Le freinage moto

Le système de freinage a comme fonction de réduire la vitesse de la moto, d’arrêter la moto, de maintenir la moto à l’arrêt.

Son rôle est de diminuer ou d’annuler le travail produit par le moteur. Au moment ou il entre en fonctionnement, il transforme l’énergie cinétique du véhicule  en chaleur.

Le freinage est constitué de quatre éléments distincts :

  • Un levier ou une pédale, qui commande « l’ordre » de freiner.
  • Un câble, une tige ou une durite qui transmet « l’ordre ».
  • Le frein, généralement fixé au cadre de la moto.
  • La partie mobile, généralement fixe à la roue.

Il existe deux types de freins : le frein à tambour et le frein à disque.

Le frein à disque  semble le plus répandu dans le monde de la moto. Le frein à tambour est encore utilisé principalement pour la roue arrière par exemple pour la Kawasaki ER5.

Croquis des types de freins

Croquis des types de freins

Les systèmes actionnant les freins peuvent être multiples. On trouve des systèmes de tringlerie, appelé commande par câble, ou la mise en pression d’un liquide, appelé commande hydraulique. Sauf pour le frein à tambour, la commande hydraulique est la plus répandue dans le monde de la moto. Ce système est un circuit fermé. En effet, le volume de liquide de freins contenu dans le circuit est toujours le même. Mais, j’en vois derrière leur écran et qui se demande : « alors pourquoi mon niveau de liquide de freins il baisse ? Et franchement c’est une très bonne question. On verra ça plus loin.

La pression du liquide de frein est régulée par le maître cylindre. En effet, le maître cylindre contient le liquide de frein et permet la démultiplication de la force exercée sur le levier ou pédale de frein…

Cette pression va être menée vers la roue par les durites. Dans le cas du frein à disque, elle va actionner un ou plusieurs pistons dans l’étrier pour serrer les plaquettes sur le disque. Dans le frein à tambour, elle va mettre en mouvement dans le tambour, les mâchoires.

Fonctionnement des différents types de freins

Le frein à tambour

Frein à tambour démonté

Frein à tambour démonté

Le frein à tambour est simple de conception

Dans le frein à tambour, le système de freinage est totalement enfermé.

A l’intérieur du tambour, il y a la flasque porte-mâchoires (en bleu). Celle-ci est dépendante de la rotation de la roue.

On voit sur le schéma :

(en gris) la piste de freinage. Lors du freinage, le jeu de tringle vient faire tourner la came (en violet) qui appuie sur une des mâchoires (en rouge) qui s’articule autour du pivot (en vert) pour venir appuyer sur la piste de freinage. Lorsqu’on lâche le levier de frein, les ressorts (en noir) remettent la mâchoire en position initiale.

Frein à tambour

En réalité les deux mâchoires sont actionnées

Nous allons maintenant voir comment la came est actionnée par la tringlerie.

En fait, il n’y a rien de plus simple. Un câble tendu relie la pédale (ou le levier) de frein à un axe fixé à la came. Lors du freinage  ce câble est tiré et met ainsi en mouvement la came. Vous remarquez que la force exercée sur le levier de frein est exactement la même que celle qui va actionner la came et donc les mâchoires.

Il existe la possibilité d’actionner les mâchoires par un système de mise en pression comme on va le décrire pour le frein à disque qui permet de démultiplier la force exercée sur le levier de frein. Bien que très répandu dans l’automobile, ce système est très peu représenté dans le monde de la moto, on le trouve chez certaines moyennes cylindrées st sur certains scooters comme le Honda 250 Foresight.

Vue éclatée d'un frein à tambour

Vue éclatée d’un frein à tambour

  • Le pilote actionne le levier de frein ou pédale.
  • Son action crée un « pivot » en basculant la commande de came (K).
  • La commande de came (K) est fixée sur la came (I).
  • La came (I), écarte les mâchoires (H).
  • Les mâchoires entre alors en contact avec la piste du tambour (G).
  • La friction de (G) contre (H) ralentit la roue.

Un frein à tambour n’est efficace que jusqu’au alentour de 100 km/h Au delà il montre vite ses faiblesses.

Il peut, au delà de cette vitesse, générer une chaleur pouvant aller jusqu’a 700°C à certain endroit.

Cette surchauffe peut même créer une ovalisation de la piste du tambour.

Le frein à disque

Historique

Le frein à disque est pratiquement aussi ancien que les véhicules motorisés possédant des roues. Il est d’ailleurs très proche du frein à patin qui équipe les vélos.

Sur les motocyclettes, son utilisation a été rare jusqu’à la 750 four Honda de 1969, qui a imposé le disque à commande hydraulique. Ce même type de freinage a rapidement été repris sur les machines de compétition. Il s’est perfectionné en se perforant et en devenant double (à l’avant).

Dans le domaine automobile, les freins à disques ont commencé à se généraliser dans les années 60 sur les véhicules haut de gamme, avant de s’étendre à tous les véhicules sur le train avant. En 2005, seules les petites automobiles utilisent encore les freins à tambours sur l’essieu arrière.

La première voiture à adopter les freins à disques à l’avant de série fut la Citroën DS en 1955.

En aviation, ce type de frein, plus léger, plus facile d’entretien que les autres systèmes, dans un domaine où les coûts sont accessoires, est utilisé depuis plus longtemps.

Disque de moto classique

Disque de moto classique

Le frein à disque est donc le plus représenté dans le monde de la moto. Il a existé des freins à disque commandés par câble mais ce système a été largement remplacé par la commande hydraulique.

Lors du freinage, le liquide de frein (en jaune) est mis en pression par le maître cylindre (en gris). Cette pression est conduite par la durite (en vert) jusqu’à l’étrier (en bleu) qui contient un ou plusieurs pistons (en cyan) qui poussent alors les plaquettes (en violet) contre le disque (en rouge) qui est dépendant de la roue.

Schéma du freinage à disque

Il existe deux principaux types d’étriers:

  • L’étrier fixe
  • L’étrier mobile

Les étriers mobiles

Parmi les étriers mobiles, il y a encore l’étrier flottant et l’étrier pivotant. Dans la majorité des cas, dans le monde de la moto, c’est l’étrier fixe qui s’est imposé.

Dans les étriers mobiles, il n’y a qu’un seul piston, ou encore comme le fait Honda, deux pistons juxtaposés.

L'étrier flottant

L’étrier flottant

Voyons l’étrier flottant. Lors du freinage, le piston pousse la plaquette qui vient alors en contact du disque (en rouge). La plaquette ne pouvant aller plus loin, alors que le piston continu à exercer sa pression, c’est l’étrier qui va se déplacer dans le sens opposé. Ainsi, la deuxième plaquette fixe vient en contact du disque. On remarque que des caoutchoucs (en noir) assurent l’étanchéité entre le piston et la partie mobile de l’étrier appelés « anneau d’étanchéité ». Lors du freinage, les anneaux d’étanchéité sont déformés. Quand la poignée de frein est relâchée, ces anneaux d’étanchéité aident à la remise en place du piston et ainsi relâchent le disque.

Le piston ne retourne pas exactement à sa position initiale car la distance supplémentaire parcourue par le piston dû à l’usure des plaquettes ne pourra pas être compensée par les anneaux d’étanchéité. Ainsi, plus les plaquettes sont usées plus le piston est sorti, mais les plaquettes restent exactement à la même distance du disque. Ainsi, quelque soit l’usure des plaquettes la course du piston sera identique et donc la rapidité du freinage sera la même.

Dans le cas de l’étrier pivotant, l’étrier (bleu turquoise) est fixé au tube de fourche (en bleu) sur un axe. Lors du freinage, le piston (en bleu marine) est poussé par le liquide de frein sous pression et vient appliquer la première plaquette (en violet) contre le disque (en rouge). Le piston continu a pousser et c’est alors l’étrier qui se balance autour de son axe pour venir serrer le disque entre les deux plaquettes. Lors du relâchement du levier de frein, le poids de l’étrier permet son retour à la vertical, et le piston revient à sa position initiale.

De la même manière qu’avec l’étrier flottant, le piston ne retourne pas exactement à son point de départ et compense ainsi l’usure de la plaquette. Par contre, la plaquette fixe elle revient exactement à son point de départ. Ainsi, la course pour freiner avec les deux plaquettes augmente avec l’usure de celles-ci.

L'étrier pivotant

L’étrier pivotant

Les étriers fixes

Etrier de frein

Etrier de frein

Pour l’étrier fixe comme son nom l’indique, il n’y a que les pistons qui bougent, le corps de l’étrier reste fixe. Dans ce cas, l’étrier fixe doit avoir au minimum deux pistons l’un en face de l’autre. Le plus souvent on observe deux pistons de chaque côté comme représenté dans la figure ci-dessus (gauche). Dernièrement, on voit apparaitre des étriers 6 pistons comme représenté dans la figure ci-dessus (droite). Plus il y a de pistons , plus les plaquettes peuvent être longues, donc plus la surface de freinage est importante. Et, en théorie, plus le freinage est  puissant.

Le principe du freinage est donc tout ce qu’il y a de plus simple. En actionnant le levier de frein, le liquide de frein (en jaune) est mis sous pression et va pousser les pistons (en bleu/violet) qui appuient les plaquettes (en rose) contre le disque (en rouge).

On remarque encore une fois que le piston ne revient pas exactement à sa position initiale, ce qui permet de compenser l’usure des plaquettes.

Etrier Fixe

Maintenant après avoir lu tout cela vous devez être en mesure de comprendre pourquoi le niveau de liquide de frein baisse malgré que le circuit soit fermé. Et bien, c’est à cause du phénomène de compensation de l’usure des plaquettes. En effet, comme le piston ne revient pas tout à fait à la même place, il laisse un volume plus important pour contenir le liquide de frein. Ainsi, quand les plaquettes sont très usées, le niveau de liquide de frein est plus bas… Donc pour conclure avec ça, ceci explique également qu’il faut un réservoir sur le maitre cylindre. En effet, sans réservoir, il y aurait un moment lors de la compression de liquide où il n’y aurait plus assez de liquide donc on comprimerait l’air qui est un fluide comprimable. Donc, il n’y aurait aucun effet sur le piston et donc pas de freinage… Dangereux non…

Sensibilité à l’eau

Habituellement, le frein à disque fonctionne à l’air libre, ce qui lui permet d’évacuer les calories du freinage par ses deux faces. En revanche, cela l’expose aux projections d’eau, ce qui provoque un retard au freinage lorsqu’il est mouillé (nécessité de le sécher en quelques tours avant de récupérer le mordant). Pour contrer cet ennui, il est d’usage de perforer les disques des motos de nombreux trous destinés à rompre le film liquide.

Refroidissement

Les véhicules plus lourds ou sportifs disposent de disques ventilés : des disques plus épais que la normale, dans l’épaisseur desquels des canaux créent une circulation d’air forcée.

Toutes sortes de matériaux peuvent être utilisés pour ce système.

Pour les disques :

  • Acier inoxydable (assez cher, peu accrocheur)
  • Fonte (le plus économique, le plus lourd, le plus utilisé, mais rouille facilement)
  • Carbone (hors de prix, extrêmement léger, très endurant, véhicules de sport très haut de gamme)

Pourquoi le frein à disque est-il meilleur?

Pourquoi le frein à tambour a été abandonné au fur et à mesure bien que son action soit plus rapide qu’un frein à disque et indépendant des intempéries extérieures. Et bien tout simplement car il est moins puissant pour une raison fort simple: le disque est pincé par les plaquettes et l’action des pistons directement sur les plaquettes permet une pression très importante et quasiment sans perte. De plus, un frein à tambour, au delà d’une certaine force appliquée, le mécanisme se déforme, on va donc perdre de la puissance de freinage… Enfin, le frein à tambour évacue moins bien la chaleur qu’un frein à disque du fait de son enfermement et il sera donc beaucoup moins endurant.

Disque Buell

Frein de moto Buell : le disque est fixé à la jante et l’étrier (à triple piston) est à l’intérieur

Les motos Buell sont munies d’un grand disque fixé au pourtour de la jante. L’efficacité est supérieure, mais le coût aussi.

Le diamètre des disques est un facteur important en compétition. L’effet gyroscopique (comprenez par-là l’agilité au changement d’angle de la moto) devient prononcé lorsque cette notion de diamètre augmente. En d’autres termes, l’agilité diminue. Par conséquent, nous ne verrons jamais ce genre de disque que propose Buell sur certains de ses modèles.

Le système de commande peut être indépendant pour les différents disques ou être couplé avant-arrière par un répartiteur (cas général des voitures et du freinage intégral de certaines motos (Moto Guzzi)).

Fonctionnement d’un maître cylindre

Donc comme nous l’avons vu, le maître cylindre est une pièce maîtresse du système de freinage car c’est grâce à lui que le liquide de frein est mis en pression. Il permet également l’aide du retour de piston de frein.

Le maître cylindre est composé d’un corps (bleu turquoise) surmonté d’un réservoir et d’un piston (en bleu). On remarque que le piston coupe la lumière du maître cylindre en deux parties. La lumière du maître cylindre est alimentée par du liquide de frein par deux ouvertures, l’une devant le piston et l’autre dans la seconde partie.

Lorsque vous appuyez sur votre poignée de frein, vous poussez le piston (en bleu). Cette pression va permettre d’envoyer du liquide de frein (en jaune)devant le piston. Puis, le piston va obturer la première ouverture et le piston va continuer sa course compressant ainsi le liquide de frein.

Maître cylindre

Lorsque vous lâchez la poignée, le ressort (les petits points gris) va pousser le piston en arrière créant ainsi une dépression dans le liquide de frein qui va permettre de faire reculer le piston de l’étrier et ainsi de desserrer les plaquettes. Le piston va démasquer la première ouverture et ainsi uniformiser la pression qui règne dans le système de freinage. La dépression est moins forte que la pression qui a été exercé. Ceci participe au phénomène de compensation de l’usure des plaquettes.

Les plaquettes

La plaquette de freinage est aussi un organe important du système de freinage. La plaquette est composée du support (en gris) et de la garniture (en violet) (représentés sur la photo ci-dessous). Quand la garniture atteint 2mm ou 3mm selon le constructeur, les plaquettes sont à changer. Je dis bien les plaquettes car on ne change jamais qu’une seule plaquette. L’usure est généralement mesurée directement par un repère sur la plaquette. Par ailleurs pour voir aussi où en est l’usure vous pouvez aussi regarder le niveau de liquide de frein. Ainsi, il est inutile de faire le niveau de liquide de frein car quand il est au plus bas c’est que ce sont vos plaquettes qui sont usées sauf bien sûr s’il descend en dessous du niveau minimum (dans ce cas attention à la fuite).

Plus les plaquettes sont grandes, plus le freinage est efficace. Malheureusement tout n’est pas si simple. Il n’y a pas que la taille de la plaquette qui compte. D’ailleurs sur votre moto, vous n’êtes pas maître de la taille des plaquettes, c’est l’étrier qui la fixe. L’efficacité du freinage est bien sûr dépendante de la démultiplication de la force exercée sur le levier. Enfin, l’efficacité du freinage est aussi largement dépendante de la matière de la garniture de la plaquette.

Il existe aujourd’hui trois types de garniture sur le marché:

Plaquette de frein
  • Organique
  • Fritté ou métal
  • Semi-organique

Les plaquettes organiques sont de conception ancienne mais n’empêchent pas la performance. Elles sont fabriquées à base de fibres métalliques et sont généralement  riches en graphite. Les plaquettes en métal  sont plus riches en alumine. En fait, les plaquettes comportent un grand nombre de métaux (bronze, cuivre, fer…) et la composition joue énormément sur le freinage.

Pour une moto puissante, on aurait tendance à proposer des plaquettes métal. Mais ces plaquettes sont chères et très abrasives, elles usent beaucoup plus rapidement le disque et elles ne conviennent pas aux disques en fonte. Les plaquettes organiques quant à elles sont largement suffisantes au moto de faible cylindré. Elles ont l’avantage de ne pas trop user le disque mais en général, elles sont moins efficaces. Peut être que les plaquettes semi organiques, qui est un mélange des deux, seraient un bon compromis.

Mais attention, certaines marques qui commercialisent des plaquettes organiques sont bien meilleures que les plaquettes frittées d’autre marque. Donc pour bien choisir les plaquettes, il suffit de savoir en quoi est fait son disque (car s’il est en fonte ca ne laisse pas le choix) et de lire la presse ou encore mieux de demander à d’autres motards.

Les nouveaux système de freinage

Les nouveaux systèmes de freinage ont permis d’améliorer le confort du pilot  moto en évitant le blocage de roue comme l’ABS mis au point par BMW ou encore en répartissant automatiquement le freinage avant/arrière comme le Dual-CBS de Honda. Toutes ces nouvelles techniques font appel à une électronique compliquée. Sans entrer dans les détails de cette électronique, nous allons voir le principe de ces deux nouveaux systèmes de freinage.

L’ABS

L’ABS est une gestion totalement électronique du freinage afin d’éviter tout blocage de roues. Le principe est relativement simple mais l’électronique qui gère tout cela doit être très performante.

Chaque roue est équipée d’un pignon à 100 dents qui tourne solidairement avec elle. Le passage de chaque dent est enregistré par un capteur qui génère alors une impulsion. La fréquence des impulsions générées permet de mesurer la vitesse de rotation de chacune des roues. A l’avant et à l’arrière, situé entre le maître cylindre et l’étrier, il y a un modulateur de pression pouvant réguler la pression du liquide de frein.

Lors du freinage, la fréquence des impulsions générées par le capteur de la roue avant est comparée à la fréquence des impulsions générées par le capteur de la roue arrière permettant ainsi de comparer les vitesses de rotation de chacune des roues. Si une vitesse est plus faible que l’autre, le modulateur de pression baisse légèrement la pression du liquide de frein permettant de relâcher légèrement le disque et ainsi de libérer la roue concernée. L’électronique exécute les comparaisons environ 7 fois par seconde et tant que la vitesse de la moto est supérieure à 4 km/h. Bien sur, il y a un système de secours, en effet en cas de problème quelconque, le système ABS est déconnecté complètement pour retrouver un système de freinage normal.

Le Dual-CBS

Dual Combined Brake System Diagram. Ce système de frein mis au point par Honda, a été utilisé initialement pour le CBR-1000 en 1992 avant d’être généralisé à pratiquement toutes les motos de la gamme.

Dual-CBS

On remarque la présence d’un servomoteur (en bleu turquoise) qui permet d’envoyer le liquide de frein vers l’arrière. Ce servomoteur est lié à la roue avant à un maître cylindre secondaire. Chacun des étriers à trois pistons. Ceci est très important, la pédale de frein permet d’actionner tous les pistons centraux (en bleu). Le levier de frein, permet lui de pousser les pistons extérieurs de la roue avant (en rouge). Comme il y a deux disques, il y a deux étriers pour la roue avant. Le servomoteur lui permet de pousser les pistons extérieurs de la roue arrière (en bleu turquoise). Sur l’animation, (en jaune) est représenté le chemin parcouru par le liquide de frein.

Quand on appuie sur la pédale de frein, tous les pistons centraux sont poussés à l’avant comme à l’arrière. Par contre, lorsqu’on fait un freinage fort avec la pédale, le liquide de frein va actionner le maître cylindre secondaire qui va permettre au servomoteur d’actionner les deux pistons extérieurs du frein arrière.

Quand on actionne le levier de frein, les pistons extérieurs de la roue avant sont poussés. Lorsque le freinage devient plus appuyé, le maître cylindre secondaire est actionné et permet alors de pousser les pistons extérieurs de l’étrier arrière.
Ainsi, quand vous freinez du levier et de la pédale, vous poussez la totalité des pistons du système de freinage.