Le frein à disque est un système de freinage performant pour les véhicules munis de roues en contact avec le sol : automobile, moto, camion, avion, train, bicyclette et pour diverses machines réclamant des freins performants et endurants.
Ce système transforme l'énergie cinétique du véhicule en chaleur qui doit être dissipée le plus rapidement possible.
thumb|alt=Vue du passage de roue avant d'une Ferrari F-430. La roue est démontée et le frein à disque est bien visible|Frein à disque en carbone renforcé sur une voiture de course Ferrari F430 Challenge.
Historique et emploi Le développement des freins à disque a commencé en Angleterre dans les années 1895.
Le premier frein à disque automobile de type étrier a été breveté par Frederick William Lanchester. dans son usine de Birmingham en 1902 et utilisé avec succès sur les voitures Lanchester. Cependant, le choix limité des métaux à cette époque signifiait qu'il devait utiliser le cuivre comme moyen de freinage agissant sur le disque.. Le mauvais état des routes à cette époque, des pistes poussiéreuses et rugueuses, entraînait une usure rapide du cuivre rendant le système impraticableThe first car with disc brakes really was . . . , hemmings.com du , consulté le ..
En 1921, la société de motos Douglas . a introduit une forme de frein à disque sur la roue avant de ses modèles sportifs à soupapes en tête. Breveté par la British Motorcycle & Cycle-Car Research Association, Douglas a décrit le dispositif comme un «frein à coin novateur (novel wedge brake)» fonctionnant sur une «bride de moyeu biseautée», le frein étant actionné par un câble Bowden. Des freins avant et arrière de ce type ont été montés sur la machine sur laquelle Tom Sheard a remporté la victoire dans le Senior TT de 1923"The Editor's Correspondence - Vintage Disc Brakes". Motor Cycling. London: Temple Press Ltd: 669. 26 September 1957..
Une application réussie a commencé sur les trains de voyageurs de lignes ferroviaires, les avions et les chars, avant et pendant la Seconde Guerre mondiale. Aux États-Unis, la Budd Company a introduit des freins à disque sur le General Pershing Zephyr. pour le chemin de fer de Burlington en 1938. Au début des années 1950, les freins à disque étaient régulièrement appliqués aux nouveaux matériels de trains de passagers D.P. Morgan, « All About the RDC », Trains & Travel magazine, mars 1953.. En Grande-Bretagne, la société Daimler a utilisé des freins à disque sur son automitrailleuse Daimler de 1939, les freins à disque fabriqués par la société Girling (absorbée par Lucas Industries en 1938) étaient nécessaires car dans ce véhicule à quatre roues motrices (4×4) la transmission finale épicycloïdale se situait dans les moyeux de roue et n'a donc laissé aucune place aux freins à tambour conventionnels montés alors The Daimler Armoured Car, daimler-fighting-vehicles.co.uk, consulté le ..
Chez Argus Motoren en Allemagne, Hermann Klaue (1912-2001) a breveté. des freins à disque en 1940. Argus a fourni des roues équipées de freins à disque, par exemple pour l'Arado Ar 96.. Le char lourd allemand Tiger a été introduit en 1942 avec un disque Argus-Werke de . sur chaque arbre d'entraînement.
Le constructeur automobile américain Crosley est souvent reconnu pour les premiers freins à disque de série automobile.. Entre 1949 et 1950, Crosley construit plusieurs modèles (HotShot, Super Sport, Sedan, Station Wagon, Pickup) avec des freins à disque aux quatre roues, puis revient aux freins à tambour. Le manque de recherches suffisantes a causé des problèmes de fiabilité, tels que le collage et la corrosion, en particulier dans les régions utilisant du sel sur les routes d'hiver. Les freins à disque à quatre roues Crosley ont rendu leurs produits populaires pour les courses automobiles dans les années 1950. Leur freinage supérieur les rendait difficiles à battre. Les conversions de frein à tambour pour Hot Shots étaient très populairesLangworth, Richard M. (1994). Chrysler and Imperial: The Postwar Years. Motorbooks International. .. Le disque Crosley était une conception Goodyear-Hawley, avec un type d'étrier moderne, dérivé d'une conception d'applications aéronautiquesStéphane Schlesinger, Les inventions qui ont fait l'automobile, motorlegend.com du 27 mars 2018 , consulté le ..
Son mode de fonctionnement est très proche de celui du frein à mâchoire des bicyclettes, qui pince la jante entre deux patins en caoutchouc, mais les matériaux utilisées, pour les automobiles et avions, permettent de bien meilleures fiabilité et endurance.
Aviation
En aviation, ce type de frein étant plus léger, plus facile d'entretien que les autres systèmes et les coûts étant « accessoires » dans ce domaine, il est utilisé depuis très longtemps.
Les avions actuels emploient les freins à disques sous une forme légèrement différente de ceux équipant habituellement les voitures. Le système est en effet constitué d'un empilement de plusieurs disques, alternés chacun successivement avec un plateau de friction. Les disques sont dotés de cannelures, sur lesquelles sont emboîtées les jantes des roues de l'appareil, alors que les plateaux de friction coulissants sont fixés sur le moyeu de la jambe de train d'atterrissage. Au bout de l'empilement, plusieurs pistons (plus d'une dizaine) sont chargés de presser très fort sur cet assemblage pour faire ralentir puis stopper un appareil à l'atterrissage.
De par sa forme, cet assemblage de plateaux empilés pourrait ressembler de loin à un embrayage automobile.
Automobile thumb|left|Frein de Mercedes SLR 722 GT (2008). Dans le domaine automobile, on doit à Jaguar le développement, dans les années 1950, du frein à disque pour son Type C, en collaboration avec les ingénieurs de Dunlop. Cette véritable nouveauté allait d'ailleurs constituer l'arme secrète de Jaguar lors de son retour sur le circuit des 24 Heures du Mans, en 1953. Les freins à disque ont ensuite commencé à se généraliser sur les véhicules haut de gamme, avant de s'étendre à tous les véhicules sur le train avant.
La première voiture à adopter les freins à disques à l'avant, de série, fut la Citroën DS en 1955. La première voiture équipée de freins à disque sur les quatre roues fut la Renault Dauphine, dans les années 1960. En 2003, Mercedes-Benz innove en proposant des disques de frein renforcés de fibres de céramique sur un de ses modèles, la SLR..
Depuis 2014, surtout les petites automobiles légères utilisent encore des freins à tambour sur l'essieu arrière (ex: Smart Forfour II ou Renault Twingo III)
Deux-roues thumb|upright|alt=Vue détaillée du moyeu arrière d'un VTT, avec le dérailleur, le moyeu, la chaîne et le frein à disque|Vue détaillée du moyeu arrière d'un VTT , avec son disque de Ø. Motos Sur les motocyclettes, son utilisation a été rare jusqu'à la Honda CB 750 Four de 1969, qui a imposé le frein à disque à commande hydraulique. Ce type de freinage s'est rapidement généralisé sur les machines de compétition. Il s'est perfectionné en ajoutant des perforations, ou des rainures, dans le disque. et en devenant double (à l'avant).
En 2014, les motos de compétition sont équipées de freins en carbone ou en céramique..
De nombreux modèles de motos sont munis de deux disques sur la roue avant, pour mieux répartir la force de chaque côté de la fourche afin d'éviter qu'elle ne se vrille, ce qui nuirait à la tenue de route. Le diamètre des disques est un facteur important, entre autres, en compétition, mais l'effet gyroscopique créé augmente lorsque le ratio diamètre/masse en mouvement augmente, ce qui réduit l'agilité.
Vélos
Actuellement, de nombreux VTT et bicyclettes sont dotés de freins à disque. Cette caractéristique était au départ essentiellement représentative des vélos tout-terrain de compétition, comme les VTT de descente, mais elle tend à devenir accessible à tout le monde, même sur des vélos à moindre coût vendus en grandes surfaces.
Principe et fonctionnement Le frein à disque est un système utilisant un disque, fixé sur le moyeu de la roue, et des plaquettes, venant frotter de chaque côté du disque. Les plaquettes sont maintenues dans un étrier (frein fixe) ou une chape (frein coulissant), fixés au véhicule. Un ou plusieurs mécanismes poussent sur les plaquettes, en général un ou plusieurs pistons soumis à une pression hydraulique (véhicules de tourisme, commerciaux, poids lourds) ou à un mécanisme lui-même actionné par un actionneur pneumatique (frein de semi-remorque). L'effort ainsi généré provoque le serrage puis le frottement des plaquettes sur le disque. La force de frottement entre les plaquettes et le disque crée le couple de freinage mais aussi de la chaleur, qui doit être évacuée le plus rapidement possible pour éviter une déformation (voire une destruction) du disque.
Le système de commande (maître-cylindre) peut être indépendant pour les différents disques ou être couplé avant-arrière par un répartiteur (cas général des voitures et du freinage intégral de certaines motos, comme les Moto Guzzi ou Honda CBR1000F).
Caractéristiques Technologie : étriers fixes ou flottants Afin d'assurer la pression des plaquettes sur les deux faces du disque, trois concepts de freins existent :
Frein (ou étrier) fixe Les plaquettes sont poussées contre le disque par l'intermédiaire d'un ou plusieurs pistons situés de chaque côté du disque et dédiés à chaque plaquette. Ce concept, permettant d'appliquer une grande force de freinage, est en général utilisé sur des voitures performantes car sa fabrication est coûteuse, notamment à cause de l'étanchéité à réaliser entre les deux chambres hydrauliques qui alimentent les pistons de part et d'autre du disque. Ce système permet, sur les véhicules sportifs, d'obtenir des montages à 4, 6, voire 8 pistons.
Frein à étrier flottant ou coulissant Seule la plaquette intérieure est poussée contre le disque par un ou plusieurs pistons. La pression de la plaquette extérieure contre le disque est réalisée par l'intermédiaire de l'étrier monté sur un système coulissant dans la chape (pièce de fonderie supportant les plaquettes et fixant le frein complet sur le véhicule). C'est le concept le plus répandu. Bien que plus simple de conception, il est moins bien adapté aux véhicules lourds ou rapides que le modèle à étrier fixe. De plus, l'usure des plaquettes est fréquemment asymétrique, la plaquette extérieure (qui n'est pas directement poussée par le piston) ayant tendance à s'user moins vite que l'autre.
Frein à étrier pivotant Dans les années 1960 à 1970, Honda utilise, sur ses motos, un montage à étrier pivotant. Ce montage a l'inconvénient d'user les plaquettes de travers, ce qui induit une efficacité variable au fur et à mesure de l'usure des plaquettes.
Technologie : étriers monoblocs Les étriers peuvent être construits à l'aide de deux pièces, gauche et droite, assemblées par des vis, ou bien, dans le cas des étriers monoblocs, constitués d'une seule pièce usinée. Les étriers monoblocs sont plus résistants aux déformations et échauffements.
Technologie : fixation axiale ou radiale La fixation de l'étrier sur la fourche d'une moto peut se faire de deux manières, comme on le voit sur les images ci-dessus : Fixation axiale L'étrier est maintenu sur la fourche et/ou le cadre par des vis de fixation positionnées de manière perpendiculaire au véhicule. Ce type de fixation "anti-mécanique" exerce une force de cisaillement sur les vis de fixation et offre moins de rigidité à l'étrier lors du freinage.
Fixation radiale L'étrier est maintenu sur la fourche et/ou cadre via des vis de fixation positionnées de manière longitudinale (dans le sens) du véhicule. Cette fixation est plus rigide que la fixation axiale et garantit la constance des freinages quelle que soit l'usure et l'échauffement, car les forces et contraintes du freinage sont dissipées dans le sens de rotation de la roue.
Matériaux employés thumb|Disque de frein en carbone d'une Formule 1 Toyota TF103.