Frein

En cours de reconstruction

Description

Les freins servent à ralentir le vélo puis à l’arrêter.

Pour freiner son vélo, el cycliste actionne un ou deux leviers de freins (brake levers). La puissance (power) de freinage est transmise ensuite par un câble (cable), un liquide ou une tringle aux freins proprement dit. Les mâchoires ou bras (brake arm) de ceux-ci vont appuyer une ou deux pièces, en général des patins ou des plaquettes (en anglais pads s'emploie aussi bien pour les patins que pour les plaquettes), contre la surface de freinage (braketrack) : la jante (rim) de la roue, ou bien un disque (rotor) ou un tambour (drum) fixé sur le moyeu de la roue. Un ressort de rappel (return spring) ramène ensuite les mâchoires en position de repos dès que les leviers sont relâchés. L’efficacité du freinage dépend du bon réglage (adjustment) et entretien (overhaul) des freins mais aussi de l’accroche (grip) des pneus. Cette dernière dépend de la bonne adéquation entre la structure de sa chape (sculptures de la bande de roulement = tread) et sa pression de gonflage (air pressure ou inflation) avec la nature du sol.

Il y a un frein sur chaque roue du vélo. Le freinage à l’avant (front) est plus puissant (le freinage pousse la masse du vélo vers l'avant, forçant la roue avant à rester en appui contre le sol) mais plus dangereux (el cycliste risque de faire un soleil, de basculer devant sa monture). Le freinage à l’arrière (rear) est moins efficace : la roue arrière à tendance à se décoller du sol pendant le freinage et le vélo peut déraper. Comme dit l'adage : « on utilise le frein arrière pour ralentir et le frein avant pour s'arrêter ». Sur les pignons fixes, les freins peuvent être inutiles à l'arrière, si le cycliste est chevronné : celui-ci peut ralentir la roue arrière en ralentissant sa fréquence de pédalage.

• En général, les différentes pièces du freinage comporte des éléments qui pivotent entre eux ou sur une pièce du cadre. Lors de l’entretien des freins, il est donc recommandé de lubrifier ces pivots (pivots), en général à l’huile de chaîne.

Variantes

Transmission par tringle

Sur un frein à tringle (rod brake), la puissance de freinage est transmise par des tringles reliées entre elles par des pivots.

On trouve ce type de transmission ancien sur les freins à patin, les freins à tringle sur jante et certains freins à tambour.

Frein à patin

Avant l'introduction des freins sur les bicyclettes, les cyclistes freinaient en posant un pied sur le pourtour de la roue. Les freins à patin (spoon brake) sont les premiers types de frein imaginés, inspirés par cet usage, avant même l'invention du pneu. Pour freiner, les tringles pousse un gros patin sur la bande de roulement du pneu.

On trouve ce type de frein sur des vélos anciens mais aussi sur la roue avant de certains vélos bas de gamme pour enfant à rétropédalage.

Frein à tringle sur jante

Sur ce type de frein, les tringles poussent deux patins vers l'intérieur de la jante. Ils exigent des jantes spéciales, dites en chapeau de gendarme (Westwood rim) où la surface de freinage ne se situe pas sur ses flancs mais sur son pourtour interne, de chaque côté, la partie centrale d'où partent les rayons étant surélevée.

On trouve ce type de frein sur des vélos anciens et certains roadsters asiatiques.

Transmission par câble

La puissance de freinage est transmise par un câble Bowden composée d'un câble, de gaines et de butées.

Le réglage de la tension du câble (cable tension) permet d'ajuster l’éloignement des patins ou des plaquettes par rapport à la surface de freinage. S'ils sont trop proches, le freinage sera trop sec et ils risquent de frotter contre la surface de freinage lorsque les leviers sont relâchés ; s’ils sont trop éloignés, le freinage sera trop mou et le levier du frein risque de toucher la poignée ou le cintre lors d’un freinage brutal. Un arrêt de gaine réglable permet de compenser leur usure en les rapprochant à nouveau vers la surface de freinage.

On trouve ce type de transmission sur tous les freins sur jante (à l'exception des freins hydrauliques sur jantes), sur la plupart des freins à tambour (à l'exception du frein à rétropédalage) et sur les freins à disque mécanique.

Transmission hydraulique

La puissance de freinage est transmise par un liquide de frein (brake fluid) passant à travers une durite (hose) qui relie le levier de frein à l’étrier (caliper) du frein.

• Il y a deux sortes de liquides incompatibles : synthétique (DOT) ou minérale. Le choix dépend des joints du circuit hydraulique et donc du fabricant. Le liquide reste incompressible tant qu'il reste sans air ni eau. Suite à des freinages constants ou répétés, l'échauffement des plaquettes qui est transmis au liquide peut le mettre en ébullition, ce qui le rend compressible. La pluie peut aussi dénaturer le liquide. Lorsque le liquide devient compressible, des bulles d'air se créent dans le circuit hydraulique, et le freinage devient mou (spongieux) et inefficace. Il faut alors réaliser une purge (bleeding) pour évacuer ces bulles d'air gênantes.
  • Le DOT doit être à base de poly-glycol (donc le DOT 5 ne convient pas), sa température d'ébullition est très élevé mais craint la pluie, il est corrosif et peut donc abîmer la peinture du vélo.
  • Le minéral est hydrophobe et ne craint donc pas la pluie mais il supporte moins bien des températures élevées.
• La durite est gainée d'un tressage en inox pour éviter toute dilatation suite à l'échauffement du liquide pendant le freinage. Elle se coupe à l'aide d'un outil spécifique, un coupe-durite.
• Le levier de frein est muni d'un piston appelé maître cylindre (master cylinder) qui pousse le liquide dans la durite lorsqu'il est actionné.
• L'étrier de frein est équipé d'un ou plusieurs pistons (pistons) qui poussés par le liquide vont appuyer les patins ou les plaquettes contre la surface de freinage.

La transmission hydraulique donne un freinage beaucoup plus puissant que les autres transmissions, mais il est plus cher et plus compliqué à l'entretien.

On trouve ce type de transmission sur les freins hydrauliques sur jantes) et sur les freins à disque hydraulique.

Freinage sur jante

Le freinage sur jante utilise des patins de freins qui viennent serrer les deux côtés de la jante pour freiner la rotation de la roue et ralentir le vélo.

Le freinage est optimal lorsque les deux patins arrivent pile-poil sur la jante au même endroit et rapidement au même moment.

• Les patins doivent être positionnés dans le respect de cette règle :
  • Ils ne doivent pas être trop éloignés de la jante lorsque le levier de frein est relâché. Si l'éloignement n'est pas le même à droite et à gauche, un des patins risque de frotter contre la jante et le freinage ne sera pas optimal. Il faut alors revoir le centrage (centering) du frein :
    • L'étrier n'a pas été centré correctement lors du serrage de sa vis pivot (Freins à étrier)
    • Les ressorts de rappel peuvent être défectueux ou mal réglés.
    • Les pistons sont mal réglés (Frein hydraulique sur jante).
    • Il y a d’autres causes possibles : frein tordu, patins mal positionnés ou faisant ventouse sur la jante, problème dans la transmission du freinage ou dans le levier de frein.
  • Les patins ne doit pas être positionné trop haut : ils risquent alors de frotter contre le pneu et de provoquer son éclatement. Et les patins ne doit pas être positionnés trop bas : le freinage sera faible et ils s’useront de manière inégal.
  • Dans l’idéal, les patins ne devraient pas arriver exactement parallèles à la jante : la partie avant du patin devrait être très légèrement (1 mm) plus proche de la jante que l’arrière pour un meilleur freinage. En anglais cet ajustement s’appelle toe-in, ce qui pourrait se traduire par orteils rapprochés.
  • Les patins couinent (squeal) au freinage lorsqu’ils sont mal positionnés.
• Lorsque les mâchoires du frein sont tordues (bent) les patins n'arrivent pas au même endroit. On peut tenter de détordre un étrier à l'aide de deux clés à molette sinon il faudra remplacer le frein défectueux.

Frein à étrier à tirage latéral

Étrier de frein caliper

Ils sont composés de deux bras de levier ayant un point de pivot commun situé au centre de la fourche au dessus de la roue. La gaine vient prendre appui sur un bras en haut et le câble est fixé sur l'autre bras, du même côté. Le fait d'actionner la manette, en tirant le câble fait se rapprocher les deux bras. les deux bras de levier ayant chacun un patin de frein en bout, lorsqu'un actionne la manette, les patins se rapprochent et viennent appuyer sur la jante et la freiner. Ce système est appelé frein à tirage latéral (caliper brake) était très fréquent sur la plupart des vélos avant l'arrivée des VTT. De part leur conception ces freins à tirage latéral ont moins de bras de levier et développent moins de force de serrage que les autres types de freins. Leur efficacité laisse parfois à désirer. Ces modèles ont aussi tendance à prendre du jeu au niveau de l'axe. Pour enlever ce jeu, il faut resserrer la vis de l'axe et mettre un contre-écrou sans pour autant serrer au point de bloquer les mâchoires sinon le frein restera bloqué. Ces freins ont aussi tendance à ne pas rester centrés par rapport à la jante. Il faut dans ce cas il vérifier la symétrie du ressort et le rectifier du côté approprié pour qu'aucun des deux patins ne touche encore la jante lorsque que la poignée de frein est relâchée.

Frein à double pivot

À noter qu'il existe des versions plus récentes de ces freins à tirage latéral : les freins à "double pivot": un des bras du frein tourne autour de l'axe et l'autre autour d'un deuxième pivot qui est situé sur le premier bras. L'avantage est que ça démultiplie la force de serrage ce qui améliore considérablement le freinage. Cette version se trouve sur les vélos de "course/route" relativement récents (fin des années 80 au plus tôt). Autre avantage pour le mécano, ces freins comportent une vis de réglage du centrage du frein ce qui est plus simple que d'agir directement sur le ressort. Leur freinage est efficace et souple.

Frein à étrier à tirage central

Étrier sur axe de frein de la marque Mafac (années 1970)

Frein cantilever

Étrier de frein sur tasseaux appelé cantilever

Il existe d'anciens type de freins à tirage central qui ont toujours eu la réputation d'être plus efficaces que les freins à tirage latéral. Un tirage central actionne deux bras, chacun sur un pivot différent qui plaque les patins contre la jante. Les freins Mafac en particulier équipaient même les vélos de course dans les années 70-80. Adopté depuis longtemps pour les vélos de cyclo-cross ou de randonnée, il existait aussi à cette époque des freins à tirage central sans étrier avec leviers courts montés sur des pivots directement brasés sur la fourche et les haubans du cadre. Ce type de frein offre un dégagement maximal de la roue et évite que la boue ou les feuilles ne viennent se coller comme elles le feraient sous l'étrier d'un frein classique qui ne laisse que peu d'espace autour du pneu. C'est tout naturellement ce type de frein à tirage central qui a été adopté et légèrement amélioré sur les premiers VTT sous l'appellation "cantilever". Ils donnent un freinage souple, assez efficace mais parfois insuffisant.

Voir aussi Régler des freins cantilever

Frein à tirage direct

Étrier de frein V-brake

Les "V-brake" tirent le meilleur parti des deux systèmes: ce sont des freins à tirage latéral avec de longs leviers montés sur pivots brasés. Ils sont très puissants grâce à la longueur des leviers et les plus faciles à ajuster comme il est possible de régler indépendamment le ressort de chaque bras de façon à centrer les patins par rapport à la jante. Ils nécessitent des poignées de freins spécifiques type V-Brake qui offrent une course de câble suffisante. Si la puissance de freinage des V-brakes est souvent un avantage, elle conduit aussi à une usure plus rapide des patins et de la jante. Pour éviter le risque de blocage de la roue avant, il est possible de monter un petit ressort encapsulé qui se monte entre la gaine et le frein et qui fait office 'ABS". Les V-Brakes donnent un freinage très puissant, qui peut conduire au blocage de roue et dérapage sur chaussée glissante.

Frein hydraulique sur jante

Un système de freins qui s'est développé durant les années 90 pour les VTT puis pour les vélos de voyage. Ce type de frein est très efficace et puissant, au point de pouvoir tordre les haubans arrière du vélo! Il sont assez couteux, peu répandu, et d'un entretien plus complexe que les autres freins à patins.

freins hydraulique à patins (magura)

freins hydraulique à patins (magura)

Freinage sur moyeu

Frein à tambour

On peut placer dans cette catégorie les trois types de freins intégrés au moyeu: freins à tambour classiques avec des garnitures qui viennent en appui à l'intérieur du tambour pour freiner la roue, frein par rétropédalage intégré au moyeu arrière et freins Shimano roller-brakes (une série de galets métalliques sont plaqués sur le tambour). Ce type de freins, typiquement utilisé sur les vélos hollandais et les VLS est à réserver à des vélos urbains car à cause de l'échauffement ils supportent mal un freinage prolongé (descente très pentue ou longue), ils réclament peu d'entretien, fonctionnent aussi bien sous la pluie et offrent un freinage souple.

Attention, les freins roller-brakes s'échauffent très rapidement (les modèles les plus récents sont d'ailleurs munis de disques de refroidissement en alu, plus ou moins grands, lisses ou à ailettes) et leurs galets doivent baigner dans une graisse spéciale résistant à la chaleur (ne jamais utiliser une graisse ordinaire, ne jamais utiliser un frein non graissé). A défaut de graissage régulier, ces freins peuvent se bloquer soudainement et si c'est sur la roue avant, le cycliste peut être catapulté par dessus son vélo.

Frein à disque

Le système est inspiré de celui qui équipe les motos: une mâchoire à deux plaquettes fixée au cadre ou à la fourche vient pincer un disque fixé sur le moyeu de la roue. Ce type de freins ne peuvent être montés que sur des vélos prévus à l'origine pour en recevoir, dont le cadre et la fourche comportent les points de fixation nécessaires.

Les freins à disques sont soit commandés par câble soit commandés par liquide hydraulique (freinage nettement plus puissant). Les avantages sont la puissance de freinage, le fait qu'ils n'usent pas la jante et sont peu sensibles à la pluie ou à la boue. C'est un avantage décisif en tout terrain et ce type de freins est dorénavant devenu le standard sur les VTT. Par contre ils sont plus couteux à l'achat comme en entretien. La purge d'un circuit de frein hydraulique est une opération délicate car il faut veiller à ne pas introduire de bulle d'air dans la tuyauterie.