Les freins À disque offrent de meilleures performances d’arrêt que les tambours comparables, y compris une résistance à la « décoloration » causée par une surchauffe. Nous retraçons le développement de cette importante innovation automobile jusqu’aux premières années du XXe siècle.
Bien que Fredrick William Lanchester soit généralement reconnu comme étant le premier constructeur automobile britannique à breveter une version mécanique du frein à disque automobile en 1902, l’ingénieur automobile basé à Birmingham ne peut vraiment être crédité que pour l’amélioration d’une technologie existante. En effet, un système de freinage de type disque et étrier très basique avait été installé sur la roue avant d’un véhicule à propulsion électrique construit aux États-Unis par Elmer Ambrose Cleveland en 1898.
Les performances du système de freinage à disque monté sur les voitures de Lanchester étaient sévèrement limitées car le support de freinage agissant sur le disque était en cuivre. Non seulement ces « coussinets » en cuivre étaient bruyants en fonctionnement, mais ils s’usaient rapidement en raison des conditions poussiéreuses qui régnaient sur les routes à l’époque. Bien que les versions ultérieures aient des plaquettes doublées d’amiante plus efficaces, les systèmes de freinage à tambour se sont avérés plus simples et moins chers à fabriquer et sont devenus le choix préféré des fabricants de véhicules jusqu’au milieu des années cinquante.
Alors que les voitures américaines d’avant-guerre étaient notoirement freinées, plusieurs expériences avec des systèmes internes complexes et en expansion à base de disques ont eu lieu aux États-Unis pendant la période précédant la Seconde Guerre mondiale. Le déclenchement de la guerre a entraîné le passage de ces recherches au développement de freins à disque à étrier à commande hydraulique fiables et efficaces pour les applications aéronautiques.
Après la guerre, la société britannique Dunlop est devenue un important producteur de freins à disque aéronautiques, un facteur qui a conduit l’entreprise à adapter la technologie pour une utilisation sur des véhicules routiers performants. En 1953, une Jaguar de type C a fait sensation lorsqu’elle a été équipée d’une paire de freins à disque automobiles résistants à la décoloration fabriqués par Dunlop pour le Mille Milgia time trail de cette année en Italie. Citroën a ensuite ajouté une paire de disques avant intégrés motorisés sur sa DS de 1955 et, en 1956, la Triumph TR3 est devenue la première voiture de série de construction britannique à être équipée de série de freins à disque avant.
Les freins à disque sont constitués d’un disque en fonte qui tourne à la même vitesse que la roue de route d’une voiture. Chaque disque est partiellement recouvert d’un étrier contenant une paire de pistons cylindriques à commande hydraulique. En activant la pédale de frein de la voiture, les cylindres poussent sur un ensemble de patins de friction à support en acier et les pressent contre le disque pour ralentir ou arrêter la voiture. Un jeu de joints en caoutchouc autour de chaque piston empêche le fluide hydraulique de s’échapper de l’étrier lorsque la pression est appliquée, tandis que les bagues d’étanchéité en caoutchouc empêchent la poussière et la saleté de s’échapper des boîtiers.
La face interne du disque non recouverte par l’étrier est protégée des débris de la route et de l’eau par un écran anti-éclaboussures en acier pressé. Chaque piston est moulé en forme de « U » de sorte que le fluide pousse sur une surface plane et que la quantité minimale de matériau entre en contact avec la partie en acier du patin. Comme l’étrier ne couvre qu’une partie du disque, l’ensemble est plus facilement refroidi dans le train de roulement que les garnitures dans un frein à tambour fermé.
Le transfert de chaleur de la surface de friction vers l’étrier est maintenu au minimum sur un frein à disque, empêchant ainsi la « décoloration » des freins, un problème courant qui peut gravement affecter les performances des systèmes à tambour surchauffés. La décoloration des freins se produit lorsqu’un tambour très chaud s’éloigne légèrement du patin, ce qui diminue l’efficacité du freinage du véhicule. Sur une voiture équipée de freins à disque, le contraire se produit lorsque le disque se dilate légèrement lorsqu’il surchauffe. À mesure qu’un disque expansé se rapproche des plaquettes, l’efficacité du freinage est maintenue tant que le liquide n’atteint pas le point d’ébullition.
Les plaquettes sont relativement faciles à changer et sont généralement maintenues en place par deux broches de retenue qui traversent l’étrier. Chaque goupille de retenue est maintenue en place par un clip à ressort spécial. Une plaque de cale est généralement installée entre le piston et le patin pour éliminer le crissement des freins, tandis que certaines plaquettes intègrent des indicateurs d’usure. Les coussinets sont généralement de forme segmentaire, mais certains peuvent être rectangulaires, ovales ou même carrés. Lors du remplacement des plaquettes, il est toujours conseillé de mettre un frottis de graisse de frein spéciale de chaque côté de la cale comme précaution supplémentaire contre les cris.
Outre les étriers fixes, il existe plusieurs types d’assemblage: le type oscillant, le type à poing et le frein à étrier coulissant. Un étrier oscillant contient un seul piston hydraulique à action directe qui fonctionne sur un patin de friction. La pression du fluide sur le cylindre ou le piston fait que l’étrier actionne l’autre patin dans un mouvement de balancement ou de glissement. Les étriers de type poing sont conçus pour la compacité et ont des fentes en V spéciales dans un boîtier fixe pour éviter le blocage. En appliquant le frein, déplacez la partie cylindrique du « poing » et le patin correspondant sur le disque.
Le frein à étrier coulissant fonctionne sur le principe de deux pistons travaillant dans un seul cylindre. Lorsque le fluide sous pression agit entre eux, il force chaque piston à s’écarter. Un piston force un patin de friction sur le disque par action directe, tandis que l’autre piston force l’étrier dans la direction opposée et, ce faisant, met le patin compagnon en contact direct avec le disque
Certains étriers montés sur des voitures hautes performances contiennent quatre pistons, deux dans chaque étrier. Pour des performances supplémentaires, les disques peuvent être percés ou avoir des rainures inclinées fraisées sur leurs faces. Les tampons de remplacement modernes ne contiennent pas d’amiante dangereux, mais sont constitués de divers composés durs pouvant parfois inclure des particules métalliques. La combinaison de ces différents matériaux peut entraîner l’usure du disque et, en tant que tel, il est prévu que de nouveaux disques soient montés à chaque deuxième ou troisième changement de tampon.