Frein

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Un frein est un système permettant de ralentir, voire d'immobiliser, les pièces d'une machine ou d'un véhicule. Dans le cas de mouvements la plupart des types de freins transforment l’énergie cinétique en énergie thermique par friction de pièces mobiles sur des pièces fixes, éléments qu'il faut refroidir. D'autres systèmes convertissent l’énergie cinétique en une autre énergie (par exemple électrique ou pneumatique), appelé freinage régénératif sur véhicule électrique. Enfin les freins à courant de Foucault servent à ralentir des pièces métalliques sans aucune friction.

Histoire[modifier | modifier le code]

Depuis l'invention de la roue, la problématique de l'immobilisation de celle-ci, dans certaines circonstances, s'est posé. Sur les véhicules à traction animale le frein consistait en un patin ou sabot actionné par un levier, frottant sur la circonférence de la roue. Système efficace seulement lorsque la roue était propre et sèche. Pour l'immobilisation on plaçait une cale devant la roue.

Les premières automobiles utilisaient toujours ce système de sabot, avec une commande par levier ou pédale à transmission directe ou par câble. Il présentait l’inconvénient de ne pas pouvoir être très puissant, même en appuyant très fort sur la pédale et d'être très sensible à l'encrassement, poussières, boue, graviers[a].

Les freins à tambours furent inventés dans les années 1900, améliorant notoirement le freinage des automobiles de l'époque, au début la commande était encore à câbles.

Le premier frein à commande hydraulique est inventé par l'Américain Malcolm Lockheed (frère d'Allan, tous deux cofondateurs de Lockheed) en 1919, ce dernier fonde la Lockheed Hydraulic Brake Company à Detroit et les véhicules Chrysler seront les premiers équipés en 1924[1]. La Lockheed Hydraulic Brake Company deviendra Bendix en 1932[1]. Avec le passage à une liaison hydraulique, la force appliquée a pu être beaucoup plus importante, rendant les freins plus efficaces, mais aussi plus sollicités.

Dans les années 1950, les freins à disque commencent à remplacer les tambours sur des véhicules de série[2].

En 1978, l'Allemand Bosch commercialise son ABS électronique, un système anti-blocage des roues sur lequel la firme avait commencé à travailler dès 1936[3]. Il équipe désormais toutes les automobiles en Europe depuis 2004[4].

Depuis le début des années 2000, sur certaines voitures de sport « haut de gamme », les disques en acier ont été remplacés par de la céramique[5], voire du carbone sur certaines voitures de course comme les Formule 1[6] (ces derniers nécessitant une température de 250 à 300 °C minimum pour fonctionner[7]). Le carbone est aussi utilisé en freinage aéronautique[8]

Commande des freins[modifier | modifier le code]

Article détaillé : circuit de freinage.

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 de différentes manières :

Dans le cas d'un circuit pneumatique, pour des raisons de sécurité, on « inverse » 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 remorques tractée, les camions et les trains de nombreux pays : le déclenchement du signal d'alarme provoque une ouverture du circuit ce qui génère un freinage immédiat de l'ensemble de la rame.

Description frein à friction[modifier | modifier le code]

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Son principe repose sur la conversion de l'énergie cinétique du véhicule ou des pièces à freiner (liée à la vitesse et à la masse) en énergie thermique. L’énergie à évacuer répond à l'équation :

Le frottement de pièces mobiles (rotors) sur des pièces fixes (stators) est généralement utilisé. L'efficacité des freins à friction est liée à la capacité de ses constituants d'assurer un frottement suffisamment important, tout en dissipant rapidement la chaleur afin d’éviter la surchauffe de l'ensemble du mécanisme, surchauffe rendant inopérant le freinage. (cf.les accidents de la « rampe de Laffrey »).

Les freins constituent un organe de sécurité indispensable:

  • sur les véhicules, ils permettent faire diminuer rapidement la vitesse de déplacement, particulièrement en situation d'urgence, tout comme il permettent aussi d'immobiliser le véhicule;
  • 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.

Différents systèmes de freinage[modifier | modifier le code]

Frein à sabot sur un wagon.
Système de frein à disque sur une Porsche Cayenne (avec étrier rouge et disque).
Frein à bande 
Une bande plus ou moins tendue, entoure et frotte sur la périphérie d'une pièce cylindrique en rotation. Souvent utilisé pour les trottinettes et les cycles d'entraînement.
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 (frein automatique).
Frein à tambour 
Le frein à tambour est constitué d'un cylindre à l'intérieur duquel des mâchoires munies de garnitures s'écartent pour réaliser le freinage. L'écartement est réalisé grâce à une came et ou des pistons, un système de compensation d'usure est intégré. Les mâchoires reviennent en position de repos grâce à un ressort.
Frein à disque 
Les freins à disque, initialement utilisés dans l'aviation, font leur apparition sur automobile 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 DS 19 de freins à disque à l'avant. Les autres voitures européennes de sport et de luxe ne tardent pas à emboîter le pas. Les fabriquants se multiplient (Girling, Dunlop, Bendix, etc.), la généralisation est maintenant quasi totale pour les automobiles et motocyclettes.
Frein de stationnement 
Frein de stationnement communément appelé « frein à main » offre une commande différente des freins habituels, mais utilise souvent les mêmes organes de freinage sur les automobiles, en 2019 le frein de parking des automobiles est souvent à commande électrique.
Frein moteur 
Afin d'éviter de trop solliciter les freins à friction (surtout dans les longues descentes, comme en montagne) et, en cas de système de freinage défaillant ou de surchauffe, on utilise le moteur de traction en frein moteur, technique qui consiste à utiliser la résistance du moteur lorsqu'il n'est plus alimenté en carburant afin de ralentir le véhicule.

Aide électronique au freinage 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 fonctionnement du système se traduit par une vibration dans la pédale de frein.

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.

Frein de bicyclette[modifier | modifier le code]

Frein de bicyclette.
Article détaillé : Système de freinage (bicyclette).

Freins électriques[modifier | modifier le code]

Frein machines électriques[modifier | modifier le code]

Le freinage électrique permet de modifier le mode de fonctionnement des machines électriques en leur faisant jouer le rôle de générateurs pour produire de l'énergie électrique. L'énergie cinétique ou potentielle, 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 — par exemple caténaire dans le cas des moteurs de traction d'un train — (freinage par récupération).

Sur les automobiles hybrides électriques et automobiles électriques le freinage régénératif permet de recharger les batteries de traction lors des ralentissements. L'énergie récupérée est utilisée par la suite pour la traction, ce qui permet de substantielles économies d'énergie, améliorant aussi nettement le bilan pollution.

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 car il est d'autant plus efficace que la vitesse est élevée; il ne permet pas l’arrêt complet rapidement. Il utilise les courants de Foucault générés dans une masse métallique conductrice de l'électricité qui convertissent l’énergie mécanique en chaleur, (comme un générateur électrique en court-circuit). Ces freins ont donc besoin d’être soigneusement refroidis pour éviter tout problème de déformation du métal lié à la chaleur.

Frein électro-magnétique[modifier | modifier le code]

Frein magnétique d'une automotrice AM96 en position normale.
Frein magnétique appliqué.

Le frein électro-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 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 dits « d'urgence » (en cas d'incident et non pas pour un arrêt normal comme l'arrêt en gare), quand il est nécessaire d'arrêter le train sur la distance la plus courte possible. À titre d'exemple, pour une rame de banlieue Z 20500 circulant à 140 km/h, il faut environ 800 mètres pour obtenir l'arrêt, 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 à turbine à gaz en 1972. Ce système fut ensuite abandonné jusque dans les années 1990, où il est réapparu sur les rames MI2N, X 73500etc. Il devrait aussi être utilisé sur les rames POS du TGV Est Européen qui feront la liaison France/Allemagne, car il est obligatoire dans ce dernier pays — alors qu'il est jugé trop agressif pour le rail sur le réseau ferré national français, sauf pour le matériel commun avec la RATP[pourquoi ?].

Principe de fonctionnement[modifier | modifier le code]

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

Le principal avantage de ce système est d'offrir un effort de freinage constant : 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 avec endommagement de la surface de contact des roues. Ce risque est important en cas de pluie ou de feuilles tombées sur le rail, 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[8]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 des freins des roues (généralement multidisques comme certains embrayages), 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 :

  • parachute de freinage, disposé souvent à l'arrière du fuselage au pied de la dérive, et s'ouvrant au moment de l'atterrissage ;
  • aérofreins (également utilisés pour le freinage aérodynamique en vol) ;
  • système d'inversion de poussée.

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 brins 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 3 brins disposés en travers du pont ;
  • un système de freinage situé à chaque extrémité du brin ralentit 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 du fait des forces qui vont s'exercer sur le fuselage et les ailes.

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, soit une décélération dans une manœuvre qui dure environ 1,5 seconde. Cela représente en gros une décélération de 40 m/s2, soit environ 4 g.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Encore utilisée de nos jours sur la plupart des bicyclettes.

Références[modifier | modifier le code]

  1. a et b (en) Allan Haines Lockheed - Delta Mike Airfield, Inc., 16 juin 2007
  2. Le freinage - Team JSO
  3. L'ABS a 30 ans : Bosch est à l'origine d'une évolution perpétuelle - Bosch InfoTech, février/mars 2008
  4. ABS - Définition, securite-routiere-az.fr, consulté le 11 août 2019
  5. Freinage : la céramique plutôt que le carbone - L'Argus, 14 septembre 2000
  6. F1 Technique: Les secrets des freins au carbone de Formule 1 - René Fagnan, Auto123.com, 9 janvier 2014
  7. Brembo nous dévoile les secrets du freinage en F1 - Matthieu Piccon, BusinessF1, 4 septembre 2014
  8. a et b Capitale des freins au carbone - Thierry Vigoureux, Le Point, 28 mars 2013

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]