Frein à disque

Frein à disque carbone-carbone sur Airbus A330/A340. On distingue nettement les pistons sur la droite, qui doivent presser un empilement de plusieurs disques et plateaux de friction.

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.

Les avions actuels emploient les freins à disques sous une forme légèrement différente de ceux équipant habituellement les voitures. Le système est en effet constitué d'un empilement « en sandwich » de plusieurs disques, alternés chacun successivement avec un plateau de friction. Les disques sont dotés de cannelures, sur lesquelles sont emboîtées les jantes des roues de l'appareil, alors que les plateaux de friction coulissants sont fixés sur le moyeu de la jambe de train d'atterrissage. Au bout de l'empilement, plusieurs pistons (plus d'une dizaine) sont chargés de presser très fort sur cet assemblage pour faire ralentir puis stopper un appareil à l'atterrissage.

De par sa forme, cet assemblage de plateaux empilés pourrait ressembler de loin à un embrayage automobile.

Frein de Mercedes SLR 722 GT (2008)

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 sur les véhicules haut de gamme, avant de s'étendre à tous les véhicules sur le train avant.

La première voiture à adopter les freins à disques à l'avant, de série, fut la Citroën DS en 1955[10] 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 renforcés de fibres de céramique sur un de ses modèles, la SLR[11].

Depuis 2014, surtout les petites automobiles légères utilisent encore des freins à tambour sur l'essieu arrière (ex: Smart Forfour II ou Renault Twingo III)

Vue détaillée du moyeu arrière d'un VTT Santa Cruz Tallboy, avec son disque de Ø160 mm.

Motos

Sur les motocyclettes, son utilisation a été rare jusqu'à la Honda CB 750 Four de 1969, qui a imposé le frein à disque à commande hydraulique. Ce type de freinage s'est rapidement généralisé sur les machines de compétition. Il s'est perfectionné en ajoutant des perforations, ou des rainures, dans le disque[12] et en devenant double (à l'avant).

En 2014, les motos de compétition sont équipées de freins en carbone ou en céramique[13].

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. Le diamètre des disques est un facteur important, entre autres, en compétition, mais l'effet gyroscopique créé augmente lorsque le ratio diamètre/masse en mouvement augmente, ce qui réduit l'agilité.

Vélos

Actuellement, de nombreux VTT et bicyclettes sont dotés de freins à disque. Cette caractéristique était au départ essentiellement représentative des vélos tout-terrain de compétition, comme les VTT de descente, mais elle tend à devenir accessible à tout le monde, même sur des vélos à moindre coût vendus en grandes surfaces.

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, permettant d'appliquer une grande force de freinage, 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. Ce système permet, sur les véhicules sportifs, d'obtenir des montages à 4, 6, voire 8 pistons.

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. Bien que plus simple de conception, il est moins bien adapté aux véhicules lourds ou rapides que le modèle à étrier fixe. De plus, l'usure des plaquettes est fréquemment asymétrique, la plaquette extérieure (qui n'est pas directement poussée par le piston) ayant tendance à s'user moins vite que l'autre.

Frein à étrier pivotant

Dans les années 1960 à 1970, Honda utilise, 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.

Les étriers peuvent être construits à l'aide de deux pièces, gauche et droite, assemblées par des vis, ou bien, dans le cas des étriers monoblocs, constitués d'une seule pièce usinée. Les étriers monoblocs sont plus résistants aux déformations et échauffements.

La fixation de l'étrier sur la fourche d'une moto peut se faire de deux manières, comme on le voit sur les images ci-dessus :

Fixation axiale

Fixation axiale

L'étrier est maintenu principalement par l'une de ses extrémités, vissée sur une patte, elle-même fixée sur la fourche.

Fixation radiale

Fixation radiale

L'étrier est maintenu par ses deux extrémités, à l'aide d'une monture à deux pattes fixée sur la fourche. Cette fixation est plus rigide que la fixation axiale et garantit la constance des freinages quelle que soit l'usure et l'échauffement.

Disque de frein en carbone d'une Formule 1 Toyota TF103.

De nombreux matériaux peuvent être utilisés.

Disques

• Acier inoxydable : assez cher, et n'offrant pas une friction idéale.
• Fonte : bien que ce matériau rouille facilement et soit assez lourd, il est très économique et jouit d'une bonne efficacité à l'emploi. C'est de loin le matériau le plus utilisé.
• Carbone : ce matériau extrêmement léger et endurant coûte très cher et ne fonctionne bien qu'à hautes températures. Il est par conséquent réservé à l'emploi par des véhicules de compétition ou les avions qui en ont un besoin intense pendant une courte periode.
• Céramique : comme le carbone, ce matériau extrêmement léger et endurant coûte cher, mais, à l'inverse de ce dernier, est également efficace à basses températures. Il est également totalement insensible à l'humidité et ne s'oxyde pas. En raison de son prix, il est actuellement essentiellement réservé aux véhicules haut de gamme.

Plaquettes

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'utilisation. La composition du patin varie suivant le matériau du disque et suivant les fabricants. L'amiante a été longtemps utilisé dans la composition de ces patins, en raison sa très bonne tenue aux hautes températures, mais il est désormais interdit en raison de sa toxicité (il était libéré dans l'air, et contribuait à la pollution routière), dont en France depuis 1997[14].

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. En comparaison, un frein à tambour offre plus de puissance pour un diamètre moindre, car la force appliquée sur les mâchoires s'applique directement à la périphérie du tambour supportant la piste de frottement, ce qui apporte un effet de levier plus important.

La pression que le conducteur exerce sur la pédale de frein est transmise par un système hydraulique, le plus souvent assisté[15], pour réduire la pression que le conducteur doit exercer sur la pédale, afin d'améliorer son confort et la sécurité. Par contre, la commande du frein à main est encore assez souvent mécanique, parfois électrique.

Frein à disque ventilé en acier, utilisé sur un Porsche Cayenne. On distingue nettement les petits canaux d'évacuation de la chaleur, usinés dans la tranche du disque. En rouge, l'étrier fixe à 4 pistons.

Autre avantage du frein à disque, il dissipe mieux la chaleur que son cousin à tambour. La raison vient de la conception même du système : dans un frein à disque, les deux côtés du disque offrent une grande surface exposée à l'environnement extérieur, et il peut alors se créer un échange thermique efficace avec l'air extérieur. De plus, lorsque le véhicule est en mouvement, la circulation forcée de l'air s'engouffrant à grande vitesse dans les passages de roues améliore encore le refroidissement. Le tambour n'offre aucune de ces caractéristiques, car il est essentiellement une « boîte fermée ». La chaleur s'y accumule facilement et a beaucoup de mal à s'évacuer vers l'extérieur.

L'évacuation de la chaleur est un point crucial dans la conception d'un système de freinage, qu'il soit à disque ou autres. Une chaleur trop élevée, ou mal évacuée, expose à de nombreux risques :

• Déformation du disque : on dit alors qu'il est « voilé ».
• Modification de l'état de surface : l'état de surface du disque est altéré par une surchauffe, il est alors « glacé » et prend une couleur légèrement bleutée. Cette réaction à une chaleur excessive peut être comparée à une trempe ou à un traitement thermique, comme il est fréquent d'en voir dans les industries métallurgiques. Le mordant au freinage diminue.
• Ébullition du liquide de freinage : pour les circuits utilisant un liquide de freinage (cas de toutes les voitures récentes). La température excessive des plaquettes, qui n'arrivent pas à évacuer leurs calories correctement, se transfère via les pistons et l'étrier jusqu'au liquide de freinage, qui se met alors à entrer en ébullition. De petites bulles se forment alors dans le circuit, et comme le gaz est compressible, contrairement au liquide, la force appliquée au circuit de freinage est diminuée et irrégulière.

En utilisant un disque évidé, l'air peut circuler au sein du disque et le ventiler de l'intérieur afin qu'il se refroidisse plus efficacement. On parle alors de disques « ventilés ». Ils sont en fait constitués de deux disques légèrement séparés par un ensemble d'entretoises permettant la circulation de l'air entre ces derniers. Afin d'améliorer le refroidissement, les canaux de refroidissement sont usinés en spirale et dans le sens de rotation, afin de maximiser la quantité d'air aspirée quand le véhicule est en mouvement.

Par rapport à l'acier, la céramique ou le carbone résistent beaucoup mieux à l'échauffement, et offrent donc un freinage plus performant. Ces matériaux sont cependant extrêmement chers.

Vue détaillée des trous d'un disque perforé, ici le disque d'une Yamaha FZ6.

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. Il se crée en effet une fine pellicule d'eau entre la surface du disque et celle de la plaquette, et le liquide n'étant pas compressible, la plaquette met un peu de temps à venir s'appuyer contre le disque.

Pour évacuer le plus rapidement l'eau qui se pose sur les disques en cas de pluie, on trouve des petits trous à la surface des disques, dont le rôle est de rompre le film liquide créé par l'eau. Ces disques, dits « perforés », sont très présents sur les motos et sur de nombreuses voitures de sport. Ils ont cependant l'inconvénient de diminuer la puissance de freinage par temps sec, en raison d'une surface de friction de fait légèrement diminuée. Un autre inconvénient des disques perforés est leur relative fragilité.

Sur certains disques, ces « trous » ont des formes de petites encoches ou de demi-lunes, et jouent alors également le rôle de rainures.

Le frein à disque se prête bien à l'ajout d'un système anti-blocage des roues (ABS), permettant d'éviter le blocage des roues d'un véhicule en cas d'adhérence réduite. Le système fonctionne en relâchant brièvement la pression sur les freins lorsqu'il détecte une décélération anormale sur une ou plusieurs roues.

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