Le point sur la technique moto - Le freinage

L'ami Patrice m'a récemment parlé d' "étriers de freins radiaux". 
J'en suis resté tout estabouzi, comme on dit par ici ! 
J'ai alors trempé mes doigts,  jusqu'aux cou..des, dans l'encrier du big ouaibe  pour découvrir que je n'avais pas que ces dernières évolutions technologiques comme lacunes dans mon éducation motardesque.
 
J'ai donc au final, sélectionné un petit article  illustré,  qui nous en parlerait... Mais pas que !  :
Autant en profiter pour faire un point général sur le sujet, qui pourra servir de base à des échanges plus détaillés si besoin est ! 
   


Le freinage à moto

Le freinage en moto 
1. Introduction
2. Moto classique
3. Motos sportives et de luxe
3.1 Roadsters et sportives
3.2 Motos routières
4. Les motos de course
4.1 Les Superbikes
4.2 Les MotoGP
5. Conclusion

1 - Introduction

Fonctionnant sur les mêmes principes que le freinage automobile, le freinage moto doit à la fois stopper efficacement le véhicule mais également permettre au pilote de garder l’équilibre et le contrôle de la moto en toutes circonstances. Ce sont ces spécificités qui conduisent les constructeurs à sans cesse améliorer et développer les performances des systèmes de freinage. Au cours de cette partie, nous n’allons pas passer en revue tous les éléments de freinage, mais nous nous contenterons de définir généralement ce qu’est le freinage. Nous intégrerons les aspects mécaniques et électroniques de manière à bien comprendre les particularités liées à la moto. On ne négligera pas l’aspect partie cycle, sachant que d’autres paramètres mécaniques, tels que les pneumatiques, la rigidité du châssis, la fourche, la suspension et le frein moteur, interviennent directement dans l’efficacité du freinage.

2 - Motos classiques

Dans ce paragraphe, nous entendrons par moto classique, les motos de petite cylindrée, peu performantes, légères et bon marché.  Ce type de moto est principalement utilisé pour un usage urbain, quotidien, voir même professionnel, par des pilotes moyennement expérimentés ne recherchant aucunement la performance. De plus ces derniers désirent une fiabilité maximale dans le temps, et éviter toute action de maintenance. C’est pour cela que les constructeurs utilisent encore à l’arrière des freins à tambours, et généralement un mono-disque à l’avant.

De manière à tirer les prix vers le bas, les constructeurs utilisent des systèmes et des matériaux bas de gamme. Les disques sont encore en fonte, les étriers sont en acier et de fixations classiques, et ne contiennent qu’un seul piston et qu’une seule durite en simple caoutchouc.

Nous remarquerons aussi que la partie cycle en général est « peu efficace ». La fourche est de petit diamètre, les ressorts qui la composent sont de raideur très faible et baignent dans une huile très fluide. Les roues sont encore à rayons et le cadre de la moto est constitué de simples tubes d’acier. Autant dire que lors de fortes sollicitations, comme lors d’un gros freinage, la résistance globale à la torsion est vraiment peu élevée, ce qui diminue à nouveau l’efficacité du freinage à cause de la plongée de la fourche et du transfert de masse très important de l’arrière vers l’avant de la moto.

3 - Motos sportives et de luxe

Les motos de grosse cylindrée actuelles, sont toutes très performantes, et bénéficient des dernières technologies en matière de freinage, d’aide au freinage et d’assistance au freinage. Que ce soit sur les roadsters de moyenne cylindrée, les sportives ou les routières, le freinage est en général bien plus impressionnant que l’accélération elle-même. De plus l’utilisateur est généralement friand de sensations fortes, et se rend souvent sur un circuit pour exploiter en toute sécurité le potentiel de sa machine. Cette dernière se doit donc de bénéficier d’un freinage hors pair. Pour cela un panel de matériaux et de géométrie des pièces est disponible chez les différents constructeurs.

3.1 - Roadsters et sportives

La catégorie des roadsters est définitivement la plus répandue dans le monde de la moto. Les roadsters sont généralement issus de la gamme sportive du constructeur, reprenant les technologies de cette dernière. C’est pour cela que nous retrouvons des systèmes et des matériaux très évolués.

Principalement réservé à une catégorie de pilotes expérimentés, les motos sportives concentrent continuellement les innovations technologiques en terme de freinage. Reprenant les technologies des Superbikes et MotoGP, la plus grande évolution en matière de freinage, ces dernières années, fut l’introduction des étriers radiaux. Ces étriers ont les avantages de répondre plus facilement à une pression faible sur le levier de frein et de ne pas provoquer d’usure en biais des plaquettes de part leur symétrie quasi parfaite. Le rendement s’en trouve alors amélioré. Ils apportent ainsi au freinage un feeling exceptionnel, un mordant et une endurance encore inconnus sur ce créneau de motos.

L’étrier radial est le plus souvent taillé dans la masse à l’aide de machine à commandes numériques permettant d’optimiser la fabrication en employant des matériaux nobles (contrairement aux étriers de fonderie) et maîtriser parfaitement les épaisseurs de matière. Les pistons qui les composent sont réalisés en alliage d’inox afin d’isoler au maximum l’étrier de la chaleur des plaquettes (l’inox est 13 fois moins conducteur de la chaleur que l’aluminium) et aussi pour garantir une insensibilité parfaite à la corrosion. Les pistons sont décalés par rapport au centre de poussée des plaquettes pour permettre une usure constante et régulière de ces dernières. La rigidité exceptionnelle de ces étriers est due d’une part à leur type d’usinage et d’autre part au système de liaison des deux parties des étriers. La forme conique spécifique des 2 pontets reliant les 2 parties de l’étrier permet de rigidifier l’étrier et réduit au minimum son ouverture longitudinale lorsqu’il est sollicité. Les conséquences en sont un freinage incisif et un temps de réponse très court, un levier et une course de levier constants. Enfin les étriers radiaux sont grenaillés de manière à mettre leur surface en compression afin d’éviter toute éventuelle propagation de fissures en fatigue.
 
Nota : Le grenaillage est un processus de fabrication consistant à projeter à haute vitesse sur la pièce des microbilles ayant pour rôle de comprimer la « peau » et ainsi limiter les amorces de fissures. Ce procédé a été découvert presque par hasard, lorsque nous nous sommes rendu compte que les pièces qui venaient d’être décapées par sablage tenaient mieux en fatigue que les pièces non décapées.

Le constructeur américain Buell utilise une alternative très intéressante aux étriers radiaux. En effet, ces motos sont équipées d’étriers classiques, mais dont le montage est périmétrique. L’avantage de ce système réside uniquement dans un gain de poids. En effet le disque étant fixé sur le périmètre de la jante, les efforts de freinage sont directement transmis du disque au pneu, sans passer par la jante. Ainsi cette dernière peut être plus fine et donc plus légère qu’une jante classique, et si elle est réalisée en aluminium forgé sera alors aussi plus rigide. Ce gain de matière se répercutera directement sur le comportement général de la moto, car l’effet gyroscopique des roues sera moindre. De plus la piste de freinage étant plus grande, un seul disque est alors nécessaire.


Nous avons vu que les durites classiques en caoutchouc présentent un inconvénient lors des gros freinages, à savoir une dilatation. Pour remédier à ce problème, et ne pouvant pas utiliser des durites en métal, les ingénieurs ont fait un « mélange » des deux solutions. Une durite en caoutchouc ou en nylon sur laquelle vient s’enrouler un tressage en acier afin d’empêcher cette dilatation. Ces durites portent le nom de « Durites Aviation », et sont couramment utilisées. Elles présentent l’avantage de garder une constance du freinage dans le temps, notamment lors de gros freinages qui dissipent beaucoup de chaleur et qui font facilement se dilater les durites classiques. De plus elles permettent d’obtenir une meilleure « attaque » et un meilleur mordant en début de phase de freinage.


3.2 - Motos routières




Les motos routières représentent en quelque sorte les vitrines technologiques des constructeurs. Ces motos sont l’anti-chambre des sportives, même si ces dernières se veulent aussi les fleurons technologiques des constructeurs. Les systèmes mécaniques de freinage restent les mêmes, en revanche les systèmes électroniques d’aide au freinage sont ici totalement novateurs.


Nous retiendrons par exemple l’apparition de l’ABS (Anti-Blocking System) en 1988, afin d’équiper une minorité de motos de la célèbre marque BMW. Seuls quelques constructeurs se sont intéressés à ce système, (les japonais principalement).

Aujourd’hui cet équipement tend à se généraliser sur les routières et même sur certains roadsters. Lors de situations de freinage d’urgence, où un manque de concentration, d’expérience, la fatigue ou même une détérioration de la chaussée, sont possibles, il peut devenir très difficile pour le conducteur de doser correctement son freinage et de garder son équilibre. Compte tenu de la sensibilité de l’opération de freinage lors d’une décélération maximale, l’ABS a pour rôle de répartir le freinage entre la roue avant et arrière de manière à empêcher le blocage des roues en prévenant le glissement des pneumatiques. Une des difficultés majeures est la maîtrise des pertes d’adhérence autrement dit éviter le blocage de roue, souvent synonyme de perte de contrôle. L’ABS intervient en contrôlant la pression appliquée à l’étrier avant et arrière. Ce système est composé d’un calculateur qui, à l’aide de capteurs, contrôle la vitesse de rotation des roues.

La plus petite amorce de glissement d’un pneumatique est détectée, en mesurant la différence de vitesses relatives des roues avant et arrière, conduit la centrale électronique à déclancher le fonctionnement d’un régulateur de pression géré par électronique et à stopper le glissement grâce a une succession de cycles « relâchement, maintien, augmentation » de la pression hydraulique.

Le constructeur Honda a fait évoluer ce système en développant le CBS, freinage combiné, puis le DCBS (D pour Dual). Le CBS permet, lorsque la pédale de frein arrière est actionnée, de solliciter en même temps un des trois pistons de l’étrier avant, répartissant ainsi au mieux le freinage. 

Le DCBS pousse plus loin le principe du freinage couplé en cela que les deux freins (avant et arrière) sont actionnés simultanément et indépendamment de la commande utilisée (levier ou pédale). Ainsi la pédale agit de paire sur les disques avant et arrière, à la différence du CBS, et le levier qui commande les disques avant intervient également sur l’arrière. Le secret réside dans un petit système mécanique qui exploite le couple de rotation qu’exerce sur son support l’un des étriers avant, lorsqu’il est sollicité pour alimenter un maître cylindre secondaire. Celui-ci applique alors à son tour une pression correspondante à l’étrier arrière par l’intermédiaire d’un système de régulation.

Toutefois, ces aides électroniques ne raccourcissent pas les distances de freinage, au contraire, et un freinage classique bien dosé sera toujours plus court qu’un freinage aidé électroniquement.

4 - Les motos de course




Les motos de course sont des laboratoires roulants. Toutes les innovations, tous les développements des motos de route naissent sur circuit, et les systèmes de freinage en sont le meilleur exemple. Dans la suite de ce paragraphe, nous retiendrons deux types de motos de course, les Superbikes qui sont en fait des motos de route complètement modifiées, et les MotoGP qui sont des prototypes uniques, aux performances hors du commun, un peu comme la Formule 1 dans le domaine de l’automobile.

4.1 - Les Superbikes


Le règlement FIM (Fédération Internationale de Motocyclette) impose aux motos de Superbike d’avoir comme base une moto de route. Bien évidemment, chaque constructeur sélectionne la moto sportive de sa gamme, afin d’avoir la « base » la plus performante possible. Les modifications autorisées concernent majoritairement la partie cycle de la moto, et quelques éléments internes au moteur. Ainsi, les Superbikes se voient dotées d’éléments de suspension hautement perfectionnés, de systèmes de freinage très performants et de pneus slicks. Tous ces changements influent considérablement sur le freinage de la moto, qui n’a alors plus grand-chose à voir avec la moto de série. Néanmoins, afin de toujours améliorer les performances, les constructeurs munissent de plus en plus directement leurs motos de série d’éléments issus du Superbike, de manière à avoir par la suite la meilleure moto sur circuit.

Les disques flottants sont des disques ayant deux degrés de liberté, un axial et un radial, qui permettent un ajustement parfait du disque par rapport aux plaquettes en toutes circonstances. Ces disques proviennent directement du Superbike, introduits sur les motos de série en 1996. Les étriers radiaux ont vu le jour sur nos routes en 2002, et proviennent eux aussi de cette discipline. Néanmoins nous retiendrons l’apparition du premier étrier de course sur la Ducati 1098, présentée officiellement en novembre 2006 au salon international de la moto à Milan.

Cet étrier radial à la particularité d’être monobloc, obtenu par moulage haute pression et par usinage. Il est toujours en aluminium, mais les pistons qui le composent sont désormais en titane. Ce choix de matériaux est le fruit d’une recherche en gain de poids mais surtout en conductivité thermique. En effet, le titane a une conductivité thermique de 20W.m-1.K-1 (à 293K) alors que l’acier inoxydable a une conductivité thermique de 26W.m-1.K-1.

4.2 - Les MotoGP

Les MotoGP sont en quelque sorte des motos ultimes, capables de rouler à plus de 340 km/h, très légères, faites presque uniquement de carbone, de magnésium de titane et d’aluminium. A ces vitesses là, la phase de freinage est cruciale, et aucune défaillance n’est permise. Comme en Formule 1, les MotoGP utilisent des freins en carbone, dont les performances laissent rêveur plus d’un motard.

Ces freins sont composés d’un disque flottant en carbone et de plaquettes de la même matière. Ils ont la particularité d’être très légers (densité de 1.8 contre 7.85 pour l’acier) mais aussi d’absorber une très grande quantité de chaleur (d’où leur nom de « puits de chaleur »). Les disques sont en composite, les fibres de carbone procurent la résistance, et la matrice procure les qualités de friction.

Leur mode d’obtention est bien particulier. La fibre est introduite dans un moule, puis comprimée pour lui donner une préforme, elle est alors prête à être densifiée. Cette préforme fibreuse est introduite dans un four où la température est de 1000°C, on y introduit ensuite un gaz qui va libérer du carbone qui se déposera autour des fibres. Après 500 à 800 heures de cuisson, le produit est entièrement dense et peut alors subir différents traitements thermiques et être usiné aux dimensions voulues.

Les freins carbone ne disposent pas d’un meilleur coefficient de frottement que les freins en acier, mais peuvent être utilisés jusqu’à 1600°C sans subir aucune détérioration.
L’efficacité extrême de ce système n’est malheureusement pas applicable à la moto de route, en effet la température de bon fonctionnement du disque en carbone est de l’ordre de 400°C, ce qui est bien trop élevé dans des conditions normales d’utilisation, en dessous de cette température, le freinage est très mauvais voir nul. De plus, sous la pluie, les MotoGP reviennent à un dispositif de freinage classique acier/acier, ce qui est impossible pour une moto de route au vu de la complexité du montage/démontage des disques.

Précédemment, nous avons vu l’importance de la fourche dans la phase de freinage, et l’effet néfaste du phénomène de plongée qui allonge les distances. La MotoGP a à nouveau presque résolu le problème avec l’introduction des fourches à traitement de surface au nitrure de titane, traitement leur donnant cette couleur dorée, et assurant à la surface traitée une rugosité quasi nulle. De plus les ressorts de fourche se voient eux aussi modifiés en conséquence, puisque de l’alliage d’acier, ils passent à l’alliage d’aluminium. Enfin nous retiendrons le développement d’huiles spécifiques, à la viscosité élevée, réduisant ainsi les frictions à l’intérieur de la fourche. Ces avancées technologiques ont d’ores et déjà trouvé application dans la moto de route, et chaque fleuron de gamme est équipé de ces systèmes.

Enfin, nous noterons une dernière évolution en terme de partie cycle ayant directement influence sur le freinage mais non applicable à la route, qui est l’utilisation du magnésium et de ses alliages dans la fabrication des jantes. La densité du magnésium est de 1738 kg/m3, ce qui est bien moindre comparé à celle de l’aluminium qui est de 2700 kg/m3. Le poids des jantes se voit donc presque doublement diminué. Néanmoins le magnésium a une structure cristalline hexagonale compacte, il sera donc très rigide mais aussi très fragile, et son utilisation sur des pièces aussi sollicitées que des jantes ne peut se faire sur une route imparfaite (nids-de-poule, trottoirs) sous peine de fissurer la jante. Si en plus d’une petite fissure, la jante est utilisée dans une atmosphère humide, elle va très vite se détériorer, ce type d’alliage supportant très mal l’eau. Enfin, le magnésium est très facilement inflammable, ce qui rend le procédé de mise en forme délicat, et non envisageable pour une grande série. Pour l’anecdote, une jante de voiture de rallye a déjà pris feu à cause de la chaleur dégagée lors d’un très gros freinage. Le magnésium est donc définitivement incompatible avec une moto de route.

5 - Conclusion

Le freinage d’une motocyclette est très particulier, et même si le principe reste le même que celui d’une automobile, l’homogénéité de la moto est primordiale dans tous les cas de freinage. Les constructeurs œuvrent donc sur une répartition des masses optimale, afin d’obtenir un équilibre dynamique idéal. Quoi qu’il en soit les évolutions et les développements actuels issus du MotoGP et du Superbike se retrouveront demain sur nos routes. L’air du temps est à la gestion électronique du frein moteur et à la dissociation mécanique du maître-cylindre et de l’étrier, le tout évidemment géré par un ordinateur. De quoi sera fait demain ? Le freinage électrique serait à notre sens une bonne alternative, il présente l’avantage d’être très rapide et surtout « inusable ».

V
Maxime

J'en reviens plus précisément à la description mécanique des étriers de frein à fixation radiale dont les constructeurs se vantent d'équiper leurs sportives. Voilà la différence essentielle du montage entre axial, le montage classique jusqu'ici et radial dont on nous vante tous les mérites :
photo du haut les vis de fixation de l'étrier ( 1 ) sont parallèles à l'axe de la roue ( 2 ). fixation axiale
photo du bas, les vis de fixation de l'étrier ( 3 )  sont perpendiculaires à l'axe de la roue ( 4 ). fixation radiale


D'après les promoteurs de la solution radiale il paraît que la rigidité de l'ensemble est bien meilleure... et blablabla... Je laisse juger. Surtout au vu de ce montage "radial" dans lequel l'étrier est fixé sur d'interminables  et fines rallonges. Bonjour la rigidité!


A comparer avec ce montage classique, beaucoup plus compact et certainement plus rigide.


En fait il semble que le radial se soit développé simultanément avec la prolifération des fourches inversées. Le débat ici n'est pas de juger des qualités des fourches inversées mais de constater que le duo fourche inversée et grand diamètre des disques de freins n'est pas forcément compatible avec rigidité...

Il est certain que le montage d'un étrier classique sur une fourche classique serait la réponse au montage des disques de grand diamètre puisqu'on peut placer l'étrier n'importe où sur le fourreau de fourche.

Et en anecdote, j'ai constaté que les étriers "radiaux" sont même présents maintenant sur les vélos  

g2loq a écrit:5 - Conclusion

 L’air du temps est à la gestion électronique du frein moteur et à la dissociation mécanique du maître-cylindre et de l’étrier, le tout évidemment géré par un ordinateur. De quoi sera fait demain ? Le freinage électrique serait à notre sens une bonne alternative, il présente l’avantage d’être très rapide et surtout « inusable ».

  Article très intéressant résumant bien ce dont on entend parler sans vraiment toujours savoir à quoi ça correspond.

J'apporterai le complément suivant : Le modèle 1150RT de BMW avait en 2000 un dispositif dit de "freinage amplifié" géré électroniquement.

La manipulation de la poignée de frein ou de la pédale déclenchait un dispositif électrique qui augmentait la pression de freinage sur les étriers. Le tout contrôlé par plusieurs micro-processeurs qui interagissaient entre eux et assuraient le contrôle de l'ABS. Pour l'avoir utilisé, j'ai trouvé le système hyper efficace qui permettait d'avoir des freinages d'outre tombe dans la circulation en ile de France. En effet dès le début du freinage il pouvait être à son maximum, d'où un gain d'environ 1 seconde qui selon la vitesse de roulage correspond à 3 à 25 mètres. Hyper agréable.

La face cachée du système était que dès que l'on touchait aux freins, il y avait un bruit strident agaçant (cas de moto à l'arrêt dans une rue en pente). La seconde était la grande sensibilité du système impliquant pour ainsi dire de ne freiner qu'avec un doigt en situation normale.

Ce système à été abandonné par la suite.

Cela illustre la possibilité de freinage ajoutant l' "électrique" à l'hydraulique.

@Patrice, je respecte et j'admire ta science mais je ne suis sûr que tu aies raison sur ce coup-là. Je suis incapable de dire si la fixation radiale est x fois meilleure que la fixation radiale mais ton argument selon lequel la fixation radiale au bout de tiges fines contreviendrait à la rigidité ne me convainc pas, pour au moins deux raisons :
- la finesse d'une tige ne dit rien quant à sa rigidité, tout dépend de la qualité du matériau et aussi de la géométrie. Dans la 2e photo que tu publies, on voit bien qu'il y a un soutien/renfort de structure sur la partie basse alors qu'intuitivement/naïvement on aurait tendance à penser que le renfort devrait venir dans la partie supérieure. Et c'est sans doute pour ça que les étriers sont passés de devant la fourche (au siècle dernier ) à derrière la fourche (comme si les fourreaux bloquaient la contrainte exercée sur les étriers). Comme je suis confiant/crédule, je suppose que les simulations par ordinateur établissent clairement le gain à positionner les étriers de cette façon-là aujourd'hui.
- Je me souviens très bien des étriers fixés devant les fourreaux, puis derrière les fourreaux et je me souviens aussi très bien de la fois où j'ai essayé la S1000RR et ses freins radiaux (un tout premier modèle qui n'avait pas encore l'ABS). Le vendeur m'avait prévenu de la violence du freinage, il avait failli passer par-dessus bord. Et quand j'ai essayé la chiotte, j'ai failli tâter du bitume moi aussi. 



Axial ou radial, ça ne fait pas tout bien sûr et pour avoir eu une 1000 GEX 2008 avec freins radiaux Tokico sans ABS, comme celle-là



je trouvais que ça freinait moyennement.

La morale de l'histoire, c'est que les mobs qui sortent aujourd'hui freinent pas mal, dans l'ensemble, au point que je ne cherche plus à savoir si ça freine (MS 12 ; MT-10; S1000 XR ; Diavel X ; R1200 RS ; Street Triple RS) en plantant les freins pour voir.  Ce que je regrette, c'est que les freins de la mienne ne soient pas fortiches ! 

falcon a écrit:
La face cachée du système était que dès que l'on touchait aux freins, il y avait un bruit strident agaçant (cas de moto à l'arrêt dans une rue en pente). La seconde était la grande sensibilité du système impliquant pour ainsi dire de ne freiner qu'avec un doigt en situation normale.

Ce système à été abandonné par la suite.

J'avais ce freinage très efficace sur ma 1150 GS de 2004. Il a été reproduit sur la 1200 GS puis abandonné suite au soucis de freinage en cas de faiblesse de batterie. Le conducteur se retrouvait alors avec un freinage résiduel très dangereux.

Bonjour,
Sujet très intéressant
Merci pour ce post !
@+