LE SYSTEME DE FREINAGE

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1 LE SYSTEME DE FREINAGE Pierre Duysinx Ingénierie des Véhicules Terrestres Université de Liège Année Académique

2 Références bibliographiques T. Gillespie. «Fundamentals of vehicle Dynamics», 1992, Society of Automotive Engineers (SAE) J.Y. Wong. «Theory of Ground Vehicles». John Wiley & sons (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. H. Mèmeteau. «Technologie fonctionnelle de l automobile» Tome 2. 4ème édition. Dunod

3 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 3

4 INTRODUCTION 4

5 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

6 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

7 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

8 REALISATION DU FREINAGE 8

9 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

10 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

11 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

12 Les freins à tambour Tambour tourne avec la roue Flasque (immobile par rapport au châssis) 12

13 Les freins à tambour Segment Tambour (vue intérieure) 13

14 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

15 Les freins à tambour 15

16 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 16

17 Drum brakes Drum brake simplex -Double brake cylinder -Axle fixed rotation point -One leading shoe and one trailing shoe -Independent of rotation direction Drum brake duplex (like simplex) - braking with two leading brake shoes or, when backing-up, with two trailing brake shoes 17

18 Drum brakes Drum brake servo - Actuation by a single brake cylinder - Supporting force of primary shoe is the application force of the secondary shoe - Force transmission only possible in one direction Drum brake duo servo (like simplex) - transmission of the frictional forces of one brake shoe to the other - backing-up the same effect result 18

19 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 19

20 Les freins à tambour Frein à tambour simple Frein à tambour double 20

21 Les freins à tambour Cylindre d actionnement Tambour Frein à main Système de rattrapage de jeu Segment 21

22 Les freins à tambour X Facteur de freinage est le facteur d amplification entre la force de commande (entrée) et la force de freinage (sortie) M A = e P a + n ¹ N A m N A = 0 F A = ¹ N A e t F B = ¹ N B F A P a = ¹ e ( m ¹ n ) F B e t P a = ¹ e ( m + ¹ n ) 22

23 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

24 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

25 Les freins à tambour Système de rattrapage de jeu 25

26 Les freins à tambour Frein à main Mèmeteau Fig. 8.9a et 8.9b 26

27 Freins à disque Voiture Moto 27

28 Freins à disque Patins de frein Disque de frein Etriers Patins de frein Etriers DÉFINITIONS 28

29 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

30 Freins à disque Plaquette de frein Ouverture de vérification 30

31 Freins à disque Disques de frein Disques de frein 31

32 Freins à disque à étrier flottant ou fixe Frein à disque à étrier flottant Frein à disque à étrier fixe 32

33 Freins à disque à étrier flottant ou fixe Frein à disque à étrier coulissant Frein à disque à étrier fixe 33

34 Freins à disque à étrier flottant Fonctionnement d un frein à disque à étrier coulissant 34

35 Freins à disque à étrier flottant ou fixe Mèmeteau Fig 8.10 : Frein à disque à étrier coulissant 35

36 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

37 Frein à disque à étrier flottant Système de rattrapage de jeu dans un frein à disque à étrier flottant 37

38 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

39 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. 39

40 Freins à disque Facteur de freinage des freins à disque A Br p Br µ Br T B r = F B r R e = r B r ¹ B r A B r p B r = R e k B r p B r r Br k B r = ¹ B r A B r r B r = R e R e F Br 40

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

42 Freins à tambour vs à freins à disque T b f ( P, Vitesse, temperature ) a Gillespie: Fig 3.3 : Mesure du couple de freinage de freins à disque et à tambour sur dynamomètre à inertie 42

43 Système de commande du freinage 43

44 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

45 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

46 Système de commande du freinage Freins de secours et de stationnement de la Ford Focus

47 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

48 Système de frein de stationnement Mémeteau Fig. 9.3 Frein de stationnement dans Un frein à disque Mémeteau Fig. 9.4 Frein de stationnement dans Un frein à disque 48

49 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

50 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

51 Système de commande hydraulique élémentaire Mémeteau Fig. 9.3 Système hydraulique de commande élémentaire 51

52 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

53 Mécanismes d amplification de la force Système mécanique des leviers Systèmes hydraulique de surface différentes de pistons 53

54 Le maître cylindre 54

55 Le maître cylindre Mèmeteau Fig

56 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

57 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

58 Doubles circuits de freinage Un circuit pour 2 roues: parallèle ou en croix Circuit avant doublé: parallèle ou en triangle Circuit totalement dédoublé: 58

59 Le maître cylindre tandem 59

60 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

61 Le maître cylindre tandem Fonctionnement du maître-cylindre 61

62 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

63 Circuit de frein en cas de fuite 63

64 La vanne de combinaison Elle remplit simultanément trois fonctions séparées: valve de mesure de pression un indicateur de pression différentielle une valve de proportionnalité 64

65 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

66 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

67 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

68 Assistance au freinage 68

69 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

70 Assistance au freinage Mèmeteau Fig

71 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

74 Assistance au freinage Système d assistance au freinage L hydrovac Le Master-Vac 74

75 Le Master Vac Le Master-Vac ou servofrein est intercalé entre la pédale de freins et maître-cylindre. 75

76 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

77 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

78 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

79 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

80 Synthèse 80

81 Système de freinage 81