Technique : Améliorer le freinage

Nous allons essayer dans ce dossier d'étudier toutes les possibilités afin d'augmenter l'efficacité du freinage d'une voiture. Mais avant cela il me semble nécessaire de revenir sur les principes de base du freinage.

Si vous êtes sur ce site c'est que vous portez de l'intérêt à l'automobile, et de ce fait je suis certain que vous connaissez les quelques systèmes de freinage qu'il existe.

La commande : Elle se fait par l'intermédiaire d'un maître cylindre relié à votre pédale de frein. Le maître cylindre n'est en fait qu'un vérin qui fonctionne comme émetteur et non comme récepteur. Il est relié aux organes de freinage situés près des roues par des canalisations en cuivre. Dans celle-ci circule un fluide à base d'huile ayant pour propriété principale de ne pas être compressible, ainsi chaque force de poussée sur la pédale est quasiment intégralement transmise aux récepteurs (étriers).
Entre la pédale et le maître cylindre il peut y avoir un système d'aide au freinage, souvent appelé Master Vac. Ce système multiplie la force exercée sur le maître cylindre en utilisant la dépression de la tubulure d'admission. Sur les moteur diesel, on crée artificiellement cette dépression grâce à une pompe. Ce système d'assistance au freinage est aujourd'hui présent sur la totalité des véhicules mais ce n'a pas toujours été le cas, le Djet par exemple n'en possède pas. Par contre, les voitures de compétition ne possèdent pas ce système afin que le pilote puisse véritablement doser précisément son freinage.
Sur les voitures actuelles, on retrouve également l'ABS qui évite le blocage des roues sur sol glissant ou en cas de freinage d'urgence. Comme l'électronique prend de l'importance dans l'automobile il se créé de plus en plus de système du même type.

Les récepteur : Deux systèmes de freinage sont utilisés dans le domaine de l'automobile, les freins à disques et les freins à tambour. Les premiers offrent un freinage puissant et progressif, tandis que les autres offrent l'avantage d'un entretien moins rigoureux mais leur force de freinage est assez limitée.
Dans les deux cas, le système est composé d'un récepteur hydraulique (l'étrier), d'éléments de friction (les plaquettes ou garnitures) et d'un élément lié à l'élément que l'on souhaite freiner (le disque ou le tambour).
Le principe est simple, l'étrier applique les éléments de friction sur le disque (ou le tambour), avec une force suffisante à faire décélérer la roue.

L'équilibrage de forces de freinage : Cette notion est tout à fait importante et elle résume la difficulté de mettre en place un système de freinage permettant de freiner fortement sans déséquilibrer la voiture. En effet comme vous le savez probablement lors d'un freinage c'est l'énergie cinétique emmagasinée par la voiture qui l'empêche de s'arrêter. Plusieurs facteurs vont augmenter cette énergie comme la vitesse et le poids de la voiture. Par exemple si quelqu'un vous lance une balle de base-ball à une certaine vitesse...disons 25 km/h, lorsque vous allez l'attraper et donc l'arrêter brutalement, c'est votre main qui va absorber l'énergie cinétique emmagasinée par la balle. C'est pourquoi plus on va vous lancer fort cette même balle et plus vous aurez mal à la main en l'attrapant. :)
Donc il faut absorber l'énergie cinétique de la voiture, mais avec quelle puissance sur chaque roue? Lors du freinage, le poids de la voiture a tendance à passer vers l'avant de la voiture, c'est pour cela que le capot de la voiture plonge et que le coffre a tendance à se lever. Toujours au freinage, il y aura donc moins de poids à l'arrière de la voiture qu'à l'avant, il sera donc plus facile de bloquer les roues arrières que les roues avant. Le blocage des roues étant l'ennemi du freinage efficace, il faut éviter alors que la puissance de freinage soit trop important à l'arrière. De plus, si les roues arrières venaient à bloquer cela aurait pour effet de mettre la voiture en position de sur-virage, en fait l'arrière de la voiture se déporterait comme lorsque vous roulez sur la neige avec le frein à main serré. Dans une telle situation la voiture a en effet tendance à tourner autour de l'axe du train avant. Par contre, le freinage doit être suffisamment puissant sur les roues avants pour absorber le surplus d'énergie dû au transfert des masses de l'arrière vers l'avant. C'est pourquoi durant de nombreuses années, et même encore aujourd'hui, les voitures étaient équipées de freins à disques à l'avant et de freins à tambour à l'arrière. D'autre part sur certains modèles a été ajouté un compensateur de freinage qui limite la puissance du freinage à l'arrière, ce système peut même être asservi à la charge ce qui permet de conserver une puissance convenable même lorsque la voiture est fortement chargée (lors des départs en vacances par exemple).
Pour équilibrer les puissances des freins avant et arrières on peut également jouer sur la taille des disques ou des tambour (Diamètre), ainsi que sur la taille des pistons récepteurs.

Maintenant que les principes de base sont posés nous pouvons nous attaquer à l'amélioration du système de freinage, c'est à dire à l'adapter aux besoins spécifiques de chaque "pilote".
Mais avant cela je tiens à rappeler que ce dossier n'a qu'un but indicatif et qu'il est strictement interdit de modifier les éléments de freinage sur une voiture circulant sur route ouverte.

Améliorer le freinage :

Tout d'abord, il faut être conscient de ce que l'on veut améliorer, la puissance ou l'endurance du freinage, car même si ces notions semblent proches ce n'est pas tout à fait le cas.

L'endurance :

Vous avez déjà pu remarquer je pense que lorsque vous devez appuyer un freinage sur une longue distance, lorsque vous roulez à grande vitesse et que vous souhaitez vous arrêter par exemple, ou encore lorsque vous descendez une route de montagne, que l'efficacité de votre freinage diminue, c'est ce que l'on appelle le "fading". C'est en fait lié à l'échauffement des disques de freins car pour absorber l'énergie cinétique emmagasinée par la voiture le système de freinage la transforme en chaleur, conséquence de la friction des plaquettes sur le disque. Donc, lorsque le disque est trop chaud, son coefficient de frottement diminue, ce qui diminue proportionnellement la puissance de freinage disponible.

Pour éviter ce problème il existe plusieurs solutions.
Tout d'abord la plus simple, surdimensionner le système de freinage. S'il est prévu pour offrir une puissance plus importante que celle dont vous avez besoin, la marge de sécurité vous permettra alors de profiter également d'une bonne endurance. Ceci pose le problème du coût, mais aussi de la progressivité du freinage car il sera alors très difficile de doser un freinage faible.
La solution la plus simple consiste à amener de l'air frais sur les disques de frein, ce principe est utilisé sur les F1. Une écope récupère de l'air frais à l'avant de la voiture et le canalise vers les disques de frein. Là encore il faut faire attention à ne pas trop refroidir le disque car il a tout de même besoin d'être à une certaine température pour être utilisé au maximum. En compétition on obstrue l'écope suivant le tracé du circuit ou de l'épreuve et donc suivant la sollicitation qui va être faite sur les freins.
Ensuite on peut également augmenter l'épaisseur des disques de frein, qu'ils soient ventilés ou non. En effet, plus il y a de matière et plus la chaleur pourra se disperser ce qui aura donc pour conséquence de diminuer la température de la zone de friction du disque. Bien évidemment l'augmentation de l'épaisseur du disque n'est pas toujours possible car cela diminue d'autant l'épaisseur des plaquettes afin que le tout puisse encore être accepté par l'ouverture de la pince des étriers. Sur les Djet comme sur les A110 il existe maintenant en vente des disques plus épais que ceux prévus d'origine.
Enfin, on peut modifier complètement la nature du disque et choisir des disques percés. Des trous sont placés sur les parties les plus sollicitées de la zone de friction afin de permettre un passage d'air. Ou encore mettre des disques ventilés si ceux d'origine ne le sont pas, mais cela implique des changements importants. Il faut alors opter pour d'autres étriers puisque l'ouverture de ceux d'origine ne sera alors plus suffisante.



La puissance :

Ici c'est le mordant du freinage que l'on va rechercher à améliorer, c'est à dire la puissance globale du système.
Pour cela il est possible d'intervenir sur la quasi totalité des éléments du système.

Les modifications les plus simples consistent à modifier la texture des éléments de friction (plaquettes et disques). Si l'on utilise des matériaux plus tendre, le coefficient de frottement sera alors plus élevé, ce qui augmentera alors le mordant du freinage. Pour cela des disques ainsi que des plaquettes spécifiques sont commercialisés suivant l'utilisation que vous faites de la voiture (circuit, rallye, sportif ou compétition). Cependant le principal inconvénient est bien sûr une durée de vie limitée de ces constituants, il faut donc les remplacer plus fréquemment que ceux de série.
Ensuite, il est possible d'intervenir sur la liaison entre la canalisation cuivre du circuit de freinage et l'étrier proprement dit. Celle-ci est assurée par une canalisation souple en caoutchouc armé. Cependant ces durites ont tendance à se dilater sous la pression du liquide de frein lors d'un freinage. Il y a donc une perte certaine de pression au moment même du freinage. Sur les voitures de compétition, on remplace ces durites par des modèles en tube armé par une tresse inox (Goodridge). Vous pouvez facilement créer vos propres durite grâce à des raccords spécifiques. En fait je suis sûr que vous connaissez déjà tous ce système, il est d'ailleurs utilisé depuis des années sur les motos.
D'autre part, il me semble important de rappeler ici qu'une purge régulière du système de freinage reste également le meilleur moyen de conserver une bonne puissance de freinage. En effet, lorsque l'on freine les plaquettes chauffent, cette chaleur se disperse alors dans l'étrier puis dans le liquide de frein. Celui-ci sous l'effet de cette chaleur peut créer des bulles d'air dans le système de freinage, réduisant ainsi considérablement la puissance du freinage. D'autre part, ce liquide est très sensible à l'humidité car il l'absorbe. En refroidissant le liquide créé donc inévitablement de l'humidité dont il s'imprègne aussitôt. De plus il peut absorber l'humidité ambiante par le bocal ou par un légère aspérité des divers joints ou canalisations.
L'inconvénient principal de ce phénomène est le suivant, dès que le liquide de frein a absorbé un peu d'humidité, cela fait chuter dans de fortes proportions sa limite d'ébullition. Par exemple, le DOT 5 a un point d'ébullition à 265°C environ, avec quelques pourcents d'humidité, il baisse à 140°C seulement. Il est donc important de changer régulièrement ce liquide, surtout si vous faites une utilisation poussée de votre auto.

Ensuite, pour augmenter la puissance du freinage il est possible de modifier les éléments suivant :

Augmentation de la surface de friction : si vous augmentez la taille de vos plaquette, imaginons que celles-ci recouvrent alors 1/3 du disque, vous allez augmenter la surface de friction (plaquettes/disque). Des étriers spécifiques sont commercialisés et utilisés par exemple en F1, ils sont multipistons et enveloppent une partie important du disque. Malheureusement c'est hors de prix...


Augmentation du diamètre des disques : Si vous pouvez augmenter le diamètre des disques, vous allez en fait augmenter le bras de levier disponible pour le freinage. Donc avec la même pression de freinage, la même surface de friction, vous allez augmenter le couple de freinage possible, par contre vous augmentez aussi l'échauffement des disques et plaquettes puisque la vitesse de rotation est alors plus importante. Vous savez c'est comme lorsque plusieurs personnes se tiennent la main et tournent autour de la première, celle-ci marche très lentement alors que celle qui est en fin doit courir, elle va donc plus vite que celle qui est au centre.

Le plus gros problème ici est en fait la place disponible dans la jante et autour du moyeu de roue, car les éléments que vous souhaitez mettre en place prennent souvent bien plus de place que ceux d'origine. Il est donc important de faire une étude de l'encombrement du nouveau système, et de vérifier s'il est compatible avec la place disponible sur la voiture.

Augmentation du bras de levier à la pédale : La pédale de frein est reliée au maître cylindre, et est articulée autour d'un axe. La pédale sert donc de bras de levier pour démultiplier la pression que vous exercer lors d'un freinage. L'idée pourrait alors être d'augmenter ce bras de levier, malheureusement c'est difficilement réalisable car il faut alors modifier tout le pédalier.

Augmentation du diamètre des pistons : Comme nous l'avons vu, le système de freinage comporte un émetteur (le maître cylindre) et plusieurs récepteurs (les étriers). Imaginons maintenant que votre maître cylindre ait exactement le même diamètre que le piston de l'étrier, et donc la même surface. Vous exercez dessus une pression de 50 Kg par exemple, nous savons que la pression est en fait des Kg/cm², pour connaître la pression dans les canalisations il suffit alors de diviser la pression exercée par votre pied par la surface du maître cylindre. Pour simplifier prenons 1cm², cela nous fait alors 50/1=50 Kg/cm²=50 bars. Le principe est le même sur l'étrier, il y a 50 bars de pression de commande sur 1cm² de surface cela fait alors F/1=50Kg/cm² soit F = 50*1 = 50 Kg. La pression de votre pied est donc intégralement transmise au cylindre récepteur, mais qu'en est il si les cylindres récepteurs n'ont pas le même diamètre que le maître cylindre ? Il suffit de reprendre le même raisonnement imaginons :
Surface maître cylindre = 5 cm²
Surface pistons étrier = 25 cm²
Pression sur le maître cylindre = 50 Kg

Calculs :

Pression dans le circuit : 50/5 = 10 Kg/cm²=10 bars
Force de freinage à l'étrier : F/25=10 soit F=10x25=250 Kg

On peut se rendre compte alors que le rapport entre le diamètre du maître cylindre et celui des pistons des étriers a une importance fondamentale. En effet, ce rapport permet d'augmenter ou de diminuer la puissance du freinage. Pour simplifier, plus le maître cylindre est petit, et plus il engendre une pression forte pour la même sollicitation. Par opposition, plus le piston de l'étrier est gros et plus il engendrera une force importante pour la même pression de commande.

Cependant, il faut également prendre en compte la course de la pédale pour faire avancer suffisamment les plaquettes et ainsi les coller contre le disque. Donc plus le piston de l'étrier est gros et plus le volume à remplir pour faire avancer les plaquettes sera important. Si le maître cylindre et trop petit, la course à la pédale sera alors trop grande ce qui peut être désagréable à l'utilisation. D'autre part, il faut bien prendre en considération qu'il faut remplir les 4 pistons d'étriers.
Pour calculer la course de la pédale il suffit de faire une approximation de la course du piston de l'étrier afin de mettre en contact les plaquettes, et de calculer le volume de liquide nécessaire à cette course. Ensuite, il faut calculer la course du maître cylindre pour dégager ce volume pour chaque étrier. Attention il faut ensuite multiplier la course du maître cylindre par le bras de levier à la pédale pour en connaître la course finale.


La répartition :

Comme nous l'avons déjà précisé plus haut, la répartition du freinage est tout à fait importante, on peut comprendre alors qu'il soit nécessaire de l'ajuster en fonction de la sensibilité du pilote, de ses techniques de pilotage, et surtout en fonction de l'épreuve (Rallye, circuit, slalom...).

Tout d'abord, un montage simple permet de réguler manuellement la pression à l'avant et à l'arrière. Il s'agit en fait d'ajouter un réducteur de pression sur le circuit dont on souhaite diminuer la pression, soit celui des freins arrières. Ce système n'a donc aucune influence sur la pression des freins avants et ne réduit que la pression arrière.
Attention : ce système ne peut pas être utilisé sur les circuits de freinage en X, c'est à dire que la voiture possède un maître cylindre de type tandem et que la première partie du maître cylindre agit sur la roue avant gauche et sur la roue arrière droite, l'autre sur la roue avant droite et sur la roue arrière gauche, ou inversement. Il est donc dans ce cas impossible d'isoler uniquement le circuit arrière.
                               

Ensuite, on peut monter sur la voiture un système de freinage à deux maîtres cylindres, le premier agit sur les roues avant, le second sur le roues arrières, cependant dans ce cas il est impossible de mettre un système d'assistance au freinage. Il existe alors un système qui vient lier les deux maître cylindre et permet de répartir le freinage. Ce système mécanique a pourtant un petit inconvénient, lors d'un freinage faible, seuls les freins avants vont être actionnés, bien évidemment ceci dans le cas où ce sont les freins avant qui bénéficient de la pression la plus forte. En fait, ce système retarde la mise en marche du second maître cylindre.
        


Conclusion :

Voilà à peu près tout ce qui est possible afin d'améliorer le freinage d'une voiture, mais comme vous avez pu le remarquer ceci est l'affaire de professionnels il est donc déconseillé de modifier le système de freinage de votre auto. J'espère que ce dossier aura répondu à beaucoup de vos questions, si vous avez des suggestions, des astuces ou encore des conseils, contactez moi.
Djet5@ifrance.com


les outils :

Un petit programme fabrication maison : ici

Montage du kit gros freins sur A110 (ou Djet) par Philippe Loutrel : Gros Freins mais vous pouvez aussi accédez à toutes ces astuces en cliquant ici

Wilwood : conception et réalisation de systèmes de freinage pour automobile.
Motorlegend : Dossier sur le servo frein (Assistance de freinage)
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Mecamoto : Le sytème de freinage de moto
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