Les freins de l automobile

Lautomobile est concue comme un vehicule pour vous deplacer. Cependant, une fonction loin detre negligeable est que lon peut aussi arreter la voiture, et ce rapidement.

Avec le developpement de la voiture de plus en plus rapide, les differents systemes de freinage se sont eux aussi developpes. Avant d entrer dans la matiere des freins, posons d abord la simple question: pourquoi les voitures ont elles des freins? La premiere idee est: pour reduire la vitesse ou pour s arreter. Par exemple, dans la situation ou quelqu un traverse devant votre voiture et que vous voulez eviter une collision, ou lorsque vous devez vous arreter a un feu de circulation qui passe au rouge. Mais si l on approfondit la question, il devient clair qu avec les freins on ne peut pas seulement s arreter rapidement, mais aussi rouler plus vite! Sans freins, en ville, avec une circulation dense, des carrefours et des feux de signalisation, vous conduiriez tres prudemment et lentement pour ne pas provoquer de collision ou sortir de la route dans un virage. Les freins nous donnent la possibilite de nous arreter ou de ralentir quand c est necessaire et rendent ainsi possible de rouler plus vite! S il n y a pas de circulation devant vous sur les 300 premiers metres, vous pouvez meme accelerer un peu, parce que vous savez que vous pourrez freiner ensuite. Vous allez donc plus vite grace aux freins! Cette affirmation contient aussi la logique suivante: plus la voiture roule vite, plus la puissance de freinage doit etre elevee.

Le premier frein

Le premier frein n etait rien de plus qu un bloc de bois concu pour frotter, au moyen d un levier, contre la bande de fer entouree autour de la roue en bois du chariot (voir dessin). De cette facon, les anciens Romains freinaient et arretaient leurs chariots il y a deja plus de 2000 ans.

Vers 1885, pour ameliorer le confort de conduite, on commenca a remplacer la bande de fer autour de la roue en bois par un bandage en caoutchouc plein. A partir de ce moment, le bloc de bois ne pouvait plus etre utilise comme frein, car il aurait deteriore le caoutchouc plein. Avec le bandage en caoutchouc plein, le bloc de bois fut remplace par une plaque metallique, comme on peut notamment le voir au Musee Louwman sur la Benz 5HP Phaeton de 1895.

Cest Gottlieb Daimler qui, des 1889, fut le premier a utiliser une bande ou un cable en acier enroule autour dun tambour ou dune jante rotative monte sur lessieu arriere ou sur la roue arriere. En tirant sur un levier ou en appuyant sur une pedale, on tire sur lextrmite libre de la bande ou du cable et le tambour ou la jante rotative sur lessieu arriere ou la roue arriere est freine. La bande etait recouverte dun materiau de friction, souvent du cuir, mais celui ci avait une duree de vie limitee. Un entretien etait necessaire tous les 350 km.

Le frein a tambour

En 1901, Wilhelm Maybach a developpe le premier concept de frein a tambour. Un anneau interne en materiau de friction etait presse contre l interieur du tambour au moyen de rouleaux. Ce systeme a ete utilise sur la Mercedes Simplex 40 ch de 1903, mais il n a pas rencontre de succes.

Entre temps, en 1902, Renault a developpe le frein a tambour definitif tel que nous le connaissons aujourd hui. Le frein a tambour mecanique de Renault comportait deux machoires courbees, articulees d un cote et reposees de l autre cote sur une came. Lorsque l on actionne un levier ou que l on appuie sur la pedale de frein, la came pivote et presse les deux machoires contre la face interne du tambour (voir illustration). Lors de l adoption ulterieure des freins hydrauliques, la came du frein a tambour a ete remplacee par un cylindre de roue.

Au debut, le frein a tambour etait uniquement utilise sur les roues arriere, car freiner avec les roues avant peut provoquer un patinage et rendre la voiture incontrôlable.

Le constructeur neerlandais Spyker fut en 1903 le premier a installer des freins sur les quatre roues sur la Spyker 60 HP (voir illustration). Peu apres, d autres marques adopterent egalement les freins a quatre roues. Pour pouvoir regler le freinage et eviter le patinage, les freins mecaniques sur les roues arrieres etaient souvent actionnes par un levier a cote du conducteur et les freins sur les roues avant par une pedale de frein. La coordination entre le freinage des roues arrieres et celui des roues avant exigeait toutefois beaucoup d adresse et d experience, une manoeuvre que nous avons aujourd hui du mal a imaginer.

Les tambours de frein les plus impressionnants etaient sans aucun doute ceux utilises sur les voitures de course, comme sur les Auto Union et les Mercedes Benz Silberpfeile dans les annees 30 (voir la photo ci jointe de la Mercedes Benz W125 de 1937).

Les enormes tambours de frein, d un diametre de 40 cm, etaient equipes d ailettes et de pales pour un refroidissement optimal et pour eviter le brake fading. Ce phenomene se produit lorsque le materiau de friction des machoires de frein devient trop chaud et que le materiau se vitrifie. Dans les cas extremes, les tambours de frein peuvent meme se voiler, ce qui reduit fortement l efficacite du freinage, voire la fait disparaitre completement.

Le frein a commande hydraulique

Les freins a commande mecanique, avec leurs tringles allant vers les roues avant et arriere, avaient l inconvenient d etre lourds et de necessiter des reglages frequents. En 1918, cela changea avec le developpement du frein a commande hydraulique, une invention de l Ecossais Malcolm Lougheed. Pour rendre la prononciation de son nom de famille plus facile, il changea son nom en 1920 en Lockheed, en meme temps qu il fondait la Lockheed Hydraulic Brake Company. Le frein a commande hydraulique, par rapport au frein a commande mecanique, etait leger, demandait beaucoup moins d effort sur la pedale et la force de freinage etait repartie de maniere plus uniforme sur les 4 roues. Le systeme hydraulique de Lockheed representait une amelioration decisive et fut applique pour la premiere fois en 1921 sur la Duesenberg Model A. Dans les annees trente, les freins hydrauliques devinrent finalement un equipement standard sur pratiquement toutes les voitures.

Le frein a disque

Parce que les freins a tambour peuvent facilement surchauffer a grande vitesse et en cas d utilisation intensive, on etudiait deja au debut des annees 1900 la possibilite du frein a disque. Cependant, en raison du manque de connaissances, notamment sur le materiau approprie pour le disque de frein et la garniture des plaquettes, cela ne fut pas un succes.

Ce nest quau debut des annees cinquante que Dunlop a mis au point un frein a disque fiable sur la voiture de course Jaguar C-Type. Grace a ces freins a disque, Jaguar a remporte a cette epoque de grands succes aux 24 heures du Mans. En 1955, le frein a disque a ete utilise pour la premiere fois en France sur la Citroen DS 19 et, en 1956, la Triumph TR3 a ete la premiere voiture de serie anglaise equipee de freins a disque modernes. La premiere voiture de serie allemande avec freins a disque fut la Mercedes-Benz 220 SE de 1961. De nos jours, les freins a disque sont dusage courant. Pour les voitures particuliere rapides ou plus lourdes, les roues avant et arriere sont equipees de freins a disque, ceux des roues avant etant souvent de type ventile.

Le systeme ABS

Pour ameliorer encore davantage le freinage de la voiture, en particulier sur chaussee mouillee, verglas et neige, l ABS (Anti-lock Braking System) a ete adopte. Il s agit d un systeme a regulation automatique qui repose sur le principe du freinage par pompage, une technique autrefois utilisee par les conducteurs experimentes. La regulation automatique de l ABS se fait a une vitesse telle qu elle est impossible a realiser par l etre humain. Le systeme veille a ce que, pendant le freinage, les roues de la voiture conservent leur traction avec la chaussee, ce qui evite le blocage (absence de rotation) et le glissement incontrle des roues. Ainsi, la voiture reste manoeuvrable et peut eviter les obstacles.

L ABS a ete invente en 1929 et utilise pour la premiere fois dans l industrie aeronautique par le pionnier francais de l automobile et de l aviation Gabriel Voisin. Pour les avions, l ABS etait une veritable avancee et ameliorait l efficacite du freinage de 30%. Il prevenait aussi la surchauffe frequente des pneus due au blocage. A partir de 1970, les premieres voitures equipees de l ABS sont arrivees sur le marche chez Ford et GM.

Freinage regeneratif

Un autre principe de freinage est le freinage regeneratif des voitures electriques ou hybrides electriques. Avec le freinage traditionnel, la resistance de frottement (friction) transforme principalement l energie cinetique ou energie de mouvement en chaleur qui se perd comme un dechet inutilise. Avec le freinage regeneratif, le moteur electrique fonctionne comme un generateur (dynamo) et produit de l electricite. La fourniture de cette electricite impose une charge au generateur, ce qui produit un effet de freinage. L energie electrique generee lors du freinage est stockee dans les batteries, puis utilisee pour entrainer la voiture electriquement. Le freinage regeneratif augmente donc l autonomie des voitures electriques ou hybrides electriques.

Le freinage regeneratif a egalement ete introduit en Formule 1 a partir de 2009, avec le systeme appele Kinetic Energy Recovery System (KERS). Ce systeme KERS permet de recuperer l energie de freinage qui est normalement transformee en chaleur, afin de la stocker pour une utilisation ulterieure. Le stockage de l energie se fait a l aide d un volant d inertie (mecanique) ou au moyen d un generateur et d une batterie (electrique). L energie stockee dans le volant d inertie ou la batterie est ensuite utilisee au moment voulu pour fournir une puissance supplementaire (acceleration) a la voiture de F1. Le systeme n est pas ideal. Parmi les inconvenients, on trouve la complexite de la conception du KERS, l augmentation de poids des composants (35 kg) et le fait que les freins a friction classiques restent toujours necessaires.

Un exemple de voiture de F1 avec le KERS est la Toyota TF109.

Des 1903, le freinage regeneratif etait deja utilise sur le tramway electrique, puis plus tard sur les trains. Les moteurs electriques servant a la traction etaient alors relies comme generateurs pour arreter le tram ou reduire sa vitesse lors des descentes. Cela offrait a la compagnie de tramway des avantages economiques et operationnels.

La necessite et l importance de bons freins pour l automobile n etaient pas reconnues comme telles par chaque constructeur. En reponse a un client qui se plaignait du mediocre freinage de sa Bugatti, Ettore Bugatti fit cette remarque frappante : « Je construis mes voitures pour rouler, pas pour s arreter ! ».

Les Spyker 60HP, Benz 5HP Phaeton et Toyota TF109 mentionnes dans cet article sont visibles au musee Louwman.

Alfred Koeten