La structure ci-dessous (Fig .I.1) représente une
structure de base que l'on retrouve dans tous les véhicules de tourisme
dit bas de gamme. On pourra cependant trouver des variantes telles que la
disposition de freins à disque sur l'essieu arrière, ou bien la
mise en place de système tels que l'ABS ou bien ESP [1].
Le tambour est solidaire du moyeu de roue et tourne avec lui.
Les segments et les composants qui génèrent la force de freinage
sont généralement montés sur un plateau circulaire en
tôle emboutie nommé flasque qui ferme le tambour et est
fixé rigidement au porte-moyeu. Des ressorts hélicoïdaux
travaillant en traction connectent les deux segments et les empêchent de
frotter contre la couronne du tambour lorsque les freins ne sont pas
actionnés (Fig.I.3).
Piston hydraulique
Ressorts de rappel
Segment primaire
Tambour
Sens de rotation Segment secondaire
Axes
Fig. I.3 : Vue 3D d'un frein
à tambour.
Chapitre I Etude Bibliographique
5
Fig. I.4 : Différentes
technologies.
Différentes façons d'articuler et de commander
les deux segments sont possibles. suivant la configuration adoptée,
l'effet d'auto-serrage est plus ou moins fort, obtenu dans un seul sens de
rotation ou dans les deux, sur une seule des mâchoires ou sur les deux
(Fig. I.4). Les deux segments sont actionnés par un piston qui
génère une force de serrage
. Une force tangentielle due à la rotation du tambour qui
agit sur le segment
amont (primaire) engendre un moment sur son axe de pivotement
qui est dans le même sens
que la force de serrage : c'est l'auto-serrage. Sur le segment
aval (ou secondaire), la force
tangentielle s'oppose à l'action de la force de serrage :
c'est l'auto-desserrage. Le
serrage de la mâchoire secondaire est donc plus faible
que le serrage de la mâchoire primaire ce qui entraîne une usure
inégale puisque les freins sont généralement
utilisés en marche avant. Ainsi il existe d'autres configurations
permettant de rendre l'usure égale et une puissance de freinage accrue.
Si les axes des segments sont intervertis, l'auto-serrage agit sur les deux
mâchoires, mais n'est effectif que dans un seul sens de rotation du
tambour. On peut également remplacer les pivots des deux segments par un
palier flottant. Au freinage, l'extrémité aval du segment
primaire s'appuie sur le palier et pousse l'extrémité amont du
segment secondaire, qui devient auto-serrant lui aussi. Ce montage est valable
pour les deux sens de rotation et est la technique la plus répandue
aujourd'hui. Une autre configuration consiste également à serrer
les deux mâchoires à l'aide de deux cylindres hydrauliques
à leur extrémité, mais ce type de frein est très
peu employé en raison de son rapport efficacité/prix peu
favorable.
Les tambours actuels montés sur l'essieu
arrière sont généralement en fonte. Quant aux
mâchoires, elles sont en tôle d'acier soudée ou en
aluminium, et revêtues d'une garniture de frottement à base de
laine d'acier, de cuivre et de coke en poudre ou encore d'oxyde de fer. La
principale caractéristique requise est un coefficient de frottement
relativement constant
Chapitre I Etude Bibliographique
6
avec la température et assez élevé, de
l'ordre de 0,5. Les freins à tambour sont encore bien
répandus aujourd'hui sur l'essieu arrière des véhicules
légers, aux performances modestes. I.3.2 Frein à
disque
Le frein à disque est un système de freinage
performant pour les véhicules munis de roues en contact avec le sol :
automobile, avion, train,
etc. et pour diverses machines. Ce
système transforme l'énergie cinétique du véhicule
en chaleur.
Le frein à disque (Fig. I.5) est composé de :
· un disque généralement
en fonte lié à la roue par l'intermédiaire du moyeu et qui
lui est intérieur ;
· deux plaquettes de part et d'autre du
disque, composées chacune d'une garniture en matériau composite
collée ou rivetée sur un support métallique ;
· un étrier en acier, solidaire
de l'essieu (par l'intermédiaire du pivot par exemple), qui supporte les
plaquettes ; en forme de chape, il recouvre un secteur du disque ;
· un piston hydraulique dans le cas
d'un étrier flottant ou coulissant ou deux pistons dans le cas d'un
étrier fixe posés contre les supports des plaquettes.
Fig. I.5 : Désignation
des principaux éléments.
Les disques sont des composants soumis à de fortes
températures. De manière générale, on trouve sur
les véhicules de série des disques pleins. Afin d'augmenter
l'échange thermique entre le disque et l'air environnant, on peut
utiliser des disques ventilés. En diminuant ainsi la température,
on garantit un meilleur frottement des garnitures sur les disques [1].
Si les systèmes de frein à disque sont
utilisés dans tous les domaines du transport (automobile, ferroviaire et
aéronautique), les caractéristiques techniques dépendent
des exigences de freinage ce qui donne des technologies différentes
(Fig.I.6).
Chapitre I Etude Bibliographique
-a- : Frein à disque
automobile. -b- : Frein à disque
aéronautique.
Fig. I.6 : Exemples de freins
à disque. I.3.2.1 Description d'un disque
Le disque est constitué d'un anneau plein avec deux
pistes de frottement (Fig. I.7), d'un bol qui est fixé sur le moyeu et
sur lequel est fixée la jante et d'un raccordement entre les pistes et
le bol. Ce raccordement est nécessaire car l'anneau et la partie du bol
qui est fixée au moyeu ne sont pas sur un même plan pour des
questions d'encombrement et de logement des plaquettes et de l'étrier.
La jonction entre le bol et les pistes est souvent usinée en forme de
gorge pour limiter le flux de chaleur issu des pistes vers le bol afin
d'éviter un échauffement excessif de la jante et du
pneumatique.
Les pistes de frottement sont dites extérieures quand
elles se situent du côté de la jante et intérieures quand
elles se situent du côté de l'essieu.
Trou de fixation Bol
Couronne extérieure
Piste intérieure
Piste extérieure
Gorge
7
Fig. I.7 : Le disque
plein.
La région de la gorge du bol est aussi très
sévèrement sollicitée. En effet, le disque tend à
se mettre en cône à cause des dilatations des pistes chaudes, mais
ce déplacement est retenu par la présence du bol qui est moins
chaud et par celle de l'étrier. De ce fait, de grandes concentrations de
contraintes naissent dans cette zone. Lors d'essais très
sévères sur banc dynamométrique, on peut parfois voir
apparaître une fissure circonférentielle (du côté
externe et/ou du côté interne du disque) qui se propage et
provoque la rupture brutale du bol.
Les gradients dans la gorge du bol s'expliquent de la
même manière. En début de freinage, la température
du bol est à 20° C tandis que celle des pistes est de
quelques centaines de degrés. De plus, dans le but d'éviter que
la température du moyeu ne soit trop
Chapitre I Etude Bibliographique
élevée (ce qui engendrerait des
élévations de température du pneu, très critique
pour son comportement), la gorge est usinée de manière à
ne pas transmettre trop de chaleur au bol (Fig.I.8). Avec cet usinage, la
température du bol baisse effectivement, mais les gradients thermiques
augmentent conséquemment dans cette zone. Ceux-ci engendrent des
contraintes thermiques qui expliquent les ruptures de bol observées lors
d'essais expérimentaux sévères.
