Etriers et plaquettes de freins

Fonctionnement
Contraintes mécaniques
Pourquoi plusieurs pistons ?
Pourquoi des pistons différenciés ?

FONCTIONNEMENT
Un étrier de frein est généralement un bloc de fonte ou d'aluminium coulé qui comporte des alésages dans lesquels sont rapportés les cylindres. Un canal débouche dans les cylindres, par lequel circule le liquide de frein, incompressible bien sur, qui va pousser les pistons vers l'extérieur lorsque le système est actionné. Ces pistons appuieront a leur tour sur la plaquette de frein (ou garniture), elle-même plaquée contre le disque.
A l'inverse d'une moto, où les forces mises en jeu restent raisonnables compte tenu du poids de l'engin, l'effort de freinage a développer sur une voiture pour déclencher la pression des plaquettes contre les disques ne peut se limiter a la force humaine (celle générée par le pied gauche en l'occurrence). Ainsi, mis à part quelques véhicules très particuliers et caractérisés par leur légèreté (Mac Laren Fl par exemple), le freinage est systématiquement assisté. On utilise pour cela un dispositif basé sur un maître cylindre, qui démultiplie l'effort développé par le conducteur sur la pédale avant de la retransmettre au niveau des étriers.

CONTRAINTES MECANIQUES
Lors des phases de freinage, et donc d'appui de la plaquette contre le disque par l'intermédiaire de la poussée engendrée par les pistons de l'étrier, il se dégage une importante quantité de chaleur.
On dira que l'énergie cinétique (plus clairement, le ralentissement du disque) est en effet dissipée sous forme de chaleur. Il en résulte un échauffement sensible des disques, mais également des plaquettes, et par suite, de toute pièce conductrice de chaleur mise en contact avec celles-ci, à commencer par les pistons, le liquide de frein, et les étriers. C'est pourquoi les plaquettes, contrairement aux idées reçues, sont constituées d'une multitude de couches très différentes et aux rôles distincts. Le support métallique (généralement en fer doux de quelques millimètres d'épaisseur) a pour but de répartir l'effort de poussée des pistons sur le matériau de friction. Si les pistons appuyaient directement sur le matériau de friction, il y aurait un risque d'écrasement puis de fissuration de celui-ci. la sous-couche, qui permet d'harmoniser les caractéristiques de dilatation du support et celles du matériau de friction, tout en assurant un écran thermique évitant une trop grande transmission de chaleur du matériau de friction vers le support. Enfin, une couche de matériau anti-bruit ou anti-vibration est généralement disposée au dos du support. Il s'agit le plus souvent de polymère à base de silicone ou caoutchouc.

POURQUOI PLUSIEURS PISTONS?
Le concept des étriers de frein à pistons multiples repose sur deux constatations évidentes : d'une part, plus la surface de friction avec le disque est importante, plus le couple de serrage qu'on pourra lui appliquer sera élevé. D'autre part, pour une surface de friction donnée, le serrage sera plus efficace Si la force de pression est uniformément répartie le long de la plaquette, et non localisée uniquement sur le centre (cas d'un étrier à un piston unique, ou à deux pistons opposés). En effet, du fait du voile (minimum, mais toujours présent) du disque, et du montage flottant des plaquettes, un étrier mono-piston plaquera bien moins la plaquette sur le disque, et l'usure de la garniture sera partielle au lieu d'être homogène. On corrige ce problème de façon radicale grâce à des étriers multi-piston, parfois même en utilisant sur un même étrier plusieurs petites plaquettes au lieu d'une seule grosse.

POURQUOI DES PISTONS DIFFERENCIES ?
Lorsque l'on analyse les contraintes auxquelles est soumise la plaquette sur le disque tournant lors du freinage, on s'aperçoit que l'appui de la garniture sur le disque n'est pas homogène. Il est prépondérant à l'avant (dans le sens de rotation), et plus faible a l'arrière. De fait, Si l'on adopte un étrier a quatre pistons (opposés deux à deux) de mêmes diamètres respectifs, on obtiendra une usure inégale de la plaquette, plus importante sur l'avant que sur l'arrière. Pour résoudre ce problème, les fabricants ont adopté le concept des pistons a diamètres différenciés.
Ainsi, pour compenser l'appui inégal de la plaquette sur le disque, le piston avant est de plus petit diamètre que le piston arrière. Ce concept, appliqué sur des étriers quatre pistons, reste plus économique et plus léger que l'hypothèse d'étriers six pistons à plaquettes multiples. Il existe une multitude de plaquettes de frein différentes, référencées pour un même modèle d'étrier. Les spécificités d'une plaquette dépendent intimement de la composition de la garniture. Chaque fabricant garde bien sûr secrète la teneur de ses garnitures, mais on sait que l'emploi de fibre aramide (ou kevlar) amène une plus grande efficacité et une meilleure tenue dans le temps. Certains fabricants ont développé des plaquettes à garniture carbone conçues pour fonctionner sur des disques classiques, d'autres encore insistent sur la tenue en température. Toujours est-il qu'en la matière, plus une plaquette sera efficace, plus elle aura nécessité de recherche, de développement et l'utilisation de composants coûteux on peut donc dire que les performances d'une plaquette seront généralement directement proportionnelles à son prix.
Retenons enfin, que le fin du fin se trouve actuellement sur les Porsche Ruf (et notamment la CTR2), qui disposent en option d'un freinage carbone/carbone directement inspiré de ceux utilisés en aéronautique et en Formule 1. Grâce à d'importantes recherches et de nombreux tests en grandeur nature, la société Carbone Industrie est parvenue à élaborer un système de freinage carbone/carbone parfaitement adapté à un usage routier, sans perte problématique des caractéristiques de freinage sur disques froids, ni vibrations gênantes apparaissant à partir d'une certaine valeur de pression sur les disques.