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LE SYSTEME DE FREINAGE

Pierre DuysinxIngénierie des Véhicules Terrestres

Université de LiègeAnnée Académique 2009-2010

Références bibliographiquesT. 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 andSimulation » Series on Advances in Mathematics for AppliedSciences Vol. 43, World Scientific.www.howstuffworks.comH. Mèmeteau. « Technologie fonctionnelle de l’automobile »Tome 2. 4ème édition. Dunod 200.

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Plan de l’exposé

Réalisation du freinage:Types de freins

Les freins à tambourLes freins à disque

ComparaisonSystèmes de commande des freins

Démultiplication de la forceMaître cylindreIndicateur de chute de pression

Assistance au freinageMaster vac / servofrein

Système anti blocage (ABS)Principe de fonctionnement

Freins de ralentissement

INTRODUCTION

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IntroductionBrakes 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 speedKeep the vehicle at standstill

IntroductionOn distinguish the different categories of braking systems

Service brake system: general decrease of the speed while drivingEmergency brake system: has to take over the function of the service brake system when failingParking brake system: prevents unwanted motion of the vehicle when parkedContinuous 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 brakesThe brake elements of the continuous generaly act on the drivetrain

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Introduction

A common brake systemControl device: pedals / hand-brake leverTransmission device: components between the control device and the brake

Hydraulic, pneumatic, electric, mechanical

The wheel brake

REALISATION DU FREINAGE

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Réalisation du freinagePour un arrêt précis en une distance minimale, on doit actionner le système de freinage.Celui-ci va dissiper l’énergie cinétique du véhicule par frottementqui va la convertir en chaleur et ensuite l’évacuer.Frottement par contact entre deux surfaces:

une solidaire de l’élément tournantune surface fixe au châssis

On distingue principalement deux types de freins:les freins à tambourles freins à disques

Mais on a aussi :les freins à patinles freins à bande

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 facilitéd’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

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Les types de frein

Les freins à patinsPrincipalement utilisés sur les bicyclettesSont remplacés par des freins à disque sur des bicyclettes de course (VTT)

Les freins à bandeSystème beaucoup plus ancien et abandonnéaujourd’hui

Les freins à tambour

Tambour tourne avec la roue

Flasque (immobile par rapport au châssis)

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Segment Tambour (vue intérieure)


Le tambour:Partie mobile dont l’alésage intérieur constitue la piste de freinageLe tambour doit supporter et dissiper la très forte quantité de chaleur dissipée par le freinageDoit avoir une bonne conductibilité thermiqueDoit avoir une épaisseur importante pour résister aux déformations (ovalisation) dues à l’action des segments et de la chaleurIl est généralement réalisé en fonte

Les segmentsSont fixés au plateau appelé flasqueSont actionnés par une came commandée par câble, un cylindre pneumatique, un ou plusieurs cylindres hydrauliques

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Drum brakesThe 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-brakeDuplex-brakeServo brakeDuo-duplex-brakeDuo-servo-brake

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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

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

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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


Frein à tambour simple Frein à tambour double

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Tambour

Frein à main

Système de rattrapage de jeu

Segment

Cylindre d’actionnement


Facteur de freinage est le facteur d’amplification entre la force de commande (entrée) et la force de freinage (sortie)

X

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 )

e t F B

P a

= ¹ e

( m + ¹ n )

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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 frictionSystème est auto serrant: grand avantage mécaniqueLe problème est que cela peut conduire au blocage du patin

Le segment B est le segment tendu ou secondaireLa force de friction tend à créer un moment qui diminue la force de commandeLe 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


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 àrattrapage automatique (e.g. frein Bendix)

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Système de rattrapage de jeu


Frein à main

Mèmeteau Fig. 8.9a et 8.9b

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Freins à disque

Voiture Moto

Freins à disque

Patins de frein

Etriers

DÉFINITIONS

Disque de frein

Patins de frein

Etriers

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Freins à disque

Le frein à disque comporte:un disque solidaire de la roue et donc mobileun étrier supportant les pistons de freins sur lesquels sont montés les patins de freins. Il est fixe par rapport au châssisun ou plusieurs pistonsdes patins en matériaux de friction

On distingue les freins à disque à étrier fixeles freins à disque à étrier flottant

Freins à disque

Plaquette de freinOuverture de vérification

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Freins à disque

Disques de frein

Disques de frein

Freins à disque à étrier flottant ou fixe

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

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

Freins à disque à étrier flottant

Fonctionnement d’un frein à disque à étrier coulissant

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Mèmeteau Fig 8.10 : Frein à disque à étrier coulissant

Freins à disque à étrier flottant

Principe de fonctionnementUn 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 etPousse le piston qui presse la première plaquette contre le disquePousse 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 caoutchoucAssure le rappelAssure le rattrapage automatique du jeu par sa distorsion

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Frein à disque à étrier flottant

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

Frein à disque à étrier fixe

Principe de fonctionnementL’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

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Garniture des freins

Les garnitures doivent résister à des températures élevées (de l’ordre de 600 à 700 °C) et des efforts importantsLes 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 frottementNe pas produire de bruit ou de broutementRécupérer 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.

Freins à disque

Facteur de freinage des freins à disque

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

k B r = ¹ B r A B r r B r = R e Re

FBr

rBr

ABr pBr µBr

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Freins à tambour vs à freins à disque

Haut facteur de freinage: effort d’actuation inférieurVariabilité du couple de freinage

Mauvaise stabilité du couple de freinage. Mauvaise évacuation de la chaleurRisque de déformation des tamboursMasse importante (masse non suspendue)

Effort d’actuation important

Couple de freinage constant malgré la température et les dilatations

Bonne évacuation de la chaleur

Supporte des sollicitations intensives

Freins à tambour vs à freins à disque

Gillespie: Fig 3.3 : Mesure du couple de freinage de freins àdisque et à tambour sur dynamomètre à inertie

( , , )b aT f P Vitesse temperature=

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Système de commande du freinage


Dans une installation de freinage, on doit distinguer:le dispositif de freinage proprement dit: freins à disques ou àtambourle 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 courtpermettre un dosage précis de la part du conducteurnécessiter un effort faible de la part du conducteurrépartir le freinage entre les deux roues d’un même essieu quels que soient l’orientation et les mouvements des rouesrépartir le freinage entre les essieux en fonction des charges supportées arrêter le véhicule malgré une défaillance d’un élément du circuit

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Eléments d’un système de commande de frein:actionnement mécanique par des tringles rigides, des câbles souples gainés ou non.actionnement hydrauliqueactionnement 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 mainun système hydraulique pour le circuit de freinage principal


Freins de secours et de stationnement de la Ford Focus 2000

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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


Mémeteau Fig. 9.3Frein de stationnement dans

Un frein à disque

Mémeteau Fig. 9.4Frein de stationnement dans

Un frein à disque

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La commande mécanique est suffisante pour les freins de secours car:

Indépendante du système de commande de frein principalConserve son efficacité durant une action prolongée en stationnement

Les inconvénients des systèmes mécaniques:Mauvaise répartition du freinage sur un essieu ou entre essieuMauvaise stabilité au freinage lors des débattements de suspension, des braquages de roue et à cause de la nécessité d’un maximum de lignes droitesMauvais rendement (pertes par frottement)Risque de grippageUsure par distensionRupture des brins en usage intensif

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

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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 récepteursLes canalisations s’adaptent facilement à des liaisons sinueusesLes frottements sont très faibles

Mécanismes de multiplication de la force dans le système de commande des freins:

mécaniquement, par un système de leviershydrauliquement par des différences de diamètres

Mécanismes d’amplification de la force

Système mécanique des leviers Systèmes hydraulique de surfacedifférentes de pistons

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Système de commande hydraulique élémentaire

Mémeteau Fig. 9.3 Système hydraulique de commande élémentaire

Le maître cylindre

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Le maître cylindre

Mèmeteau Fig. 9.9

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 fendueà son extrémité avant, un ou plusieurs orifices en communication avec les cylindres récepteursune soupape de pression résiduelle pour le circuit des freins àtambourun piston qui coulisse dans le cylindreune coupelle secondaire qui assure l’étanchéité vers l’extérieurun ressort de rappel du piston qui maintient la soupape de pression résiduelle et la coupelle primaire

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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 cylindreEn présence d’une fuite la pression chute dans toute l’installationAvec un double circuit de freinage, on augmente la sécurité en gardant une partie du système de freinage.

Double circuit de freinage:un maître cylindre tandemdeux réservoirsdeux pistons, primaires et secondairesdeux réseaux de canalisation indépendants

Doubles circuits de freinage

Un circuit pour 2 roues:parallèle ou en croix

Circuit avant doublé:parallèle ou en triangle

Circuit totalementdédoublé:

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Le maître cylindre tandem


Fonctionnement (normal) d’un maître cylindre tandemLorsque 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 poussédans 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

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Fonctionnement du maître-cylindre


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.

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Circuit de frein en cas de fuite

La vanne de combinaison

Elle remplit simultanément trois fonctions séparées:

valve de mesure de pressionun indicateur de pression différentielleune 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 actionPour 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

Indicateur de pression différentiel

L’indicateur de pression différentiel est un dispositif destiné àavertir le conducteur d’une chute de pression dans un des circuitsIl 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

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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

Assistance au freinage

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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 levierSystèmes 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.


Mèmeteau Fig 10.1

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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 hydrauliqueCréer une pression d’air fournie par un compresseur (exemple véhicules industriels)

Assistance obtenue par action de pressions différentes sur les deux faces d’une membraneL’intensité de la force d’actionnement = somme

la force sur la pédale multiplié par le mechanical advantagel’intensité de la force d’assistance


Mèmeteau Fig 10.4

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Mèmeteau Fig 10.6


Système d’assistance au freinageL’hydrovacLe Master-Vac

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Le Master Vac

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

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

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Le Master Vac - Fonctionnement

Le dispositif utilise la source de dépression de l’admission du moteurLorsque la tige est enfoncée, l’air à pression atmosphérique peut pénétrer dans la partie droite du diaphragmeLa différence de pression des deux côtés du diaphragme pousse la tige du maître cylindreComme la différence de pression est faible, le diamètre du diaphragme doit être grand.

Le Master Vac - Fonctionnement

Lorsque la pédale de frein est libérée,La vanne de mise àl’atmosphère se refermeLe côté droit du diaphragme est remis en dépressionLa force d’assistance s’annule en retournant à sa configuration initiale

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La check-valve

La check-valve est une valve àsens 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 malgrél’arrêt du moteur

Synthèse

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Système de freinage

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