Freinage : les facteurs déterminants

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  FREINAGE  

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Après avoir vu les facteurs déterminants d'une bonne tenue de route, voyons désormais le sujet du freinage. Vous allez voir qu'il y a plus de de variables qu'on pourrait croire et que cela ne se limite pas à une taille de disque et de plaquettes.
Rappelons quand même rapidement que le freinage consiste à convertir une énergie cinétique en chaleur par le biais de dispositifs mécaniques ou électriques (quand il s'agit de freins électromagnétiques, qu'on peut voir sur les camions et les voitures hybrides et électriques).

Bien évidemment, j'invite les plus connaisseurs à enrichir l'article en soumettent des idées en bas de page, merci d'avance à eux.

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Dispositif de freinage

A priori toutes les autos ont un freinage surdimensionnée puisqu'elles ont toutes l'ABS. Et c'est donc ici qu'on comprend qu'un bon freinage dépend surtout de la synergie entre pneumatiques et dispositif de freinage.
Un bon freinage avec de petits pneus ou de mauvaises gommes provoquera des blocages régulier, et donc l'activation de l'ABS. A l'inverse, des pneus très généreux avec des freins moyens provoquera des distances de freinage longues, sans qu'on n'arrive à bloquer les roues. Bref, trop favoriser l'un, ou trop favoriser l'autre est peu intelligent, plus on accroît la capacité des freins, plus on doit faire en sorte que la gomme puisse suivre.
Voyons donc quelques caractéristiques des dispositifs de freinage.

Taille des disques

Plus un disque sera généreux en diamètre, plus les plaquettes auront de surface de friction pour un seul et même tour de roue. Cela induit qu'entre deux tours, la surface aura plus de temps pour se refroidir, et donc on aura un freinage plus endurant (que ce soit en enchaînant plusieurs freinages ou sur un seul et même freinage : un gros freinage depuis 240 km/h induit qu'il faille une bonne endurance car les disques seront soumis à une friction sur une longue distance / longue période de temps).

On aura donc systématiquement des freins plus gros à l'avant et plus petits à l'arrière, car 70% d'un freinage est assumé par l'avant, l'arrière servant en grande partie à être stable au freinage (sinon l'arrière veut logiquement passer devant .. Avec donc une auto qui ne reste pas droit en gros appui, il faut continuellement corriger ça au volant).

Types de disques

Plusieurs types de disques existent comme vous pouvez le deviner. Il y a tout d'abord les disques pleins et les disques ventilés. Un disque plein est une banale plaque "ronde en métal" qui va facilement accumuler de la chaleur par effet Joule (ici incarné par une friction mécanique provoquant un échauffement). Un disque ventilé est en fait un disque creux en son centre, on peut aussi le voir comme deux disques collés l'un à l'autre avec un interstice au milieu. Cette cavité empêche une trop grande accumulation de chaleur, car l'air est bien moins conducteur de chaleur et il emmagasine moins de chaleur (bref, c'est un bon isolant et un mauvais conducteur de chaleur), et ça chauffera donc moins qu'un équivalent totalement plein (donc avec une même épaisseur de disque).

Arrivent ensuite les disque pleins et percés, avec une différence assez semblable entre disque pleins et ventilés. En gros, on perce des trous dans les disques pour améliorer le refroidissement de ces derniers. Il y a enfin les disques rainurés qui sont les plus performants : il se refroidissent mieux que les pleins et sont plus résistants que les percés dont la température n'est pas aussi homogène (à cause des trous justement). Et comme la matière se fragilise quand elle est inégalement chauffée, on aura alors la possibilité de voir apparaître dans le temps des craquelures de ci et de là (risquant la casse du disque, ce qui est une catastrophe quand cela arrive en roulant).

Voici un disque ventilé

Les disques avec des matériaux alternatifs comme le carbone / céramique permettent ici de gagner en endurance. En effet, ce type de disque travaille à une température plus élevée, il subissent alors mieux la conduite sportive. En gros, un frein classique commencera à être en surchauffe quand les céramiques seront à température de croisière. Conséquence, avec des freins froids il vaut mieux des disques classiques, qui travaillent mieux à de basses températures. Mais en conduite sportive les céramique correspondront mieux.
Quant à l'efficacité de freinage, il ne faut pas espérer plus avec du céramique, c'est avant tout la taille des disques et le nombre de pistons d'étriers qui feront la différence (et entre métallique et céramique, c'est surtout la vitesse d'usure et la température de fonctionnement qui changent).

Types de plaquettes

Comme avec les pneus, vouloir économiser sur les plaquettes c'est pas des plus intelligents, car elles vont largement contribuer à réduire les distances d'arrêt.
En revanche, il faut savoir que plus vous aurez des plaquettes de qualité, plus elles useront les disques. Logique puisque si elles ont une plus grande capacité de friction elles vont meuler un peu plus vite les disques. A l'inverse vous mettez deux bouts de savons à la place, vous userez vos disques en un million d'année mais les distances de freinage seront elles aussi quais éternelles ...
Sachez enfin que les plaquettes les plus efficaces provoquent généralement des bruits de sifflement au freinage quand la température n'est pas très importante.
Bref, du pire au meilleur il y a : plaquettes organiques (Kevlar / graphite), semi-métal (mi-métal / mi-organique) en enfin métal-fritté  (mi-métal fritté / mi-organique).

Types d'étriers

Le type d'étrier jouera avant tout sur la surface de friction liée aux plaquettes.
Il y a tout d'abord deux grands types : les étriers flottants qui sont assez basiques et économiques (pitons que d'un côté ...) et les étriers fixes qui ont des pistons de part et d'autre du disque : il est alors pris en sandwich et on peut alors employer ici des forces de freinage plus importantes, chose que ferait moins bien un étrier flottant (qui se réserve donc sur des véhicules moins lourds qui reçoivent moins de couple depuis le maître cylindre).

Il y a ensuite le nombre de pistons qui viennent pousser les plaquettes. Plus on aura de pistons, plus on aura de surface de friction (plaquettes) qui appuie sur le disque, ce qui améliore le freinage et ce qui permet de réduire leur échauffement (plus on répartit la chaleur sur une surface élevée, moins on atteindra une chaleur critique). Pour résumer, plus on aura de pistons plus les plaquettes auront une taille importante, et qui dit plus de surface, dit plus de friction = plus de freinage.
Pour comprendre caricaturons : si j'appuie sur un disque tournant une plaquette d'une petite surface de 1 cm2, j'aurai peu de freinage et la plaquette va très vite surchauffer (comme le freinage est moins important le disque tourne plus vite et plus longtemps, ce qui fait beaucoup chauffer la plaquette). Si j'appuie avec la même pression sur une plaquette qui fait 5 cm2 (5X plus) j'aurai plus de surface de friction, ce qui va donc freiner plus vite le disque, et la durée plus faible de freinage limitera la surchauffe des plaquettes (pour obtenir un même freinage le temps de friction sera plus faible, et donc si il y a moins de friction il y a moins de chaleur).

Plus j'ai de pistons, plus ça appuie sur le disque, et donc ça freine mieux

La position de l'étrier par rapport au disque (plus en avant ou en arrière) n'aurait pas d'incidence, et le positionnement serait lié à des aspects pratiques ou encore au refroidissement (selon la forme aérodynamique des passages de roue, il est plus avantageux de les placer à telle ou telle position).

Mastervac / servofrein

Ce dernier sert d'assistance pour le freinage, car aucun pied n'a la force d'appuyer suffisamment fort sur le maître cylindre pour obtenir un freinage important : appui des plaquettes sur les disques.
Pour démultiplier la force il y a le servofrein qui vous offre de l'énergie supplémentaire pour écraser la pédale de frein. Et selon le typage de ce dernier, on aura des freins plus ou moins incisifs. Sur certaines autos type PSA, il est généralement réglé un peu trop intensément, à tel point qu'on se retrouve à piler en effleurant à peine la pédale. Pas génial pour doser les freinages en conduite sportive ...
Bref, cet élément peut contribuer à améliorer le freinage bien qu'au final ce ne soit pas réellement le cas ... Il permet en réalité juste d'exploiter plus facilement  les possibilités de freinages offertes par les disques et plaquettes. Car ce n'est pas parce que vous avez une meilleure assistance que vous avez une voiture qui freine mieux, ce paramètre étant surtout assumé par le calibrages des disques et plaquettes (l'assistance permet juste de pouvoir freiner fort plus facilement).

Liquide de frein

Ce dernier doit être changé tous les 2 ans. Dans le cas contraire il accumule de l'eau par condensation, et la présence d'eau dans le LDR induit un gaz. En chauffant (quand les freins arrivent à température), elle se vaporise et se transforme donc en gaz (vapeur). Hélas, cette vapeur se dilate à chaud, et elle va alors appuyer sur les freins et rendre spongieuse la sensation au freinage (car le gaz est facilement compressible).

Durit de freins

Plus les durits seront rigides, meilleur le freinage sera, ou plutôt meilleur la sensation au freinage sera. Des durits à bas coût on une petite souplesse qui les fait légèrement se gonfler lors de l'appui sur la pédale, ce qui amène un petit effet "ballon" au toucher, comme si on avait affaire à des freins "à air".

Pneumatiques

Les pneumatiques sont décisifs pour le freinage car ce sont eux qui vont subir une majorité des contraintes physiques. Je le répète souvent mais économiser sur ce poste me paraît être peu judicieux ... Même les conducteurs qui ont des moyens limités doivent privilégier des gommes de qualité (le différence est vraiment perceptible ..).

Type de gomme

Il y a tout d'abord la gomme qui sera de plus ou moins bonne qualité, avec évidemment un avantage pour celles qui ont un caoutchouc  de premier choix. Mais au delà de la qualité il y aura aussi la tendresse de la gomme, avec une meilleure tenue de route avec une gomme tendre et une meilleure endurance à l'usure avec les gommes dures. Attention toutefois, une gomme tendre en situation de canicule pourra devenir trop molle et induire une sorte de petit roulis. Dans les pays très chauds, il faut s'adapter en mettant une gomme plus dure, un peu comme on le fait en hiver chez nous avec les pneus hiver (qui ont une gomme plus tendre pour s'adapter au froid).

Viennent ensuite les sculptures, avec des pneus qui seront plus efficaces en asymétriques et même mieux en directionnels. Les symétriques étant les plus basiques et les moins chers car ils sont justement symétriques ... Bref ils sont plus grossiers et techniquement moins avancés.
Il faut savoir qu'au freinage la gomme s'écrase, et que la forme des sculptures va alors être déterminante pour améliorer le grip sur le bitume. Les ingénieurs prévoient alors des formes qui maximiseront la manière dont le pneu va être en contact sur la route dans ces conditions.
Sur le sec, et vous devez déjà le savoir, il est préférable d'avoir du slick (interdit sur la voie publique), c'est à dire aucune sculpture et totalement lisse ! En effet, plus on a de surface de pneu en contact avec la route, plus on a de prise avec elle, et donc plus les freins pourront travailler.

Dimensions ?

La dimension des pneus est aussi cruciale, et c'est logique puisque plus on aura un pneu large, plus on aura de prise avec la route, et donc encore une fois, les freins pourront travailler avec plus d'intensité. C'est donc la première valeur sur des dimensions : 195/60 R16 (ici 19.5 cm de large). La largeur est plus importante que le diamètre en pouces (ce que beaucoup de "touristes" se bornent à regarder ... En oubliant le reste)
Plus vous aurez un pneu fin, plus vous bloquerez facilement les roues lors de freinages appuyés. Et donc plus on a des pneus fins, moins les freins peuvent jouer leur rôle ...
Notez quand même que sur route très mouillée (ou enneigée), il vaut mieux avoir des pneus plus fins, car on va alors réunir un maximum de poids (de l'auto donc) sur une petite surface, l'appui plus important sur une petite zone favorisera alors le grip (une surface qui glisse mérite donc plus d'appui pour compenser), et surtout le petit pneu va fendre l'eau et la neige (mieux qu'un pneu large qui va en garder un peu trop entre la route et la gomme). Voilà pourquoi en Rally sur neige les pneus sont aussi larges que sur une  AX Kway ...

Gonflage ?

Le gonflage d'un pneu aura une incidence assez proche que la tendresse d'une gomme ... En effet, plus un pneu est gonflé, plus il se comportera comme une gomme dure, et donc en gros il vaut mieux être un peu sous-gonflé que sur-gonflé. Attention toutefois, le sous-gonflage induit un risque d'éclatement à haute vitesse, l'une des pires choses qui puisse arriver à un conducteur, ne rigolez donc jamais avec ça (jeter un coup d'oeil sur son auto de temps en temps permet d'éviter ça, car un pneu sous gonflé se voit vite. La règle est de contrôler tous les mois sa pression).
Au freinage, on aura donc un peu plus de grip avec un pneu moins gonflé, tout simplement parce qu'on aura plus de surface en contact avec la route (l'écrasement plus important induit une surface plate du pneu posée au sol qui sera plus importante). Avec un pneu très gonflé, on aura moins de surface en contact avec le bitume et on perdra en tendresse du pneu puisqu'il se déformera moins, on bloquera alors les roues plus facilement.

En haut le pneu est moins gonflé, il s'étale alors sur une plus grande surface de bitume, réduisant ainsi les risques de glissement

Sachez aussi qu'un gonflage à l'air classique (80 azote et 20% oxygène) fera grimper la pression à chaud (oxygène qui se dilate) tandis que les pneus 100% azote n'auront pas cet effet (l'azote reste bien sage ...).
Donc ne soyez pas étonné de voir +0.4 bar de plus quand vous prenez la pression à chaud, sachant qu'il faut la faire à froid si vous voulez voir la pression réelle (à chaud c'est très trompeur).

Géométrie / trains roulants

La géométrie des trains roulants sera aussi une variable à prendre en compte, car quand l'auto freine fort elle s'écrase. Un peu comme les sculptures des pneus, l'écrasement va donner une forme différente à la géométrie et cette forme devra être favorable à un bon freinage. Ici je n'ai pas de notion particulière et donc je ne pourrai donner d'avantage de détails concernant les formes qui sont sont favorables à un arrêt plus court.
Un mauvais parallélisme peut aussi induire un tirage vers la gauche ou la droite en freinant.

Amortisseurs

Les amortisseurs sont considérés comme un facteur déterminant pour le freinage. Pourquoi ? Car il favoriseront ou pas le contact de la roue au sol ...
Avouons toutefois que sur une route parfaitement lisse, les amortisseurs ne vont pas jouer un rôle important. En revanche, sur une route qui n'est pas parfaite (la grande majorité) il permettront de plaquer le mieux possible les pneus sur la route. En effet, avec des amortisseurs usés on aura un petit effet rebond des roues, qui seront alors une petite partie du temps en l'air et non sur le bitume, et vous savez bien que freiner avec une roue dans l'air ne permet pas vraiment de ralentir.

Aérodynamisme

L'aérodynamisme d'une voiture a une incidence sur le freinage sur deux aspects. Le premier est lié à l'appui aérodynamique : plus une auto va vite plus elle aura de l'appui (si aileron il y a et selon réglage), de ce fait elle aura un meilleur freinage car l'appui sur les pneus sera plus important.
Autre aspect les ailerons mobiles dynamiques qui devient à la mode sur les supercars. Il s'agit de braquer un aileront au freinage pour avoir un aérofrein qui va donc apporter une force de freinage supplémentaire.

Frein moteur ?

Il est plus efficace sur essence que sur diesel car le diesel fonctionne ne excès d'air.
Sur les électriques on aura la régénération qui permettra d'en simuler un avec une intensité plus ou moins forte selon le réglage du niveau de la récupération d'énergie.
Sur les camions et voiture hybrides / électriques, il y a un système de freinage électromagnétique qui consiste à récupérer l'énergie par le phénomène électromagnétique lié à l'intégration d'un rotor à aimant permanent (ou pas finalement) dans un stator bobiné. Sauf qu'au lieu de récupérer l'énergie dans une batterie, on jette tout ça à la poubelle dans des résistances qui vont transformer ce jus en chaleur (tout bête au niveau technique). L'avantage ici est d'obtenir une grosse force de freinage en ayant moins de chaleur qu'avec de la friction, mais cela empêche un arrêt total car ce dispositif freine d'autant plus qu'on va vite (qu'il y a un delta de vitesse entre rotor et stator). Plus on freine, moins l'écart de vitesse entre stator et rotor est important, et au final on a donc moins de freinage (pour résumé, moins on va vite, moins ça freine).

Dispositif de gestion de freinage

Répartiteur de freinage

Un peu lié à la géométrie vue juste avant, le répartiteur de freinage (désormais géré électroniquement par le boîtier ABS) évite que l'auto ne plonge trop au freinage, c'est à dire que l'arrière ne lève trop et que l'avant ne s'écrase trop. Quand c'est le cas, le train arrière perd en grip / motricité (et donc en freinage ...) et l'avant a trop de poids à gérer (avec notamment des pneus qui s'écrasent trop et prennent des formes chaotiques, sans oublier que les freins vont alors vite surchauffer et perdre en efficacité).

ABS

C'est donc tout simplement l'antiblocage de roue, il est là pour éviter tout blocage des pneus, car c'est ainsi qu'on se met à augmenter la distance de freinage tout en perdant la capacité directionnelle de l'auto.
Mais sachez bien qu'il vaut mieux un freinage très appuyé géré par une humain si vous voulez avoir la plus courte distance possible. En effet, l'ABS travaille de manière assez grossière et il ne permet pas d'avoir le freinage le plus court possible (il passe sont temps à relâcher les freins par à-coups, ce qui provoque de mircro-pertes de freinage pendant ces phases. Elles sont certes ultra limitées, mais avec un freinage parfaitement dosé et fortement appuyé on obtiendra un peu mieux).

En gros, l'ABS est d'autant plus important que la route est mouillée, mais aussi que votre dispositif de freinage est perfectible. Si je reprends des exemples passés, si on a de bons freins avec de petits pneus, on va bloquer facilement. Dans ce cas, l'ABS est d'autant plus crucial. En revanche, plus on aura un combo pneus généreux / freinage de gros calibre, moins on en aura besoin puisque le blocage arrivera moins spontanément ...

AFU

L'AFU (aide au freinage d'urgence) n'aide en aucun cas à réduire les distances de freinage, il sert à "corriger la psychologie" des conducteurs. Le calculateur ABS a en effet été doté d'un programme informatique qui sert à déterminer si vous êtes en freinage d'urgence ou pas. Selon la manière dont vous allez appuyer sur la pédale, le programme va voir si vous êtes en situation d'urgence (en général quand on se précipite sur la pédale avec un coup de freinage vif). Si il estime que oui (tout cela est arbitraire et a été codé par des ingénieurs qui ont essayé de décrypter le comportement des conducteurs), alors le calculateur va déclencher le freinage maximum même si vous êtes à mi-pédale. En effet, l'humain a le réflexe de ne pas appuyer à fond de peur de bloquer les roues, et cela augmente hélas les distances de freinage ... Pour palier cela, le calculateur freine à fond et laisse ensuite l'ABS travailler pour éviter tout blocage. On a donc deux systèmes qui travaillent l'un contre l'autre ! L'AFU cherche à bloquer les roues, et l'ABS cherche à ce que cela ne soit pas le cas.

4 roues directrices ?!

Oui, certains systèmes de roues directrices permettent de mieux freiner ! Pourquoi ? Car certains d'entre eux peuvent faire comme les skieurs débutants : le chasse neige. En gros, les roues arrière tournent chacune dans un sens différents dans le but de réduire au maximum le parallélisme entre ces dernières : on a donc un effet "chasse neige".

Contextes

Selon les contextes, il est intéressant de voir ce que cela induit sur certains paramètres de l'auto, voyons-les.

Haute vitesse

Les hautes vitesses sont ce qu'il y a de plus compliqué pour un système de freinage. Car la vitesse de rotation importante des disques implique que pour une même durée de pression sur le frein, la plaquette va frotter plus de fois sur une seule et même zone. Si je freine à 200, la plaquette va sur une période donnée (disons une seconde)  frotter une plus grande surface de disque (car plus de tours en 1 secondes qu'à 100 km/h), et l'échauffement va donc être d'autant plus rapide et intense qu'on roule vite. Un freinage appuyé de 200 à 0 km/h va donc beaucoup solliciter les disques et plaquettes.
Et c'est donc à ces vitesses qu'on peut bien jauger et mesurer les capacités d'un dispositif de freinage.

Température des freins

La température de fonctionnement est aussi très importante : trop froid les plaquettes vont un peu plus glisser sur le disque, et trop chaud ce sera la même chose ... Il faut donc une température idéale et surtout bien prendre conséquence que quand vous venez de démarrer vos freins ne sont pas optimums.
Cette plage de température sera différente avec des carbone / céramique, leur température de fonctionnement est un peu plus élevée, ce qui permet aussi en partie de réduire l'usure en conduite sportive.

En surchauffant vos freins, il se peut même que les plaquettes fondent au contact des disques, induisant alors une  sorte de couche de gaz entre les plaquettes et les disques ... En gros, ils ne peuvent plus entrer en contact et on a l"impression d'avoir des savonnettes à la place des plaquettes !
Autre phénomène, si vous y allez trop fort sur les freinages, vous risquez de glacer les plaquettes (moins probable sur les plaquettes haute performance). En effet, si elles subissent une température trop élevée, elle pourront alors se vitrifier et deviendront très glissantes : on perd donc en capacité de friction, et on perd alors en freinage.

En général, la température des freins sera corrélée avec celle des pneus, logique .. Cela par la friction des pneus au freinage, mais aussi par le fait que la jante devient brûlante (chaleur provenant du disque ...). Résultat, on a à la fois un sur-gonflage des pneus (sauf azote) des gommes qui deviennent trop tendres. Ceux qui ont un peu l'expérience de conduire sportivement savent bien que l'auto finit rapidement par danser sur ses gommes, et on a alors l'impression que l'auto est moins posée sur la route et a plus de roulis.

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