Un frein est un système permettant de ralentir, voire d'immobiliser, les pièces d'une machine ou d'un véhicule. Dans le cas de mouvements, la plupart des types de freins transforment l’énergie cinétique en énergie thermique par friction de pièces mobiles sur des pièces fixes, éléments qu'il faut refroidir. D'autres systèmes convertissent l’énergie cinétique en une autre forme d'énergie (par exemple électrique ou pneumatique), par freinage régénératif dans le cas d'un véhicule électrique. Enfin, les freins à courant de Foucault servent à ralentir des pièces métalliques sans aucune friction.
Histoire Depuis l'invention de la roue, le problème de l'immobilisation volontaire de celle-ci s'est posé. Sur les véhicules à traction animale, le frein consistait en un patin ou sabot actionné par un levier, frottant sur la circonférence de la roue. Ce système était efficace seulement lorsque la roue était propre et sèche. Pour assurer l'immobilisation, on plaçait une cale devant la roue.
Les premières automobiles utilisaient toujours ce système de sabot, avec une commande par levier ou pédale à transmission directe ou par câbleIl est encore utilisé de nos jours sur la plupart des bicyclettes.. Il présentait l’inconvénient d'être peu puissant, même en appuyant très fort sur la pédale, et d'être très sensible à l'encrassement, poussières, boue, graviers.
Les freins à tambours furent inventés dans les années 1900, améliorant notablement le freinage des automobiles de l'époque dont la commande se faisait par câbles.
Le premier frein à commande hydraulique est inventé par l'Américain Malcolm Lockheed (frère d'Allan, tous deux cofondateurs de Lockheed) en 1919, ce dernier fonde la Lockheed Hydraulic Brake Company à Detroit et les véhicules Chrysler seront les premiers équipés en 1924 Allan Haines Lockheed - Delta Mike Airfield, Inc., 16 juin 2007. La Lockheed Hydraulic Brake Company deviendra Bendix en 1932. Avec le passage à une liaison hydraulique, la force appliquée a pu être beaucoup plus importante, rendant les freins plus efficaces, mais aussi plus sollicités.
Dans les années 1950, les freins à disque commencent à remplacer les tambours sur des véhicules de sérieLe freinage - Team JSO.
En 1978, l'Allemand Bosch commercialise son ABS électronique, un système anti-blocage des roues sur lequel la firme avait commencé à travailler dès 1936L'ABS a 30 ans : Bosch est à l'origine d'une évolution perpétuelle - Bosch InfoTech, février/mars 2008. Il équipe désormais toutes les automobiles en Europe depuis 2004ABS - Définition, securite-routiere-az.fr, consulté le 11 août 2019.
Depuis le début des années 2000, sur certaines voitures de sport « haut de gamme », les disques en acier ont été remplacés par de la céramiqueFreinage : la céramique plutôt que le carbone - L'Argus, 14 septembre 2000, voire du carbone sur certaines voitures de course comme les Formule 1F1 Technique: Les secrets des freins au carbone de Formule 1 - René Fagnan, Auto123.com, 9 janvier 2014 (ces derniers nécessitant une température de minimum pour fonctionnerBrembo nous dévoile les secrets du freinage en F1 - Matthieu Piccon, BusinessF1, 4 septembre 2014). Le carbone est aussi utilisé en freinage aéronautiqueCapitale des freins au carbone - Thierry Vigoureux, Le Point, 28 mars 2013
Plus récemment, d'autres systèmes ont permis d'améliorer le contrôle des freins, comme l'ESC, l'assistance au freinage d'urgence ou l'AEB.
Commande des freins
Pour freiner un véhicule, le conducteur exerce un effort sur une commande, (pédale dans une automobile, levier sur les deux roues et dans les anciennes voitures), cet effort est transmis aux freins. Cette transmission peut se faire de différentes manières : par câble (anciens et petits deux-roues, circuit de freinage des anciennes automobiles et camions, frein à main des petites automobiles actuelles) ; par circuit hydraulique éventuellement assisté (véhicule automobile, certains deux-roues) ; par circuit pneumatique: Frein à air (camions, trains) ; par circuit électrique certains véhicules hybrides et automobiles électriques et les freins de parking non commandés par câble ; par circuit mécanique (par ex. commande par tringles et leviers sur certaines bicyclettes).
Dans le cas d'un circuit pneumatique, pour des raisons de sécurité, on « inverse » la logique d'effort : sans pression de l'air comprimé dans le circuit, le frein est serré (par un puissant ressort), et la pression sert à écarter les freins. Ainsi, la moindre défaillance du circuit (fuite) provoque un freinage. C'est le principe adopté dans les remorques tractée, les camions et les trains de nombreux pays : le déclenchement du signal d'alarme provoque une ouverture du circuit ce qui génère un freinage immédiat de l'ensemble de la rame.
Principe des freins à friction
Son principe repose sur la conversion de l'énergie cinétique du véhicule ou des pièces à freiner (liée à la vitesse et à la masse) en énergie thermique. L’énergie à évacuer répond à l'équation :
Le frottement de pièces mobiles (rotors) sur des pièces fixes (stators) est généralement utilisé. L'efficacité des freins à friction est liée à la capacité de ses constituants d'assurer un frottement suffisamment important, tout en dissipant rapidement la chaleur afin d’éviter la surchauffe de l'ensemble du mécanisme, surchauffe rendant inopérant le freinage (cf. les accidents de la « rampe de Laffrey »).
Les freins constituent un organe de sécurité indispensable : sur les véhicules, ils permettent faire diminuer rapidement la vitesse de déplacement, particulièrement en situation d'urgence ; ils servent aussi à limiter la prise de vitesse dans les descentes, tout comme ils permettent de maintenir immobile le véhicule ; sur les machines ayant des pièces en mouvement, la gestion du mouvement est un élément important du travail de la machine et, en cas de défaillance ou d'accident, l'arrêt de la machine est une nécessité absolue.
Différents systèmes de freinage vignette|Schéma frein à bande. vignette|Frein à sabot sur un wagon. Frein à bande Une bande plus ou moins tendue, entoure et frotte sur la périphérie d'une pièce cylindrique en rotation. Souvent utilisé pour les trottinettes et les cycles d'entraînement. Une de ses principales utilisation est rencontrée sur les treuils, en particulier dans le domaine naval : treuil de manœuvre du filet sur les chalutiers, treuil de mât de charge, treuil de descente pour les embarcations de sauvetage, toutes applications impliquant une faible vitesse de rotation mais un couple important.
Frein à sabot ou à bloc Le frein à sabot est constitué d'une pièce mobile, le sabot, qui vient s'appliquer sur la roue ou un dispositif qui en est solidaire. Il est encore employé, notamment dans les transports ferroviaires (frein automatique).
Frein à tambour
Le frein à tambour est constitué d'un cylindre à l'intérieur duquel des segments (ou mâchoires) munies de garnitures s'écartent pour réaliser le freinage. L'écartement est réalisé grâce à une came et ou des pistons, un système de compensation d'usure est intégré. Les segments reviennent en position de repos grâce à des ressorts.
Frein à disque
alt=frein à tambour|vignette|Modélisation d'un système de frein à tambour d'une automobile vignette|Système de frein à disque ventilé sur une Porsche Cayenne (avec étrier rouge et disque).Les freins à disque, initialement utilisés dans l'aviation, font leur apparition sur automobile en 1953 aux 24 Heures du Mans sur une Jaguar type C. Celle-ci ayant remporté l'épreuve, attire tout particulièrement l'attention sur cette solution hardie. Deux ans plus tard, en , Citroën équipe sa DS 19 de freins à disque à l'avant. Les autres voitures européennes de sport et de luxe ne tardent pas à emboîter le pas. Les fabricants se multiplient (Girling, Dunlop, Bendix), la généralisation est maintenant quasi totale pour les automobiles et motocyclettes.
Frein de stationnement
Frein de stationnement communément appelé « frein à main » offre une commande différente des freins habituels, mais utilise souvent les mêmes organes de freinage sur les automobiles, en 2020 le frein de parking des automobiles est souvent à commande électrique.
Frein moteur
Technique voire dispositif permettant d'éviter de trop solliciter les freins (surtout dans les longues descentes, comme en montagne) et, en cas de système de freinage défaillant ou de surchauffe, on utilise le moteur de traction en frein moteur, technique qui consiste à utiliser la résistance du moteur lorsqu'il n'est plus, ou très peu, alimenté en carburant, afin de ralentir le véhicule.
Aide électronique au freinage ABS
L'assistance anti blocage de roue, souvent appelé « ABS » de l'allemand « Antiblockiersystem ». Le principe de fonctionnement consiste à contrôler en permanence la vitesse de rotation de chaque roue du véhicule. Un calculateur électronique gère un bloc d'électrovannes sur le circuit de freinage et surveille individuellement la rotation de chacune des roues à l'aide d'un capteur implanté sur chacune d'elles. Si le calculateur détecte le blocage (ralentissement significatif par rapport aux autres roues) d'une roue, le frein de celle-ci est relâché immédiatement (sans que le conducteur n'ait à modifier son action sur la pédale de frein). Le calculateur va permettre la pression de freinage la plus forte possible tout en évitant un blocage des roues. Le fonctionnement du système se traduit par une vibration dans la pédale de frein.
Le but principal de l'ABS est de permettre de garder le véhicule manœuvrable lors d'un freinage d'urgence et non de réduire la distance de freinage.
Frein aérodynamique des voitures de course et de sport Ailerons et volets Un autre type de frein à air (aérodynamique) est constitué de volets et ailerons mécaniques à l'extérieur du véhicule et qui vont augmenter le coefficient de traînée aérodynamique du véhicule et donc le ralentir. Les freins à air de ce type sont inefficaces sur des voitures roulant à vitesse normale ; ils sont donc réservés aux voitures de course et aux sportives à haute performance qui doivent décélérer rapidement à des vitesses très élevées. thumb|La Bugatti Veyron avec un aileron arrière hydraulique et des appendices aérodynamiques dans la position déployée. Dans de nombreuses voitures de courses et de sports à haute performance, on utilise des dispositifs aérodynamiques, afin de ralentir les voitures roulant à des vitesses très élevées. La Bugatti Veyron, une des voitures de production les plus rapides au monde"Top 10 des voitures les plus rapides dans le monde", dispose d'un spoiler arrière qui, à des vitesses supérieures à , agit comme un ralentisseur, déployé à un angle de 55° en 0,4 seconde chaque fois que la pédale de frein est enfoncée, il offre un supplément de () de décélération (équivalent au coefficient de traînée d'une voiture à hayon).. Les Dragster Top Fuel et d'autres courses d'accélération qui atteignent couramment une grande vitesse de plus de deux cent quarante et un kilomètres par heure (cent cinquante miles par heure), utilisent un frein à air mécanique via un parachute déployé après la fin de la course.