Frein

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[alpha 1].

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]

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 :

• par câble (anciens et petits deux-roues, circuit de freinage des anciennes automobiles et frein à main de certains véhicules actuelles) ;
• par circuit hydraulique éventuellement assisté (véhicule automobile, certains deux-roues) ;
• par circuit pneumatique (camions, trains) ;
• par circuit électrique (certains véhicules hybrides) ;
• par circuit mécanique (par ex. commande par tringles et leviers sur certaines bicyclettes).

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.

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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 :

${\displaystyle E_{\mathrm {c} }={\frac {1}{2}}\cdot m\cdot v^{2}}$

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.

Shéma frein à bande.

Frein à sabot sur un wagon.

Système de frein à disque ventilé 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.

« 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.

• Frein à mors, transmission par câble (pincement de la jante) ;
• Rétropédalage ;
• Frein à disque à commande hydraulique ou mécanique ;
• Frein à tambour.

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.).

Immobilisation au sol

Frein d'Airbus A330/A340 vu de dessus (Musée du Bourget)

Un F-4 Phantom II utilisant son parachute de freinage

En plus du freinage conventionnel à l'atterrissage au moyen des freins des roues (généralement avec multi-disques), un aéronef peut également être freiné à l'aide de différents dispositifs permettant, soit de raccourcir la distance d'arrêt, 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, volets situés sur les ailes (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

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.

• Le Wikilivre de tribologie et en particulier le paragraphe consacré aux recherches actuelles en matière de freinage.

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