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. Les frottements de la pièce en appui contre la surface de freinage provoquent un échauffement qui peut avoir de graves conséquences (éclatement du pneu, diminution soudaine de la puissance de freinage, blocage du frein) c'est pourquoi il est déconseillé de trop prolonger un freinage : il vaut mieux alterner le freinage avant et arrière sur une longue descente.

• 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, tasseaux grippés, problème dans la transmission du freinage ou dans le levier de frein.
  • Les patins ne doivent pas être positionnés trop haut : ils risquent alors de frotter contre le pneu et de provoquer son éclatement. Et les patins ne doivent pas être positionnés trop bas : le freinage sera affaibli 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.

Le principal inconvénient des freins sur jante est que le freinage est moins puissant par temps de pluie : les patins glissent sur la jante mouillée. Ce problème est beaucoup plus grave sur les jantes en acier que sur les jantes en aluminium.

Freins à étrier

Sur les freins à étrier (caliper brake), les mâchoires forment un arceau. Le frein est fixé sur le cadre à l'aide d'une vis-pivot (center bolt ou pivot bold) qui est fixée sur le l’entretoise rattachant les haubans ou les bases du cadre ou la tête de fourche qui doivent donc être percés. Le terme étrier désigne aussi la pièce chargée de presser les plaquettes de frein contre le rotor d'un frein à disque.

Les freins à étrier fonctionnent pas mal lorsque les jantes sont étroites. Par contre, plus la jante est large, plus les bras subissent des torsions lorsqu'on freine et moins le freinage est efficace.

Normalement tout les freins à étrier sont interchangeables si la vis pivot est assez longue ou s'ils permettent le positionnement correct des patins. Toutefois sur les vélos récents le trou de l'entretoise ou de la tête de fourche peut comporter un épaulement qui impose une vis-pivot particulière. Sur l'entretoise, le trou peut aussi être vertical, imposant là aussi un frein arrière adapté.

Les freins à étrier peuvent être à tirage latéral ou à tirage central.

Freins sur tasseaux

Les tasseaux (boss ou stud) sont des pivots sur lesquels sont fixés et pivotent les mâchoires de différents freins. Ils peuvent être munis d'un à trois trous prévus pour arrimer les ressorts de rappel. On peut ajuster leur tension en changeant le trou où est enfilé leur extrémité. La forme et la position des tasseaux varient suivent le type de frein :

• Les freins à tirage direct, plus connus sur l'appellation V-Brakes. Généralement, il est possible d'y mettre aussi des freins cantilever.
• Les freins cantilever. Ces tasseaux sont parfois légèrement plus longs que les tasseaux pour freins à tirage direct ce qui peut poser problème lorsqu'on souhaite les remplacer par ce type de frein.
• Sur les freins U-brake de certains BMX, les tasseaux sont montés au dessus des pneus contrairement aux autres.
• Les vieux freins à tirage central étaient aussi montés sur tasseaux. Ceux-ci sont plus petits et positionnés légèrement plus haut que les cantilever.
• La forme particulière des tasseaux pour frein hydraulique sur jante les rendent incompatibles avec les autres types de frein.

La plupart de ces freins sont fixés aux tasseaux à l'aide d'un vis qui doit être enduite d'un frein filet moyen (bleu) pour se prémunir de leur desserrage.

Frein à étrier à tirage latéral

Étrier de frein caliper

Les deux bras de l'étrier pivotent sur la vis-pivot qui rattache le frein au cadre ou à la fourche. Le câble Bowden arrive sur un des côtés de l'étrier, d'où son nom : la gaine vient prendre appui sur une butée réglable, en général en équerre, vissée sur le bras présentant une partie supérieure munie d'un trou fileté et le câble est fixé par une vis serre-câble sur l'autre bras, du même côté. Le fait d'actionner le levier, en tirant le câble fait se rapprocher la partie inférieure des deux bras, portant chacun un patin, les patins se rapprochent alors et viennent appuyer sur la jante pour freiner la roue.

Ce frein à tirage latéral (sidepull brake) est à simple pivot (single-pivot). La vis-pivot sert à la fois de pivot pour les mâchoires et de fixation pour l'étrier. Elle est donc soumise à de fortes tensions et le frein à tendance à se décentrer suite à un freinage puissant. Un des patins risque alors de frotter contre la jante, surtout si celle-ci est voilée. Pour contrer ce défaut, les cyclistes mécanicien-nes laissent souvent les patins très éloignés de la jante affaiblissant alors la puissance du freinage.

• Il y a un seul ressort de rappel fixé à la vis-pivot et prenant appui sur les deux bras de l'étrier. Le décentrage peut aussi être dù à un défaut dans la symétrie du ressort. On peut alors le rectifier du côté approprié pour qu'aucun des deux patins ne touche encore la jante lorsque que le levier de frein est relâché. Pour défaire, retendre et remettre l'extrémité concernée du ressort, on peut le faire à l'aide d'un outil très facile à fabriquer : on prend un tournevis plat dont la lame est abîmée et on creuse une entaille sur le haut de la lame à l'aide d'une lime tiers-point ou d'une queue-de-rat. L'entaille va nous permettre de manipuler facilement l'extrémité du ressort sans que celle-ci ne ripe. Il est aussi possible de remplacer le ressort.
• Ces modèles ont aussi tendance à prendre du jeu (play) au niveau de l'axe pivot. Pour enlever ce jeu, il faut resserrer la vis de l'axe et mettre un contre-écrou sans trop serrer pour ne pas bloquer les mâchoires. Pour verrouiller ce réglage on a donc besoin de deux clés : une clé mixte ou à pipe (en général de 10) pour l'écrou borgne et une clé fine prévue à cet effet pour le contre-écrou.
• On trouve parfois un mécanisme appelé détache-rapide (quick release) à vis ou à levier (actionnant une came), monté avec la butée réglable. Ce dispositif permet d'écarter les patins de la jante lorsqu'on souhaite ôter la roue sans perdre le réglage de la tension du câble.
• Ces freins étaient très fréquents sur la plupart des vélos avant l'arrivée des VTT. C'est leur principal avantage. Il y a en effet pas mal de tailles disponibles : étrier large ou étroit suivant la largeur de la jante ; étrier court ou long, suivant la distance entre la jante et la vis-pivot.

Frein à double pivot

L’étrier à double pivot (dual-pivot) est une adaptation moderne de l’étrier à tirage latéral. Un bras pivote au centre, comme pour un frein à tirage latéral ; tandis que l'autre pivote sur un des côtés. Il apporte des améliorations essentielles :

• Il offre un meilleur avantage mécanique ce qui rend le freinage plus puissant.
• Le centrage du frein est plus stable et une vis de réglage permet de l’ajuster de manière plus fine.
• Comme le frein ne se décentre plus, les patins peuvent être positionnés plus près de la jante rendant le freinage encore plus puissant.

Sur les cadres récents, les trous de la tête de fourche ou de l’entretoise des haubans sont fraisés pour accueillir un écrou qui ne sera plus visible et qu’on pourra serrer à l’aide d’une clé Allen. C'est sans doute un des meilleurs freins sur jante disponible sur le marché : freinage puissant, facile à régler, prix accessible: mais on les trouve surtout en version courte et étroite, pour des routiers.

Frein à étrier à tirage central

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

Les bras d’un étrier à tirage central (centerpull brake) sont reliés au câble principal par un câble de liaison (straddle cable ou transverse cable) appelé aussi cavalier, pontet ou câble d’étrier. Le câble principal est fixé à l’aide d’une vis serre-câble sur un crochet triangulaire dénommé crochet de cavalier, triangle de cavalier ou chape-relais (yoke ou triangle) qui supporte le cavalier. Celui-ci est rattaché aux extrémités de chaque bras de l’étrier formant alors un V inversé. Le tirage central actionne les deux bras du frein, chacun sur un pivot différent et plaque les patins contre la jante. L’étrier est fixé par une vis centrale (mounting bolt) au cadre ou à la fourche.

• La vis-pivot centrale ne sert plus qu’au centrage de l’étrier et sa fixation sur le cadre. Ce frein se décentre donc rarement, contrairement aux étriers à tirage latéral. On peut les donc rapprocher un peu plus les patins de la jante pour obtenir un freinage plus puissant. D’où leur réputation d'être plus efficaces que les freins à tirage latéral.
• Il peut y avoir un seul ressort de rappel fixé à la vis-pivot ou deux ressorts enroulés sur chacun des pivots latéraux. On peut équilibrer la symétrie du ou des ressorts avec un tournevis entaillé comme sur les étriers à tirage latéral. Par contre le ressort est plus difficile, voire impossible, à remplacer.
• Le jeu entre les deux mâchoires peut se régler l’aide des deux vis des pivots latéraux. C’est rarement nécessaire.
• Les butées pour la gaine du câble principal sont généralement des pièces qu’il faut rajouter au cadre : rondelle butée dans le jeu de direction pour le frein avant et butée en V fixée sur la vis du collier de selle pour le frein arrière. Ces butées sont souvent dépourvue de filetage. Il faut alors mettre une butée simple amovible à la place d’une butée réglable pour retenir la gaine. Il sera alors plus difficile de compenser l’usure des patins.
• Le cavalier comporte souvent une goupille à un bout qui permet de le détacher. Cela permet d’écarter les patins de la jante lorsqu’on souhaite ôter la roue sans perdre le réglage de la tension du câble. L’autre extrémité peut aussi est munie d’une tête de câble, en général sphérique, parfois en tonneau ou être fixée à une des mâchoires à l’aide d’une vis serre-câble. Dans ce cas, il sera alors possible d'ajuster la longueur du cavalier.
• La longueur du câble de liaison détermine l’angle formé par ses deux bras sous le crochet triangulaire (angle du V). Cet angle détermine la puissance de freinage : plus cet angle est large (angle obtus) et plus le freinage sera puissant.
• Le câble principal peut être positionné devant ou derrière le crochet de cavalier, cela n’a pas vraiment d’importance, pourvu qu’il soit serré correctement : il faut éviter que l’écrou touche directement le câble sinon il risque de s’éffilocher.
• Le câble de liaison complique l’installation et le réglage de la tension du câble, c’est le principal défaut de ce type de frein.
• On peut fixer des patins à vis lorsque la glissière des mâchoires est parallèle à la jante ou des patins à tige lorsqu'elle est perpendiculaire à la jante. Dans ce cas, il est alors possible d'ajouter des rondelles sphériques qui, comme les freins cantilever, permettent de régler le toe-in des patins (la partie avant du patin est placé très légèrement (1 mm) plus proche de la jante que l’arrière pour un meilleur freinage).
• Ces freins équipaient surtout les vélos de ville, mais pas que : les freins Mafac en particulier équipaient même les vélos de course dans les années 70-80. Il y a donc peu de tailles disponibles.

Frein cantilever

Étrier de frein sur tasseaux appelé cantilever

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.