LE SYSTEME DE FREINAGE

LE SYSTEME DE FREINAGE

Pierre Duysinx

Ingénierie des Véhicules Terrestres Université de Liège

Année Académique 2009-2010

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.

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

INTRODUCTION

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

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 generaly act on the

drivetrain

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

REALISATION DU FREINAGE

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

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

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

Les freins à tambour

Tambour tourne

avec la roue Flasque (immobile par

rapport au châssis)

Les freins à tambour

Segment Tambour (vue intérieure)

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

Les freins à tambour

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

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

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

Les freins à tambour

Frein à tambour simple Frein à tambour double

Les freins à tambour

Tambour

Frein à main

Système de rattrapage de jeu

Segment Cylindre d’actionnement

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 M

= e P

+ n ¹ N

¡ m N

= 0

F

= ¹ N

e t F

= ¹ N

F

P

= ¹ e

( m ¡ ¹ n ) e t F

P

= ¹ e

( m + ¹ n )

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

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)

Les freins à tambour

„

Système de rattrapage de jeu

Les freins à tambour

„

Frein à main

Mèmeteau Fig. 8.9a et 8.9b

Freins à disque

Voiture Moto

Freins à disque

Patins de frein

Etriers

DÉFINITIONS

Disque de frein

Patins de frein

Etriers

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

Freins à disque

Plaquette de frein

Ouverture de vérification

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

Freins à disque à étrier flottant ou fixe

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

Freins à disque à étrier flottant ou fixe

Mèmeteau Fig 8.10 : Frein à disque à étrier coulissant

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

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 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

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.

Freins à disque

„

Facteur de freinage des freins à disque

T

= F

R

= r

¹

A

p

= R

k

p

k

= ¹

A

r

= R

R

F

r

A

p

µ

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’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 à disque et à tambour sur dynamomètre à inertie

( , , )

b a

T = f P Vitesse temperature

Système de commande du freinage

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

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

Système de commande du freinage

Freins de secours et de stationnement de la Ford Focus 2000

Système de frein de stationnement

„

Mission du frein de secours et de stationnement

„ En cas de panne, il doit permettre l’arrêtdu 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

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

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

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

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

Mécanismes d’amplification de la force

Système mécanique des leviers Systèmes hydraulique de surface

différentes de pistons

Système de commande hydraulique élémentaire

Mémeteau Fig. 9.3 Système hydraulique de commande élémentaire

Le maître cylindre

Le maître cylindre

Mèmeteau Fig. 9.9

Le maître cylindre

„

Eléments constitutifs d’un maître cylindre:

„ un corps cylindriqueen communication avec le réservoirpar un trou dans lequel est emmanché une goupille élastique fendue

„ à son extrémité avant, un ou plusieurs orificesen communication avec les cylindres récepteurs

„ une soupape de pression résiduellepour le circuit des freins à tambour

„ un pistonqui coulisse dans le cylindre

„ une coupelle secondairequi assure l’étanchéité vers l’extérieur

„ un ressort de rappeldu piston qui maintient la soupape de pression résiduelle et la coupelle primaire

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

Doubles circuits de freinage

Un circuit pour 2 roues:

parallèle ou en croix Circuit avant doublé:

parallèle ou en triangle Circuit totalement

dédoublé:

Le maître cylindre tandem

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

Le maître cylindre tandem

Fonctionnement du maître-cylindre

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.

Circuit de frein en cas de fuite

La vanne de combinaison

„

Elle remplit simultanément trois fonctions séparées:

„ valve de mesure de pression

„ un indicateur de pression différentielle

„ une valve de proportionnalité

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

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

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

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.

Assistance au freinage

Mèmeteau Fig 10.1

Assistance au freinage

„

Sources d’assistance au freinage:

„ Créer une dépressionà partir de la dépression dans la tubulure d’admission (moteur essence) ou par une pompe à vide (moteur Diesel)

„ Créer une pression hydrauliquefournie par une pompe hydraulique

„ Créer une pression d’airfournie 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

Assistance au freinage

Mèmeteau Fig 10.4

Assistance au freinage

Mèmeteau Fig 10.6

Assistance au freinage

„

Système d’assistance au freinage

„ L’hydrovac

„ Le Master-Vac

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

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.

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

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

Synthèse

Système de freinage