Frein - Définition

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Un frein est un système permettant de ralentir, voire d'immobiliser, les pièces en mouvement d'une machine ou un véhicule en cours de déplacement.

Les freins constituent un organe de sécurité important :

  • sur les véhicules, ils permettent de réguler la vitesse, et de s'arrêter, donc notamment d'éviter une collision (freinage d'urgence)
  • sur les machines ayant des pièces en mouvement, la gestion du mouvement est un élément important du travail de la machine, et en cas de défaillance ou d'accident, l'arrêt de la machine est une nécessité absolue.

Dans un véhicule, le conducteur exerce un effort sur une commande (pédale dans le cas d'une automobile, levier dans le cas d'un deux roues et dans les anciennes voitures, etc.), et cet effort est transmis au frein. Cette transmission peut se faire :

  • par câble (deux-roues) ;
  • par circuit hydraulique (véhicule automobile, certains deux-roues) ;
  • par circuit pneumatique (camions, trains) ;
  • par circuit électrique ;
  • par circuit mécanique

Dans le cas d'un circuit pneumatique, on peut " inverser " la logique d'effort : sans pression dans le circuit, le frein est serré (par un puissant ressort), et la pression sert à écarter le frein. Ainsi, la moindre défaillance du circuit (fuite) provoque un freinage. C'est le principe adopté dans les trains français : le signal d'alarme provoque une ouverture du circuit et donc un freinage immédiat.

Types de freins

Frein à disque

Frein à disque sur une voiture (en rouge)
Frein à disque sur une voiture (en rouge)

Le frein à disque est un système de freinage qui utilise un disque solidaire de la roue serré par des plaquettes logées dans un étrier de frein fixé au chassis.

Frein à tambour

Le frein à tambour est constitué d'un cylindre au sein duquel des mâchoires munies de garnitures s'écartent pour réaliser le freinage, et d'un système de compensation d'usure. L'ecartement est realisé grâce à une came. Les tambours reviennent en position grâce à un ressort.

Frein à sabot

Le frein à sabot est constitué d'une pièce mobile, le sabot, qui vient s'appliquer sur la roue ou un dispositif qui en est solidaire. Il est encore employé, notamment dans les transports ferroviaires.

ABS

De l'allemand Antiblockiersystem : un dispositif de frein anti-blocage (voir ABS). Le principe de fonctionnement est simple : un calculateur électronique est implanté sur chaque roue. Si l'appareil détecte un blocage, le frein se relache immédiatement (sans que le conducteur n'ait à modifier son comportement), et le calculateur va opérer la pression de freinage la plus puissante possible sans aller jusqu'au blocage des roues. ATTENTION : contrairement aux idées reçues, l'ABS ne réduit pas les distances de freinage, il permet uniquement d'éviter le blocage des roues afin d'éviter le dérapage.

Frein de secours et de stationnement

Frein à main, volant dans un train

Frein de bicyclette

Frein à mors d'une bicyclette
Frein à mors d'une bicyclette
  • Frein à mors, transmission par câble ou par huile
  • Rétropédalage
  • Frein à disque hydraulique et mécanique

Frein rhéostatique

Le freinage rhéostatique permet de modifier le mode de fonctionnement des moteurs de traction d'un train en leur faisant jouer le rôle de générateurs pour reproduire de l'énergie électrique. L'énergie cinétique, liée à la masse en déplacement, est convertie en énergie électrique que l'on envoie vers la caténaire (le cable d'alimentation des trains électriques), ce qui permet de la récupérer, ou vers des résistances mortes qui la dissipent sous forme de chaleur.

Frein à courants de Foucault

Type de frein utilisé notamment sur les camions et autocars, appellé aussi ralentisseur.

Frein magnétique

Où et comment sont utilisés les freins magnétiques:

Le frein magnétique est employé dans la technologie ferroviaire pour accroître l'effort de freinage. Il est utilisé en complément du freinage pneumatique et, dans certains cas, en complément du freinage dit "électrique" comme par exemple sur les [MI2N] (lien) (matériel RATP de la ligne A et SNCF sur la ligne E du RER) Ce système n'est utilisé que pour les freinages dit "d'urgence" ( en cas d'incident et non pas pour un arrêt normal comme arrêt en gare, ...) car il est nécessaire d'arrêter le train sur une distance la plus courte possible. A titre d'exemple une train de banlieue avec une Z 20500 il faut environ 800m pour obtenir l'arrêt pour une rame qui circule à 140km/h contre environ 500m pour une rame MI2N circulant à la même vitesse.

Quelques dates:

Le système des freins magnétiques est apparu à partir de 1969 sur les voitures "grand confort" premières voitures à circuler à 200 km/h sur le "Capitole" puis sur les rames RTG en 1972. Ce système fut ensuite mis de coté jusque dans les années 1990 ou il est réaparu sur les rames MI2N, X73500, ... Et très bientôt sur les rames POS du TGV Est Européen qui feront la liaison France/Allemagne.

Principe de fonctionnement:

Les freins magnétiques se composent d'un ensemble (vérins plus patin) fixé sur le chassis du bogie (lien) (lien) (images extraites du site de Florent Brisou). Lors d'un freinage d'urgence, les patins sont plaqués sur les rails grace aux vérins. De plus, un courant les traverse créant ainsi un champs magnétique pour accroître le frottement des patins sur les rails (la pression des vérins n'exeçant pas un frottement suffisant) ce qui permet de créer un effort de freinage supplémentaire en complément des freins à disque, à semelle et voire électrique sur certaines rames.

Le principal avantage de ce système est qu'il offre un effort de freinage constant puisque dans le cas d'un freinage par disque, si l'effort de pression exercé sur les diques est trop important il y a risque d'enrayage (blocage de l'essieux qui glissera sur le rail) et donc un risque d'allongement significatif de la distance d'arrêt. Ce risque est important en cas de pluie, ... ce qui est préjudiciable pour la sécurité des circulations qui est la base des réglements ferroviaires.

Freinage des aéronefs (au sol)

Un F-4 Phantom II utilisant son parachute de freinage
Un F-4 Phantom II utilisant son parachute de freinage

En plus du freinage conventionnel au moyen de freins placés sur les roues, un aéronef peut également être freiné à l'aide de différents dispositifs permettant soit de raccourcir la distance de freinage soit de moins solliciter (et donc user) les freins de roues :

  • parachute de freinage, disposé souvent à l'arrière du fuselage au pied de la dérive, et s'ouvrant au moment de l'atterrissage
  • aérofreins (également utilisés pour le freinage aérodynamique en vol)
  • système d'inversion de poussée

Dans le cas des avions militaires, un dispositif de secours permet d'arrêter en bout de piste un avion qui n'aurait pas pu freiner à temps par ses propres moyens. Deux possibilités existent :

  • un grand filet qui se lève en travers de la piste, dans lequel vient se jeter l'avion
  • utilisation d'une crosse d'appontage et de brins d'arrêt comme pour l'appontage (voir ci-dessous)

Freinage lors d'un appontage

Un F/A-18 Hornet vient d'accrocher un brin avec sa crosse d'appontage
Un F/A-18 Hornet vient d'accrocher un brin avec sa crosse d'appontage

Lorsqu'un avion se pose sur un porte-avions, il est le plus souvent freiné par l'utilisation combinée d'une crosse d'appontage et de brins d'arrêt :

  • l'avion se présente pour l'appontage avec la crosse abaissée
  • après le toucher des roues, la crosse agrippe naturellement un des brins disposés en travers du pont
  • le système associé au brin freine l'avion et l'arrête sur quelques dizaines de mètres

Au cas où la crosse aurait raté tous les brins, l'avion n'a d'autre solution que de redécoller aussitôt sur sa lancée et de refaire une nouvelle tentative. Pour cette raison, la puissance moteur maximale est enclenchée dès le toucher des roues.

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