Frein hydraulique - Hydraulic brake

Un schéma illustrant les principaux composants d'un système de frein à disque hydraulique.

Un frein hydraulique est un agencement de mécanisme de freinage qui utilise du liquide de frein , contenant généralement des éthers de glycol ou du diéthylène glycol , pour transférer la pression du mécanisme de contrôle au mécanisme de freinage.

Histoire

En 1904, Frederick George Heath (Heath Hydraulic Brake Co., Ltd.), à Redditch, en Angleterre, a conçu et installé un système de freinage hydraulique (eau/glycérine) sur un cycle utilisant un levier de guidon et un piston. Il a obtenu le brevet GB190403651A pour « Améliorations des freins à commande hydraulique pour cycles et moteurs », ainsi que par la suite pour l'amélioration des tuyaux hydrauliques flexibles en caoutchouc.

En 1908, Ernest Walter Weight de Bristol, en Angleterre, a conçu et installé un système de freinage hydraulique (à huile) à quatre roues sur une voiture. Il l'a breveté en Grande-Bretagne (GB190800241A) en décembre 1908, plus tard en Europe et aux États-Unis, puis l'a exposé au Salon de l'automobile de Londres en 1909. Son frère, William Herbert Weight a amélioré le brevet (GB190921122A) et tous deux ont été attribués à Weight Patent Automobile Brake Ltd. de 23 Bridge Street, Bristol lors de sa création en 1909/10. L'entreprise, qui possédait une usine à Luckwell Lane, Bristol, installa un système de freinage hydraulique à quatre roues sur un châssis Metallurgique, équipé d'une carrosserie Hill et Boll, qui fut exposé au salon de l'automobile de Londres en novembre 1910. Bien que plus de voitures aient installé le système de freinage et que l'entreprise ait fait beaucoup de publicité, elle a disparu sans obtenir le succès qu'elle méritait.

Knox Motors Co. a utilisé des freins hydrauliques en 1915, dans un tracteur .

Malcolm Loughead (qui a plus tard changé l'orthographe de son nom en Lockheed ) a inventé les freins hydrauliques, qu'il a brevetés en 1917. "Lockheed" est un terme courant pour désigner le liquide de frein en France.

Fred Duesenberg a utilisé les freins hydrauliques de Lockheed Corporation sur ses voitures de course de 1914 et son constructeur automobile, Duesenberg , a été le premier à utiliser la technologie sur le Duesenberg Model A en 1921.

Knox Motors Company de Springfield, MA équipait ses tracteurs de freins hydrauliques, à partir de 1915.

La technologie a été mise en avant dans l'utilisation automobile et a finalement conduit à l'introduction du système de frein à tambour hydraulique auto-excité (Edward Bishop Boughton, Londres Angleterre, 28 juin 1927) qui est toujours utilisé aujourd'hui.

Construction

L'agencement le plus courant des freins hydrauliques pour les véhicules de tourisme, les motos, les scooters et les cyclomoteurs se compose des éléments suivants :

  • Pédale ou levier de frein
  • Une tige de poussée (également appelée tige d'actionnement )
  • Un ensemble maître-cylindre contenant un ensemble piston (constitué d'un ou de deux pistons, d'un ressort de rappel, d'une série de joints / joints toriques et d'un réservoir de liquide)
  • Conduites hydrauliques renforcées
  • Ensemble d'étrier de frein généralement constitué d'un ou deux pistons creux en aluminium ou en acier chromé (appelés pistons d'étrier ), d'un ensemble de plaquettes de frein thermoconductrices et d'un rotor (également appelé disque de frein ) ou d'un tambour fixé à un essieu.

Le système est généralement rempli d'un liquide de frein à base d' éther de glycol (d'autres liquides peuvent également être utilisés).

À une certaine époque, les véhicules de tourisme utilisaient couramment des freins à tambour sur les quatre roues. Plus tard, des freins à disque ont été utilisés pour l'avant et des freins à tambour pour l'arrière. Cependant, les freins à disque ont montré une meilleure dissipation de la chaleur et une plus grande résistance à la « décoloration » et sont donc généralement plus sûrs que les freins à tambour. Ainsi, les freins à disque aux quatre roues sont devenus de plus en plus populaires, remplaçant les tambours sur tous les véhicules, sauf les plus basiques. Cependant, de nombreux modèles de véhicules à deux roues continuent d'utiliser un frein à tambour pour la roue arrière.

La description suivante utilise la terminologie pour / et la configuration d'un simple frein à disque.

Opération Système

Dans un système de freinage hydraulique, lorsque la pédale de frein est enfoncée, une tige de poussée exerce une force sur le(s) piston(s) dans le maître-cylindre, provoquant l'écoulement du liquide du réservoir de liquide de frein dans une chambre de pression à travers un orifice de compensation. Cela entraîne une augmentation de la pression de l'ensemble du système hydraulique, forçant le fluide à travers les conduites hydrauliques vers un ou plusieurs étriers où il agit sur un ou plusieurs pistons d'étrier scellés par un ou plusieurs joints toriques (qui empêchent les fuites de fluide ).

Les pistons des étriers de frein appliquent alors une force sur les plaquettes de frein, les poussant contre le rotor en rotation, et la friction entre les plaquettes et le rotor provoque la génération d' un couple de freinage , ralentissant le véhicule. La chaleur générée par ce frottement est soit dissipée par les évents et les canaux du rotor, soit conduite à travers les patins, qui sont constitués de matériaux spécialisés résistants à la chaleur tels que le kevlar ou le verre fritté .

Alternativement, dans un frein à tambour , le fluide pénètre dans un cylindre de roue et presse un ou deux patins de frein contre l'intérieur du tambour en rotation. Les mâchoires de frein utilisent un matériau de friction résistant à la chaleur similaire aux plaquettes utilisées dans les freins à disque.

Le relâchement ultérieur de la pédale/du levier de frein permet au(x) ressort(s) de l'ensemble maître-cylindre de remettre le(s) piston(s) maître(s) en place. Cette action soulage d'abord la pression hydraulique sur l'étrier, puis applique une aspiration sur le piston de frein dans l'étrier, le replaçant dans son logement et permettant aux plaquettes de frein de libérer le rotor.

Le système de freinage hydraulique est conçu comme un système fermé : à moins qu'il n'y ait une fuite dans le système, aucun liquide de frein n'y entre ou n'en sort, et le liquide n'est pas consommé par l'utilisation. Une fuite peut cependant se produire à cause de fissures dans les joints toriques ou d'une perforation dans la conduite de frein. Des fissures peuvent se former si deux types de liquide de frein sont mélangés ou si le liquide de frein est contaminé par de l'eau, de l'alcool, de l'antigel ou tout autre liquide.

Un exemple de système de freinage hydraulique

Les freins hydrauliques transfèrent de l'énergie pour arrêter un objet, normalement un axe en rotation. Dans un système de freinage très simple, avec seulement deux cylindres et un frein à disque , les cylindres pourraient être connectés via des tubes, avec un piston à l'intérieur des cylindres. Les cylindres et les tubes sont remplis d'huile incompressible. Les deux cylindres ont le même volume, mais des diamètres différents, et donc des sections différentes. Le cylindre que l'opérateur utilise s'appelle le maître-cylindre . Le frein à disque rotatif sera adjacent au piston avec la plus grande section transversale. Supposons que le diamètre du maître-cylindre soit la moitié du diamètre du cylindre récepteur, de sorte que le maître-cylindre a une section transversale quatre fois plus petite. Maintenant, si le piston du maître-cylindre est poussé vers le bas de 40 mm, le piston esclave se déplacera de 10 mm. Si 10 newtons (N) de force sont appliqués au piston maître, le piston esclave appuie avec une force de 40 N.

Cette force peut être encore augmentée en insérant un levier connecté entre le piston maître, une pédale et un point de pivot . Si la distance de la pédale au pivot est trois fois la distance du pivot au piston connecté, alors il multiplie la force de pédale par un facteur 3, en appuyant sur la pédale, de sorte que 10 N deviennent 30 N sur le maître piston et 120 N sur la plaquette de frein. A l'inverse, la pédale doit se déplacer trois fois jusqu'au piston maître. Si on pousse la pédale de 120 mm vers le bas, le piston maître se déplacera de 40 mm et le piston esclave déplacera la plaquette de frein de 10 mm.

Spécificités des composants

(Pour les systèmes de freinage automobiles légers typiques)

Dans une voiture à quatre roues, la norme FMVSS 105, 1976; exige que le maître-cylindre soit divisé intérieurement en deux sections, dont chacune met en pression un circuit hydraulique distinct. Chaque section fournit une pression à un circuit. La combinaison est connue sous le nom de maître-cylindre tandem. Les véhicules de tourisme ont généralement un système de freinage divisé avant/arrière ou un système de freinage divisé en diagonale (le maître-cylindre d'une moto ou d'un scooter ne peut pressuriser qu'une seule unité, qui sera le frein avant).

Un système divisé avant/arrière utilise une section de maître-cylindre pour pressuriser les pistons d'étrier avant et l'autre section pour pressuriser les pistons d'étrier arrière. Un système de freinage à circuit divisé est désormais requis par la loi dans la plupart des pays pour des raisons de sécurité ; si un circuit tombe en panne, l'autre circuit peut toujours arrêter le véhicule.

Les systèmes divisés en diagonale ont été initialement utilisés sur les automobiles d' American Motors au cours de l'année de production 1967. L'avant droit et l'arrière gauche sont desservis par un piston d'actionnement tandis que l'avant gauche et l'arrière droit sont desservis, exclusivement, par un deuxième piston d'actionnement (les deux pistons pressurisent leurs lignes couplées respectives à partir d'une seule pédale). Si l'un des circuits tombe en panne, l'autre, avec au moins un frein de roue avant (les freins avant fournissent la majeure partie de la force de freinage, en raison du transfert de poids ), reste intact pour arrêter le véhicule mécaniquement endommagé. Dans les années 1970, les systèmes divisés en diagonale étaient devenus courants parmi les automobiles vendues aux États-Unis. Ce système a été développé avec la conception de la suspension des voitures à traction avant pour maintenir un meilleur contrôle et une meilleure stabilité en cas de panne du système.

Un système de division triangulaire a été introduit sur la série Volvo 140 à partir de l'AM 1967, où les freins à disque avant ont un arrangement à quatre cylindres, et les deux circuits agissent sur chaque roue avant et sur l'une des roues arrière. L'arrangement a été conservé par les séries de modèles ultérieures 200 et 700.

Le diamètre et la longueur du maître-cylindre ont un effet significatif sur les performances du système de freinage. Un maître-cylindre de plus grand diamètre fournit plus de fluide hydraulique aux pistons de l'étrier, mais nécessite plus de force sur la pédale de frein et moins de course de la pédale de frein pour obtenir une décélération donnée. Un maître-cylindre de plus petit diamètre a l'effet inverse.

Un maître-cylindre peut également utiliser des diamètres différents entre les deux sections pour permettre une augmentation du volume de fluide vers un ensemble de pistons d'étrier ou l'autre et est appelé un M/C à "prise rapide". Ceux-ci sont utilisés avec des étriers avant à "faible traînée" pour augmenter l'économie de carburant.

Une vanne de dosage peut être utilisée pour réduire la pression sur les freins arrière en cas de freinage brusque. Cela limite le freinage arrière pour réduire les risques de blocage des freins arrière et réduit considérablement les risques de vrille.

Freins assistés

Le surpresseur à dépression ou servo à dépression est utilisé dans la plupart des systèmes de freinage hydrauliques modernes qui contiennent quatre roues. Le surpresseur à dépression est fixé entre le maître-cylindre et la pédale de frein et multiplie la force de freinage appliquée par le conducteur. Ces unités se composent d'un boîtier creux avec un diaphragme en caoutchouc mobile au centre, créant deux chambres. Lorsqu'il est fixé à la partie basse pression du corps de papillon ou du collecteur d'admission du moteur, la pression dans les deux chambres de l'unité est abaissée. L'équilibre créé par la basse pression dans les deux chambres empêche le diaphragme de bouger jusqu'à ce que la pédale de frein soit enfoncée. Un ressort de rappel maintient le diaphragme en position de départ jusqu'à ce que la pédale de frein soit actionnée. Lorsque la pédale de frein est appliquée, le mouvement ouvre une soupape d'air qui laisse entrer de l'air sous pression atmosphérique dans une chambre du servomoteur. Étant donné que la pression augmente dans une chambre, le diaphragme se déplace vers la chambre de pression inférieure avec une force créée par la surface du diaphragme et la pression différentielle. Cette force, en plus de la force du pied du conducteur, pousse sur le piston du maître-cylindre. Une unité de surpression de diamètre relativement petit est requise; pour un vide collecteur de 50 % très conservateur, une force d'assistance d'environ 1500 N (200n) est produite par un diaphragme de 20 cm d'une superficie de 0,03 mètre carré. Le diaphragme s'arrêtera de bouger lorsque les forces des deux côtés de la chambre atteindront l'équilibre. Cela peut être causé soit par la fermeture de la vanne d'air (en raison de l'arrêt de l'application de la pédale) ou si le "débordement" est atteint. L'écoulement se produit lorsque la pression dans une chambre atteint la pression atmosphérique et qu'aucune force supplémentaire ne peut être générée par la pression différentielle maintenant stagnante. Une fois le point de faux-rond atteint, seule la force du pied du conducteur peut être utilisée pour appliquer davantage le piston du maître-cylindre.

La pression du fluide du maître-cylindre traverse une paire de tubes de frein en acier jusqu'à une soupape de différence de pression , parfois appelée "soupape de défaillance des freins", qui remplit deux fonctions : elle égalise la pression entre les deux systèmes et fournit un avertissement si un système perd de la pression. La soupape de pression différentielle a deux chambres (à laquelle les conduites hydrauliques se fixent) avec un piston entre elles. Lorsque la pression dans l'une ou l'autre conduite est équilibrée, le piston ne bouge pas. Si la pression d'un côté est perdue, la pression de l'autre côté déplace le piston. Lorsque le piston entre en contact avec une simple sonde électrique au centre de l'unité, un circuit est bouclé et l'opérateur est averti d'une défaillance du système de freinage.

À partir de la soupape différentielle de pression, le tuyau de frein transporte la pression vers les unités de freinage au niveau des roues. Étant donné que les roues ne maintiennent pas une relation fixe avec l'automobile, il est nécessaire d'utiliser un tuyau de frein hydraulique de l'extrémité de la ligne d'acier au châssis du véhicule jusqu'à l'étrier de la roue. Permettre aux tubes de frein en acier de fléchir entraîne une fatigue du métal et, en fin de compte, une défaillance des freins. Une mise à niveau courante consiste à remplacer les tuyaux en caoutchouc standard par un ensemble renforcé extérieurement avec des fils tressés en acier inoxydable. Les fils tressés ont une expansion négligeable sous pression et peuvent donner une sensation plus ferme à la pédale de frein avec moins de course de pédale pour un effort de freinage donné.

Le terme « freins hydrauliques assistés » peut également désigner des systèmes fonctionnant selon des principes très différents où une pompe entraînée par un moteur maintient une pression hydraulique continue dans un accumulateur central. La pédale de frein du conducteur contrôle simplement une soupape pour purger la pression dans les unités de freinage au niveau des roues, plutôt que de créer réellement la pression dans un maître-cylindre en appuyant sur un piston. Cette forme de frein est analogue à un système de freinage pneumatique mais avec du fluide hydraulique comme fluide de travail plutôt que de l'air. Cependant, sur un frein à air, l'air est évacué du système lorsque les freins sont relâchés et la réserve d'air comprimé doit être reconstituée. Sur un système de freinage hydraulique assisté, le liquide à basse pression est renvoyé des unités de freinage au niveau des roues vers la pompe entraînée par le moteur lorsque les freins sont relâchés, de sorte que l'accumulateur de pression central est presque instantanément repressurisé. Cela rend le système hydraulique de puissance parfaitement adapté aux véhicules qui doivent fréquemment s'arrêter et démarrer (comme les bus dans les villes). Le fluide en circulation continue élimine également les problèmes de gel des pièces et de vapeur d'eau collectée qui peuvent affliger les systèmes d'air dans les climats froids. Le bus AEC Routemaster est une application bien connue des freins hydrauliques assistés et les générations successives de voitures Citroën à suspension hydropneumatique ont également utilisé des freins hydrauliques entièrement motorisés plutôt que des systèmes de freinage automobiles conventionnels. La plupart des gros avions utilisent également des freins de roue hydrauliques, en raison de l'immense force de freinage qu'ils peuvent fournir ; les freins de roue sont reliés à un ou plusieurs des principaux circuits hydrauliques de l'avion , avec en plus un accumulateur pour permettre de freiner l'avion même en cas de panne hydraulique.

Considérations particulières

Les systèmes de freinage pneumatique sont encombrants et nécessitent des compresseurs d'air et des réservoirs. Les systèmes hydrauliques sont plus petits et moins chers.

Le fluide hydraulique doit être non compressible. Contrairement aux freins à air , où une vanne est ouverte et l'air s'écoule dans les conduites et les chambres de frein jusqu'à ce que la pression augmente suffisamment, les systèmes hydrauliques reposent sur une seule course d'un piston pour forcer le fluide à travers le système. Si de la vapeur est introduite dans le système, elle se comprime et la pression peut ne pas augmenter suffisamment pour actionner les freins.

Les systèmes de freinage hydraulique sont parfois soumis à des températures élevées pendant le fonctionnement, comme lors de la descente de pentes raides. Pour cette raison, le fluide hydraulique doit résister à la vaporisation à haute température.

L'eau se vaporise facilement avec la chaleur et peut corroder les parties métalliques du système. L'eau qui pénètre dans les conduites de frein, même en petites quantités, réagira avec la plupart des liquides de frein courants (c'est-à-dire ceux qui sont hygroscopiques ) provoquant la formation de dépôts qui peuvent obstruer les conduites de frein et le réservoir. Il est presque impossible de sceller complètement un système de freinage contre l'exposition à l'eau, ce qui signifie qu'un changement régulier du liquide de frein est nécessaire pour s'assurer que le système ne se remplit pas trop des dépôts causés par les réactions avec l'eau. Les huiles légères sont parfois utilisées comme fluides hydrauliques précisément parce qu'elles ne réagissent pas avec l'eau : l'huile déplace l'eau, protège les pièces en plastique contre la corrosion et peut tolérer des températures beaucoup plus élevées avant de se vaporiser, mais présente d'autres inconvénients par rapport aux fluides hydrauliques traditionnels. Les fluides de silicone sont une option plus chère.

" L' évanouissement des freins " est une condition causée par une surchauffe dans laquelle l'efficacité du freinage diminue et peut être perdue. Cela peut se produire pour de nombreuses raisons. Les patins qui engagent la partie rotative peuvent devenir surchauffés et "glacés", devenant si lisses et durs qu'ils ne peuvent pas s'agripper suffisamment pour ralentir le véhicule. En outre, la vaporisation du fluide hydraulique sous des températures extrêmes ou une distorsion thermique peut entraîner un changement de forme des garnitures et engager une surface moindre de la partie tournante. La distorsion thermique peut également provoquer des changements permanents dans la forme des composants métalliques, entraînant une réduction de la capacité de freinage qui nécessite le remplacement des pièces concernées.

Voir également

Les références

Liens externes

Brevets

  • US 2746575 Freins à disque pour véhicules routiers et autres . Kinchin 1956-05-22 
  • US 2591793 Dispositif de réglage de la course de retour de moyens actionnés par fluide . Dubois 1952-04-08 
  • US 2544849 Ajusteur automatique de frein hydraulique . Martin 1951-03-13 
  • US 2485032 Appareil de freinage . Bryant 1949-10-08 
  • US 2466990 Frein à disque unique . Johnson Wade C, Trishman Harry A, Stratton Edgar H. 1949-04-12 
  • US 2416091 Mécanisme de contrôle de pression de fluide . Fitch 1947-02-12 
  • US 2405219 Frein à disque . Lambert Homer T. 1946-08-06 
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  • DE 695921 Antriebsvorrichtung mit hydraulischem Gestaenge... . Borgwar Carl Friedrich Wilhelm 1940-09-06 
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