Freins à disques et à tambours

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Freins à disques et à tambours
I. Fonction principale du mécanisme
Un véhicule en mouvement possède une énergie cinétique, fonction de la masse
et de la vitesse, soit E = 1/2 m v2. Le rôle des freins est d’arrêter (ou de ralentir) le
véhicule avec un maximum d’efficacité en transformant cette énergie cinétique en
énergie calorifique, qui doit être évacuée rapidement pour assurer le bon
fonctionnement du système de freinage.
II. Analyse cinématique du mécanisme
II.1 Schéma de principe des freins à disques et à tambours.
* Frein à disque
Principe général :
Le frein à disque se caractérise par l’application des forces de serrage dans le
sens axial, c’est-à-dire parallèle à l’axe de rotation. Il se compose de deux éléments
principaux: un disque tournant solidaire de l’arbre d’une part, un étrier en forme de
«U» d’autre part, porteur des plaquettes.
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Le disque est lié à la roue tandis que l’étrier est lié à la structure de l’automobile.
Il existe deux types d’étriers les étriers fixes et les étriers mobiles. Le système de
freinage d’une automobile est hydraulique. Dans le cas d’un étrier fixe l’huile sous
pression fait translater les deux plaquettes qui frottent sur le disque.
Pour un étrier mobile l’arrivée de l’huile sous pression à deux effets simultanés .
La plaquette 2 est plaquée sur le disque cela à pour effet de faire translater l’étrier
entier sur lequel est montée fixe la plaquette 1.
* Frein à tambour
C’est également un frein à commande hydraulique; il se compose de deux
mâchoires actionnées par un petit vérin double appelé «cylindre de roue». On appelle
«mâchoire comprimée» celle qui s’arc-boute, c’est-à-dire celle dont le point d’appui
est en aval de la mâchoire par rapport au sens de rotation du tambour; l’autre dont le
point d’appui est en amont est appelée mâchoire tendue. Elle porte une garniture de
friction dont le frottement sur le tambour engendre le couple de freinage.
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II.2 Fonctionnement du frein à main
Les freins à tambours sont équipés d’un levier relié à la commande de frein à
main par un câble pour assurer la fonction de frein de parking et parfois de frein de
secours. En tirant sur le câble de frein à main on fait pivoter le levier autour d’un axe.
Cela à pour effet de faire pivoter les deux mâchoires qui viennent frotter le tambour.
III. Analyse technologique du mécanisme
III.1 Etrier monté flottant.
L’étrier du frein à disque est monté flottant afin que la deuxième plaquette (celle
qui n’est pas équipée d’un piston) puisse frotter le disque. Tout cela dans le seul but de
ne pas déformer le disque.
L’autre solution technologique serait d’équiper les deux plaquettes de piston.
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Cette solution est cependant plus coûteuse et contraint d’appliquer la même pression
de part et d’autre du disque.
III.2 Rattrapage du jeu du frein à disque.
L’usure de la plaquette entraîne automatiquement un jeu entre les plaquettes et le
disque. Cela diminue l’efficacité du freinage et augmente le temps de freinage.
Le rattrapage du jeu est effectué grâce à un petit joint en caoutchouc qui, lorsque
le jeu est important se déforme lors du freinage. Quand on relâche la pédale de frein le
joint reprend sa place initiale de manière à ce qu’il y ait toujours la même distance
entre les plaquettes et le disque.
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Si le piston doit avancer plus que normalement le joint reprendra la nouvelle
place.
III.3 Disposition constructives de la liaison encastrement entre le moyeu de
la roue et du disque
Le moyeu de la roue est relié au disque grâce à un axe qui comporte des
cannelures. Cela joue le rôle d’une glissière. L’axe n’étant pas cannelé tout le long
cela génère une butée qui élimine une translation.
III.4 Surfaces de contact utiles pour chaque type de freins
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Pour évaluer les surfaces de contact on considérera les plaquettes comme
rectangulaires de coté 4 X 13. Ce qui fait une surface de contact d’environ 50 cm2.
Soit 100 cm2 par roue pour les freins à disque.
La longueur des garnitures de friction est d’environ 22 cm pour un hauteur
d’environ 4 cm. Cela nous donne une surface de frottement d’environs 200 cm2 par
roue.
Cependant un frein à tambour ne freine pas sur toute la longueur de sa garniture.
On remarque que 1/3 de la surface n’est pas usée lors du freinage. Cela nous donne,
au final, une surface d’environ 133 cm2. Cela reste toujours supérieur aux freins à
disques.
III.5 Refroidissement des freins
Les freins sont refroidis par air. Les freins à disques bénéficient de beaucoup
plus d’air que les freins à tambours. La plupart des disques sont ventilés c’est à dire
qu’en passage d’air est ménagé entre les deux surfaces de friction du disque.
L’énergie cinétique acquise par un véhicule est donnée sous la forme :
E=
1/2.m.v2. Cela fait donc une énergie de 1250 kJ à dissiper sous forme de chaleur.
Cela nous donne une énergie de 375 kJ à dissiper sous forme de chaleur pour
une roue avant.
Prenons un disque standard de 3,5 kg. Son élévation de température est donné
par la formule :
Soit, une élévation de température de 233 °C
III.6 Purge
Il faut purger le circuit de freinage pour d’enlever l’air qui pourrait s’y trouver.
L’air dans le circuit à des conséquences désastreuses lors du freinage. Il faut donc, une
fois le circuit purgé, remettre le liquide de frein à niveau.
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