Sur une voiture, la puissance, le couple et la maniabilité sont des éléments indispensables pour définir ses caractéristiques, qu’elles soient sportives ou axées sur le confort. Pour pouvoir gérer cet ensemble, il est important de disposer d’un élément grâce auquel il est possible de maîtriser la dynamique du véhicule en fonction des conditions du parcours et des exigences du pilote. C’est le frein qui permet au conducteur de régler la vitesse et le transfert de charge de la voiture. D’importants travaux de recherche et de développement ont été menés pour concevoir des freins toujours plus performants. De nos jours, les freins peuvent être classés en deux groupes :
- Frein à tambour
- Frein à disque
Frein à tambour
Le frein à tambour est le premier frein adopté par les voitures, avant que les vitesses atteintes par celles-ci n’exigent le développement et l’adoption des freins à disque. En se référant à l’image de gauche, le principe de fonctionnement de ce type de frein repose sur l’actionnement de mâchoires (6) sur un tambour tournant, solidaire du moyeu (7). Les mâchoires sont actionnées, en pivotant autour des charnières (4) contre le tambour, par l’intermédiaire du cylindre récepteur (1). Sur les surfaces des mâchoires tournées vers le tambour sont appliquées des garnitures de friction qui permettent le ralentissement du tambour lui-même. Étant donné que le fonctionnement par frottement entre les mâchoires et le tambour entraîne l’usure des deux composants, avec pour conséquence une augmentation de la course du cylindre et donc de la pédale de frein, il convient de régler la position des mâchoires lorsqu’elles sont inactives au moyen de cames (9). Une fois la phase de freinage terminée, les mâchoires reviennent à leur position de départ grâce aux ressorts de rappel (5). L’actionneur, représenté en coupe à droite, est constitué de deux pistons (2) poussés contre les mâchoires grâce à la pression exercée par l’huile entrant par l’orifice (3) et sortant par l’orifice fileté (8). En cas de présence d’air dans l’huile, celui-ci s’évacue par la vis de purge (7). Le ressort (6) permet aux pistons de rester toujours en contact avec les mâchoires et d’éliminer les jeux. (Ci-dessous, un frein à tambour et les coupes de son cylindre récepteur)
Pour quelle raison les freins à tambour ont-ils été supplantés par les freins à disque ? Freiner une voiture lancée à grande vitesse signifie dissiper son énergie cinétique en chaleur par frottement. Plus la voiture est rapide, plus les températures atteintes par le frein sont élevées. Si le frein n’est pas correctement refroidi, comme c’est le cas du frein à tambour, la chaleur est transmise au liquide de frein, provoquant le phénomène de fading. Le fading est un phénomène au cours duquel une partie du liquide de frein s’évapore en raison des hautes températures. À cause de cette évaporation, la quantité de liquide diminue et, par conséquent, la pression transmissible aux organes de frein également. La réduction de pression peut être telle que la course entière de la pédale de frein ne suffise plus à l’arrêt total du véhicule. De nos jours, ils ne sont employés que pour les roues arrière, moins sollicitées lors d’un freinage, et parce qu’ils s’intègrent bien au système de frein de stationnement, ou frein à main.
Frein à disque
Avec l’augmentation des performances des voitures, le développement et l’adoption du frein à disque sont devenus nécessaires : un composant capable de se refroidir pour éviter le phénomène de fading et d’exercer une force de freinage à la hauteur des vitesses élevées atteintes. Le frein à disque est constitué en général d’un disque solidaire de la roue, caractérisé par des trous sur les surfaces de freinage et par des canalisations à l’intérieur du disque destinées à faire circuler l’air pour refroidir le disque. Les trous sur les surfaces de freinage ont également pour but d’accroître le frottement entre le disque et les plaquettes, augmentant ainsi le pouvoir de freinage. Les plaquettes sont des garnitures à coefficient de frottement élevé, qui agissent sur le disque au moyen d’un ou plusieurs pistons hydrauliques et sont supportées par des étriers prévus à cet effet. Selon la manière dont l’étrier est monté, on peut distinguer deux types de freins à disque :
- À étrier fixe.
- À étrier flottant.
(Ci-dessous, un frein à disque à étrier fixe et un frein à disque à étrier flottant)
Dans le frein à étrier fixe, les plaquettes pressent contre le disque de frein au moyen de paires de pistons opposés l’un à l’autre. Les pistons, commandés par un même circuit hydraulique, sont indépendants les uns des autres. Dans le frein à étrier flottant, les pistons (4) se trouvent uniquement d’un côté de l’étrier. À l’activation du frein, une partie de l’huile pousse sur les pistons et une autre partie, étant incompressible, pousse sur le corps de l’étrier (1) qui, aidé par les glissières (7), presse sur l’autre côté du disque. Dans les deux cas, le piston revient à sa position de repos grâce à des joints élastiques (3), précontraints radialement. L’étrier flottant présente, par rapport à l’étrier fixe, l’avantage de garantir un moindre encombrement axial et il est économique, car sa construction requiert un nombre inférieur de composants. Il a toutefois l’inconvénient de ne pas garantir la même prise de freinage des deux côtés du disque si les glissières ne sont pas bien protégées de la saleté et de la corrosion, au point de rendre difficile ou d’empêcher le mouvement du corps de l’étrier.
Sur les freins à disque, le choix des matériaux pour le disque et pour les plaquettes est important. Pour le disque, on adopte généralement la fonte grise, car elle garantit en règle générale une bonne résistance mécanique et une bonne capacité de dissipation de la chaleur. Pour des performances plus durables, on peut envisager l’acier galvanisé ou bien l’acier inoxydable, qui garantit une pleine efficacité dès les premiers freinages. Pour les voitures sportives, on utilise des disques céramiques ou carbo-céramiques, coûteux, mais qui réduisent davantage la possibilité de l’effet fading, sont plus résistants, plus légers et ont un coefficient de frottement plus élevé que l’acier. En compétition, on emploie les disques en carbone car, outre leur légèreté, leur coefficient de frottement augmente avec la température, contrairement à l’acier. Les matériaux des plaquettes se répartissent en deux groupes : organiques et frittés. Le premier est composé d’une résine organique comme liant et d’une partie fibreuse comme renfort, et peut être accompagné de modificateurs de frottement d’origine métallique ou oxydée. Le second est caractérisé par des poudres métalliques compactées ensemble grâce à des procédés à haute température et haute pression. Par rapport au matériau organique, il garantit un pouvoir de freinage élevé dès la première utilisation, sans devoir stabiliser la plaquette par un rodage, ainsi qu’une plus grande longévité.
Testo: Riccardo Casini
Foto: © Car-Shooters, Disegni: “L’Autotelaio-Progetto dei componenti”, di Giancarlo Genta e Lorenzo Morello, Ed. ATA