Le freinage

Quand on vous demande le 0 à 100 d’une Porsche GT3 RS 4.0, il y 9 chances sur 10 que vous puissiez répondre. Après tout, les chiffres sur l’automobile, vous les absorbez comme une couche de bébé après un biberon. Même plus, quand un ami vous dit : « Elle est sympa cette Audi ! » vous vous sentez obligé de sortir un : « C’est une RS5 gris Daytona, elle a un V8 atmo 4.2L de 450 chevaux et 430 Nm qui balance la puissance via un quattro Torsen et blablabla ». Revenons à la Coccinel… à la 911,  si je vous demande en combien de temps elle s’arrête complètement depuis 300 km/h ? Il n’y a plus grand monde. Le freinage ne fascine pas tout le monde alors qu’il est plus que nécessaire. Il est donc temps de faire un point sur celui-ci.

Le freinage défini en quelques mots

Le principe du freinage est simple : arrêter un objet (une voiture dans notre cas) en lui enlevant son énergie cinétique.

Dans le cas d’un arrêt standard (avec les freins et non un crash), le système de freinage est donc chargé de convertir l’énergie cinétique du véhicule en énergie thermique.

En théorie pure, la distance de freinage dépend de la vitesse et du poids du véhicule.

Temps et distance d’arrêt

Pour en revenir à la Coccinelle glorifiée (Saint Jeremy Clarkson, priez pour nous) initialement citée, elle fait le 0 à 100 en 3,6 secondes et le 300 à 0 en… 6,5 secondes. Vous doutez de son pouvoir de freinage ?

Voici un graphique sur la distance de freinage de 100 à 0 km/h issu de données distillées sur le site de Brembo :

Et une F1 ?

Chez Au Rupteur, la F1, c’est capital (sans la majuscule et le mono-sourcil d’Emmanuel Chain). Alors, les monoplaces de l’épreuve reine du sport auto, comment se situent-elles ?

Un peu de technique

Déjà, il faut savoir qu’elles ont des freins en carbone. Ils ont la particularité de ne freiner que quand ils sont chauds. A froid, ça pince mais le freinage est mauvais.

Sur une F1, il y a le trio calorifique : freins, pneus et moteur. Ces éléments ne doivent être ni trop froids, ni trop chauds pour fonctionner à leur maximum. Ils sont d’ailleurs liés… par les freins.

Les freins permettent de faire chauffer les pneus par transfert thermique via la jante. Les pneus refroidissent ? Quelques freinages et c’est reparti. Trop de freinage ? Les pneus morflent, surtout s’ils sont eux-mêmes en train de surchauffer à cause de la friction mécanique sur la piste.

Les freins génèrent de l’énergie électrique via le MGU-K.
Le MGU-H permet, quant à lui, de faire de même mais avec la chaleur du moteur. C’est hyper simplifié mais ça plante le décor.
Pour des détails supplémentaires, un article dédié (et très long) serait nécessaire. Vous pouvez déjà vous documenter grâce à ce PDF CNAM/Renault Sport : Comment fonctionne le V6 hybride en F1 ?

Petite note sur le MGU-K et le fameux brake-by-wire sur le train arrière

En fait, ce dernier permet de moduler le freinage entre freinage effectif du système dit traditionnel (étriers, plaquettes et disques) et la récolte d’énergie effectuée par le MGU-K. Pour plus d’explications, je vous oriente vers cet article très complet.

Un peu de pratique

J’ai eu la chance d’effectuer un stage F1 sur le circuit du (Lucky) Luc (Var) avec AGS (Au Rupteur ou moi-même ne touchons aucune commission sur ce lien), ex-écurie de F1.

ARROWS A20 - V8 Cosworth 650ch
TheF1Joker a conduit une F1… Pas peu fier.

Ce qui m’a été dit lors de la formation pré-pilotage, c’est qu’en gros, vous oubliez vos habitudes de conduite. Votre petite Peugeot 206 CC triphasée prépa rallye Norauto (aucune commission ici non plus) ne se conduit pas du tout comme une monoplace.

Le virage avec la voiture de Monsieur-Tout-Le-Monde

Quand vous arrivez dans un virage :

  1. Vous freinez progressivement avant le virage (roues droites tant qu’à faire). Ben oui… parce que freinage en courbe, c’est transfert de masse assuré et activation d’ESP ou tête-à-queue si vous n’avez pas d’aides électroniques.
  2. Vous maintenez un léger filet de gaz en courbe ;
  3. Vous appuyez à nouveau progressivement (pour les propulsions et les prudents) ou comme un sourd (pour les furieux ou ceux qui ont une 4RM) sur le champignon quand vous voyez la sortie du virage et que votre volant se redresse.

Le virage avec une F1

En F1, c’est différent, de par la conception et les pièces de l’auto.

Premièrement, il faut avoir à l’esprit que pour passer un virage, l’avant doit avoir de l’appui et le nez de la F1 n’a que deux manières d’obtenir suffisamment de poids :

  • La vitesse et donc de l’appui aéro.
  • Un transfert de masse.

Ce ne sont pas vos jambes de coq et la fibre de carbone qui amèneront le même poids à l’avant qu’un moteur dans votre citadine, estampillée « Sport » parce qu’elle a le tableau de bord avec des touches d’alu et un pommeau en skai.

L’autre élément diamétralement opposé à votre titine adorée concerne le freinage (c’est un peu le sujet de l’article). Comme dit précédemment, ce sont des freins en fibre composite carbone et ils ont besoin de chaleur. Comme ils sont bien refroidis, surtout après une bonne ligne droite qui a gavé les airducts en air frais et abondant, il faudra les faire chauffer.

Du coup, voici la marche à suivre simplifiée et théorique pour prendre un virage en monoplace :

  1. Au lieu de freiner progressivement, vous tapez dedans comme un malade (sans bloquer les roues, hein) pour amener de la chaleur dans les freins puis… vous relâcher progressivement. « Chef, faut pas freiner plus normalement ? » Là ? Non. Le disque va se dilater avec la chaleur et même en relâchant, la pression sera finalement la même. L’autre explication à ce freinage brutal est de faire un transfert de masse. Sans poids à l’avant, la voiture ne pourra freiner que de l’arrière.
  2. Vos roues ne sont plus droites car vous avez engagé le virage et l’apex arrive. Vous êtes toujours en train de freiner. La règle d’or est de soulager la pédale de frein en liaison avec votre volant. Plus vous braquez, plus vous lâchez les freins. Nota bene : il faut arriver avec suffisamment de vitesse pour garder du poids via l’aérodynamique.
  3. A l’apex, vous effectuez la transition entre les pédales (aucun rapport avec une partouze gay). Du coup, vous allez faire le travail inverse avec l’accélérateur. Plus vous ouvrez le volant, plus vous accélérez. Le plein gaz ne sera effectué qu’une fois le volant droit.

SI vous failez dans une de ces étapes c’est :

  • Tirage tout droit :
    • Avant pas assez lesté et l’arrière, plus lourd, le pousse.
    • Roues bloquées.
  • Tête-à-queue (69 pour les coquins) :
    • Accélération trop avancée dans le processus.
    • Accélération trop brutale.

Bon et le freinage de la F1 dans tout ça ?

La première étape de tapage dans les freins (« Tape dans l’fond, j’suis pas ta mère » diront les plus vulgaires) énoncée dans le précédent paragraphe est là pour vous montrer à quel point une F1 est tellement plus impressionnante en freinage qu’en accélération. Vous prenez de bons gros G. Merci principalement au couple freins-pneus, mais ça, on y reviendra.

Les chiffres d’une F1 qui freine

Après ma vulgarisation de non-ingé profane, amateur de sports mécaniques et pilote du dimanche…

… voici les chiffres :

Un disque de frein de F1 de 278×28 mm (l’épaisseur max est passée de 28 à 32 mm en 2017) pèse 1,5 kg alors qu’un disque avant de BMW M3 E90 de 360×90 mm pèse 10,25 kg ou qu’un disque standard de 260×90 mm pèse 4,7 kg.

Les freins de F1 fonctionnent, grâce à des composants dignes de la NASA, jusqu’à des températures de 1 200 degrés Celsius. Vos disques (de voiture, pas vos vinyles de Sylvie Vartan) atteignent rarement plus de 600 degrés.

La distance de freinage depuis 160 km/h par une F1 est inférieure à celle d’une voiture normale depuis 100 km/h.

Vidéo pour preuve :

Et pour revenir sur le graphique de tout à l’heure, une F1 freine depuis 100 km/h en environ 17 m… Quasi deux fois moins que les cadors de la route.

Concluons avec ce chiffre : 6 g et quelques pour une F1 et 1,3 g pour une Veyron. Le freinage d’une F1 est bien au-delà de tout.

Bonus

Sur le site officiel de la F1, nous pouvons y lire :

So good are the brakes that the regulations deliberately discourage development through restrictions on materials or design, to prevent even shorter braking distances rendering overtaking all but impossible.

En gros, les F1 pourraient mieux freiner mais on les en empêche pour le spectacle.

Grâce à quoi freinons-nous ?

« Mais t’es con, grâce aux freins ! »

Oui et non…

Sans dispositif de freinage, pas de freinage (punaise, le mec s’enlise)… mais il n’y a pas qu’eux qui entrent en jeu.

Voici une liste des éléments influant sur le freinage, plus ou moins diectement :

  • Les pneus.
  • Le poids.
  • Les suspensions.

Les pneus

« Les pneus, il est sérieux le mec ? »

La F1

Oui, il est sérieux et il va te le prouver de suite. Plus haut, il est fait mention qu’en 2017 les freins de F1 sont passés de 28 à 32 mm d’épaisseur. Tu sais pourquoi ?

La taille des pneus. Pneus plus larges donc passage en disques plus larges.

Pourquoi ? Si les pneus sont plus larges, ils ont plus d’adhérence donc les freins vont pouvoir passer plus de puissance de freinage au sol et auront d’autant plus d’énergie à dissiper (cf. la définition rébarbative du début).

Augmenter de 4 mm l’épaisseur d’un disque paraît ridicule mais cela permet d’y mettre plus de cheminées de refroidissement (1200 à 1500 trous). Comme ça chauffe plus avec l’adhérence supplémentaire, c’est nécessaire.

Après, certaines écuries sont restées en 28 mm car avec les 4 mm supplémentaires, il y a 150 grammes de plus sur la balance. D’ailleurs, avec le brake-by-wire, Brembo fournit des disques de 268 mm au lieu de 278 pour l’arrière. Gain de poids, quand tu nous tiens.

En passant, le poids n’est pas la seule influence car ces 4 mm reviennent à repenser le système dans son ensemble (étriers, gestion de la température des pneus et cetera).

Nos voitures

Revenons à la voiture de Monsieur Dupont et prenons un bête exemple. Dans 4 mois, il va se rendre aux sport d’hiver. Il ira chez son dealer de pneus, a.k.a. pneumologue, préféré pour faire monter de pneus adaptés aux températures basses.

Outre la tenue de route et la traction supplémentaire, les performances de freinage vont elles aussi augmenter. Merci la gomme qui fonctionne mieux avec de si basses températures. Merci aussi au dessin des crampons.

J’ai volontairement pris un exemple aussi exagéré pour vous montrer qu’à dimensions égales, deux pneus ne se valent pas au niveau du freinage.

Donc, quand vous prenez un pneu chinois à 50 €, il vous permettra de passer le contrôle technique mais n’espérez pas freiner aussi bien qu’avec le dernier Michelin ou un semi-slick Toyo.

En augmentant les dimensions, c’est d’autant plus vrai. N’épiloguons pas plus car nous avons l’exemple précédent sur la F1.

Le poids

La physique

Là, il n’y a pas grand-chose à expliquer. C’est de la physique pure. A vitesse égale et à conditions égales, une voiture qui pèse deux fois le poids d’une autre mettra deux fois plus de distance à freiner.

Ce n’est pas parfait car plein de facteurs (pas ceux de la Poste) entrent en jeu comme les coefficients de friction des pneus et autres éléments qui m’échappent. Je pense qu’un cours de physique ne ferait pas de mal à ce niveau mais nous avons la substance.

La répartition des masses

Qui dit poids, dit répartition des masses. Avec le paragraphe de la F1, il était question d’une configuration à moteur en position centrale arrière. Du coup, pour que le train avant puisse freiner, il fallait lui balancer du poids via transfert de masse et que l’aéro fasse son boulot.

Qu’en est-il sur les voitures de série ?

Moteur avant

Là, quand vous freinez, le moteur va forcément appuyer sur le train avant… Du coup, l’arrière va se retrouver délesté et n’aura pas un pouvoir de freinage extraordinaire.

Mercedes-AMG GT R
Système de freinage d’une Mercedes-AMG GT R avec 402×39 mm et étrier massif 6 pistons devant alors que derrière c’est un disque de 360×32 mm pincé par un étrier mono-piston.

Ainsi, ces voitures ont souvent de gros freins à l’avant et des freins presque symboliques à l’arrière.

Moteur central-arrière et moteur en porte-à-faux

Central-arrière, c’est la disposition typique de bien des supercars et hypercars. Le porte-à-faux ou « moteur en sac à dos », c’est la 911. Nous sommes dans le même cas que la F1 mais dans une moindre mesure ; la F1 n’ayant vraiment pas de poids à l’avant alors qu’une voiture de série est plus conséquemment lestée.

Freins de McLaren P1
Système de freinage de McLaren P1. A gauche, le système arrière avec un étrier 4 pistons et un disque de 380 mm. A droite, l’avant avec ses 6 pistons et son disque 390 mm. Les deux disques sont pleins.

Les freins sont bien plus équilibrés que sur le cas précédent. Ils restent plus gros à l’avant car le museau aura quand même tendance à vouloir se planter mais les arrières sont réellement costauds.

Autres dispositions

Les deux cas généraux cités s’appliquent à toutes les variantes.

Prenons l’exemple de la Nissan GT-R qui a son moteur à l’avant et sa boîte à l’arrière dans un soucis de répartition des masses. elle reste avec 54 % de son poids devant et 46 % sur le popotin et sera plus typé moteur avant.

A dire vrai, c’est plus la répartition qui indique le choix des freins mais comme le moteur est lourd, il dicte la tendance.

La suspension

Suite à la répartition des masses, il est impossible de ne pas voir une corrélation freinage-suspension. Toujours pas ?

Vous reprenez plus haut le paragraphe sur le moteur en position avant et… toujours rien ?

Quoiqu’il arrive, une voiture piquera du nez en freinant et c’est d’autant plus important quand le moteur est à l’avant. Si vos suspensions sont bien rigides, il n’y aura pas un transfert important… si vos suspensions sont molles ou fatiguées, votre arrière va méchamment se délester et ça ne sera que l’avant qui sera chargé du freinage.

Je vous laisse à peine imaginer si vous avez une traction en route de montagne avec des suspensions fatiguées… Pauvres pneus avant !!!

Les freins

« Ca y est, il parle enfin des freins ! »

Yes ! Et c’est plus complexe que de dire que plus t’as un gros zizi, mieux c’est. Au-delà des pneus, du poids et des suspensions, il y a tellement de facteurs à prendre en compte.

Déjà, on oublie les tambours s’il vous plaît et on zappe les ralentisseurs électromagnétiques de camions.

Donc un système de freinage à disque c’est principalement :

  • Un disque.
  • Un étrier.
  • Des plaquettes.
  • Un flexible.
  • Du liquide de frein.
  • Un maître-cylindre.

Le disque

Matériaux

Il est en :

  • acier pour la plupart de la production automobile ;
  • céramique carbone silice ou carbone céramique pour les voitures de sport ;
  • fibre composite carbone pour la F1.

On va là du moins au plus onéreux. Il n’est pas rare de voir des pistards en 911 troquer leurs magnifiques disques céramique pour des disques aciers… parce que contrairement à la légende, ils s’usent. A 10 000 euros le jeu de disque, ça calme.

Le disque acier n’aime pas les trop hautes températures mais il s’adapte à toutes les situations et freine bien même à froid. Les deux autres composants sont carrément plus résistants à la chaleur mais ont aussi besoin d’elle pour être efficaces.

Taille

Plus un frein est gros, plus il a de surface à offrir… encore faut-il que les plaquettes soient proportionnées et que la pression des pistons de l’étrier sur celles-ci soit puissante.

Un gros disque c’est aussi une meilleure dissipation. Si vous avez monté des ordinateurs, vous savez que le dissipateur d’origine fait le boulot mais est rarement bon en charge ou en OC alors que le bon gros Scythe hors de prix… il envoie du fat. SI vous n’êtes pas geek, revoyez la partie sur l’augmentation d’épaisseur des disques de F1.

Dessins

Le bon gros mythe des forums.

« J’ai des étriers percés alors je freine mieux »… Non. Au mieux, ça permet un meilleur refroidissement et au pire vous aurez de beaux disques craquelés voire déformés selon la qualité du matos.

« J’ai des étriers striés alors je freine mieux »… Pareil… Ça permettra de « nettoyer » les plaquettes ou d’évacuer de l’eau mais c’est tout.

« J’ai des étriers striés… et percés, je suis un dieu du freinage ». Non, tu es le roi des cons ou une victime du marketing.

Pas convaincu ? Remonte et regarde le dessin des disques sur la P1.

Liquide de frein a.k.a. loockeed

Alors lui ne va pas influer sur la puissance de freinage mais sur l’endurance de votre freinage.

Pour faire court, il y a des grades : les DOT (D.O.T. du Department Of Transportation, organisme américain qui définit les normes). Pour les liquides dits de compétition, ce sont des normes selon les marques.

Meilleure est la norme, plus élevée sera son point d’ébullition. L’ébullition est due au liquide qui monte en température par conductivité. Les composants du système de freinage chauffent et vont transmettre cette chaleur au liquide qui va lui aussi chauffer.

Au passage, il n’y a pas qu’un point d’ébullition mais deux. Celui à sec et celui dit « humide ». Tout liquide de frein absorbera de l’eau avec le temps et cette eau dégradera les performances du liquide.

Donc, pour ne pas faire un autre article dans l’article, il faut éviter que des bulles apparaissent à cause de… l’ébullition de votre liquide de frein.  Ces bulles sont de l’air et l’air est compressible alors que le liquide de frein ne l’est pas. Un liquide de frein qui a de l’eau et qui finit par bouillir donnera une pédale molle et un freinage mauvais voire inexistant.
Croyez-moi, finir un col (dans ce cas, le Col de la Bonette) en descente au dosage de frein à main en attendant que le liquide refroidisse, c’est rigolo deux minutes.

Changez le souvent et prenez de la bonne.

Astuce

Ne pas stationner sa caisse avec le frein à main après une grosse bourre. Pourquoi ? Mettre les plaquettes et donc les pistons des étriers en contact direct avec le disque chaud est le meilleur moyen pour faire bouillir son loockeed. Enclenchez une vitesse, trouver une cale ou mettez-vous sur du vrai plat.

Flexibles de freins

Les flexibles de frein n’influent pas vraiment sur le freinage, comme le liquide. A moins qu’ils soient craquelés, poreux, déformés ou qu’ils fuient, que vous ayez des flexibles en métal « type avia » ou des originaux en caoutchouc… ça ne changera rien.

Ils sont juste à vérifier régulièrement pour éviter la moindre mauvaise surprise. Perdre le liquide de frein d’un coup, ça fait drôle… le liquide est soudainement expulsé et la pédale va au fond du plancher sans résistance. Vous ? Vous finissez dans les décors.

Étrier et maître-cylindre

Le maître cylindre permet en gros de transformer la pression que vous exercez sur la pédale en pression hydraulique (le liquide de frein dans les flexibles) vers les étriers et ses pistons.

Pourquoi les lier ? Un max de gens ne jurent que par le nombre de pistons quand il s’agit d’un étrier. On en revient toujours au fameux « celui qui a la plus grosse ».  Si je vous disais que votre étier chinois à 12 pistons freine moins bien que le système d’origine, vous me croyez ?

Si vous avez 12 pistons de 15 cm2 (surface totale de 180 cm2) contre 2 pistons de 95 cm2 (surface totale de 190 cm2)… vous croyez que la force appliquée à la plaquette est plus forte dans quel cas ? C’est comme dire que vous appuyez plus forts via vos dix doigts qu’avec vos deux paumes.

Les pistons sont là pour répartir la puissance de freinage. Si vous mettez des plaquettes plus grosses, il faut que l’appui soit uniforme et pas seulement au centre.

Le rapport avec le maître cylindre ? Le piège est de prendre un étrier avec des pistons qui ont une surface totale plus grosse que le système original. Plus c’est mieux ? Non.

Plus petit est le maître cylindre, plus la force de freinage est importante mais plus la course de la pédale est longue. Un plus gros maître-cylindre donnera une pression moindre mais une course de pédale plus courte.

Dans le cas du maître cylindre, il ne faut pas s’arrêter qu’à la surface des pistons mais aussi au volume de ceux-ci.

Du coup, si vous passez d’un système deux pistons à un gros 8 pistons bien costaud, votre maître-cylindre ne suivra pas et vous aurez une belle pédale spongieuse. Ceci est dû à une perte de pression et donc une perte de freinage qu’il faudra compenser par une pression plus importante sur la pédale.

Les plaquettes

S’il y a bien deux choses à changer sur une voiture pour changer drastiquement ses distances de freinage sans se ruiner, ce sont les pneus (vu précédemment) et les plaquettes.

Ce sont elles qui, poussés par les pistons de l’étrier, vont entrer en contact avec le disque et générer de la chaleur, résultat de la transformation de l’énergie cinétique. Pour faire une comparaison simplisfiée, la plaquette serait le marteau et le disque serait l’enclume.

Sauf que le disque ne s’use que très peu alors que la plaquette a tendance à s’éroder rapidement. Tout dépend des composants, plus ou moins abrasifs, de la plaquette. Une plaquette bien agressive va manger votre disque à vitesse grand V mais permettra un freinage exceptionnel.

Les composants des plaquettes

Trois types de composants s’offrent à vous, il y a les plaquettes :

  • Organiques : bon marché et bons pour un usage pépère.
  • Semi-métalliques : meilleure résistance à la chaleur, peu efficaces dans le froid et bouffeuses de disques.
  • Céramiques : les plus chères qui permettent surtout de faire moins de poussières pour les maniques du nettoyage mais sont moins résistantes à la chaleur que les précédentes.

Conclusion

Certes, je ne suis pas spécialiste, ingénieur, physicien ou autre. Certes, il y a d’autres facteurs comme l’aéro, le revêtement de la route, la répartition du freinage et cetera. Mais ce que je tenais à dire ici est que le freinage ne se limite pas à avoir de gros freins. En ce qui me concerne, il est aussi important que l’accélération dans les performances d’une auto.

La puissance fait vendre les voitures mais un bon freinage vous donne des sensations.

Si vous souhaitez apporter des précisions ou des corrections (personne n’est parfait, il paraît), les réseaux sociaux sont là pour converser librement.