Les freins

1. Les freins à tambour
2. Les freins à disque

2.1 Le servofrein

3. Comparaison entre les freins à tambour et à disque
4. Le frein au carbone

4.1 Fabrication d'un frein au carbone

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En mécanique automobile il existe deux types de freins : les freins à tambour et les freins à disque. Ce sont ces derniers qui sont utilisés en Formule 1 et nous verrons pourquoi un peu plus loin.

1 - Les freins à tambour

Le raisonnement est valable pour un certain sens de rotation du tambour, mais lorsque la rotation se produit en sens contraire (marche arrière), les segments provoquent tous un effet d’auto-deserrage. L’extrémité du segment non soumise à l’effort de serrage peut être articulée sur le flasque avec un axe d’articulation, une biellette ou par un simple plan incliné sur lequel l’extrémité du segment prend appui librement. On appel ce dernier, segment flottant ou autocentreur qui permet le centrage du segment dans le tambour, donc une distribution plus uniforme du freinage. Il existe également des segments à double expansion composés de cylindres de commande aux deux extrémités.

Ce type de frein doit présenter les caractéristiques suivantes : la légèreté (afin de réduire les masses non suspendues, on monte parfois les tambours en sortie de différentiel); la résistance à l’abrasion et une bonne conductivité thermique, afin d’évacuer rapidement la chaleur produite pendant le freinage et de réduire la température des garnitures. Pour dissiper plus rapidement la chaleur, on augmente souvent la surface de déperdition en munissant le tambour d’une série d’ailettes extérieures, accroissant en même temps sa rigidité. Ces ailettes sont quelquefois disposées en hélice pour créer un effet de ventilation.

Les tambours sont généralement construits en alliage d’aluminium pour la légèreté et la bonne conductivité thermique; ou en fonte pour la grande résistance à l’abrasion.

2 - Les freins à disque

Les freins à disque sont principalement de 3 types : 

1. À montage axial : la pression du circuit hydraulique de commande pousse les deux plaquettes contre le disque (Figure 5).

2. Une des deux plaquettes est fixée rigidement sur l’étrier, tandis que l’autre est commandée par un piston hydraulique. Lorsque la poussée s’exerce sur la plaquette mobile, la réaction fait déplacer axialement l’étrier du côté opposé, conduisant l’autre plaquette au contact du disque. Un tel étrier est dit flottant (Figure 6).

3. Le disque est mobile axialement avec un étrier fixe. Une plaquette est solidaire de l’étrier, l’autre, commandée par le piston, vient en contact avec le disque et le pousse contre la première. La position des étriers peut être soit en avant, soit en arrière de l’axe de rotation de la roue (Figure 7).

Tout comme les freins à tambour, les freins à disque doivent présenter les caractéristiques suivantes : légèreté, résistance à l’usure et bonne conductibilité thermique. Pour ce faire on utilise souvent aujourd’hui les disques auto-ventilés qui sont caractérisés par des disques perforés qui aspirent l’air par le centre et le refoulent par la périphérie. Cette technique est utilisée en Formule 1. Ils sont habituellement fabriqués en acier et les plaquettes sont souvent en fonte ou en métal plus mou que l’acier.

2.1 - Le servofrein

Le servofrein est un dispositif commandé par la pédale de frein qui a pour fonction de multiplier la valeur de l’effort de freinage exercé par le conducteur sur la pédale même. Le servofrein le plus répandu est de type « à dépression », ainsi appelé parce qu’il utilise la dépression créée dans le moteur, dans les conduits d’aspiration pour multiplier l’action de freinage.

Servofrein à dépression

Une tubulure du dispositif est reliée au collecteur d’admission avec l’interposition d’une petite soupape de non-retour; une fois le moteur mis en marche, une dépression se crée dans le collecteur. Dès que la pédale du frein est actionnée, l’huile sous pression est refoulée à travers le circuit hydraulique et engendre l’action de freinage. En même temps, l’huile produit une pression sur le petit cylindre se trouvant à l’intérieur du groupe de réglage du servofrein. Les images suivantes montrent les trois phases de freinage à l’aide du servofrein.

Phase 1

Phase 2

Phase 3

3 - Comparaison entre les freins à tambour et à disque

On a adopté les freins à disque en compétition pour les raisons suivantes :

1. Sur un frein à disque, la surface de contact des plaquettes est exposée à l’air, ce qui fait qu’il est toujours possible de prévoir une canalisation. Cependant, les forces de frottement  sont plus élevés et produisent plus de chaleur qu’un frein à tambour, mais elle est plus facilement évacuée. Pour éviter la formation de bulles de vapeur dans le cylindre, on doit utiliser un liquide de frein au point d’ébullition élevé (200 à 220 °C pour les freins à disque contre 150 à 160 °C pour les freins à tambour).

2. Pour le frein à tambour, le refroidissement est beaucoup plus difficile du fait que seule la partie extérieure est exposée à l’air, tandis que la chaleur se produit à l’intérieur.

3. Étant exposé à l’air, le frein à disque est plus facilement débarrassé de l’eau, de la poussière et de la boue, et ainsi il sera beaucoup moins sensible au fading (déséquilibre de freinage causé par les saletés et la poussière).

4. Sur un frein à disque, l’usure des garnitures de freinage est régulière. Toute la surface des plaquettes frottant sur le disque, la distribution des pressions sera uniforme.

5. Sur un frein à tambour, l’usure est irrégulière car elle atteint sa valeur maximale vers l’extrémité libre du segment. Ceci s’explique par la rotation qui caractérise le mouvement d’approche du segment pour venir en contact avec le tambour.

6. La production de chaleur entraîne des dilatations qui, bien que n’ayant aucune conséquence pour les freins à disque (le disque se dilate radialement), elles sont une source d’inconvénients pour les freins à tambour (la dilatation radiale du tambour est plus grande que celle des segments, ce qui réduit l’effet de freinage car le jeu tambour – segment est augmenté).

7. Les opérations de contrôle, d’entretien et le remplacement des plaquettes sont plus facile avec les freins à disque.