mètres pour passer de 220 km/h à zéro, encaissant une décélération de choc dans une manœuvre qu'il doit réussir en 1,5 secondes. Cela représente en gros une force de décélération de 40 m/s2, soit environ g.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. encore utilisée de nos jours sur la plupart des vélos et cyclomoteurs
  2. (en) Effectiveness of ABS and Vehicle Stability Control Systems - Royal Automobile Club of Victoria (RACV), avril 2004 [PDF]
  3. Bosch présente la nouvelle génération de son système d’antiblocage des freins ABS, moins encombrante et plus silencieuse - Communiqué de presse Bosch, février 2006 [PDF]

Annexes[modifier | modifier le code]

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Article connexe[modifier | modifier le code]