Expliquez-moi comme si j’avais 5 ans : comment les freins freinent-ils?

Dans la série « Expliquez-moi comme si j’avais 5 ans », nous décortiquons des sujets complexes, de sorte que même un enfant de 5 ans puisse comprendre. Pour nous guider dans cette exploration, nous avons interrogé Gareth Thomas, ingénieur principal chez Polestar, qui possède de nombreuses années d’expérience dans l’univers des freins.Comme dans une édition précédente de cette série, nous commencerons par un cours intensif de physique. Lorsqu’une voiture est en action, les roues détiennent de l’énergie sous forme de mouvement, aussi appelé l’énergie cinétique. Si vous activez les freins de votre voiture, ceux-ci appliqueront de la friction sur les roues, c’est-à-dire qu’ils pressent le disque de frein, convertissant l’énergie cinétique en chaleur. L’énergie cinétique des voitures en mouvement est convertie en chaleur à cause de cette friction, comme lorsque l’on frotte nos mains ensemble pour se réchauffer. Cette dissipation de chaleur permet à votre voiture de s’arrêter.Tandis que d’innombrables systèmes de freins ont existé à travers l’histoire des automobiles, ils partagent tous ce besoin de friction. Il n’y a pas de freinage sans friction. Certaines des toutes premières versions de freins n’étaient constituées que de pièces de bois qui se pressaient contre les roues. Tandis que c’était loin d’être optimal, causant de l’usure sur les roues, ce type de freins fonctionnait toujours grâce à la friction qu’ils arrivaient à créer.

Freins à tambour et hydrauliques

Alors, comment pouvons-nous appliquer de la friction à une roue sans l’endommager? Les esprits remarquables du début des années 1900 sont parvenus à la solution ingénieuse d’attacher un tambour à la roue. L’intérieur du tambour était doté de deux tampons résistant à la chaleur qui poussaient contre celui-ci. Puisqu’il était attaché à la roue, freiner le tambour permettait de ralentir la roue. Cela a réglé le problème d’usure des roues, mais il existait toujours quelques défauts dans leur design.Les premières voitures dépendaient d’un système complexe de cordage et de câbles pour transférer la pression de la pédale aux roues. Pousser la pédale permettait de tirer le câble de frein attaché à la roue. Cependant, il existait deux problèmes à ce système. Mis à part le fait que les câbles se cassaient, la précision requise pour réussir à appliquer la même pression sur chaque roue constituait un énorme défi. Des câbles dotés d’une tension incorrecte faisaient pivoter la voiture lorsque les freins étaient appliqués.La solution à ce problème est arrivée avec l’invention des freins hydrauliques. Les lignes de freins hydrauliques sont des tuyaux qui connectent le système de frein avec le tambour situé sur la roue. Ces tuyaux sont remplis de liquide de frein qui ne peut pas être compressé, ce qui signifie qu’il transmet la force créée par la pression appliquée sur la pédale sans perdre de puissance. En utilisant du liquide de frein comprimé, appuyer sur la pédale de frein permet d’envoyer la pression à travers toutes les lignes de freins simultanément. Dans les années 1950, les freins hydrauliques étaient les seuls systèmes utilisés dans les voitures.Nous avons donc réussi à convertir l’énergie cinétique de la roue qui tourne en chaleur d’une façon contrôlée, grâce aux tambours et aux lignes de freins hydrauliques. Mais qu’en est-il de l’énergie restante?

Disques et étriers de frein

Des freins trop chaud sont désastreux pour le freinage. S’ils surchauffent, ils ne seront plus capables de convertir l’énergie cinétique en chaleur, causant « l’évanouissement du frein » (une perte de l’efficacité des freins due à la surchauffe). La solution à ce problème est simple : débarrassez-vous des tambours et remplacez-les par des disques et des étriers.Le disque de frein repose sur la roue, à l’intérieur de l’étrier de frein. Alors que les tambours poussent vers l’extérieur, les disques serrent vers l’intérieur. L’étrier exerce une pression sur le disque, créant… oui, vous avez deviné, de la friction.  Plus la combinaison disque-étrier est grande, plus la force de freinage est bonne.Les disques de frein sont également mieux adaptés pour dissiper la chaleur et ils le font de plusieurs façons. Tout d’abord, l’étrier n’est pas enclavé dans un tambour, ce qui permet à la chaleur de s’échapper. Ensuite, des trous conçus dans les roues permettent à l’air chaud de sortir. Enfin, des conduites de refroidissement, de petits tunnels qui suivent le devant de la voiture jusqu’à l’arrière des freins, permettent à de l’air frais de refroidir les freins. Comme lorsqu’on s’assoit devant un ventilateur pour se rafraîchir lors d’une chaude journée.Bien que les freins à disque proposent une meilleure capacité de freinage, cela ne signifie pas que les freins à tambour sont mauvais ou dangereux. Les freins à disque ont des coûts de fabrication et de remplacement bien plus élevés que ceux des freins à tambour. Ils peuvent également être portés à rouiller lorsqu’ils ne sont pas utilisés fréquemment ou lorsque la voiture est stationnée pendant une longue période. Puisque les freins à tambour proposent un système entièrement fermé, ils ne se rouillent pas de la même façon. Ces derniers peuvent également fonctionner comme freins de stationnement, simplifiant le système dans son ensemble.

Usure

Une approche clé pour faire en sorte que vos freins durent aussi longtemps que possible est d’éviter de mettre trop d’énergie dans le système. Par exemple, au lieu de freiner brusquement et à la dernière minute, essayez de freiner plus tôt et avec moins de force. Ainsi, moins de pression sera envoyée dans le système de freinage et cela réduira la friction entre le frein et le disque. En d’autres mots, l’énergie se dissipera plus doucement.Durant les mois plus froids, certains pourront avoir la mauvaise surprise de trouver leurs freins de stationnement « gelé », alors que leur voiture est stationnée à l’extérieur dans des conditions glaciales. Pour éviter cela, stationnez votre véhicule à l’intérieur d’un garage, si possible, où la température légèrement plus élevée peut prévenir ce problème.Nous espérons que ce cours intensif vous en a appris un peu plus sur les freins. Si votre curiosité n’a pas été satisfaite, cliquez sur la flèche ci-dessous pour en savoir davantage sur nos freins et notre partenaire de renommée mondiale, Brembo.