Systèmes de freinage hydraulique expliqués : comment votre voiture reste en sécurité

Comprendre le système de freinage automobile impose d'étudier le type hydraulique, largement utilisé. Ce système utilise un fluide hydraulique pour transmettre la force de la pédale ou du levier aux mâchoires de tambour ou aux étriers de disque pour réaliser le freinage.

Dans un système hydraulique, la force mécanique de la pédale est transmise et convertie en pression hydraulique par le maître-cylindre. Nous détaillerons ce processus.

Le système de freinage hydraulique repose sur le principe de la loi de Pascal : toute pression appliquée à un fluide se transmet uniformément dans toutes les directions. Aujourd'hui, nous verrons la définition, les fonctions, la construction, les applications, les composants, le schéma, les types, le fonctionnement, ainsi que les avantages et inconvénients du freinage hydraulique.

Qu'est-ce qu'un système de freinage hydraulique ?

Un système de freinage hydraulique est un mécanisme qui utilise du liquide de frein pour transmettre la force au système. Le fluide transfère la pression du mécanisme de commande au mécanisme de freinage.

Ce système est largement utilisé sur les véhicules à quatre roues à basse vitesse (ex. Tata Ace). Il fonctionne avec des freins à tambour, tandis que le type à disque équipe presque toutes les voitures. On le trouve aussi sur certaines motos. Les freins hydrauliques simple effet sont utilisés sur les freins avant de certains modèles Pulsar, tandis que les double effet équipent la plupart des configurations citées.

Fonctions du système de freinage hydraulique

Voici les fonctions du freinage hydraulique dans le système automobile :

• Le frein hydraulique génère une force bien supérieure au freinage mécanique.
• Le freinage final est rapide et efficace, d'où son utilisation sur les véhicules haute performance.
• L'usure par friction, importante dans le freinage mécanique, est réduite à un niveau optimal dans le système hydraulique.
• Les risques de défaillance sont réduits par rapport aux systèmes mécaniques, grâce à la liaison directe entre l'actionneur (pédale ou levier) et le disque ou le tambour.
• Le système hydraulique est facile à réparer grâce à sa moindre complexité comparé aux freins mécaniques.

Construction

La construction d'un système de freinage hydraulique implique l'agencement des pièces suivantes :

Pédale ou levier de frein, tige de poussée (aussi appelée tige d'actionnement), ensemble maître-cylindre avec ensemble piston (un ou deux pistons), ressort de rappel, série de joints ou joints toriques, réservoir de fluide. Le système comprend des canalisations hydrauliques renforcées et l'ensemble étrier de frein avec un ou deux pistons creux en aluminium ou acier chromé (pistons d'étrier). Il y a un jeu de plaquettes de frein thermoconductrices et un rotor (disque ou tambour de frein) fixé à un essieu.

Un liquide de frein à base de glycol-éther remplit le système pour transmettre la force aux quatre roues. D'autres fluides peuvent être utilisés. Soudain, les constructeurs ont commencé à équiper les véhicules de tourisme de freins à tambour sur les quatre roues. Conventionnellement, les freins à disque sont à l'avant et les tambours à l'arrière.

Les freins à disque offrent une meilleure dissipation thermique, une plus grande résistance à l'échauffement (fading) et sont plus sûrs que les tambours. C'est pourquoi les freins à disque aux quatre roues se sont largement généralisés. De plus, les freins hydrauliques offrent un retrait plus rapide et plus régulier des plaquettes au relâchement de la pédale.

Applications

L'application courante des freins hydrauliques qui les rend populaires est leur utilisation dans les véhicules. Le système est largement adopté pour ses grands avantages. Divers secteurs du transport et du matériel roulant (aérospatial, transport lourd, marine, hors route) utilisent aussi le freinage hydraulique. Il équipe aussi des équipements industriels : machines-outils, pompes, convoyeurs, moteurs, robotique, automatisation. Cette large utilisation s'explique par l'incapacité du freinage mécanique à offrir autant d'avantages et par la modulation significativement plus aisée.

Composants du système de frein hydraulique

Voici les composants du système de frein hydraulique et leurs fonctions :

Frein à tambour (Drum brake)

Le frein à tambour est un petit tambour rond contenant un jeu de mâchoires. Les mâchoires sont supportées sur une plaque de fond boulonnée au carter d'essieu. Il tourne avec la roue et résiste à sa rotation quand la pédale est pressée. Les mâchoires se rapprochent du tambour pour freiner.

Frein à disque (Disk brake)

Le frein à disque comporte un rotor métallique en forme de disque boulonné au moyeu de roue. Le rotor tourne dans la roue. Quand la pédale est pressée, les plaquettes sont pressées contre le disque, ralentissant le véhicule.

Pédale de frein (Brake pedal)

Comme sur tout automobile, la pédale de frein actionne les freins. Elle est reliée au maître-cylindre par un cordon mécanique ou une tige de liaison.

Maître-cylindre (Master cylinder)

Le maître-cylindre convertit la force appliquée sur la pédale en pression hydraulique. Ses fonctions : développer la pression, égaliser la pression requise pour le freinage, et empêcher les contaminants (eau, air). Ses composants : corps, réservoir, piston, coupelle en caoutchouc, valve de pression, clapet anti-retour, etc.

Cylindre de roue (Wheel cylinder)

Le cylindre de roue convertit la pression hydraulique en pression mécanique. Il pousse les mâchoires vers le tambour. On distingue le cylindre de roue à piston unique et le cylindre de roue à étages.

Canalisations ou flexibles de frein (Brake lines or hoses)

Ils transmettent le fluide sous haute pression entre les composants. Les canalisations sont rigides, en tubes d'acier à double paroi. Les flexibles sont, eux, mobiles. Le fluide hydraulique y passe quand la pédale est pressée.

Liquide de frein (Brake fluid)

Le liquide de frein est le vecteur de transmission de la pression aux cylindres de roue. Il doit avoir un point de congélation bas, tolérer l'eau, lubrifier, être non corrosif, avoir une viscosité adaptée et un point d'ébullition élevé.

Schéma du système de freinage hydraulique :

(Schéma non inclus dans le texte source)

Spécifications

Voici les spécifications de performance à considérer lors du choix d'un système de freinage hydraulique :

• Couple nominal – le couple maximal du frein doit être égal ou supérieur aux exigences de l'application.
• Puissance – capacité ou puissance maximale du frein.
• Vitesse – ne s'applique qu'aux freins rotatifs : vitesse de rotation maximale.
• Pression maximale – limite de pression maximale pour les freins hydrauliques.
• Configuration d'arbre – mode de montage du frein (aligné, parallèle, angle droit).

Types de systèmes de freinage hydraulique

Voici les différents types de freinage hydraulique :

Les systèmes sont classés sur deux bases : le mécanisme de contact frictionnel et la répartition de la force de freinage.

La base du contact frictionnel comprend deux types :

• Frein à tambour ou frein hydraulique à expansion interne
• Frein à disque ou frein hydraulique à contraction externe

La base de la répartition de la force comprend aussi deux types :

• Freins hydrauliques simple effet
• Freins hydrauliques double effet

Ces types seront détaillés dans la section sur le principe de fonctionnement.

Principe de fonctionnement

Comme il existe plusieurs types de freinage hydraulique, nous expliquerons leur fonctionnement qui varie. Commençons par les freins à tambour et à disque, puis les simple et double effet.

Fonctionnement du frein à tambour hydraulique

Dans ce type, l'actionnement de la pédale est relié au piston du maître-cylindre par une tige de liaison. Cela pousse le piston du maître-cylindre à l'intérieur, comme une seringue médicale.

Le piston comprime le liquide de frein, convertissant l'énergie mécanique en pression hydraulique. Ce fluide fortement comprimé circule dans la canalisation, transférant la pression du maître-cylindre au tambour de frein. Dès que le fluide à haute pression entre dans le cylindre de tambour ou cylindre de roue, le piston de ce dernier se déplace sous l'effet de la pression. Cela écarte les mâchoires fixes qui y sont attachées.

L'écartement des mâchoires crée un contact frictionnel entre les mâchoires et la garniture du tambour (partie tournante), convertissant l'énergie cinétique du véhicule en énergie thermique, ce qui produit le freinage.

Fonctionnement du frein à disque hydraulique :

Le principe est similaire au tambour, avec une différence à partir de l'entrée du fluide sous haute pression dans les canalisations.

Le fluide sous haute pression entre dans l'étrier de disque depuis les canalisations, provoquant le mouvement du piston du cylindre d'étrier. Ce piston déplace la plaquette de frein fixée à l'intérieur de l'étrier.

Le mouvement des plaquettes les fait pincer le rotor de disque tournant. Ces composants entrent en contact frictionnel, convertissant l'énergie cinétique du véhicule en énergie thermique, ce qui arrête ou ralentit le véhicule.

Fonctionnement des freins à tambour et à disque simple et double effet :

Les composants des freins simple et double effet sont identiques. Que ce soit un frein à tambour simple effet ou un frein à disque simple effet, il n'y a pas de différence. Les différences peuvent provenir du maître-cylindre utilisé pour répartir la force de freinage. Par exemple, sur moto : freinage d'une roue ou des deux roues ; sur véhicule : freinage deux roues ou quatre roues.

Le fonctionnement du frein à tambour simple effet suit exactement le principe décrit pour le frein hydraulique à tambour. Une seule roue ou un seul essieu reçoit la force de freinage.

Dans le frein hydraulique double effet, le fluide sous haute pression du maître-cylindre est distribué dans deux directions : sur moto, les deux roues ; sur voiture, les quatre roues grâce au maître-cylindre tandem.

Un frein à disque hydraulique simple effet fonctionne comme le type disque décrit plus haut. Une roue ou un essieu reçoit la force de freinage. Le frein à disque double effet distribue le fluide sous haute pression du maître-cylindre dans deux directions : moto deux roues, voiture quatre roues grâce au maître-cylindre tandem.

Cette explication couvre les freins hydrauliques simple et double effet.

Regardez la vidéo ci-dessous pour en savoir plus sur le fonctionnement du système de freinage hydraulique :

(Vidéo non incluse)

Avantages et inconvénients du système de freinage hydraulique

Avantages :

• Il offre un effort de freinage égal sur les quatre roues.
• La force appliquée peut être augmentée ou diminuée en changeant la taille du piston et du cylindre.
• Taux d'usure réduit car il n'y a pas d'articulations.

Inconvénients :

Limites du système de freinage hydraulique :

• Fuite de liquide de frein pouvant endommager les mâchoires.
• La présence de poches d'air peut détruire tout le système.

En conclusion, le système de freinage hydraulique est le meilleur choix pour l'automobile et d'autres applications mécaniques. Dans cet article, nous l'avons détaillé : définition, fonctions, construction, applications, composants, types et principes de fonctionnement.

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