Frein à 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, trainetc. et pour diverses machines réclamant des freins performants et endurants.

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

Principe et fonctionnement[modifier | modifier le code]

Le frein à disque est un système utilisant un disque fixé sur le moyeu 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 hydraulique (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 mais aussi de la chaleur qui doit être évacuée le plus rapidement possible pour éviter une déformation (voire une destruction) du disque.

Schéma du fonctionnement des freins à disque à étrier flottant

Étrier fixe ou flottant[modifier | modifier le code]

Montage radial : étrier fixe à 4 pistons opposés
Étrier flottant (ou coulissant) à deux pistons juxtaposés

Afin d'assurer la pression des plaquettes sur les deux faces du disque, trois concepts de freins existent :

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 coûteuse, notamment à cause de l'étanchéité à réaliser entre les deux chambres hydrauliques qui alimentent les pistons de part et d'autre du disque.
Frein 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.
Frein à étrier pivotant 
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[modifier | modifier le code]

Par rapport au frein à tambour, le frein à disque a l'avantage d'être plus progressif car il n'est pas « autoserrant », mais il nécessite une plus grande pression pour être efficace. La pression que le conducteur exerce sur la pédale de frein est transmise par un système hydraulique très souvent assisté[N 1], pour réduire la pression que le conducteur exerce sur la pédale, afin d'améliorer son confort. Par contre la commande du frein à main est encore souvent mécanique.

Résistance à la chaleur[modifier | modifier le code]

L’énergie à dissiper lors du freinage étant transformée en chaleur dans le disque, il existe deux possibilités pour améliorer l'endurance des freins à disque  :

refroidissement 
En utilisant un disque évidé, l'air peut circuler au sein du disque et le ventiler de l'intérieur afin qu'il refroidisse plus efficacement[N 2] ;
céramique 
Par rapport à l'acier, la céramique résiste beaucoup mieux à l'échauffement et permet donc un freinage performant et endurant ;

Sensibilité à l'eau[modifier | modifier le code]

Habituellement, le frein à disque fonctionne à l'air libre, ce qui lui permet d'évacuer la chaleur 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[modifier | modifier le code]

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, bonne efficacité, le plus utilisé)
  • Carbone (cher, extrêmement léger, très endurant, efficace essentiellement à hautes températures, réservé à la compétition ou aux avions)
  • Céramique (cher, relativement léger, très endurant, efficace même à basses températures contrairement aux disques carbone, insensible à l'humidité, utilisé sur des véhicules de 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 côté 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 ratio diamètre/masse en mouvement augmente. En d'autres termes, l'agilité diminue.

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, comme 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[modifier | modifier le code]

Disque de frein d'un camion (arrière)

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.

Moto[modifier | modifier le code]

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). Aujourd'hui les motos de compétition sont équipées de frein en carbone ou en céramique[1].

Automobile[modifier | modifier le code]

Dans le domaine automobile, on doit à Jaguar, le développement dans les années 1950 du frein à disque pour son type C, en collaboration avec les ingénieurs de Dunlop. Cette véritable nouveauté allait d'ailleurs constituer l'arme secrète de Jaguar lors de son retour sur le circuit des 24 Heures du Mans en 1953.

Les freins à disque ont ensuite 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 France, la première voiture à adopter les freins à disques à l'avant, de série, fut la Citroën DS en 1955. La première voiture équipée de freins à disque sur les quatre roues fut la Renault Dauphine, dans les années 1960.

En 2003, Mercedes-Benz innove en proposant des disques de frein en céramique sur un de ses modèles[2].

En 2005, seules les petites automobiles utilisent encore les freins à tambours sur l'essieu arrière.

Aviation[modifier | modifier le code]

En aviation, ce type de frein étant plus léger, plus facile d'entretien que les autres systèmes et les coûts étant "accessoires" dans ce domaine, il est utilisé depuis très longtemps.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Aujourd'hui, la commande en est rarement mécanique, car il est malcommode d'obtenir une démultiplication suffisante par un système de leviers
  2. un disque surchauffé risque de se déformer et de perdre ses qualité de freinage

Références[modifier | modifier le code]

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]