L’histoire des systèmes de freinage automobile

 "Quatre-vingt-dix-neuf pour cent de vous est invisible [...]"
- Buckminster Fuller

Même en tant qu'experts des systèmes de freinage, nous ne pensons pas si souvent à nos freins.  Les freins sont des freins, et malgré l'ingéniosité de leur conception, ils restent souvent « quatre-vingt-dix-neuf pour cent invisibles ». Dans sa citation sur le fait d'être 99 % invisible, sa référence est philosophique, mais c'est un concept qui s'applique au monde extérieur, y compris à vos conduites de frein. Dans cet aperçu, nous allons explorer ces 99 % en abordant l'évolution des freins, les défis auxquels les systèmes de freinage sont confrontés, les considérations d'entretien et les exigences de conception des systèmes de freinage.

Considérez la première loi du mouvement de Newton : un objet mis en mouvement restera en mouvement à moins qu'une force extérieure n'agisse sur lui. C'est le principe des freins ; les véhicules tirent de l'énergie en brûlant du carburant pour se mettre en mouvement, puis ils doivent agir sur eux-mêmes pour dissiper cette énergie acquise. Certains facteurs environnementaux peuvent certes le faire : la résistance de l'air, la gravité, les pertes dans la transmission et même la simple friction avec le sol, mais la façon la plus efficace de dissiper l'énergie est avec les freins.

Les plaquettes et mâchoires de frein modernes génèrent la friction nécessaire pour arrêter une voiture, mais même les véhicules à roues plus anciens, comme les charrettes à bœufs et les calèches, nécessitaient des freins. Jusqu'à l'époque des automobiles à vapeur des années 1880, la puissance de freinage était obtenue avec des blocs de bois qui pouvaient être pressés contre le côté des roues à jante en acier à l'aide d'un levier et d'une tige. Puis, vers 1880, Michelin est arrivé avec la production de pneus en caoutchouc plein qui a révolutionné les déplacements à petite échelle sur roues. Soudain, les blocs de bois n'étaient plus une méthode de freinage viable.

C'est vers cette époque, près du tournant du siècle, que les choses ont commencé à changer de manière exponentielle dans le monde du freinage. Les déplacements à cheval cédaient progressivement la place aux moteurs à vapeur et à essence, les vitesses sur route augmentaient, et le monde automobile avait besoin d'une meilleure solution pour dissiper l'élan. Deux des noms les plus célèbres du monde automobile ont relevé le défi : Gottlieb Daimler et Louis Renault. Daimler a imaginé qu'un câble pourrait être enroulé autour d'un grand tambour qui pourrait ensuite être boulonné au châssis du véhicule. Bien que Daimler ait eu l'idée originale, Renault l'a poursuivie, créant le premier modèle fonctionnel. Bientôt, le premier système de freinage à tambour et à câble prêt pour la production a été développé pour une Mercedes. Ils étaient mécaniques et fonctionnaient avec un levier manuel

Cette première exécution de frein à tambour était révolutionnaire, mais elle présentait des inconvénients majeurs ; le dispositif de câble externe glissait fréquemment dans les côtes, et la conception métal sur métal ne durait pas longtemps et nécessitait un réglage constant. La sécurité et la longévité étaient des problèmes majeurs avec ce nouveau système de freinage. Graduellement, cependant, les câbles et bandes en métal ont cédé la place aux garnitures de frein en amiante tissée et en cuivre, améliorant la puissance de freinage. Pourtant, même ces systèmes de freinage restaient complètement externes et fonctionnaient sur un seul essieu jusqu'à environ 1915 lorsque les freins à 4 roues à connexion mécanique ont commencé à faire leur apparition. Au début, ces systèmes de freinage à 4 roues étaient considérés comme des options de haut niveau, sinon un pur luxe : la voiture de course Duesenberg de 1915 était équipée du nouveau style de système de freinage.

Peu après que le modèle de Renault a pris son envol, il a été déterminé que le déplacement des garnitures de friction à l'intérieur du tambour produisait des améliorations tant dans la constance du freinage que dans la durée de vie des plaquettes de frein, et elles ont conquis l'industrie. Les freins à tambour à expansion interne sont restés à commande mécanique jusqu'en 1918 lorsque Malcolm Lockheed a commencé le développement des premiers systèmes de freinage hydrauliques. La décision d'intégrer la technologie hydraulique aux systèmes de freinage a été un autre bond dans la technologie des freins. Ce concept de système hydraulique le plus ancien utilisait une seule pédale pour transférer la force du cylindre principal à travers une série de tubes et de cylindres aux mâchoires de frein, réduisant ainsi la quantité de force nécessaire à l'opérateur pour ralentir le véhicule et augmentant la fiabilité du système.

Le modèle Lockheed a connu sa première application pratique en 1921, mais ces premiers systèmes hydrauliques étaient tristement célèbres pour leurs problèmes de fuite. Le paysage automobile était un mélange de systèmes mécaniques et hydrauliques au début des années 1930. Certains des fabricants nationaux haut de gamme et beaucoup d'Européens se sont engagés dans la conception hydraulique, tandis que GM et Ford sont restés traditionalistes, utilisant des freins mécaniques jusqu'au milieu des années 1930. Il est intéressant de noter que, bien que Ford soit loué pour ses techniques de production de masse avant-gardistes dans le monde automobile, ils sont restés l'un des derniers à résister lorsqu'il s'agissait de passer aux systèmes de freinage : ils ne sont passés aux freins hydrauliques qu'en 1938 après avoir finalement abandonné une conception où un frein à tambour mécanique était installé à l'intérieur du carter de transmission.

Les freins à tambour à mâchoires à expansion interne à commande hydraulique à 4 roues sont restés la norme pour la production nationale jusqu'aux années 1970... Puis les choses sont devenues intéressantes : voici les freins à disque ! Le concept original de plaquettes de frein contenues par un étrier a été développé par l'ingénieur britannique William Lanchester jusqu'en 1902, mais ils sont arrivés plus tard dans les conceptions américaines. Les fabricants européens étaient plus concentrés sur les capacités de vitesse des véhicules et ont compris que les freins à disque offraient des avantages prometteurs en termes de dissipation de la chaleur : les freins à disque ont raccourci la distance d'arrêt et réduit le poids du véhicule. Les premiers adoptants des systèmes de freinage à disque incluaient Mercedes-Benz, Renault et Lancia vers 1960 et au milieu des années 60 Nissan et Volvo. La Crosley Hotshot de 1949 était le premier véhicule de production nationale des États-Unis à être équipé de freins à disque, mais le système ne s'est pas imposé avant les années 1970.

Aujourd'hui, les configurations à disque avant, tambour arrière et double disque sont la norme. Les problèmes de bruit qui tourmentaient les premiers systèmes de freinage à disque ont été largement surmontés et- franchement- les fabricants s'appuient sur des conceptions hydrauliques depuis un moment maintenant, mais n'oublions pas deux autres jalons importants dans la conception des systèmes de freinage : les fonctions d'autorégulation et d'assistance.  Bien qu'il y ait eu quelques tentatives précoces de freins à autorégulation au milieu des années 1920, le concept n'a vraiment pas pris racine avant que Wagner Electric ne commercialise l'idée au milieu des années 1940. Alors pourquoi l'autorégulation est-elle une innovation si remarquable ? À mesure que le matériau de friction de la mâchoire de frein s'use, la distance entre la mâchoire et le tambour augmente au point qu'un réglage doit être effectué pour rapprocher les deux surfaces et réduire la course de la pédale de frein. Avant les autorégulateurs, un entretien des freins impliquant des ajustements était fréquemment requis. Maintenant, les autorégulateurs sont courants, et une vis ou un coin ajuste automatiquement les mâchoires de frein pour les maintenir en bon état. 

Les freins assistés par servocommande (« freins assistés », pour abréger) utilisent généralement un réservoir de vide qui utilise le vide du collecteur d'admission pour aider à l'application de la pression hydraulique, réduisant ainsi la quantité de pression sur la pédale requise pour ralentir le véhicule. Les freins assistés par vide étaient généralement en production pour les véhicules haut de gamme au début des années 1930 et ont trouvé leur chemin dans pratiquement toutes les voitures de tourisme et camions légers de production aujourd'hui. L'assistance par vide est généralement associée aux véhicules à moteur à essence comme les Diesels, qui fonctionnent sans assez de vide dans le collecteur d'admission pour faire fonctionner un servofrein. Pour les véhicules Diesel, divers mécanismes d'assistance hydraulique ont été appliqués pour réduire l'effort sur la pédale de frein.

Nous avons établi tôt dans cet article que de meilleurs systèmes de freinage étaient nécessaires en raison de l'augmentation de la vitesse des véhicules. À mesure que les vitesses des véhicules ont augmenté, la sécurité est devenue la considération primordiale pour les concepteurs automobiles. Un résultat de ce nouveau besoin a été le développement du système de freinage antiblocage (ABS). L'ABS a été inventé à l'origine dans les années 1930 pour réduire la chance qu'un avion dérape hors de la piste. Dans les années 1950, l'ABS a trouvé son chemin sur un nombre limité d'applications automobiles, principalement mené par Mercedes-Benz et Bosch Corporation.  

Les progrès de l'électronique moderne ont conduit à des progrès rapides dans la sophistication des systèmes ABS automobiles. Décomposé, le système ABS se compose de capteurs de vitesse de roue, d'un ordinateur de traitement et d'un modulateur hydraulique. Les capteurs de vitesse de roue génèrent des signaux de fréquence qui sont lus et constamment interprétés par un ordinateur ABS dédié.  Cet ordinateur contient des algorithmes complexes appelés cartes qui comparent continuellement les entrées des capteurs entre n'importe quelle roue donnée et les trois autres, puis ces données sont comparées à la carte. Pendant un freinage fort ou de panique, une roue ou plus peut perdre de l'adhérence ; le système ABS agit ensuite pour réguler la pression hydraulique vers la roue(s) affectée(s) afin d'optimiser la distance d'arrêt. Il fait cela à travers trois ensembles de calculs ultra-rapides pour les cycles de montée en pression, de maintien de pression et de relâchement de pression. Souvent, le conducteur remarquera ce qui semble être une sensation de grincement ou de vibration pendant un freinage fort : c'est l'ABS qui fait son travail et régule la pression des freins. L'ABS a fait un travail remarquable dans la réduction de la distance d'arrêt, et peut être combiné avec d'autres fonctions telles que la régulation automatique de stabilité (ASR) pour augmenter encore la sécurité et les performances.

L'utilisation étendue de toute cette technologie informatique complexe soulève une question : ces systèmes super-avancés ont-ils rendu l'entretien et la réparation des systèmes de freinage modernes hors de portée des ateliers de réparation indépendants et des mécaniciens amateurs ? Pas du tout ! Il y a une quantité abondante d'informations provenant d'Internet, des livres de réparation et des revues pour effectuer la plupart des travaux de réparation automobile de manière indépendante : tout, d'un simple remplacement de plaquettes de frein à une tâche plus impliquée telle que le remplacement des conduites de frein. Heureusement, l'innovation et les solutions de réparation réfléchies sont tout aussi abondantes dans les solutions présentées par le marché de l'après-vente automobile. 

Nous voyons souvent une « défaillance de modèle » se produire dans les systèmes et composants du véhicule des années après que le véhicule a été produit.  Les systèmes de freinage sont loin d'être immunisés contre ce genre de problèmes. Par exemple, examinons les camions pick-up et les véhicules utilitaires sport de pleine grandeur de General Motors, produits du milieu des années 1990 au milieu des années 2000. Les tubes de frein hydraulique ("conduites de frein", pour abréger) sont connus pour rouiller et échouer à un taux supérieur à la moyenne, et si une conduite de frein échoue, la pression hydraulique ne parvient pas à être livrée à cette roue et les freins ne s'engageront pas. Comme avec la plupart des véhicules, les conduites de frein d'équipement d'origine (OE) sont faites d'acier doux, qui est notoirement sujet à la rouille. Les conduites comme celles-ci sont galvanisées au zinc pour ajouter une couche de protection autour du tube, mais offrent peu de protection à long terme contre les éléments. Notre équipe chez 4LTL voit souvent ce problème, et nous aimons penser qu'ils en font partie de l'histoire innovante automobile en offrant une innovation de leur propre : la conduite de frein en cuivre-nickel. Le cuivre-nickel est le choix parfait pour les conduites de frein parce que l'alliage utilisé offre tous les avantages de qualité du matériau des conduites en acier sans aucun des inconvénients. L'acier rouille et se corrode s'il n'est pas soigneusement entretenu, surtout dans les États de la ceinture de rouille. Les tubes en cuivre-nickel ne le font pas. Les tubes en cuivre-nickel se plient facilement à la main mais restent rigides et solides, résistant à la fois à la pression interne du liquide hydraulique de votre véhicule et aux conditions externes du dessous de caisse d'une voiture. Il s'évasent rapidement et uniformément, et avec 4LTL vous pouvez même acheter des kits pré-évasés et pré-ajustés avec des écrous de tube à finition d'oxyde noir résistants à la rouille. 

Quatre-vingt-dix-neuf pour cent d'une voiture est invisible. Les mécanismes, le processus de fabrication et l'histoire sont perdus lorsque vous conduisez réellement le véhicule0 . Apprendre sur ces 99 % et les garder en bon ordre prend beaucoup de travail, mais l'équipe 4LTL espère que cet article a été éclairant. Nous aimons faire partie de cette industrie parce qu'elle progresse toujours vers la prochaine meilleure solution, et nous espérons pouvoir faire partie de la vôtre.

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Bonne chance pour votre prochain projet,

l'équipe 4LTL.