De la pédale aux plaquettes : Les systèmes de freinage expliqués
Il y a de fortes chances que votre pied connaisse l’état des freins d’un véhicule et la qualité des plaquettes de frein avant que votre esprit ne fasse le rapprochement. Considérez ceci : Pour arrêter un véhicule de 4 000 livres, le conducteur doit appuyer sur une pédale pour générer une friction au niveau des roues. Ce qui se passe entre la pédale et les plaquettes peut déterminer la pression que le conducteur doit exercer pour arrêter le véhicule à une distance sûre.
Les ingénieurs considèrent le système de freinage comme une équation. Lorsque le véhicule quitte la chaîne de montage, le système de freinage des deux côtés de l’équation est équilibré car les variables sont connues. Après que le véhicule a eu son premier jeu de plaquettes de frein de remplacement, les variables changent et les entrées peuvent ne plus correspondre aux sorties.
Ces changements dans l’équation peuvent provenir de plaquettes de frein usées, défectueuses ou de mauvaise qualité.
Équation hydraulique
Un système de freinage hydraulique transforme et amplifie la force. Il fonctionne sur le principe simple que le liquide de frein n’est pas compressible (il se comprime s’il est exposé à des pressions et des températures extrêmement élevées). Lorsque la pression est générée à une extrémité du système, la même quantité de pression sort à l’autre extrémité.
Sur un système de freinage hydraulique, le conducteur génère une force en appuyant sur la pédale de frein. Cette force est ensuite amplifiée par la pédale, l’amplificateur et le maître-cylindre. Le conducteur va moduler la pression sur la pédale pour arrêter le véhicule entre 20 et 120 livres. Les humains sont appelés à utiliser leurs sens pour amener un véhicule à l’arrêt en toute sécurité.
Si la course de la pédale est trop longue, si la pédale exige trop de force ou si la ceinture de sécurité semble un peu trop serrée, les clients font inconsciemment l’appel que les freins ont besoin de l’attention d’un professionnel.
Faire le calcul
Le conducteur moyen génère confortablement un pic de 70 livres de force sur la plaquette de caoutchouc à l’extrémité de la pédale de frein lors d’un arrêt modéré. La pédale de frein n’est rien de plus qu’un levier mécanique qui amplifie la force du conducteur.
Le rapport de pédale est la longueur totale de la pédale ou la distance entre le pivot de la pédale et le centre du patin de la pédale, divisée par la distance entre le point de pivot et l’endroit où la tige de poussée se connecte.
Sur les véhicules plus anciens avec un arrangement manuel de tambour à disque, le rapport de pédale est de 6,2:1. Cela signifie que les 70 livres que le conducteur a appliquées sont maintenant amplifiées à 434 livres (6,2 × 70 livres) de force de sortie. Le problème est que la course de la pédale est plutôt longue en raison de l’emplacement du point de pivot et de la connexion du maître-cylindre.
Aide au freinage par dépression
Un amplificateur augmente la force de la pédale de sorte qu’un rapport de pédale mécanique plus faible peut être utilisé. Un rapport plus faible peut donner une course de pédale plus courte et une meilleure modulation. La plupart des véhicules boostés par dépression auront un rapport de pédale mécanique de 3,2:1 à 4:1. La taille de la membrane du servomoteur et la quantité de vide générée par le moteur déterminent la force qui peut être générée. La plupart des moteurs génèrent un vide d’environ -8 psi (à ne pas confondre avec les pouces de Hg, ou mercure). Si un booster hypothétique avec une membrane de 7 pouces est soumis à -8 psi de vide moteur, il produira plus de 300 livres de force supplémentaire.
Si le maître-cylindre a un alésage de 1 pouce, la surface du piston est de 0,78 pouce carré. Si vous divisez la force de sortie de 434 livres par la surface du piston, vous obtiendrez 556 psi (434 livres divisées par .78 pouces) aux orifices du maître-cylindre. Pas mal pour 70 lbs d’effort humain.
Si vous réduisez la surface du piston, vous obtiendrez plus de pression. C’est parce que la surface est plus petite, mais la force de sortie de la pédale reste la même. Si vous utilisez un maître-cylindre avec un alésage de 0,75 pouce et un piston dont la surface est de 0,44 pouce carré, vous obtiendrez 986 psi aux orifices du maître-cylindre (434 lbs divisés par 0,44 pouce). Cependant, la course de la pédale augmentera.
Une force de soixante-dix livres sur une pédale de frein peut entraîner une pression de 556 psi de liquide de frein se dirigeant vers les étriers. Alors, comment cette pression permet-elle d’arrêter une voiture ? Si les étriers sont de conception flottante à piston unique avec des pistons de 2 pouces de diamètre (surface du piston = 2πR2), il suffit de multiplier la surface des pistons par 556 psi et nous obtenons 3,419 lbs de force de serrage aux deux étriers avant!
Friction et fluide
Les forces de serrage et le coefficient de friction sont d’un côté de l’équation, et le couple de freinage est de l’autre côté. Si vous augmentez l’une ou l’autre des variables, vous modifiez la quantité de couple que le système peut générer.
Les forces de serrage servent à générer la friction qui produit le couple pour arrêter le véhicule. C’est là que le « coefficient de frottement » entre en jeu. Le coefficient de friction est calculé en divisant la force nécessaire pour faire glisser un objet sur une surface par le poids de l’objet. Par exemple, s’il faut 1 lb de force pour faire glisser une plaquette de frein de 1 lb sur un rotor, le coefficient de frottement entre les deux matériaux est de 1,0.
Les forces de serrage et le coefficient de frottement sont d’un côté de l’équation, et le couple de freinage est de l’autre côté. Si vous augmentez l’une ou l’autre des variables, vous modifiez la quantité de couple que le système peut générer.
Par essence, les ingénieurs équilibrent le coefficient de friction avec les tailles des pistons et des maîtres-cylindres pour donner au véhicule la bonne quantité de force d’arrêt et de sensation de pédale. Si vous augmentez ou diminuez le coefficient de friction, vous risquez de rompre cet équilibre.
La réalité
Dans notre exemple théorique ci-dessus, nous ignorons certains facteurs du monde réel qui influencent la quantité de force de serrage. La réalité est que toute la pression ne parvient pas à l’interface entre la plaquette et le rotor. Une partie est perdue avec la dilatation des flexibles de frein. Mais, la majorité des facteurs qui peuvent augmenter la force ou la course de la pédale ne sont pas hydrauliques – ils sont mécaniques.
Même si toute la pression parvient au piston de l’étrier, une partie de la force générée est perdue lorsque l’étrier fléchit. S’il s’agit d’une conception d’étrier flottant, le mouvement de l’étrier sur les glissières nécessaires pour le centrer sur le rotor peut nécessiter un mouvement de fluide supplémentaire. Si les glissières ou la plaquette sont grippées, cela peut diminuer la force de serrage et provoquer des forces de serrage inégales sur la plaquette de frein. Cela réduit l’empreinte du matériau de friction sur le rotor et augmente la force nécessaire pour générer une force de freinage suffisante.
La plaquette de frein elle-même peut augmenter la force et la course de la pédale. Et, si la plaquette n’a pas assez de rigidité, elle fléchira. Cela influence les composants hydrauliques de deux façons. Tout d’abord, la force hydraulique est utilisée pour faire fléchir la plaque de support de la plaquette de frein. Ensuite, la flexion de la plaquette modifie les forces de serrage au niveau du rotor. Les bords de la plaquette peuvent avoir des charges de serrage inférieures à celles du centre de la plaquette. Cela réduit le couple de freinage généré. Mais cela peut aussi provoquer un bruit de frein dû à l’instabilité du frottement à l’interface entre la plaquette et le rotor. Si la plaquette de frein est endommagée par le décollement du matériau de friction de la plaque d’appui, le couple qu’elle peut générer est réduit. Cette réduction du couple oblige le conducteur à appuyer plus fort sur la pédale de frein.
La seule chose qui ne change jamais dans l’équation du freinage est l’élément humain derrière la pédale. Un conducteur ne peut exercer qu’une force limitée sur la pédale et son esprit ne peut réagir aussi vite dans une situation d’urgence. Si l’esprit et le pied combattent un problème avec les plaquettes ou le système hydraulique, il finira, avec un peu de chance, dans votre atelier avant qu’un accident ne se produise.
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