Systèmes de freinage
Introduction
Une roue et un frein n'est pas spécifique à un avion, plusieurs types d'avions peuvent avoir les mêmes roues et freins (par exemple les A320 , 319 et 318). À noter que le frein est toujours homologué dans un ensemble roue-frein-pneu.
Evolution des freins :
- Disque acier, garniture organique
- Disque cuivre, garniture organique
- Disque acier, garniture frittées
- Disque carbone, carbone
Freins sur avions monomoteur
Freins à tambour
Seul les appareils de construction ancienne ont encore des freins à tambour actionnés par câbles.
Composition :
- Un tambour est un cylindre ouvert sur un côté. Solidaire de la roue il tourne à la même vitesse qu'elle. La surface interne du tambour constitue la piste de freinage.
- Un flasque solidaire de la jambe de train est un disque qui supporte les mâchoires, la came et sa biellette. Il ferme le tambour côté ouvert.
- Des mâchoires fixées sur le flasque. Elles sont recouvertes d'un matériau présentant un coefficient de friction important. Un ressort de rappel est attaché aux deux mâchoires.
Fonctionnement :
En actionnant la pédale de freins et par l'intermédiaire d'un câble et d'une biellette, une came pivote et écarte les deux mâchoires portées par le flasque, qui viennent serrer par l'intérieur le tambour. Lorsque la pression est relâchée un ressort de rappel ramène les deux mâchoires dans leur position initiale, pour éviter tous frottements de la garniture sur le tambour.
Freins à disques
Actuellement tous les avions "modernes" ont recours à l'hydraulique pour le circuit de freinage. Un réservoir de liquide hydraulique est soit unique pour les deux atterrisseurs soit réparti dans chaque maître-cylindre comme ci-dessus).
Fonctionnement :
Les pédales du palonnier peuvent pivoter autour d'un axe. En appuyant avec les pieds sur le haut des pédales, le pilote actionne deux maître-cylindres (un pour chaque atterrisseur). Chaque maître-cylindre agit par l'intermédiaire d'une tuyauterie hydraulique sur un piston placé dans un étrier. Les systèmes de freinage simples comprennent un disque d'acier fixé à la roue et un étrier fixé à la jambe de l'atterrisseur. L’étrier comporte deux mâchoires, une fixe et l'autre actionnée par un piston sur lequel agit le fluide hydraulique. Ce piston va comprimer la mâchoire mobile sur le disque solidaire de la roue.
Chaque roue ayant son propre circuit, le freinage peut être simultané (action sur les deux pédales en même temps) soit différentiel pour le guidage au sol.
Maître-cylindre :
Lorsque le piston est en position haute (freins non appliqués) le fluide est libre de passer du réservoir à la chambre de pression pour remplacer le fluide qui aurait pu être perdu dû à une légère fuite.
Quand le pilote commence à appuyer sur la pédale de frein, le piston descend en emprisonnant le fluide qui se trouve entre la face inférieure du piston et l'ensemble du frein de roue. Si le pilote continu à appuyer sur la pédale le piston continue à descendre et force le fluide à sortir de la chambre vers l'étrier.
En relâchant la pression sur la pédale, le ressort renvoie le piston vers le haut, et le fluide retourne dans la chambre de pression.
Ci-dessous schéma d'un maître-cylindre avec réservoir incorporé.
Étrier :
Le fluide utilisé par les systèmes de freinage est le Skydrol. Le Skydrol est un liquide hydraulique résistant au feu (point d'auto inflammation supérieur à 500 °C),et sa viscosité varie beaucoup moins qu'une huile hydraulique « classique », une qualité essentielle quand l'avion est à haute altitude. Un étrier peut être à simple disque ou à multi-disque.
Schéma de principe d'un étrier à simple disque :
Frein de parc :
En appuyant simultanément sur les deux pédales de freins, la pression hydraulique met sous pression les deux étriers. Cette pression sera maintenue en actionnant un tiroir rotatif à l'aide d'une poignée dans le poste de pilotage.
Système mécanique anti-blocage des roues :
Début des années 1950 les avions devenant de plus en plus gros, avec des vitesses d'atterrissage de plus en plus élevées et l'informatique n'ayant pas encore "envahi" les postes de pilotage ; les ingénieurs ont dû inventer un système anti-blocage des roues pour éviter les méplats sur les pneus voire les éclatements et diminuer la distance d'atterrissage. C'est le Maxaret de Dunlop qui a été le premier système anti-blocage des freins à être largement utilisé.
Le système est entièrement mécanique et comporte une valve hydraulique régulée par un volant à ressort, monté à l'intérieur d'un tambour. Ce tambour disposé à l'intérieur de la jante de la roue de l'avion, est entouré d'une bande en caoutchouc solide de sorte que ce caoutchouc soit maintenu en contact permanent avec la jante.
En fonctionnement normal la rotation de la roue fait tourner le tambour et le volant à la même vitesse. Lorsque la roue commence à ralentir, la vitesse du volant due à son inertie naturelle devient supérieur à celle de la roue. Quand la position du volant interne dépasse 60°par rapport au tambour, la valve hydraulique s'ouvre et la pression de freinage sur les roues est relâchée, empêchant ainsi leur blocage. Lorsque la vitesse du tambour et du volant correspond de nouveau, la valve hydraulique se referme, permettant à la pression hydraulique d'être restaurée.
L'unité devient assez sensible pour être en activité au-dessus environ de 20 kt. Le système est capable de fonctionner jusqu'à 10 fois par seconde.
Freins sur avions de transport
Les freins en carbone ont été initialement utilisées dans les applications hautes performances de l'avion militaire. Le faible poids et la capacité d'absorption d'énergie plus élevée du frein carbone justifiait leur coût, qui était historiquement plus élevé que le coût de freins acier. Cette technologie a été mise en service en 1986 par Messier-Bugatti sur Airbus A310.
Depuis les freins carbone/carbone n’ont cessé de progresser sur le marché des avions de transport. Ils constituent aujourd’hui la meilleure technologie pour le freinage aéronautique de haute performance, qui exige l’absorption d’une quantité d’énergie considérable. Ils sont efficaces, performants, légers et plus endurants.
Actuellement tous les avions de transport sont équipés de freins à disques carbone/carbone. Le carbone-carbone est composé d'une matrice en carbone et d'un renfort en fibres de carbone. Il appartient à la famille des composites à hautes performances thermiques ou composites thermostructuraux.
Fonctionnement :
Les disques de frein sont empilés les uns sur les autres, constituant ce qu’on appelle un "puits de chaleur" en raison de la température qu’ils peuvent atteindre : jusqu’à 2 000 °C (voir ci-dessous). La moitié de ces disques est solidaire de la roue (ou jante) et tourne avec elle, ce sont les rotors ; l’autre moitié est solidaire de l’avion par l’intermédiaire de l’essieu et ne tourne pas, ce sont les stators. Ils sont montés en alternance. Ce sont ainsi les frottements des disques les uns sur les autres qui assurent le freinage.
Les disques de friction sont en carbone/carbone pour des raisons de température de fonctionnement et de légèreté. Le premier disque sur lequel agissent les pistons est un stator solidaire de l’essieu. Par mesure de sécurité, le dispositif de freinage est dédoublé sur chaque roue. Sur le schéma ci-dessous sur les 14 pistons, seulement 7 agissent simultanément sur les disques, les 7 autres n’étant utilisés qu’en cas de défaillance du système de freinage principal.
Actionneurs hydrauliques en fonctionnement :
Lorsque les freins sont appliqués sous l'effet de la pression hydraulique, le piston entre en contact avec le disque stator qui appuie sur le disque rotor.
Actionneurs hydrauliques hors fonctionnement :
Lorsque la pression des freins est relâchée, le ressort repousse le piston dans son logement. Il fournit un dégagement de pré-réglage entre chaque stator et rotor.
Ajustement automatique de l'usure
Comme les cylindres de frein sont à simple effet, une force mécanique est nécessaire pour relâcher les freins lorsque les pieds du pilote n'appuient plus sur les pédales (voir ci-dessus). Cette action peut être incorporée avec un dispositif d'ajustement automatique de l'usure qui garantit la libération complète des freins. Le dégagement entre les disques stator et rotor est maintenu à un minimum constant par le fonctionnement de la goupille de rétraction et de la bague de friction (voir dessin ci-dessous). Lorsque les freins sont appliqués, le disque tire la goupille de rétraction. Lorsque le frein est relâché, le ressort de compression se détend et tire le disque en arrière, ce qui permet de séparer les disques. Au fur et à mesure que les disques du frein s'usent, la goupille de rétraction est tirée par la bague de friction. Cela permet d'assurer un même débattement de la pédale de frein quelque soit l'usure des disques. La goupille de rétraction comporte un indicateur d'usure.
Lors de l'atterrissage voire d'un freinage d'urgence sur un appareil tel qu'un Airbus 330 ou Boeing 777, la température des freins peut dépasser 2 000 °C. Ci-dessous vue d'un block de frein quelques secondes après une accélération-arrêt (rejected take off) en anglais.
Alors que l'usure des freins n'est que de quelques micromètres (10-6 mètres) par face pour un freinage d'urgence, elle est nettement plus élevée lors des freinages de faible puissance, tels que ceux nécessaires lors des déplacements à faibles vitesses sur les "taxiways" ou la piste. Ce phénomène correspond à une "bosse d'usure", c'est-à-dire à l'existence d'une plage de température autour de 150 °C, pour laquelle on constate une vitesse d'usure maximale.
En pratique, ce phénomène se traduit aussi par des durées de vie des freins plus ou moins longues et dans des proportions allant de 1 à 3 selon les conditions climatiques (pays froids et secs ou pays tropicaux chauds et humides) ou encore selon la fréquence de rotation des avions. Source : CNRS info n°393
Chapitre lié : - Circuit de freinage
Source(s) : L'avionnaire, Messier-Bugatti