Frein

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Exemple d'emplacement des freins

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

  • Levier d’un frein à patin. Remarquez le ressort de rappel sous le levier.

  • Transmission par tringle, avant et arrière.

  • Frein à patin.

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

  • Étrier d’un frein à tringle sur jante.

  • Jante en chapeau de gendarme.

  • Frein à tringle vue de profil. Les ressorts de rappels sont sous les patins.

  • Frein à tringle sur jante vu en contreplongée. Les patins montent en appui contre la jante en chapeau de gendarme pour freiner la roue.

  • Homme et chien avec un vélo dont les freins sont 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 chaîne

La puissance de freinage est transmise par la chaîne lorsqu’el cycliste pédale à l’envers (rétropédalage).

  • Seule la roue arrière peut être freinée avec ce type de transmission et il ne sera pas possible de monter un dérailleur arrière ou un tendeur de chaîne à deux galets.
  • La chaîne doit être en bon état et suffisamment tendue : si la chaîne déraille ou casse, il n’y a plus de frein.
  • Le diamètre du pignon influe sur le comportement du freinage : plus le pignon est petit, plus le freinage sera vif, inversement plus le pignon est grand, plus le freinage sera puissant.
  • Il faut être attentif au nombre de dents du pignon et du plateau, surtout sur un fixie. Ils vont déterminer le nombre de zones du pneu qui seront usées lors du freinage. Plus ce nombre est important, plus l’usure est bien répartie et la durée de vie du pneu sera prolongée. Pour calculer ce nombre (r’), il faut simplifier la fraction (nombre de dents du plateau / nombre de dent du pignon). Avec p = nombre de dents du plateau et r = nombre de dents du pignon), on obtient p’/r’ = p/r, avec p’ = p/PGCD(p,r) et r’=r/PGCD(p,r). Dans l’idéal, le PGCD devrait être à 1. Si on est ambidextre, c’est à dire qu’on peut freiner aussi bien de la pédale gauche ou droite, on peut multiplier par deux le nombre de zones d’usure [1].
  • Aucun câble ni levier de frein n’est nécessaire.
  • Le démarrage est un peu délicat, puisqu’on ne peut rétropédaler pour mettre les manivelles dans la bonne position.

Ce type de transmission est utilisé pour freiner la roue arrière des vélos équipés de pignons fixes et sur les freins à rétropédalage.

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 minéral. 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 pour évacuer ces bulles d’air gênantes.
    • Le DOT doit être à base de poly-glycol (DOT 3, DOT 4 4 ou DOT 5.1, attention 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. Il est utilisé par Sram Avid et Hope.
    • Le minéral est hydrophobe et craint moins la pluie mais il supporte moins bien des températures élevées. Il est utilisé par Shimano, Magura et, Tektro.
    • Pour les marques Formula et Hayes, le choix du fluide dépend du modèle.
  • La durite peut être en plastique téflonné qui se coupe à l’aide d’un cutter ou d’un couteau, ou peut être gainée d’un tressage en inox (durite aviation) pour éviter toute dilatation suite à l’échauffement du liquide pendant le freinage. Elle se coupe alors à l’aide d’un outil spécifique, un coupe-durite. Le frein est souvent plus réactif à l’avant qu’à l’arrière, à cause de la différence de longueur entre les durites avant et arrière. Remplacer des durites en plastique par des durites aviation résoud parfois le problème.
  • Le levier de frein est muni d’un piston appelé maître cylindre (master cylinder) qui pousse à travers une membrane le liquide provenant d’un réservoir (reservoir), appelé aussi vase d’expansion (expansion chamber), dans la durite lorsqu’il est actionné.
  • L’étrier de frein est équipé d'un ou plusieurs pistons (pistons), appelés cylindres récepteurs (slave cylinders) qui poussés par le liquide vont appuyer les patins ou les plaquettes contre la surface de freinage. On peut trouver jusqu’à 6 pistons dans un étrier : plus il y a de pistons plus la puissance de freinage est multipliée. Les pistons ont parfois des diamètres différents pour obtenir un freinage plus progressif.
  • La purge (bleeding) a deux objectifs : évacuer les bulles d'air et remplacer le liquide de frein. En théorie il devrait y avoir deux procédures différentes, mais dans la réalité les fabricants ne proposent qu’une seule façon de faire.
  • La fuite (leak) du fluide hors du circuit hydraulique est un des dysfonctionnements les plus graves qui peut survenir sur ce type de frein : la transmission ne se fait plus et le liquide peut venir polluer les pièces de freinage.
  • Les pièces internes du circuit hydraulique se nettoient à l’alcool isopropylique et se lubrifient avec le liquide de frein.

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. Plus la jante est grande (en diamètre) moins il y a de risque de surchauffe.

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. Ainsi, lors du freinage, le patin entraîné par la jante sera plaqué contre celle-ci. A l’inverse, un patin attaquant par l’arrière aura tendance à s’ouvrir et à contrarier l’effort de freinage. Il se mettra alors à vibrer, et à couiner.
    • Les patins couinent (squeal) au freinage lorsqu’ils sont mal positionnés.
    • Mais le frein peut « crier » pour d’autres raisons, par exemple lorsque des petits grains d’aluminium ou autres corps étrangers ont pu s’incruster dans le patin. Avec du papier abrasif, il alors est possible de lui donner une seconde jeunesse.
  • 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. Un autre défaut, est que la jante ne doit pas être trop voilée, sinon elle risque de frotter contre les patins et cela peut même diminuer la puissance du freinage lorsque le voile est important.

Freins à étrier

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.

Frein à étrier à tirage latéral

  • Étrier à tirage latéral simple pivot

  • Étrier de frein avec tirage latéral à droite

  • Étrier de frein avec tirage latéral à gauche

  • Étrier de frein à triple pivot

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
Étrier de 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.

Il existe aussi des freins à triple pivots : un pivot central qui maintient l’étrier et deux pivots latéraux sur lesquels pivotent les mâchoires du frein.

Frein à étrier à tirage central

Étrier à tirage central de 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.
Chape-relais et son cavalier
  • 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.

Freins sur tasseaux

Tasseau avec ses trois trous d’ancrage
Mâchefrein (en rouge)

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. La forme et la position des tasseaux varient suivent le type de frein :

Autres particularités :

  • On fixe les mâchoires aux tasseaux à l’aide d’une vis de fixation (mounting bolt). Il est important que cette vis ne puisse pas se desserrer, la rondelle est donc indispensable et on met souvent du frein filet moyen (bleu) par précaution.
  • Il faut bien faire attention à placer l’extrémité du ressort sur un des trous du tasseau, sinon le ressort de rappel ne fonctionnera pas. Parfois, l’autre extrémité du ressort se prolonge pour se mettre en butée à l'intérieur de la mâchoire du frein. Il y a alors un risque que le ressort ne soit plus en butée à chaque fois que le câble est détendu : pensez-bien à vérifier que les ressorts sont arrimés correctement à chaque fois que le câble est remis en tension.
  • Les tasseaux peuvent avoir des longueurs différentes suivant les vélos : il faut vérifier que la pièce souvent en plastique qui maintient le ressort à la mâchoire soit à la bonne longueur sinon la mâchoire ne pivotera plus (pièce trop longue) ou aura un jeu trop important (pièce trop courte). Cette pièce est difficile à remplacer car il y a beaucoup de modèles différents qui ne sont pas interchangeables.
  • Pour centrer les freins, une vis (spring tension screw) permet d’ajuster la tension du ressort de rappel. Elle est située au bas d’une (cantilever) ou des deux (V-brake) mâchoires. On peut aussi ajuster la tension des ressorts en changeant le trou où est enfilé leur extrémité. En dernier recours, il faudra changer de ressort.
  • Lorsqu’on freine brutalement sur un frein à tasseaux, les haubans ou les fourreaux de la fourche ont tendance à s’écarter légèrement de la jante, diminuant ainsi la puissance du freinage. Pour éviter ce problème on peut rajouter une pièce en fer à cheval appelée mâchefrein ou arceau rigidificateur (brake booster) qui renforce ces tubes pour que les patins ne s’éloignent plus de la surface de freinage. Le terme arceau rigidificateur s’emploie aussi pour qualifier l’arceau des fourches suspendues.

Vieux freins à tirage central

Vieux MAFAC, CLB, freins Terrot… Il y a pas mal de modèles différents. Les mâchoires sont fixées et pivotent sur des tasseaux. Ceux-ci sont plus petits et positionnés au-dessus des jantes. Les patins sont situés sous les tasseaux. Le tirage est central. Il y a plusieurs dispositifs pour appuyer les patins contre la jante :

  • Les mâchoires sont parallèles à la roue avec une jolie courbe sinueuse, le tirage écarte le haut de mâchoires pour ramener les patins vers la jante, soit par un dispositif articulé qui fait penser aux freins Delta de Campagnolo, soit à l’aide d’une pièce en arc de cercle qui écarte les mâchoires lorsqu’elle est tirée par le câble.
  • Les mâchoires sont en arceau et se croisent au-dessus du pneu. Un câble de liaison fournit le tirage central exactement comme un étriers à tirage central. La seul différence est que les mâchoires sont montées sur des tasseaux à la place de l’étrier. C’est à la fois l’ancêtre des freins U-brake et des étriers à tirage central.

Frein U-brake

Les mâchoires sont fixés aux tasseaux comme les cantilever mais les mâchoires forme des arceaux qui se croisent au-dessus des pneus. Un câble de liaison fournit le tirage central comme les étriers à tirage central. Ainsi la mâchoire gauche est reliée à l’extrémité droite du câble de liaison et vice versa. Par contre les tasseaux sont placés au-dessus de la jante comme les vieux freins à tirage central mais ils sont plus grands, de la même taille que les cantilever.

On trouve ce type de frein sur des BMX, le frein ne dépassant pas latéralement du vélo contrairement aux autres freins à tasseaux. Il y a alors moins de risque que le frein heurte un obstacle lors de figures de style du cycliste.

Frein cantilever

  • Frein cantilever

  • Demi-cavaliers

  • arceau rigidificateur avec butée

Deux mâchoires cintrées vers l’extérieur pivotent et sont maintenus sur des tasseaux à leur extrémité inférieure. Un tirage central arrimé à l'autre extrémité de chaque bras rapproche les patins fixés un peu au-dessus des tasseaux.

Adoptés depuis longtemps pour les vélos de cyclo-cross ou de randonnée, les freins cantilever (cantilever brake) offrent deux avantages :

  • Ce type de frein offre un dégagement (clearance) 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.
  • Ils fonctionnent mieux sur les jantes larges que les freins à étrier dont les bras subissent de fortes torsions lorsqu’on freine, ce qui rend le freinage moins efficace.

C'est tout naturellement ce type de frein qui a été adopté et légèrement amélioré sur les premiers VTT (MTB ou mountain bike). Ils donnent un freinage souple, assez efficace mais parfois insuffisant.

Le câble de liaison peut avoir deux formes :

  • Soit un cavalier comme les étriers à tirage central.
  • Soit un demi-cavalier, appelé aussi câble pont (link wire), sur les cantilever plus récents, le triangle du cavalier est remplacé par une pièce ronde qui déporte le câble vers un des bras à travers un guide-câble en plastique. De l'autre côté, un bout de câble avec une tête en tonneau et prolongée d'une goupille est fixé à l'autre bras. Le guide-câble est fragile : sont état doit être vérifié lors de l'entretien du vélo. Si on coupe ce guide-câble pour le réparer, le câble de liaison ne sera plus symétrique et le freinage sera défectueux. Il sera donc préférable de le remplacer.
  • Comme les autres freins à tirage central, les butées pour la gaine du câble principal doivent parfois être rajoutées 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 peuvent être dépourvues de filetage. Il faut alors mettre une butée simple amovible. Par contre le levier de frein comporte normalement un barillet permettant de compenser facilement l’usure des patins. Les potences de VTT sont parfois munis d'une butée pour le frein avant.
  • Le cavalier comme le demi-cavalier comportent en général 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 est fixée à une des mâchoires à l’aide d’une vis serre-câble.
  • Sur les vieux freins cantilever, le serrage du câble est plus bas et plus éloigné de la jante que les cantilever récents. Ceux-ci sont moins cintrés vers l'extérieur et les VTT étant plus bas, le talon du cycliste pouvait cogner contre des vieux cantilever. La géométrie des mâchoire a une influence directe sur la puissance de freinage. L’avantage mécanique des freins cantilever dépend du levier de frein et surtout du rapport entre la distance du pivot à la partie du câble de liaison la plus proche du pivot et la distance du pivot au patin de frein mais aussi de l’angle du câble de liaison par rapport à l’horizontal. On peut simplifier ainsi : plus le câble de liaison est proche de l’horizontal et plus l’angle formé entre l’axe partant du pivot au serrage de câble et l’axe partant du pivot au patin de frein est proche de 90° et plus le freinage sera puissant [2].
  • Comme pour l’étrier à tirage central, le câble de liaison complique l’installation et le réglage de la tension du câble, même si c'est beaucoup plus simple avec un demi-cavalier.
  • Si un des câble se rompt, le câble de liaison peut être tiré par les crampons du pneu arrachant alors l’un ou les deux bras du frein. C’est pourquoi on place un crochet de sécurité (safety hook) sous le câble de liaison qui empêche celui-ci d’atteindre le pneu lorsqu’il y a rupture. Il est fixé sur la tête de fourche et est indispensable sur un VTT dépourvu de garde-boue.
  • Le tirage central rend les freins cantilever difficilement compatibles avec une fourche suspendue. La seule solution est de monter la butée de gaine sur l’arceau rigidificateur.

Les patins sont toujours à tige :

  • Ils se fixent à l'aide de rondelles sphériques qui 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). Malheureusement, avec ce type de fixation, il est très difficile à positionner correctement les patins.
  • On peut rapprocher ou éloigner les patins de la jante en déplaçant le pivot du patin le long de sa fixation.

Frein à tirage direct

Frein à tirage direct
Éclaté d'un frein à tirage direct
Exemple de modulateur de puissance

Deux mâchoires pivotent et sont maintenues sur des tasseaux à leur extrémité inférieure. Le câble passe d’abord à l’intérieur d’une pièce coudée, le coude V-brake (noodle), sur lequel la gaine est en butée. L’autre extrémité du coude présente un épaulement permettant de le mettre en appui sur une pièce articulée rivetée à une des mâchoires, dénommée étrier (stirrup). Le câble passe ensuite au-dessus du pneu, enfilé dans un cache-poussière, un soufflet (boot) en caoutchouc, avant d’être fixé à l’autre mâchoire par une vis serre-câble. Le soufflet protège de la boue et de la poussière la partie nue du câble entre les deux bras. Lorsqu’on actionne le levier de frein, le tirage rapproche les deux patins fixés un peu au-dessus des tasseaux.

« V-brake » est un nom de marque de Shimano ; l’appelation correcte devrait être frein à tirage direct (direct-pull brake) ou frein à tirage linéaire (linear-pull brake). Il a sans doute été inventé pour les fourches suspendues car celles-ci ne peuvent pas accueillir de freins cantilever.

  • Les leviers de frein n’ont pas le même tirage de câble (cable pull) que les autres. Pour différencier les leviers de frein V-Brake, il faut mesurer la distance entre le pivot du levier et l’endroit ou devrait s'arrimer la tête du câble lorsque celui-ci est tendu : sur un levier pour frein à tirage direct, cette distance est de 34 mm, elle est inférieure à 30 mm sur les leviers pour cantilever et la plupart des autres freins.
  • Pour dégager le pneu lorsqu’on souhaite enlever la roue, il suffit de décrocher le coude de l’étrier (la pièce mobile qui maintient le coude V-brake sur une des mâchoires) riveté à une des mâchoires.
  • Cet étrier reste la partie la plus fragile du frein. Elle est souvent de médiocre qualité et peut se déformer à chaque fois qu’on démonte et remonte la roue. Si l’étrier est trop écarté, le coude peut se déloger sans prévenir lors d’un freinage puissant, rendant celui-ci inopérant. Il faut donc surveiller l’état de cette pièce à chaque remontage de roue. On peut resserrer l’étrier avec une pince multiprise au besoin.

Les patins sont à vis sur les modèles récents et à tige sur les modèles plus anciens :

  • Les patins à tiges (pinned pads ou threadless-stud pads) sont similaires à ceux des freins cantilever et sont comme eux très difficile de positionner correctement.
  • Les patins à vis (screwed pad ou threaded-stud pads) ont été conçus pour rendre leur positionnement plus aisé. Les rondelles sphériques doivent être enfilées dans le bon ordre pour que le patin soit positionné facilement et correctement : les rondelles bombées (convexes) doivent être en appui de part et d’autre de la mâchoire du frein, et chaque rondelle creuse (concave) est placée de façon à épouser la partie bombée des rondelles convexes. Les rondelles creuses ont deux épaisseurs différentes. On peut alors adapter l’éloignement des patins à une jante plus large en mettant la plus épaisse vers l’extérieur et la plus fine vers l’intérieur, et réciproquement lorsque la jante est plus étroite. Ces patins sont plus allongés que sur la plupart des autres freins et présentent une courbe qui doit épouser cette de la jante.
  • Qu'ils soient à vis ou à tiges, les patins doivent être positionnés au plus près de la jante pour que le freinage soit efficace. Ce type de frein supporte donc mal tout voile de la roue.

Les V-brakes, lorsqu’ils sont réglés correctement donnent un freinage très puissant. Et cela n’a pas que des avantages :

  • L’usure des patins et de la jante est plus rapide.
  • La puissance du freinage surprend certain-es cyclistes provoquant alors des accidents (blocage de roue et dérapage sur chaussée glissante, par exemple). C’est pourquoi on installe parfois un modulateur de puissance (power modulator) sur ce type de frein. Il en existe deux types :
    • Un petit ressort encapsulé est monté entre la gaine et le frein.
    • Sur le levier de frein, la tête de câble est arrimé sur une rainure à la place de l’étrier habituel. Lorsqu’on force sur le levier, la tête de câble coulisse dans cette rainure, diminuant alors le tirant du câble pour affaiblir la puissance du freinage. Ce type de levier permet aussi d’adapter le frein à un cantilever en bloquant la tête de câble sur la partie basse de la rainure.

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.

Frein hydraulique sur jante (magura)
Frein hydraulique sur jante (magura)

Freinage sur moyeu

Le freinage se fait dans le moyeu de la roue ou à l’aide d’un mécanisme rattaché à celui-ci.

  • Le freinage sur moyeu sollicite fortement les rayons surtout ceux de la nappe gauche. Par sécurité, il faut donc être vigilant sur :
    • L’état des rayons : aucun rayons cassés et tension suffisante, surtout sur la nappe gauche.
    • Le rayonnage : les rayons doivent être croisés. Le laçage radial est fortement déconseillé. Pour le laçage des rayons de la nappe gauche de la roue avant, les rayons qui partent à gauche de la flasque doivent être orientée dans le sens de rotation de la roue et c’est l’inverse pour la roue arrière.

Avantages et inconvénients par rapport à un freinage sur jante :

  • Le freinage reste constant quelque soit les conditions météo. Donc ils conviennent parfaitement par temps de pluie.
  • Les jantes ne servant plus de surface de freinage, elles ne s’usent plus et le freinage reste constant même si elles sont voilées.
  • L’efficacité du freinage dépend du diamètre du tambour ou du disque. Un diamètre trop petit donne un maigre freinage et accroît les risques de surchauffe. Les freins peuvent être munis de ventilation pour se prémunir de ce danger. Par contre, ce type de frein convient très bien pour les petites roues.
  • Le freinage a tendance à pousser l’axe du moyeu hors des pattes du cadre ou de la fourche : l’axe doit être bien arrimé sous peine d’accident. Certaines fourches ont des pattes inversées pour minimiser ce risque. Il soumet aussi les tubes à de fortes tensions, s’il ne sont pas assez costauds, les fourreaux de fourche peuvent même se tordre suite à un freinage puissant.

On distingue les freins sur le moyeu suivant la surface de freinage : un tambour ou un disque, tous les deux métalliques.

Frein à tambour

Le tambour (drum) désigne la partie interne d’un cylindre métallique qui fait office de surface de freinage.

  • Il impose moins d’entretien qu'un freinage sur jante, mais c’est plus compliqué lorsqu’il faut le faire.
  • Ce type de frein nécessite un bras d’ancrage, appelé aussi bras de rappel ou bras de réaction (reaction arm ou brake arm) qui doit être fixé au cadre par un collier ou une patte intégrée à la base gauche pour empêcher la rotation des mâchoires du tambour lorsque les freins sont serrés. Ce bras doit être bien resserré à chaque repose de la roue pour éviter tout défaillance du freinage.
  • L’axe peut se tordre à force d’être sollicité lors du freinage. Cela arrive surtout lorsque le tambour est extérieur au moyeu.
  • Les freins à rouleaux ou à rétropédalage nécessitent un rodage (break-in (US), running in (GB)) pour que la graisse se répartisse de manière uniforme sur les pièces de freinage.

Il y a quatre sortes de frein à tambour : le freins à rouleaux, le rétropédalage et le frein à courroie et le frein à tambour proprement dit.

Sur le frein à tambour (drum brake) au sens propre du terme, le dispositif de freinage peut se trouver intégré au moyeu ou fixé à l’extérieur de celui-ci, sur la gauche (la fixation se fait en général à l’aide d’un filetage, sens de filetage à droite). La transmission du freinage se fait le plus souvent par câble mais on trouve des transmission par tringles sur certains vélos anciens ou hollandais. Lorsque le levier de frein est actionné, le câble ou la tringle tire un levier qui va faire pivoter une came (cam), de forme allongée, à l’intérieur du mécanisme. Cette came écarte deux mâchoires (brake arms) et les pressent contre le tambour (drum) pour freiner la roue. Un ressort de rappel (return spring) ramène les mâchoires lorsque le levier de frein est relâché.

  • Le réglage de la tension du câble de frein s’effectue au niveau du moyeu : desserrez le contre-écrou et tourner l’arrêt de gaine réglable dans le sens antihoraire jusqu’à ce que le tambour soit bloqué ; tournez ensuite en sens inverse jusqu’à ce que le tambour soit libre ; actionnez plusieurs fois le levier de frein et vérifier que la roue tourne librement puis resserrez le contre-écrou du barillet.
  • Sur certains freins à tambour le pivot est mobile, la came n’actionne qu’une seule des mâchoires. La mobilité du pivot permet d’écarter la seconde mâchoire lorsque la première est activée. Une vis permet de régler le jeu entre cette seconde mâchoire et le corps du frein (vis de réglage du pivot).
  • Les mâchoires restent parfois collées au tambour et le frein reste bloqué. Il suffit en général de rouler un peu en arrière pour relâcher le frein.
  • En présence de lubrifiant, les mâchoires peuvent se coller au tambour bloquant là aussi le frein. Cela arrive parfois lorsque le tambour est intégré au moyeu et que la graisse des roulements a pollué les mécanisme du tambour suite à une surchauffe des freins.
  • Les tandem étaient souvent équipés d’un troisième frein (drag brake) supplémentaire pour les ralentir dans les longues descentes et éviter ainsi l’échauffement des freins principaux. C’étaient des freins à tambour surdimensionnés et bien ventilés pour limiter la surchauffe.
  • La garniture (lining) des mâchoires s’use peu mais peut se glacer. On peut peut frotter la garniture à l’émeri pour les remettre en état. Attention, la garniture contient de l’amiante sur les vieux freins à tambour, évitez d’en respirer la poussière et lavez-vous toujours les mains après avoir inspecté l’intérieur d’un vieux frein à tambour.

Les freins à tambour peuvent être le meilleur choix à l’arrière lorsque le terrain est relativement plat et que la pluie est fréquente. Il convient donc parfaitement pour du vélotaf.

Frein à rouleaux

Le frein à rouleaux (Roller brake [3]) est une variante très puissante de Shimano [4] du frein à tambour. Lorsqu’on appuie sur le levier de frein, la puissance de freinage est transmise par un câble Bowden à un levier externe qui va pousser 6 galets internes vers la périphérie grâce à une roue à cames. Les galets pressent alors trois mâchoires contre le tambour solidaire du moyeu pour freiner la roue.

  • Ce frein ne peut être installé que sur des moyeux Shimano, en général des moyeux à vitesses intégrées.
  • Le tirage de câble est standard, les leviers de frein pour frein à tirage direct ne conviennent donc pas.
  • Le réglage s’effectue à l’aide d’un barillet comme n’importe quel frein à tambour.
  • Comme toutes les pièces de freinage sont métalliques, elles doivent être lubrifiées périodiquement avec une graisse spéciale (Nexus brake grease) supportant les hautes températures. Il suffit d’ôter le bouchon situé sur la partie externe du frein pour réintroduire la graisse. Après quelques mois d’utilisation, la graisse est délavée par la pluie. Le freinage devient alors aussi sec que l’intérieur du frein et peut même se bloquer. Il faut alors relubrifier rapidement pour éviter tout dommage irréparable.
  • En cas de casse, Shimano ne fournit pas de pièces détachées.

Il fournit un freinage très puissant, même sur les petits tambours. D’ailleurs, lorsqu’ils sont montés à l'avant, ces freins sont fournit avec un modulateur de puissance qui réduit la puissance de frein. Par contre, il supporte très mal la surchauffe et seuls les tambours les plus larges équipés d’une ventilation peuvent supporter l’échauffement dû à un freinage prolongé dans une descente.

Frein à rétropédalage
Moyeu à rétropédalage monovitesse : A) tendeur de chaîne à vis, B) moyeu, C) patte de rappel
Vue en contreplongée d'un moyeu à rétropédalage installé
Partie gauche du mécanisme de rétropédalage. On aperçoit l’embrayage au centre, les mâchoires en dessous et le cône gauche (à droite)
Le pignon et son cône d’entraînement
Vue en coupe d'un moyeu à rétropédalage Husqvarna

Sur un frein à rétropédalage (coaster brake (US) ou back-pedal brake (GB)) le moyeu assure trois fonctions : faire tourner la roue lorsqu’on pédale, laisser le vélo en roue libre dès qu’on cesse de pédaler, et freiner le vélo lorsqu’on pédale à l’envers, qu’on rétropédale, la puissance du freinage étant alors transmise par la chaîne. Ils sont plutôt anciens, les premiers freins de ce type ayant été inventés dans les années 1890.

Le pignon est rattaché à un cône d’entrainement (driver) par un circlip (snap ring) ou un contre-écrou (lockring). Ce cône d’entrainement reçoit un mécanisme d’embrayage appelé aussi improprement cône de frein (clutch ou brake cone) fait d’une ou plusieurs parties et dont l’aspect est très variable selon le fabricant. Ces deux pièces jouent librement autour de l’axe du moyeu et possèdent chacune une rampe hélicoïdale qui va permettre de décaler l’embrayage vers la droite ou la gauche. Lorsque le pignon tourne dans le sens du pédalage, le filetage du cône d’entrainement tire l’embrayage vers la droite pour coincer ce dernier contre la douille du moyeu (hub shell) pour entraîner la roue vers l’avant à l’aide d’un crantage ou de galets. Lorsque le pignon tourne dans l’autre sens grâce au rétropédalage, le filetage du cône d’entrainement pousse l’embrayage vers la gauche pour qu’il comprime des mâchoires (brake shoes) semi-cylindriques contre le cône de gauche (left cone). Grâce à la forme conique de ce dernier les mâchoires se pressent contre la douille du moyeu pour freiner la roue. Comprimées contre le cône de gauche, les mâchoires devraient entraîner celui-ci dans sa rotation mais ne peuvent le faire puisque le cône est rattaché à un bras d’ancrage (reaction arm) fixé au cadre. L’embrayage est muni d’un ressort de rappel (retarder spring) qui repousse l’embrayage vers la droite pour dégager le frein.

  • C’est la douille de moyeu qui fait office de tambour. Le freinage reste de très bonne qualité, mais craint particulièrement la surchauffe.
  • La chaîne doit être en bon état : si la chaîne déraille ou casse, il n’y a plus de frein. Il n'est pas possible de monter un dérailleur arrière ou un tendeur de chaîne à deux galets avec un frein à rétropédalage.
  • Le comportement aléatoire du freinage est en général dû à une défaillance du ressort de rappel. Comme cette pièce varie d’un fabricant à un autre, elle est difficile à remplacer.
  • Les mâchoires et la douille nécessitent une graisse résistant à de hautes températures pour prévenir la surchauffe d’un freinage prolongé. La surchauffe dû à un freinage prolongé peut vaporiser cette graisse à l’intérieur du moyeu ce qui peut poser problème lorsqu’il s’agit d’un moyeu à vitesses intégrées.
  • Le modèle et la marque du fabricant est en général gravé sur le bras d’ancrage parfois sur la douille du moyeu.
  • Les adeptes de fakie (figure de BMX en marche arrière) ont besoin d’un moyeu spécial appelé freecoaster permettant à la roue de tourner librement vers l'arrière sans affecter les manivelles. On peut facilement fabriquer un freecoaster en démontant les mâchoires du tambour d’un frein à rétropédalage.

Il y a trois roulements : L’axe comporte un seul cône de roulement à droite qui n’est pas vissé mais soudé à celui ci. Lorsque le cône est billé, il faut remplacer l’axe. Ce roulement permet la libre rotation du cône d’entrainement autour de l’axe. Un autre roulement à droite permet à la douille du moyeu de pivoter autour du cône d’entraînement. Le roulement de gauche permet la rotation de la douille du moyeu autour du cône du bras de rappel. Le réglage des roulements se fait avec le contre-écrou qui verrouille le bras d’ancrage sur la gauche du moyeu. Attention ce réglage a aussi une influence sur le bon fonctionnement du freinage : si on serre trop ou si on laisse trop de jeu, le rétropédalage ne fonctionnera pas. Il vaut mieux laisser un léger jeu, mais plus on laisse de jeu, plus le rétropédalage mettra du temps à s’enclencher.

  • Si on a oublié de fixer correctement le bras d’ancrage au cadre avant d’enfourcher sa monture, un jeu peut se créer sur le cône gauche. Cela affecte évidemment la tenue de la roue mais aussi le rétropédalage qui met plus de temps pour agir. Cela pousse enfin le cône vers l’extérieur le comprimant contre la patte du cadre et la roue peut alors devenir impossible à détacher. La solution est de donner un coup de marteau sur le bras d’ancrage pour le remettre à sa position correcte pour débloquer la roue. Il faudra ensuite démonter le moyeu pour estimer l’ampleur des dégâts et refaire le réglage des cônes.
Frein à courroie
Vue intérieure d'un frein à courroie

Sur un frein à courroie (band brake), une courroie ou un câble s’enroule autour d’un tambour solidaire du moyeu. Lorsqu’on appuie sur le levier de frein, la puissance de freinage est transmise par un câble Bowden à un levier extérieur du frein qui va serrer la courroie contre le tambour et freiner la roue. Comme le tambour ne s’arrête pas immédiatement, sa rotation augmente la tension de la courroie ce qui multiplie la puissance du freinage. Grâce à cet effet multiplicateur, le tambour n’a pas besoin d’être aussi large que sur les autres freins.

  • Le tambour est fixé au moyeu par un filetage.
  • Le réglage s’effectue à l’aide d’un barillet comme n’importe quel frein à tambour.
  • La courroie ne se remplace pas : il faut changer le frein entièrement.

Le frein est très léger, plus même que la plupart des freins sur jante. Mais il supporte très mal la surchauffe, à cause de la taille réduite du tambour. Il ne supporte pas la pluie et freine très mal en montée. Il donne un freinage très sec et n’est donc pas conseillé à l’avant.

Frein à disque

Sur un frein à disque (disc brake), un disque, dénommé aussi sous l’anglicisme rotor, est fixé sur la gauche du moyeu de la roue. Un étrier, placé sur le fourreau de la fourche et la base gauche du cadre, est muni de pistons qui vont serrer deux plaquettes contre le rotor lorsqu’il est actionné. La puissance de freinage est transmise à l’étrier depuis le levier de frein par un câble Bowden (frein à disque mécanique) ou un circuit hydraulique (frein à disque hydraulique). Le système est inspiré de celui qui équipe les motos, mais à la différence de ces derniers, l’étrier n’est pas flottant mais fixe (sur un étrier flottant l’étrier se centre automatiquement lors du freinage).

Le disque (rotor) est en acier inoxydable, de faible épaisseur (aux alentours de 2 mm) et constellé de trous pour plus de légèreté mais surtout pour évacuer plus rapidement la chaleur et la crasse.

  • Le diamètre du disque a une influence importante sur les performances du frein : plus il est grand, plus le freinage est puissant et mieux il résiste à la surchauffe. Les diamètres varient de 140 mm à 203 mm.
  • Le moyeu doit être équipé d’un système de fixation pour y rattacher le disque. Il y a deux types de fixations :
    • Le standard comporte 6 vis Torx de 25 (6 bolt rotor) pour maintenir le disque. Mais il existe des fixations avec moins de vis. Ne jamais graisser les vis, mettre plutôt du frein filet bleu.
    • Avec le centerlock, le disque est maintenu par un écrou de serrage cannelé (notched lockring). Il y a plusieurs modèles, les encoches de l’écrou pouvant être placées vers l’intérieur (se manipule avec un démonte cassette) ou vers l’extérieur (outil spécifique). L’écrou doit être serré très fort (plus de 40 Nm).
  • L’étoile qui relie la surface de freinage à la fixation peut être en aluminium pour alléger le frein.
  • En cas de surchauffe, le disque devient voilé (réparable) et peut même se gondoler (irréparable). Pour le dévoiler on peut utiliser une dégauchisseuse prévue à cet effet, mais on peu aussi le faire à l’aide d’un tournevis voire à la main si on a l’habitude. On peut le faire directement sur le vélo lorsque la roue et l’étrier sont montés ou à l’aide d’un comparateur de voile pour disque (rotor truing gauge) monté sur le banc de dévoilage.
  • Le rotor doit être dépourvu de tout corps gras. Il se nettoie avec un chiffon (rag) propre imbibé d’acétone (acetone) ou avec une bombe appelée brake cleaner.
  • Le disque doit être remplacé lorsqu’il est trop usé. L’épaisseur limite est inscrite généralement sur le disque, un peu moins de de 1,5 mm en général. En s’usant le disque devient concave aussi pour en mesurer l’usure il est recommandé d’utiliser un micromètre (micrometer caliper) ou palmer. Si on utilise un pied à coulisse il faut prend garde à mesurer depuis l’intérieur en passant un de ses becs à travers un des trous du rotor. On peut aussi utiliser un poinçon : on passe la pointe depuis l’étoile jusqu’à la surface de freinage, si on sent un décrochement, le disque est certainement trop usé.
  • Le disque doit subir un rodage (break-in (US) ou running in (GB)) lorsqu’il est remplacé. Le rodage est assez bref, le but est de laisser une pellicule de plaquettes sur le disque, afin de générer plus de frictions. Ce rodage étant lié au type de garniture des plaquettes, il n’est pas conseillé de changer de type de garniture sans changer aussi le disque.

Les mécanismes de l’étrier (caliper) sont évidemment différents selon s’il s'agit d’un frein à disque mécanique ou hydraulique.

  • Il y a deux types de fixations sur le cadre.
    • Sur le Standard International (IS) les deux trous sont perpendiculaires à l’axe du vélo. Les vis de serrage sont alors munies de rondelles sphériques pour centrer correctement l’étrier.
    • Avec le Postmount (PM) qui tend à se généraliser, les deux trous sont parallèles à l’axe du vélo.
    • On rajoute souvent un adaptateur (adapter) pour placer l’étrier à hauteur de la surface de freinage dont l’emplacement peut varier suivant le diamètre du disque.
  • L’étrier est parfois muni d'ailettes de ventilation pour lutter contre la surchauffe.
  • Le centrage (centering) du frein s’effectue en faisant légèrement varier la position de l’étrier par rapport au disque, jusqu’à ce qu’on aperçoive un jour de chaque côté du rotor, entre les deux plaquettes. Si l’étrier est mal centré, le disque ira frotter contre une des plaquettes en émettant un bruit de tôle (décentrage important) ou un chuintement (décentrage léger).

Il y a un vaste choix de plaquettes (pads) :

  • Leur forme et leur fixation dépend de l’étrier. Amenez vos plaquettes usées chez le revendeur pour éviter toute erreur.
  • Elles sont en général fixées à l’aide d’une goupille (pin) qui peut être fendue (cotter pin), filetée (threaded pin) ou maintenue par un clip (clip). Il y a aussi parfois des aimants (magnets) dans l’étrier pour fixer les plaquettes, dans ce cas la goupille peut être absente.
  • Une fois le modèle trouvé, il faut choisir sa garniture (lining). On rencontre surtout trois sortes de garnitures :
    • Les organiques (organic) sont fabriquées en résine. Elles s’usent et se glacent plus rapidement (et usent moins vite le disque), sont moins chers, le freinage est moins bruyant et moins efficace, mais optimal dès le premier freinage. Elles conviennent très bien pour des petites randonnées.
    • Les métalliques (metallic) sont frittées (sintered), c’est à dire fabriquées à partir de poudre métallique aggloméré. Elles s’usent et se glacent moins rapidement (et usent plus vite le disque), sont plus chers, le freinage est plus bruyant et plus efficace, mais demandent un peu d’échauffement pour être à leur meilleur niveau. Elles sont recommandées pour les longues descentes.
    • Dans les semi-métalliques (semi-metallic), on trouve un mélange de résine et de poudre métallique. Leurs caractéristiques sont moyennes par rapport aux deux précédentes.
  • Les plaquettes sont parfois munies d'ailettes de ventilation pour lutter contre la surchauffe.
  • Les plaquettes sont usées lorsque la garniture fait moins d’un millimètre. Si on a un doute, on peut les démonter et vérifier la présence de témoins d’usure, des petits trous dans la garniture, qui s’ils ne sont plus visibles indiquent qu’il faut les remplacer.
  • Elles craignent particulièrement toute projection d’huile : huile de chaîne, liquide de frein ou de suspension. On peut tenter de récupérer des plaquettes contaminées en les plongeant quelques minutes dans une casserole d’eau bouillante avec du liquide vaisselle mais ça ne marche pas toujours et il faudra alors les remplacer.
  • Elles peuvent se glacer suite à des freinages prolongés à faible pression. La puissance de freinage est alors diminuée. Le glaçage (fading) est provoqué par la surchauffe qui détériore les couches superficielles de la garniture qui se trouve comme lubrifiée. On peut déglacer les plaquettes en les rayant au papier de verre ou en effectuant plusieurs freinages brusques.
  • Elles doivent subir un rodage (break-in (US) ou running in (GB)) après remplacement. Là aussi, le rodage est court, juste le temps que les plaquettes prennent l’empreinte de l’usure du disque.
Frein à disque mécanique

Sur un frein à disque mécanique (mechanical disc brake), la puissance de freinage est transmise par un câble Bowden. Lorsqu’on actionne le levier de frein, le câble tire sur un levier extérieur dont la forme varie suivant le type d’étrier :

  • Sur le simple levier (single lever arm), le levier est situé à gauche de l’étrier et va pousser la plaquette extérieure contre le disque pour réaliser le freinage, l’autre plaquette restant fixe. C’est le type le plus courant.
  • Sur le double levier (dual lever arm), le levier chevauche l’étrier et pousse les deux plaquettes pour freiner.

Certains réglages peuvent être plus délicats que sur un frein à disque hydraulique :

  • Pour centrer l’étrier, il faut d’abord rapprocher manuellement les plaquettes vers le disque avant d’effectuer le centrage, et ensuite réajuster éventuellement l’espace entre plaquettes et rotor. En général, sur un simple levier, on règle la position de la plaquette fixe à l’aide d’une molette située à droite de l’étrier. Il faut passer une clé hexagonale mâle à travers les rayons pour pouvoir tourner la molette. L’espace entre la plaquette mobile et le rotor se règle lors du centrage ou à l’aide de la butée réglable du câble. Sur un double levier, et certains simple levier, il y a deux molettes, une de chaque côté, qu’on peut manipuler à la main pour régler la position de chaque plaquette, fixe comme mobile.
  • Il faut aussi compenser régulièrement l’usure des plaquettes, en ajustant la position de la plaquette fixe et en réglant la tension du câble à l’aide de l’arrêt de gaine réglable.

Le tirage de câble des leviers de frein varie suivant le type de cintre et donc de vélo :

Si les freins semblent avoir des comportements erratiques lorsqu’on tourne le guidon, qu’on freine ou pas, c’est certainement à cause de la gaine : il faut remplacer la gaine spiralée habituelle par une gaine incompressible pour frein à disque.

S’il est moins cher qu’un frein à disque hydraulique, son freinage est aussi nettement moins puissant et souvent comparé à celui des freins à tirage direct.

Frein à disque hydraulique

Sur un frein à disque hydraulique (hydraulic disc brake), la puissance de freinage est transmise par un circuit hydraulique.

C’est l’entretien du circuit hydraulique qui est le plus compliqué sur ce type de frein.

  • Pour éviter que les pistons changent de position après que la roue soit retirée, on met une cale entre les plaquettes ou les pistons.
  • Il faut parfois écarter les pistons à l’aide d’une presse à piston (piston press), notamment lors du changement des plaquettes. On peut utiliser à la place un démonte-pneu ou le manche d’une clé à cône.
  • L’usure des plaquettes est compensée automatiquement par le circuit hydraulique.

Un frein à disque hydraulique donne un freinage extrêmement puissant, à tel point que cela a suscité :

  • L’ajout de modulateur de puissance sur le frein avant pour éviter les accidents, ce qui paraît un peu bizarre lorsqu’on regarde son porte-monnaie.
  • L’apparition de l’axe traversant pour fixer les roues au cadre, notamment pour améliorer le comportement de la suspension et éviter que la roue ne dévie lorsqu’on freine sur la roue avant.

Les freins ont connus par mal d’évolutions depuis l’invention de la bicyclette. C’est sans doute sur ce domaine, avec les pédaliers, où il y a eu le plus d’innovations.

Réparations

Voir aussi :

Diagnostic

Contrôle de la puissance de freinage

Pour des questions de sécurité, il est conseillé de réaliser plusieurs fois ce contrôle :

  • D'abord dans l'atelier, lorsque le vélo est monté sur un pied, on tire à fond sur la roue tout en actionnant le levier de frein. La roue ne doit pas bouger d'un poil.
  • Ensuite, roues au sol, avant d'enfourcher sa monture, on pousse le vélo de tout son poids tout en freinant à fond d’un frein puis de l’autre. À l’avant, la roue ne doit pas tourner et le vélo doit rester immobile. On regarde ensuite vers l’arrière que la roue reste immobile tandis que le vélo glisse sur le pneu.
  • La meilleure façon de contrôler la bonne puissance du freinage est de le faire en roulant. Si le test est concluant, on contrôle une dernière fois, dans des conditions extrêmes : vélo bien chargé, en descente et en pleine vitesse.

Contrôle mécanique

  • On commence par vérifier la roue, car son état pouvant avoir une influence sur le comportement du freinage, cela peut nous aider lorsqu’il faudra identifier l’origine des dysfonctionnement constatés :
  • On vérifie ensuite la surface de freinage du disque ou de la jante :
    • Voile (out of true) sur la jante ou le disque ⇒ cause de frottements.
    • Présence d’une déformation : rayures (scratch), bosse (bulge ou dent), fêlure (crack) ⇒ frottements ou freinage erratique.
    • Présence d'impuretés (dirt) ou de corps gras (greasy) ⇒ freinage mou ou glissant.
    • Usure (wear). Remplacer le disque ou la jante selon le cas.
    • Serrage du disque.
  • Il est souvent préférable de rectifier les dysfonctionnements qui ont été constatés avant de passer à la suite du diagnostic.
  • Après, on contrôle le frein proprement dit :
    • Les pièces de freinage en premier lieu, donc les patins ou les plaquettes :
      • Leur usure (wear). Remplacer les patins ou les plaquettes selon le cas ⇒ freinage mou ou glissant.
      • Leur position doit être correcte, parallèles et à même distance de la surface de freinage et, pour les patins, bien en face du flanc de la jante ⇒ freinage insuffisant ou bruits de frottement.
      • Ils ne doivent pas non plus être trop éloignés de la surface de freinage ⇒ le problème vient sans doute de la transmission.
      • Leur serrage. Vis de serrage pour les patins et goupille pour les plaquettes.
      • L’absence de toute impureté. Les plaquettes notamment ne doivent pas être contaminées par un corps gras ⇒ freinage mou ou glissant.
    • En second lieu, la ou les pièces de frein :
      • La fixation (mount) de l’étrier, des mâchoires ou du bras d’ancrage : le serrage doit être suffisant, absence de jeu ou de blocage. Sur un frein à tambour, vérifier aussi la bonne position du bras d’ancrage (reaction arm).
      • Les freins ne doivent être ni tordus ni déformés ⇒ freinage insuffisant ou bruits de frottement.
      • Le centrage de l’étrier ou des mâchoires. Les patins ou les plaquettes doivent être à même distance de la surface de freinage ⇒ freinage insuffisant ou bruits de frottement.
      • Vérifier la bonne tension du ou des ressorts de rappel (return spring), ils doivent être bien arrimés, ni cassés ni fatigués. Lorsqu’il y a un ressort de chaque côté, notamment sur un frein à tasseaux, la tension doit être la même des deux côtés. Contrôler aussi la présence des vis de réglage.
      • Pour un frein à transmission hydraulique, vérifier aussi l’absence d’huile à la surface de l’étrier, signalant une fuite (leak) du liquide de frein.
      • Pour les autres freins, on contrôle l’absence de grippage ou de jeu excessif dans les pivots.
  • On contrôle ensuite les leviers de freins :
    • Ils doivent être fixés correctement : les manettes ne doivent pas bouger lorsqu’on appuie dessus et les leviers doivent être bien alignés dans l’axe des bras del cycliste.
    • Ils ne doivent être ni tordus ni cassés.
    • Aucun jeu ni grippage sur les pivots.
    • On actionne ensuite les leviers :
      • Absence de blocage.
      • On doit sentir la puissance du freinage, ni trop mou ni trop sec ⇒ si le freinage est trop mou ou absent, c’est en général la transmission ou la position des patins ou des plaquettes qui en est la cause.
      • Lorsqu'on appuie à fond sur les leviers, ceux-ci ne doivent pas toucher le cintre ou les poignées ⇒ transmission mal réglée ou défectueuse.
      • On vérifie que les leviers reviennent bien à leur position initial ⇒ levier certainement tordu.
  • On contrôle enfin la transmission, surtout si un problème a été constaté lors du contrôle des leviers :
    • Absence de toute fuite (leak) si la transmission est hydraulique. Les durites ne doivent pas être abîmées. Vérifier attentivement les raccords et le bon état des olives.
    • Pour une transmission par câble :
      • Vérifier d’abord les gaines : bien en appui sur leur butées, extrémités en bon état, absence de coudes anguleux, butées bien vissées ou fixées et en bon état. On s’assure qu’il s’agit bien de gaines de frein et qu’elles ne soient pas trop courtes.
      • Puis les câbles : vis serre-câble bien serrée, absence de rouille ou de coude, têtes de câble adéquates et bien arrimées sur les leviers. Les câble ne doivent pas être effilochés : attention l’état des câbles peut être caché par les gaine ou les leviers de frein. Ne pas oublier le câble de liaison s’il est présent.
      • Le câble doit être suffisamment tendu.
      • Si on a senti un blocage lors du contrôle des leviers de frein, on tire sur les portions à nu du câble pour en déterminer l’origine.
    • Pour une transmission par tringle :
      • État des tringles et de leurs fixations.
      • Pivots sans jeu et bien lubrifiés.
    • Pour une transmission par chaîne (frein à rétropédalage), on n’oublie pas de vérifier la tension et le bon état de la chaîne.

Réglages

Notes

  1. ↑ (en) Sheldon Brown : « Fixed Gear Bicycles for the Road » [1] (consulté le 2 décembre 2020).
  2. ↑ (en) Sheldon Brown : « The Geometry of Cantilever Brakes » [2] (consulté le 13 novembre 2020).
  3. ↑ (en) Sheldon Brown : « Shimano Rollerbrakes » [3] (consulté le 16 novembre 2020).
  4. ↑ (en) Shimano : « Hub roller brake -- Dealer's manual  » [4] (consulté le 16 novembre 2020)

Liens externes

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