LE FREINAGE: QU'Y A T'IL DERRIERE LA PEDALE DE FREIN ?
Nous parlerons ici du freinage hydraulique pour véhicule légers, pas les sytémes pneumatiques de camion ni les électriques (genre telma, plus un ralentisseur qu'un frein). Nous partirons des sytémes anciens pour se rapprocher ensuite des sytémes modernes ( ABS, ESP, freinage d'urgence automatique ).

Pour s'arréter le freinage utilse le principe de la friction qui crée une résistance à l'avancement. On utilise cette force sur chaque roue du véhicule (disque ou tambour) en le commandant d'un seul endroit ( la pédale), avec le moins d'effort possible (assistance / servofrein / master vac ) mais simultanément (maitre-cylindre / circuits) de façon adapté à l'endroit considéré (répartiteur AV-AR). On veillera à garder du freinage dans le temps (liquide et réglages) même si il y a une fuite (circuits croisés) et sans bloquer les roues (ABS) voir même en aidant la voiture à rester sur la route (ESP). Quand ce n'est pas la voiture qui freine toute seule (freinage d'urgence automatique).

Vue d'ensemble de la base :

Le principe de base du freinage est de transformer une force mécanique ( l'appuit sur la pédale) en force hydraulique puis en friction. Pour éviter les efforts à la pédale, le syndrome "des freins de camion à l'ancienne", on va d'abord amplifier la force mécanique avec de l'assistance (servofrein) puis on va émettre de la force hydraulique vers tous les freins en même temps (maitre-cylindre). Mais lorsque l'on freine fort la voiture plonge du nez (transfert de masse sur l'avant et délestage de l'arriére) on risque de bloquer les roues arriéres. On va donc adapter la force hydraulique avant-arriére (répartiteur ) avant de l'envoyer vers les roues (circuits) . On pense déjà aux fuites donc pour la sécurité on sépare généralement l'avant de l'arriére (2 circuits) voir même on croise pour avoir toujours une roue avant et une roue arriére qui freine (circuits croisés). Enfin on va transformer la force hydraulique en force de friction (tambour ou disque).
1-PEDALE ET ASSISTANCE (brake booster): production de la force mécanique et amplification.

En appuyant sur la pédale on pousse une tige. Cette tige passe dans le servofrein (master vaccum ). Il utilise la dépression créée par le moteur pour "aspirer" une membrane (diaphragme) de grand diamétre. La force va être proportionnelle à la dépression et à la surface. Plus la surface est grande à une certaine dépression et plus on aura de force. C'est un peu le principe des voiles sur un bateau, plus il y a de voiles tendues sur un même vent et plus le bateau a de force pour avancer.

Avant d'appuyer sur la pédale, la force de dépression est identique des 2 cotés de la membrane et elle s'annule. Mais dés qu'on appuit sur la pédale on ferme un clapet (on bouche un orifice de dépression) qui laisse la dépression d'un seul coté: on aspire la membrane et on crée donc une force supplémentaire à l'appuit de la pédale dans le même sens.

2-MAITRE-CYLINDRE (master cylinder): transformation force mécanique en force hydraulique et séparation avant-arriére.

En avançant la tige du servofrein va pousser des pistons dans le maitre-cylindre et transformer la force mécanique en force hydraulique. Si on sépare l'avant de l'arriére on parlera de tandem ( 2 pistons vont bouger en même temps avec chacun une sortie hydraulique différentes).

Lorsque la tige avance le piston avance aussi, ferme la liaison avec son réservoir et pousse le liquide frein dans la sortie. Le liquide de frein est incompressible, c'est à dire que la force appliquée à un bout du circuit se répercutera obligatoirement partout ailleurs (sauf fuite ou liquide qui boue, voir plus loin). Lorsqu'on relache la pédale le piston remet en liaison le réservoir pour récupérer le liquide.

3-REPARTITEUR / PROPORTIONNEL COMBINé (proportional valve combination): adaptation force de freinage avant-arriére et détection de fuite.

En freinant la voiture plonge du nez, transfert de masse, on peut donc freiner plus fort sur l'avant que sur l'arriére. Si on met trop de freinage à l'arriére les roues vont se bloquer et glisser (donc perte de freinage). C'est pourquoi on met souvent un dispositif de freinage avant plus performant (disques) qu'à l'arriére (tambour) et on mettra une force de freinage plus basse mais proportionelle à l'arriére. Ensuite, comme il y a déjà 2 circuits séparés ( le maitre-cylindre à 2 sorties), on va comparer à l'entrée du répartiteur si il existe bien une force hydraulique sur les 2 circuits. Si rien d'un coté fuite suspectée, un piston central va coulisser puis un capteur va être activer pour allumer un voyant danger frein au tableau de bord. A ne pas confondre avec le compensateur de charge voir plus bas .

Il existe plusieurs modéles en fonction des années et des équipements : le plus simple tambours partout sans proportionnel / puis avec proportionnel / ensuite mixte: disques avants et tambours arriéres ( le plus fréquent) / enfin 4 disques. Les références ne seront pas les mêmes, en générale commencent par PV (proportional Valve) puis un chiffre : PV2 mixte et PV4 4 disques. Certains sont spécifiques car le proporrtionnel peut être séparé du répartiteur. Ci-dessous le plus courant : un combiné pour mixte .

Vue d'ensemble maitre cylindre et répartiteur: on obtient une force hydraulique séparée avant-arriére mais adaptée et avec une détection de fuite.
En compétition on peut avoir un répartiteur manuel à molette:
4-LES CIRCUITS: transmission de la force hydraulique aux roues et sécurité en cas de fuite .

Chaque sortie produit une force hydraulique qui sera transmise à la roue considérée par le circuit de freinage mais pas n'importe comment. En pensant à la sécurité on à déja séparé l'avant de l'arriére mais on peut faire mieux dans certains cas. Si une fuite apparait on pourrait perdre tout l'avant ou tout l'arriére. Pour éviter cela on peut croiser les circuits.

5-TAMBOUR ET DISQUE: transformation de la force hydraulique en force de friction.

En arrivant aux roues la force hydraulique est reçue soit par des tambours soit par des freins à disque. Sur un tambour ce sera au cylindre récepteur et sur un disque à l'étrier. Ils produiront de la friction en poussant des garnitures sur un tambour ou des plaquettes sur un disque. Cela va générer de la chaleur qu'il faudra évacuer.

LE TAMBOUR:

Le tambour recoit donc au cylindre récepteur (c'est un double piston) qui va pousser des garnitures (brake shoes) vers un tambour (drum) en rotation et créer de la friction. La chaleur va dans un temps être stockée dans la masse du tambour puis évacuée par le passage d'air autour. Il peut être strié à l'extérieur pour avoir plus de surface d'échange avec l'air et mieux refroidir.

RECEPTEUR
On va faire frotter les garnitures sur le tambour, il y aura de l'usure et la création de jeu donc on rattrapera cette usure automatiquement par le systéme de rattrapage. Ce dernier, par un systéme de ressort-levier et une molette crantée va augmenter automatiquement l'écartement des garnitures pour annuler le jeu . (On a souvent une fenêtre pour manipuler manuellement cette molette crantée: réglage manuel et démontage ).
Il ne faut pas oublier le frein de parking, sur des tambours ce sera une commande mécanique par cable et levier excentrique, on viendra directement dans le tambour pour écarter les garnitures (car plus personne n'appuit sur la pédale de frein ).

LE DISQUE:

Le disque va recevoir à l'étrier (caliper) qui contient un ou plusieurs piston (caliper piston). Il vont en sortant appuyer les plaquettes (pad) pour pincer le disque (disc). Cet étrier peut être fixe ou flottant. Si flottant l'étrier peut s'adapter à une usure différente entre plaquette extérieure et intérieure en se replacant. Il y a aussi des étriers spécifiques pour l'arriére avec des pistons tournants pour les freins à main.

La chaleur va être stockée dans le disque dans un premier temps puis évacuée par le passage de l'air. Un disque peut-être plein, ventilé (meilleur refroidissement), ventilé percé (refroidissement et dégazage plaquette) ou ventilé percé rainuré (refroidissement, dégazage, anti-fading). Le fading est le glacage des plaquettes à haute température, perte d'éfficacité de la friction, les rainures re-surface les plaquettes à chaque passage.
Ce systéme de disque est majoritairement placé à l'avant mais sur des modéles sportifs ou plus récent il peut être à l'arriére. Dans ce cas il faut prévoir un frein de parking. Il sera à cable majoritairement, pousse directement le piston par un levier) et le jeu est rattrapé par un pas de vis sur le piston. Mais parfois il s'agit d'un petit systéme à garniture dérriére avec un systéme de ratrappage comme sur les tambours.

6-LE LIQUIDE DE FREIN: essentiel dans la transmission de la force hydraulique il n'est pas éternel, normes et viellissement.

Le liquide de frein s'échauffe il doit donc résister pour rester liquide (incompressible) plutôt que de bouillir et de faire des bulles de gaz (le vapor lock, gaz compressible, Phénoméne de pédale molle). La norme DOT donne la tenue à la température: DOT3 DOT4 DOT5.1 puis les liquides de compétition RBF600 (racing brake fluid 600°c) etc..... . Attention il ne sont pas forcément compatibles entre eux.

Un liquide de frein absorbe l'eau de l'air ambiant au fil des années et se détériore, sa température d'ébullition baisse.

7-ENTRETIEN DES FREINS: changements (plaquettes, disques, garnitures ) et purges simples ( sans ouverture du circuit). Pour les plus compliquées voir PURGES .

Les garnitures et les plaquettes s'usent , les sytémes compensent ( baisse du niveau de liquide coté disque et ratrappage de jeu coté tambour) puis vient le moment de l'usure maximum. On doit changer les plaquettes lorsque le voyant frein s'allume au tableau de bord si il y a une détection d'usure et lorsqu'il ne s'agit pas d'une fuite car c'est le même voyant. Sur certaines américaines seule une patte viendra frotter sur le disque ( tout à l'oreille). Les garnitures n'ont pas de détection, on s'en aperçoit souvent au bruit métallique (rivet sur tambour ou porte garniture metallique sur tambour) .

Pour changer les plaquettes il faut refaire la place perdue et donc repousser le piston dans l'étrier. Sur un étrier sans frein à main on le comprime avec un serre-joint car il glisse . Sur un étrier à frein à main il faut le revisser avec un appareil qui prend appuit sur l'étrier et s'encastre sur le piston dans des encoches, il éxiste plusieurs sorte d'encoche. Le piston qui recule repousse du liquide de frein dans le bocal, attention au débordement. Attention aussi, certaines voitures ont le frein de parking sur les roues avant (renault 4L, certaines citroen).
Les disques de frein s'usent aussi, moins vite certes mais pas éternels. Ils ont tous marqué sur la tranche une épaisseur minimum, pas forcément lisible aprés plusieurs années. Mais ont peut facilement voir si il y a un fort cordon d'usure. Sur des voitures anciennes pas trés éxigeantes on parle de 3 jeux de plaquettes pour un changement de disque
On peut avoir aussi des disques voilés qui font vibrer la voiture au freinage, voir des disques fissurés: trés dangereux car risque de bloquer la roue au freinage.
Sur les tambours il faut revisser le mécanisme du rattrapage de jeu pour resserrer les garnitures et passer les cordons d'usure (sinon on ne peut pas sortir le tambour). De toute façon l'épaisseur des garnitures neuves sera plus élevée. Pour le remontage c'est plus facile si on a un kit premonté. Remettre les goupilles de maintien des garnitures et remettre le cable de frein à main. (ce dernier à souvent une garde qu'il faut régler aussi )
Dans la limite de l'épaisseur autorisée on peut rectifier un tambour. Pour corriger le voilage même effet que sur un disque, vibrations au freinage.
Souvent oublié le liquide de frein se change aussi. A partir des bocaux de maitre-cylindre ou on remet du liquide neuf on pompe doucement à la pédale pour l'envoyer vers chaque roue. Une roue à la fois et suivant le systéme (disque ou tambour) on dévisse un peu le purgeur, on pompe jusqu'au liquide clair en refaisant le niveau au fur et a mesure (pas d'entrée d'air). Pour finir on lancera une course de pédale et on refermera a mi course (en pression). Lorsque l'on aura fait les 4 roues le systéme est purgé. Attention au circuit croisé qui nécéssite un ordre de roue particulier.
8-LES UTILITAIRES LEGERS: COMPENSATEUR DE CHARGE.

Sur les utilitaires légers on utilisera un compensateur de charge plutôt qu'un répartiteur de freinage. Comme les charges sur l'essieu arriére peuvent énormement changer ce dispositif adaptera à la charge plutôt que de donner une force proportionelle à l'avant ( adhérence sans blocage). Plus le véhicule est chargé et plus la caisse sera basse. on utilisera un levier entre caisse et essieu pour savoir combien de force hydraulique on peut laisser passer sans bloquer les roues.

9-LES MODERNES: ABS, ESP, AFU ( Aide au freinage d'Urgence) , ANTICOLLISION,....

Sur les modernes d'autres éléments assurent des fonctions plus complexes du freinage : détéction glissement - blocage de roue, éfficacité - amplification freinage, paramétres extérieurs ( sortie de courbe - obstacles) . Ils sont complémentaires entre eux et inter-agissent .

L'ABS , Anti Blocage Systéme ( adapté de l'allemand) , permet de détecter une ou plusieurs roues qui glissent ou se bloquent. Il est constitué d'un calculateur , d'un groupe hydraulique (pompe, électrovannes, accumulateurs hydrauliques) et de capteurs mesurant la vitesse de rotation de chaque roue à tout instant . Un calculateur gére les informations puis commande une centrale hydraulique. Dans la limite du possible car sur la neige les 4 roues peuvent se bloquer. L'ABS permet au conducteur d'aller au maximum du freinage tout en gardant la maitrise de la trajectoire du véhicule.

SANS ABS : le conducteur freine autant qu'il le veut jusqu'au blocage partiel ou total des 4 roues.

AVEC ABS : En freinage normal il n'intervient pas, les électrovannes A et B laissent passer toute la pression.

- Si début de glissement d'une roue détectée, l'électrovanne A de la roue concernée se ferme pour limiter la pression ( de la pression mais pas trop pour ne pas aller au blocage). On peut donc avoir une forte pression demandée aux autres roues mais une pression plus faible à la roue à la roue concernée.

- Si blocage une électrovanne P de purge s'ouvre pour relacher la pression sur la roue concernée, la pompe remonte le liquide au réservoir. Dés qu'une rotation est de nouveau détectée elle se ferme pour remettre de la pression mais si de nouveau blocage alors de nouveau purge et cela plusieurs fois par secondes ( vibration à la pédale).

Si le boitier perd le signal d'un de ses éléments il allumera un voyant au tableau de bord.

L'ESP (Electronic Stability Program) est un freinage actif pour garder une trajectoire. Il est complémentaire de l'ABS. Plusieurs capteurs d'information permettent à un calculateur d'avoir une vue de la situation du véhicule: en accélération, en braquage, en freinage, en accélération latérale, pneu dégonflé... . Il agira pour corriger la situation si on atteint des limites par freinage indépendants des roues (survirage / sous virage ), réduction de l'accélération par le boitier d'injection etc...
Si on a un angle de volant important, une forte accélération latérale et qu'une roue glisse ( ABS) c'est le signe d'une perte de contrôle : l'ESP pourra réduire la puissance au moteur, pourra freiner les roues intérieures au virage pour garder la voiture sur la route.
AFU AIDE au FREINAGE d'URGENCE : c'est un amplificateur de freinage. Un calculateur analyse la rapidité et la force de freinage vu à la pédale. Si rapide et fort il détecte un freinage d'urgence. En général le conducteur ne freine pas jusqu'au maximum possible. Donc un boitier détectera la manoeuvre ( capteur à la pédale) et mettra un freinage plus fort ( actionneur au maitre cylindre ) dans la limite de l'adhérence ( limitation par l'ABS ) . On aura donc le freinage maximum ( AFU) sans blocage des roues (ABS).
ANTICOLLISION, LE FREINAGE AUTOMATIQUE utilise des capteurs pour détecter un obstacle . Un calculateur évaluera en fonction de la vitesse et de la distance la force du freinage à appliquer si le conducteur n'a pas réagit. Les capteurs de surveillance entrent aussi dans le fonctionnement d'autres sytémes : régulateur de vitesse adaptatif qui maintient une distance de sécurité ( freinage doux automatique si rapprochement ) , angle mort, maintient dans la voie,....
Pour que tout fonctionne bien les caméras doivent être calibrées ( surtout aprés un changement de parebrise) .

  

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