Principe et constitution d'un frein à disque hydraulique

Freins à disque: Constitution & Principe de fonctionnement

Le frein à disque hydraulique a mis un peu moins d’une décennie pour s’imposer, comme système de freinage sur les VTT. Il commence même à conquérir le marché du vélo de route.

Le frein à disque hydraulique dispose de nombreux avantages par rapport aux autres types de freinage: frein à disque mécanique, frein hydraulique à patins type Magura HS 33 ou frein sur jante de type Cantilever ou V-Brake.

De nombreux articles exposants ces avantages existes, je ne développerai pas cet aspect.

Un système de freinage a comme fonction de réduire la vitesse d’un vélo. Pour cela, il va créer des frottements afin de diminuer la vitesse de rotation de la roue.

Dans la suite de l’article, lorsque je parlerai de « frein à disque », cela correspondra toujours à un frein à disque reposant sur un système hydraulique.

Composition d'un frein à disque hydraulique
Composition d’un frein à disque hydraulique

1. Composition

Un frein à disque est constitué de plusieurs parties :

  • un maître-cylindre
  • un étrier
  • une durite
  • un disque
  • de l’huile

 

1.1 Maître-cylindre

Composition d'un maître-cylindre de frein à disque
Composition d’un maître-cylindre de frein à disque

Le maître-cylindre est la partie qui se trouve sur le cintre. Il permet de commander le système de freinage.
Il peut être réversible (le même maître-cylindre pour le frein avant ou arrière : SRAM Guide) ou non (ex. Shimano XTR).

Il est composé de :

  • un levier de frein : permettant d’actionner le système.
  • un piston maître-cylindre : assurant l’étanchéité du système.
  • un réservoir avec membrane : permettant de stocker une réserve l’huile pour compenser l’usure des plaquettes.

1.2 Étrier

L’étrier est la partie fixée sur le cadre ou la fourche.

En VTT, tous les étriers sont des étriers fixes avec des pistons mobiles.
Par opposition, la plupart des voitures sont équipées d’étriers flottants.
Pour les plus anciens riders, le modèle Magura Gustav M était à étrier flottant. Principe: la plaquette externe est poussée sur le disque, puis l’étrier se déplace, la plaquette interne entre en contact avec le disque.

L’étrier peut être monobloc ou constitué de 2 demi-coquilles visées.
L’étrier monobloc est forgé, ce qui le rend plus rigide que 2 demi-coquilles moulés : cela permet d’améliorer la puissance de freinage.

Étrier de frein Hope Mono M6 Ti

L’étrier est composé :

  • de pistons : 2, 4 ou 6 pistons (modèle Hope Mono M6 Ti).
    Ils sont la plupart du temps en bakélite (plastique très dur, thermorésistant) pour limiter la chauffe du système de frein.
  • de joints O-ring : assurent l’étanchéité du système.
    Ils permettent aux pistons de reprendre leur place initiale après l’action de freinage.
  • de plaquettes : supports métalliques constitués d’un mélange de résine et de métal.
    Il en existe plusieurs types, mais les 2 principales sont :
    – les plaquettes organiques ou résines
    – les plaquettes frittées ou métalliques
    Je développerais cette partie sur le choix des plaquettes et leurs utilisations dans un prochain article.
Éclate d'un étrier de frein à disque
Éclate d'un étrier de frein à disque

Les 2 standards de fixation de l’étrier sur le cadre sont :

  • le Standard International (IS) : 2 trous perpendiculaires à l’axe du vélo. Il tend à disparaître au profit du Postmount.
  • Le Postmount : 2 trous parallèle à l’axe du vélo. Introduit par Manitou, c’est le nouveau standard sur les fourches, et il se généralise sur les cadres.
    Avantages :
    – plus mécanique : adaptateur est fixé dans l’axe du frein et de la fourche, ce qui induit moins de déformation sur l’adaptateur.
    – facilité de centrage de l’étrier avec le disque (l’utilisation des rondelles de calage n’est plus nécessaire, OUF!!)
Comparaison des standard de fixation: Standard International - PostMount
Comparaison des standard de fixation: Standard International - PostMount

1.3 Durite

La durite relie le maître-cylindre avec l’étrier. Elle permet le déplacement de l’huile dans le système.
Elle doit être le plus rigide possible, afin d’éviter sa déformation sous la pression hydraulique.

Il en existe 2 types :

  • durite en plastique : âme en Teflon recouvert de plastique, cela représente la quasi-totalité des freins du marché.
    – Avantages : présente un bon rapport poids/performance.
    – Inconvénients : légère déformation sous la pression hydraulique.
  • durite aviation : âme en Teflon recouvertd’une tresse en inox.
    – Avantages : plus rigide donc moins de déformation, ce qui est censé entraîner un meilleur feeling au levier (pas de différence de toucher entre frein arrière / frein avant).
    – Inconvénients : poids plus important, plus cher, moins pratique pour les raccords.
Durite de frein à disque VTT
Durite de frein à disque VTT
Durite aviation pour frein à disque VTT
Durite aviation pour frein à disque VTT

1.4 Disque

Le disque est fixé sur le moyeu de la roue. C’est la partie du système de freinage en rotation qu’il faut ralentir.

Dans le milieu du vélo, les disques sont tous en acier. Ils peuvent avoir une étoile en aluminium pour diminuer leur poids.

Il existe 2 types de fixation du disque sur le moyeu :

  • 6 trous : c’est le standard, le disque est maintenu sur le moyeu par 6 vis Torx 25.
    Il y a eu des disques en 3, 4 et 5 trous (découverte du 5 trous, il y a 1 mois sur un vieux VTT: on en apprend tous les jours !).
  • le Centerlock : brevet déposé par Shimano,le disque est maintenu par un écrou de serrage qui se visse sur le moyeu. Il utilise un système de cannelures entre le moyeu et le disque.
    Il existe des adaptateurs pour fixer un disque 6 tours sur un moyeu Centerlock. L’inverse n’est pas possible.
Disque de frein Shimano: standard de fixation Centerlock
Disque de frein Shimano: standard de fixation Centerlock
Disque de frein Shimano: standard de fixation Centerlock
Disque de frein Shimano: standard de fixation Centerlock

Il existe différents diamètres de disques, allant de 140 à 203 mm. Cela entraîne la nécessité d’utiliser un adaptateur pour le montage des étriers sur le cadre ou la fourche.

diamètre-disque-frein-vtt

1.5 Liquide de frein

Le liquide de frein est un des points clés du fonctionnement d’un système hydraulique : il sert à transmettre la pression du levier de frein aux pitons de l’étrier.

Ce liquide de frein doit être incompressible, ne pas contenir de bulles d’air, ni d’eau. Mais l’un des points les plus important est son pouvoir de résistance à la chaleur.

Deux types de liquide de freins cohabitent :

  • l’huile synthétique ou DOT : c’est une huile de synthèse.
    Les différents indices de DOT 3, 4 ou 5.1, correspondent à des normes en fonction de leurs points d’ébullition.
    Avantages : point d’ébullition humide élevé, normé, miscible entre eux.
    Inconvénients : absorbe l’humidité, produit nocif, agressif contre les peintures.
    Utilisé par : Sram Avid, Formula, Hope et une partie des freins Hayes
  • l’huile minérale : c’est une huile issue de la distillation de combustibles fossiles.
    Avantages : non agressif contre les peintures, d’origine minérale
    Inconvénients : absorbe l’humidité, point d’ébullition plus bas que la DOT 4.
    Utilisé par : Shimano, Magura, Tektro, une partie des freins Hayes et le nouveau frein Formula Cura

Tableau récapitulatif des températures d’ébullition des différentes DOT :

Norme

Température d’ébullition « sec »

Température d’ébullition « humide » (à 3,7 % d’humidité)

DOT 3205 °C140 °C
DOT 4230 °C155 °C
DOT 5.1270 °C190 °C

Le point d’ébullition de l’huile minérale est équivalent à la DOT 3.

  Il ne circle-exclamation faut surtout pas utiliser de la DOT dans un frein utilisant de l’huile minérale et vice versa. Cela abîmerais les joints et le système ne fonctionnerait plus.

2.Principe de fonctionnement

2.1 Principe

Un frein hydraulique est basé sur les principes de Pascal et de la mécanique des fluides.

L’huile étant un liquide incompressible, elle permet de transmettre et de démultiplier la pression exercée sur le levier aux pistons de l’étrier de frein.

Le but de ce déplacement de fluide, est de créer des frictions entre les plaquettes et le disque afin de diminuer sa vitesse de rotation.
L’énergie générée par ces frottements se transforme en chaleur.

C’est donc le déplacement de l’huile dans le système qui va permettre le freinage.

Les étapes :

  1. Action du levier.
  2. Déplacement du piston maître-cylindre qui pousse l’huile dans la durite Le piston ferme le réservoir.
  3. L’huile poussent les pistons de l’étrier, ce qui entraîne le déplacement des plaquettes contre le disque.
  4. Le frottement des plaquettes sur le disque entraîne la décélération en produisant de la chaleur.
Schéma de fonctionnement d'un frein à disque hydraulique
« Hydraulic disc brake diagram » par KDS444. Sous licence CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydraulic_disc_brake_diagram.gif#/media/File:Hydraulic_disc_brake_diagram.gif

2.2 Système ouvert/fermé

Au repos, un frein à disque est un système ouvert par la présence d’un réservoir d’huile. Il permet la libre circulation du liquide entre le maître-cylindre et le réservoir. Ce réservoir est équipé d’une membrane qui permet de gérer la variation du volume d’huile. Elle est nécessaire pour compenser :

  • l’usure des plaquettes,
  • la dilatation de l’huile avec l’augmentation de sa température.

Sans la présence du réservoir et de la membrane, le frein freinerait tout seul lors de longue descente, dû à la chauffe du système : ceux qui ont connu les Formula Evoluzione comprendront. Lors du freinage, le piston bouche l’orifice du réservoir, on passe donc d’un système ouvert à un système fermé. La pression exercée sur le levier pourra alors être transmise aux pistons de l’étrier, tout en ayant un dosage précis.

2.3 Puissance & progressivité

Il y a 2 notions qui interviennent dans la qualité du freinage :

  • sa puissance : démultiplication de la force exercée au levier, transmise à l’étrier
  • sa progressivité : cela dépend des exigences du pilote. Certains préfèrent un toucher On/Off (Formula), d’autres un toucher plus progressif (Shimano).
PUISSANCEPROGRESSIVITÉ

– Ratio diamètre du piston maître-cylindre / pistons étrier

– Diamètre du disque: + grand diamètre → + de puissance

– Nature des plaquettes: les plaquettes métalliques offrant plus de puissance

– Nombre de pistons étriers: + de pistons → + de puissance

– Nombre de pistons étriers: + de pistons → possibilité de + de progressivité si présence de:

– Différence de diamètre entre les pistons d’étriers quand étrier 4 ou 6 pistons

 

Conclusion

Un frein à disque est donc un système relativement simple, mais les contraintes liées au VTT en font un point à ne pas négliger : la sécurité du pilote étant mise en jeu !

Comme pour le reste des accessoires d’un vélo, il faut que le frein soit le plus léger possible tout en apportant le maximum de puissance et constance. Un compromis pas toujours évident à trouver.

La 2ème partie de cet article « Freins à disque » développera l’entretien et les problèmes rencontrés avec les freins hydrauliques. A suivre…

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4 commentaires

  1. Le système a été rendu parfait, l’objectif est maintenant de la rendre légère. C’est la raison pour laquelle on avait mis si longtemps de l’appliquer aux vélos de la course. L’avantage du vélo de course est le fait qu’il y en a moins de résistance quand on fait la course par rapport aux autres vélos. c’est grâce au fait qu’ils sont très légers, un système de frein à disc on contraire est plus lourd que les patins classiques, malgré cela, certains systèmes font tomber le dispositif hydraulique pour des câbles mécaniques qui sont presque aussi efficaces et plus léger. un jour dans un futur proche, on espère réintégré l’hydraulique.

  2. blayac lucas

    bonjour
    sur mon étrier de frein il n’y a qu’un piston qui bouge ,je ne pense pas que ce soit normal
    est ce qu’il y a une solution ou faut il changer l’etrier ? si il y a une solution est ce que vous pourriez me l’indiquer dans votre réponse
    merci

  3. xavier BASCOT

    Bonjour Lucas,
    Il faut lubrifier le piston qui ne sort plus avec de la dot si frein Dot, huile minérale si frein huile minérale ou à la graisse silicone spécifique.
    Sans démonter, il faut bloquer le piston opposé et freiner, sans faire sortir le piston complètement.
    Ou en démontant l’étrier, et en sortant le piston.
    La manip’ peut être complexe si le piston sort de son logement, donc attention d’être sur de savoir faire avant de faire n’importe quoi.

  4. Article très instructif. Merci…

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