LE SYSTEME DE FREINAGE

Pierre Duysinx
Ingénierie des Véhicules Terrestres
Université de Liège
Année Académique 2013-2014

1
Références bibliographiques
 T. Gillespie. « Fundamentals of vehicle Dynamics », 1992,
Society of Automotive Engineers (SAE)
 J.Y. Wong. « Theory of Ground Vehicles ». John Wiley & sons.
1993 (2nd edition) 2001 (3rd edition).
 G. Genta. « Motor Vehicle Dynamics - modeling and
Simulation » Series on Advances in Mathematics for Applied
Sciences Vol. 43, World Scientific.
 www.howstuffworks.com
 H. Mèmeteau. « Technologie fonctionnelle de l’automobile »
Tome 2. 4ème édition. Dunod 200.

2
Plan de l’exposé
 Réalisation du freinage:
 Types de freins
 Les freins à tambour
 Les freins à disque
 Comparaison
 Systèmes de commande des freins
 Démultiplication de la force
 Maître cylindre
 Indicateur de chute de pression
 Assistance au freinage
 Master vac / servofrein
 Système anti blocage (ABS)
 Principe de fonctionnement
 Freins de ralentissement
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INTRODUCTION

4
Introduction
 Brakes are primarily used to decelerate a vehicle beyond its
road resistance and the braking drag of the engine

 Brakes generally transform the kinetic energy of the vehicle into

heat

 Brakes can also be used to:

 Keep a constant speed
 Keep the vehicle at standstill

5
Introduction
 On distinguish the different categories of braking systems
 Service brake system: general decrease of the speed while driving
 Emergency brake system: has to take over the function of the
service brake system when failing
 Parking brake system: prevents unwanted motion of the vehicle
when parked
 Continuous service braking systems: for loner uninterrupted
braking and frequent stops for instance in urban heavy vehicles

 The service, emergency and parking brake systems directly

work on the wheel brakes
 The brake elements of the continuous braking system generally
act on the drivetrain

6
Introduction
 A common brake system
 Control device: pedals /
hand-brake lever
 Transmission device:
components between the
control device and the brake
 Hydraulic, pneumatic,
electric, mechanical
 The wheel brake

7
REALISATION DU FREINAGE

8
Réalisation du freinage
 Pour un arrêt précis en une distance minimale, on doit actionner
le système de freinage.
 Celui-ci va dissiper l’énergie cinétique du véhicule par frottement
qui va la convertir en chaleur et ensuite l’évacuer.
 Frottement par contact entre deux surfaces:
 une solidaire de l’élément tournant
 une surface fixe au châssis
 On distingue principalement deux types de freins:
 les freins à tambour
 les freins à disques
 Mais on a aussi :
 les freins à patin
 les freins à bande
9
 Les types de frein
 Le freins à tambour
 Ils étaient initialement d’usage
courant à cause de leur haut
facteur de freinage et de la facilité
d’incorporer un dispositif de frein
de parking
 Les freins à disque
 Ils ont un facteur de freinage plus
faible et demandent un force
d’actuation plus importante.
 Ils demandaient également des
développements supplémentaires
pour introduire des freins de
parking

10
 Les types de frein
 Les freins à patins
 Principalement utilisés sur
les bicyclettes
 Sont remplacés par des
freins à disque sur des
bicyclettes de course
(VTT)
 Les freins à bande
 Système beaucoup plus
ancien et abandonné
aujourd’hui

11
 Les freins à tambour

Tambour tourne Flasque (immobile par

avec la roue rapport au châssis)
12
Les freins à tambour

Segment Tambour (vue intérieure)

13
Les freins à tambour
 Le tambour:
 Partie mobile dont l’alésage intérieur constitue la piste de freinage
 Le tambour doit supporter et dissiper la très forte quantité de
chaleur dissipée par le freinage
 Doit avoir une bonne conductibilité thermique
 Doit avoir une épaisseur importante pour résister aux déformations
(ovalisation) dues à l’action des segments et de la chaleur
 Il est généralement réalisé en fonte
 Les segments
 Sont fixés au plateau appelé flasque
 Sont actionnés par une came commandée par câble, un cylindre
pneumatique, un ou plusieurs cylindres hydrauliques

14
Les freins à tambour

15
Drum brakes
 The conventional design consists in an internal shoe brake that
is applied on the inner surface of the drum.
 The usual drum brake includes two shoes in one drum.

 According to the form of the transfer of the clamping force and

the shoe support, drum brakes are classified in different
categories:
 Simplex-brake
 Duplex-brake
 Servo brake
 Duo-duplex-brake
 Duo-servo-brake

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 Drum brakes

Drum brake simplex Drum brake duplex

-Double brake cylinder (like simplex)
-Axle fixed rotation point - braking with two leading brake shoes
-One leading shoe and one trailing shoe or, when backing-up, with two trailing
-Independent of rotation direction brake shoes

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 Drum brakes

Drum brake servo Drum brake duo servo

- Actuation by a single brake cylinder (like simplex)
- Supporting force of primary shoe is the - transmission of the frictional forces
application force of the secondary shoe of one brake shoe to the other
- Force transmission only possible in one - backing-up the same effect result
direction
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Drum brakes
Drum brake with parking brake
- Operation of the brake shoes via the wheel
brake cylinder
-Function of leading and trailing shoe (the
leading shoe is pulled onto the drum, the
trailing shoe is pushed away)
-Operation of the service brake via the
pistons in the wheel cylinder
-Operation of the parking brake via a linkage

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 Les freins à tambour

Frein à tambour simple Frein à tambour double

20
 Les freins à tambour
Cylindre d’actionnement

Tambour

Frein à main

Système de
rattrapage de jeu
Segment 21
 Les freins à tambour

 Facteur de freinage est le facteur

d’amplification entre la force de
commande (entrée) et la force de
freinage (sortie)
X
MA = e Pa + n ¹ NA ¡ m NA = 0

FA = ¹ NA et FB = ¹ NB

FA ¹e FB ¹e
= et =
Pa (m ¡ ¹n) Pa (m + ¹n)
22
Les freins à tambour
 Le segment A est le segment comprimé ou primaire.
 La force de friction produit un moment qui applique le soulier
contre le patin de matériau de friction et augmente la friction
 Système est auto serrant: grand avantage mécanique
 Le problème est que cela peut conduire au blocage du patin
 Le segment B est le segment tendu ou secondaire
 La force de friction tend à créer un moment qui diminue la force de
commande
 Le facteur de freinage est plus faible. Il n’est pas auto serrant. Une
force d’actionnement plus grande doit être appliquée.
 Combinaison de patins tirés et traînés permet différents facteurs
de freinage

23
Les freins à tambour
 L’efficacité et l’usure des deux segments sont différentes.
 On y remédie partiellement en utilisant une garniture plus
tendre et plus courte pour le segment tendu
 Dans tous les cas, l’usure des garnitures provoque une
augmentation du jeux et de la course de la pédale de freins.
 Il est nécessaire de procéder à un réglage périodique des
butées de repos (excentriques) afin de ramener la course de la
pédale à son minimum.
 Cet inconvénient est supprimé avec les freins à tambour à
rattrapage automatique (e.g. frein Bendix)

24
Les freins à tambour
 Système de rattrapage de jeu

25
Les freins à tambour
 Frein à main

Mèmeteau Fig. 8.9a et 8.9b

26
Freins à disque

Voiture Moto
27
 Freins à disque

Patins de frein
Disque de frein
Etriers

Patins de frein

Etriers

DÉFINITIONS
28
Freins à disque
 Le frein à disque comporte:
 un disque solidaire de la roue et donc mobile
 un étrier supportant les pistons de freins sur lesquels sont montés
les patins de freins. Il est fixe par rapport au châssis
 un ou plusieurs pistons
 des patins en matériaux de friction

 On distingue
 les freins à disque à étrier fixe
 les freins à disque à étrier flottant

29
 Freins à disque

Plaquette de frein
Ouverture de vérification

30
Freins à disque

Disques de frein

Disques de frein

31
 Freins à disque à étrier flottant ou fixe

Frein à disque à étrier flottant Frein à disque à étrier fixe

32
 Freins à disque à étrier flottant ou fixe

Frein à disque à étrier coulissant Frein à disque à étrier fixe

33
Freins à disque à étrier flottant

Fonctionnement d’un frein à disque à étrier coulissant

34
Freins à disque à étrier flottant ou fixe

Mèmeteau Fig 8.10 : Frein à disque à étrier coulissant

35
Freins à disque à étrier flottant
 Principe de fonctionnement
 Un étrier monobloc coulisse à l’intérieur d’une chape fixe. Il est
plaqué par deux clavettes maintenues par des ressorts.
 Au freinage, la pression hydraulique agit et
 Pousse le piston qui presse la première plaquette contre le disque
 Pousse le piston contre le fond de l’alésage (par réaction). L’étrier
se déplace axialement dans la chape et appuie la seconde
plaquette contre le disque.

 Le joint de piston en caoutchouc

 Assure le rappel
 Assure le rattrapage automatique du jeu par sa distorsion

36
Frein à disque à étrier flottant

Système de rattrapage de jeu dans un frein à disque à étrier flottant

37
Frein à disque à étrier fixe
 Principe de fonctionnement
 L’étrier est composé de deux demi coquilles assemblées
comportant chacune un piston. Le frein est directement fixé sur le
porte moyeu.
 Les deux pistons se déplacent simultanément sous l’action de la
pression hydraulique et appliquent chacun une plaquette
 Le rattrapage automatique est assuré par la distorsion des deux
pistons

38
Garniture des freins
 Les garnitures doivent résister à des températures élevées (de
l’ordre de 600 à 700 °C) et des efforts importants
 Les garnitures sont réalisées dans un matériau assurant un
coefficient de frottement entre 0,25 et 0,5.
 Les garnitures doivent:
 Conserver leur coefficient de frottement indépendamment de la
vitesse, de la pression et de la température.
 Résister à l’usure sans attaquer la piste de frottement
 Ne pas produire de bruit ou de broutement
 Récupérer leur coefficient de frottement après mouillage
 La diminution d’efficacité des garnitures avec la température
s’appelle le « fading » ou évanouissement. Il peut aboutir à la
perte presque totale du freinage.

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 Freins à disque
 Facteur de freinage des freins à disque

ABr pBr µBr

TB r = FB r Re = rB r ¹B r AB r pB r
rBr
= Re kB r pB r

kB r = ¹B r AB r rB r =Re Re
FBr

40
Freins à tambour vs à freins à disque
 Haut facteur de freinage:  Effort d’actionnement plus
effort d’actuation inférieur important
 Variabilité du couple de  Couple de freinage constant
freinage malgré la température et les
dilatations
 Mauvaise stabilité du couple
de freinage.
 Mauvaise évacuation de la  Bonne évacuation de la
chaleur chaleur
 Risque de déformation des
tambours
 Masse importante (masse
non suspendue)
 Supporte des sollicitations
intensives 41
Freins à tambour vs à freins à disque
Tb  f ( Pa ,Vitesse, temperature)

Gillespie: Fig 3.3 : Mesure du couple de freinage de freins à

disque et à tambour sur dynamomètre à inertie
42
Système de commande du freinage

43
Système de commande du freinage
 Dans une installation de freinage, on doit distinguer:
 le dispositif de freinage proprement dit: freins à disques ou à
tambour
 le dispositif de commande qui comprend tous les éléments
permettant au conducteur d’actionner le dispositif de freinage
 Conditions à remplir par le système de commande de freinage:
 avoir un temps de réponse très court
 permettre un dosage précis de la part du conducteur
 nécessiter un effort faible de la part du conducteur
 répartir le freinage entre les deux roues d’un même essieu quels
que soient l’orientation et les mouvements des roues
 répartir le freinage entre les essieux en fonction des charges
supportées
 arrêter le véhicule malgré une défaillance d’un élément du circuit

44
Système de commande du freinage
 Eléments d’un système de commande de frein:
 actionnement mécanique par des tringles rigides, des câbles
souples gainés ou non.
 actionnement hydraulique
 actionnement pneumatique (surtout utilisé dans les véhicules
industriels)
 Pour tout véhicule, le code de la route impose DEUX dispositifs
de commande de freinage. Leur fonctionnement doit être
indépendant.
 Pour les véhicules particuliers, on a généralement:
 un système mécanique pour le frein de secours et de
stationnement, souvent appelé frein à main
 un système hydraulique pour le circuit de freinage principal

45
Système de commande du freinage

Freins de secours et de stationnement de la Ford Focus 2000

46
Système de frein de stationnement
 Mission du frein de secours et de stationnement
 En cas de panne, il doit permettre l’arrêt du véhicule
 A l’arrêt, il doit être capable de réaliser l’immobilisation permanente
 Le système de frein de stationnement n’agit que sur un essieu
 Le mécanisme de frein de secours et de stationnement peut:
 être incorporé dans les freins à tambours
 être incorporés dans les étriers
 comporter des étriers indépendants ayant leur propre jeu de
plaquettes
 se présenter sous la forme de petits freins à tambours incorporés
dans le déport des disques

47
 Système de frein de stationnement

Mémeteau Fig. 9.3 Mémeteau Fig. 9.4

Frein de stationnement dans Frein de stationnement dans
Un frein à disque Un frein à disque

48
Système de frein de stationnement
 La commande mécanique est suffisante pour les freins de
secours car:
 Indépendante du système de commande de frein principal
 Conserve son efficacité durant une action prolongée en
stationnement
 Les inconvénients des systèmes mécaniques:
 Mauvaise répartition du freinage sur un essieu ou entre essieu
 Mauvaise stabilité au freinage lors des débattements de
suspension, des braquages de roue et à cause de la nécessité d’un
maximum de lignes droites
 Mauvais rendement (pertes par frottement)
 Risque de grippage
 Usure par distension
 Rupture des brins en usage intensif

49
Système de commande hydraulique
 Une commande hydraulique
comprend:
 un réservoir de liquide
 un émetteur ou maître cylindre qui
transforme la pression sur la pédale
en énergie hydraulique
 des récepteurs qui transforment
l’énergie hydraulique en force
d’actionnement des segments et des
plaquettes
 un réseau de canalisations entre
l’émetteur et les récepteurs

50
Système de commande hydraulique élémentaire

Mémeteau Fig. 9.3 Système hydraulique de commande

élémentaire

51
Système de commande hydraulique
 Avantages des systèmes de commande hydrauliques:
 Répartition parfaite du freinage aux deux roues d’un même essieu
(pression égale en tout point = Principe de Pascal)
 Amplification possible de la force par des différences de section
entre le cylindre émetteur et les cylindres récepteurs
 Les canalisations s’adaptent facilement à des liaisons sinueuses
 Les frottements sont très faibles

 Mécanismes de multiplication de la force dans le système de

commande des freins:
 mécaniquement, par un système de leviers
 hydrauliquement par des différences de diamètres

52
 Mécanismes d’amplification de la force

Système mécanique des leviers Systèmes hydraulique de surface

différentes de pistons

53
Le maître cylindre

54
Le maître cylindre

Mèmeteau Fig. 9.9

55
Le maître cylindre
 Eléments constitutifs d’un maître cylindre:
 un corps cylindrique en communication avec le réservoir par un
trou dans lequel est emmanché une goupille élastique fendue
 à son extrémité avant, un ou plusieurs orifices en communication
avec les cylindres récepteurs
 une soupape de pression résiduelle pour le circuit des freins à
tambour
 un piston qui coulisse dans le cylindre
 une coupelle secondaire qui assure l’étanchéité vers l’extérieur
 un ressort de rappel du piston qui maintient la soupape de pression
résiduelle et la coupelle primaire

56
Double circuit de freinage
 Nécessité d’un double circuit de freinage:
 Si les 4 récepteurs sont connectés sur la même canalisation
alimentée par la chambre unique du maître cylindre
 En présence d’une fuite la pression chute dans toute l’installation
 Avec un double circuit de freinage, on augmente la sécurité en
gardant une partie du système de freinage.

 Double circuit de freinage:

 un maître cylindre tandem
 deux réservoirs
 deux pistons, primaires et secondaires
 deux réseaux de canalisation indépendants

57
 Doubles circuits de freinage

Un circuit pour 2 roues: Circuit avant doublé: Circuit totalement

parallèle ou en croix parallèle ou en triangle dédoublé:

58
Le maître cylindre tandem

59
Le maître cylindre tandem
 Fonctionnement (normal) d’un maître cylindre tandem
 Lorsque la pédale de frein est appuyé, la tige est enfoncée et
pousse sur le piston primaire
 La pression grandit entre le premier cylindre. La fluide est poussé
dans le circuit primaire.
 La pression grandissante dans le premier cylindre pousse le second
piston qui se déplace et comprime à son tour le fluide du circuit
secondaire.
 Si le système fonctionne normalement la pression est identique
dans les deux circuits.
 En cas de fuite le système continue à fonctionner malgré tout

60
Le maître cylindre tandem

Fonctionnement du maître-cylindre

61
Le maître cylindre tandem
 Fonctionnement d’un maître cylindre tandem en présence d’une
fuite
 Soit une fuite dans le circuit 1. La pression chute entre 1 et 2.
 Le piston 1 s’enfonce et vient entrer en contact avec le piston 2.
 Le système se comporte comme un piston unique
 Le circuit 2 continue à fonctionner mais le conducteur doit exercer
un déplacement supplémentaire pour l’actionner, ce qui permet au
conducteur de se rendre compte du problème.

62
Circuit de frein en cas de fuite

63
 La vanne de combinaison

 Elle remplit simultanément

trois fonctions séparées:
 valve de mesure de
pression
 un indicateur de pression
différentielle
 une valve de
proportionnalité

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La valve métrique
 La valve métrique est nécessaire sur les véhicules qui ont des
freins à disque à l’avant et des freins à tambour à l’arrière.
 Le patin des freins à disque reste quasi en contact avec le
disque tandis que les segments des freins à tambour sont
rétractés du tambour. Conséquence, il faut plus de temps au
frein à disque pour entrer en action
 Pour la stabilité du freinage, on doit retarder l’entrée en action
des freins à disque à l’avant.
 La valve métrique est une valve tarée pour n’autoriser
l’actionnement des freins à disque qu’au delà d’un certain seuil
de pression

65
Indicateur de pression différentiel
 L’indicateur de pression différentiel est un dispositif destiné à
avertir le conducteur d’une chute de pression dans un des
circuits
 Il s’agit d’un petit piston dont les deux faces sont en contacts
avec la pression des deux circuits.
 Une différence de pression provoque le mouvement du piston
qui fait alors contact avec un voyant lumineux

66
Valve proportionnelle / limiteur de pression
 La valve de proportionnalité est une valve qui réduit la pression
dans les pistons des freins arrières pour éviter le blocage des
ces roues.

Avant

Arrière

67
Assistance au freinage

68
Assistance au freinage
 Assistance au freinage = dispositif qui permet pour un faible
effort sur la pédale de freins d’obtenir une forte pression
hydraulique dans le circuit.

 Dispositifs permettant d’amplifier les efforts (rappel):

 Systèmes mécaniques: bras de levier
 Systèmes hydrauliques: sections de piston différentes

 Dispositifs d’assistance au freinage:

 Amplifier l’effort fourni sans pour autant utiliser des mécanismes
qui nécessitent d’augmenter la course de la pédale.

69
Assistance au freinage

Mèmeteau Fig 10.1

70
Assistance au freinage
 Sources d’assistance au freinage:
 Créer une dépression à partir de la dépression dans la tubulure
d’admission (moteur essence) ou par une pompe à vide (moteur
Diesel)
 Créer une pression hydraulique fournie par une pompe hydraulique
 Créer une pression d’air fournie par un compresseur (exemple
véhicules industriels)
 Assistance obtenue par action de pressions différentes sur les
deux faces d’une membrane
 L’intensité de la force d’actionnement = somme
 la force sur la pédale multiplié par le mechanical advantage
 l’intensité de la force d’assistance

71
Assistance au freinage

Mèmeteau Fig 10.4

72
Assistance au freinage

Mèmeteau Fig 10.6

73
Assistance au freinage
 Système d’assistance au freinage
 L’hydrovac
 Le Master-Vac

74
 Le Master Vac
 Le Master-Vac ou servofrein est intercalé entre la pédale de freins
et maître-cylindre.

75
 Le Master Vac

 Il comprend:
 un cylindre de grand
diamètre (en vert)

 séparant deux chambres par

un piston coulissant

 qui commande la tige de

poussée du maître-cylindre

76
 Le Master Vac - Fonctionnement

 Le dispositif utilise la source de

dépression de l’admission du
moteur
 Lorsque la tige est enfoncée,
l’air à pression atmosphérique
peut pénétrer dans la partie
droite du diaphragme
 La différence de pression des
deux côtés du diaphragme
pousse la tige du maître
cylindre
 Comme la différence de
pression est faible, le diamètre
du diaphragme doit être grand.

77
 Le Master Vac - Fonctionnement

 Lorsque la pédale de frein est

libérée,
 La vanne de mise à
l’atmosphère se referme
 Le côté droit du diaphragme est
remis en dépression
 La force d’assistance s’annule
en retournant à sa configuration
initiale

78
La check-valve
 La check-valve est une valve à
sens unique qui permet à l’air
en dépression de sortir du
diaphragme mais pas d’y entrer
de sorte que l’arrêt du moteur
ou une fuite ne fait pas rentrer
de l’air de système

 Elle permet de garantir que le

master vac est toujours capable
d’assurer une assistance pour
plusieurs freinages malgré
l’arrêt du moteur

79
Synthèse

80
Système de freinage

81