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Un Avion a la Loupe freins |
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Quels sont les types de freins utilisés ?
On trouve différents types de freins utilisés selon les appareils, les besoins, les époques et les masses en jeu.
- le frein à disques
- en acier/cuivre
- en carbone-carbone
- en céramique
- le frein à tambour
Train et frein d'Airbus A340 |
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(crédit : Mitucci)
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Un frein à disque, c'est quoi ?
Comme son nom l'indique, un frein à disque est simplement un disque (de frein) solidaire de la roue et qui se fait écraser entre deux plaquettes (solidaires du moyeu, elle sont fixes) dans le cas le plus simple (on pourrait imaginer une plaquette mais ça voilerait la roue).
La pièce qui porte les plaquettes de frein (composée du support et de la garniture) s'appelle l'étrier. pour écraser les plaquettes (à l'époque en amiante) on utilise un moyen hydraulique -> le liquide de frein. il est tout sauf de l'eau car l'eau deviendrait vapeur à cause de la pression. justement les liquides de freins ont la fâcheuse tendance à être hydrophiles, c'est pourquoi il faut le changer tous les 2 ans sinon tu risques de freiner dans le vide avec ta caisse...
La meilleure façon de se représenter les freins à disque c'est d'observer les vélos !
La différence entre freins à disque d'avions et de voiture c'est la taille... sur les voitures y'a qu'un disque et deux plaquettes (une de chaque côté donc). Sur les avions y'a plusieurs disques et des plaquettes sur tout le pourtour.
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Un frein à tambour, c'est quoi ?
Un frein à tambour est aussi solidaire de la roue (évidemment, sinon on freinerait pas !), mais la différence c'est que le système est encapsulé et inaccessible.
C'est tout bêtement 2 mâchoires qui s'écartent, sur leur face extérieure on trouve la garniture qui vient frotter contre l'intérieur du tambour. donc il faut un cylindre récepteur de pression qui écarte les mâchoires contre le tambour.
C'est moins cher à fabriquer, ça marche moins bien et on peut beaucoup moins facilement contrôler le freinage et l'état du système.
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Un frein à disque en carbone ("carbone-carbone"), c'est quoi ?
En termes techniques (définition Snecma), un frein est constitué d'un "tube de torsion" installé sur l'essieu de l'avion et d'une “couronne hydraulique”.
Un “puits de chaleur” est monté sur cette structure. L'ensemble se loge dans les deux demi-roues de l'avion.
Ce que l'on appelle "puits de chaleur", c'est l'empilement des disques de carbone : il y en a, en général, huit ou dix.
La moitié tourne avec la roue : ce sont les rotors. L'autre moitié ne tourne pas : ce sont les stators.
Ils sont montés en alternance. Pourquoi un tel nom ? Parce que c'est là que l'énergie cinétique de l'avion est transformée en chaleur :
quand un avion lancé à pleine vitesse freine, ses puits peuvent atteindre 2500 à 3000 °C !
La couronne hydraulique est une pièce en aluminium dans laquelle sont logés les pistons. Ce sont ces pistons qui, sortant
de leur cavité, poussés par l'huile sous pression vont serrer les disques les uns contre les autres. En plaçant les pistons
en anneau, on répartit l'effort de pression sur toute la surface des disques.
Le tube de tosrion est un cylindre en acier sur lequel sont fixés les stators. Il encaisse les énormes efforts de torsion qui
s'exercent lorsque rotors et stators sont serrés les uns contre les autres. Il est solidaire de la couronne hydraulique.
L'ensemble est lié au train d ’atterrissage. Les roues sont constituées de deux demi-roues dissymétriques en aluminium.
Un pneu d'avion étant peu déformable, il serait, en effet, impossible de le monter sur une roue entière.
La plus grande demi-roue est donc glissée dans le pneu non gonflé, puis l'autre moitié est solidement vissée.
Le pneu est ensuite gonflé à l'azote à une pression d'une dizaine de bars.
Finalement, l'ensemble est monté sur le frein installé sur l'essieu.
Lorsque le pilote appuie sur la pédale de frein, son ordre est traité et transmis par le système de régulation de freinage.
Celui-ci impose au fluide hydraulique de pousser les pistons avec une pression bien précise.
Les disques sont alors serrés plus ou moins fortement les uns contre les autres : les stators freinent les
rotors et donc la roue.
Frein d'A340 |
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(crédit : Mitucci)
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En fait "carbone-carbone" c'est la matrice et les fibres.
Les fibres c'est comme les spaghetti et la matrice c'est la sauce tomate qui les lie.
On part de fibres de carbones, et on craque du méthane (CH4) à haute température,
le carbone se fixe entre les fibres et il ressort du H2 ou de l'H2O.
Avantages du frein carbone : plus léger (au total, ça fera 2 tonnes de gagnées sur l'A380), plus efficace même à haute température, et nettement plus économique qu'un frein classique. Il ne vibre pas pendant le freinage.
La grande différence entre une voiture, même très puissante et un avion est l'ordre de grandeur.
Pour une voiture lancée à 200 km/h, la quantité d'énergie à dissiper est de l'ordre d'un mégajoule (1 MJ).
Elle est de 1500 MJ pour un A340-600 (cas extrême du freinage avant décollage ou RTO) !
Les révisions se font tous les 2000 à 2500 atterrissages. Un frein supporte environ 16000 atterrissages.
Le frein carbone a cet énorme avantage de gagner en efficacité lorsqu'il chauffe (sans dépasser les limites préconisées) alors que les disques en métal, c'est l'inverse...
Frein d'A340 |
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(crédit : Mitucci)
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Un frein céramique, c'est quoi ?
Au lieu d'avoir du carbone pour le disque, on a simplement de la céramique.
Comme les céramiques sont souvent des matériaux réfractaires c'est super pour la chaleur,
mais plus difficile à usiner et ça supporte moins bien les chocs.
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Le freinage hydraulique, ça marche comment ?
Schéma du fonctionnement d'un frein hydraulique |
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(crédit : Messier-Bugatti - www.messier-bugatti.com)
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Le freinage électrique, ça marche comment ?
C'est très peu puissant donc très peu répandu ;o)))
Schéma du fonctionnement d'un frein électrique |
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(crédit : Messier-Bugatti - www.messier-bugatti.com)
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Quelques exemples d'applications
Freins carbone : toute la gamme Airbus, les 767 et 777, le Mirage 2000, Rafale C et M, le Boeing C-17... bref, à peu près tout ce qui est moderne.
Freins acier : Alpha Jet, Mirage F1, la plupart des hélicos...
Freins cuivre : Mirage III, Super Etendard, C-160 Transall...
Quelques détails pour le Mirage 2000 :
Freins en carbone sur les roues principales, 2 circuits
hydrauliques indépendants pour le freinage ( 1 normal aidé d'un système ABS,
1 secours où tu dois doser toi même la pression sur les freins ( pas d'ABS,
donc!)) 1 circuit dérivé pour le frein de parc.
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Si on freine trop, ça fait quoi ?
Ca chauffe, bien sûr. Arrivé à une certaine température, les sécurités lachent : ce sont des
trous faits dans la jante et bouchés avec un mélange métallique à base de
plomb et qui fond. Le pneu se dégonfle au lieu d'éclater.
L'avantage du carbone: plus ça chauffe : plus ça freine !
l'inconvénient du carbone: plus ça chauffe, plus ça s'use !
L'essentiel est de connaitre la masse à freiner et la vitesse à perdre. De
là on détermine une vitesse de freinage normale (si tu commence à freiner à
cette vitesse, tu arrêtes l'avion sans endommager le matériel) et une
vitesse de freinage détresse (si tu commences à freiner à cette vitesse, tu
arrêtes l'avion, mais tu détruis les blocs de freins... vive le carbone).
Ces 2 valeurs étant bien sur pondérées par l'utilisation ou non du parachute
de freinage... Il en découle donc 4 valeurs pour une masse avion.
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Y a-t-il des freins sur toutes les roues de tous les trains ?
Ca dépend des avions. Pas sur la roulette de nez en tout cas, sauf exceptions (en Russie par exemple).
Quelques exemples :
Sur A300/310, 8 roues sont freinées.
Sur A318/19/20/21, 4 roues sont freinées.
Sur A330/340, 8 roues sont freinées.
Sur A340-500/600, 12 roues sont freinées.
Sur 767-300, 8 roues sont freinées.
Sur 777, 12 roues sont freinées.
zoom sur un piston |
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(crédit : Mitucci)
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Des systèmes de régulation automatique du freinage en fonction de la température, de la surface au sol... existent-ils ?
Oui, l'antiskid (ou "anti-patinage"), précurseur de l'ABS pour nos voitures... il est couplé à un calculateur sur la roulette de nez, pour mesurer le glissement. Ca existe sur avion de ligne.
L'antiskid se moque des conditions de piste, en fait il relache la pression de freinage quand il détecte une roue qui patine ou qui se bloque.
Sur monomoteur léger, rien de tout ça.
Sur chasseur, on appelle ça SPAD... on trouve aussi des équivalents : Modistop, Ministop...
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Dans le cockpit, on appuie où pour freiner ?
Sur un avion de ligne : les deux pédales de palonnier à fond, ou le frein de parc, ou l'autobrake.
Sur un avion léger : il y a une commande de frein par roue du train principal, soit totalement indépendante du
palonnier (une poignée commune sur le pylône central), soit plaçée sur chaque palonnier (le Cap 10 possède des freins aux 2 places, ce n'est pas toujours le cas),
soit actionné en bout de course du palonnier : le Stampe.
Sur chasseur, on peut "doser" son freinage en visualisant la décélération en VTH ( Jx ).
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Peut-on activer certains freins et pas d'autres ?
Sur un avion de ligne : c'est la maintenance au sol qui peut réellement isoler totalement un frein. Mais au palonnier, le freinage différentiel est autorisé.
Sur un avion de chasse, il existe là aussi un système de régulation par palonniers, donc si on freine à droite, ça ne freine qu'à droite. Mais là aussi, le freinage principal à l'atterrissage est assuré sur les deux roues... si ça m.... sur une roue, va y avoir de l'embardée dans l'air!
Le liquide circulant dans les deux canalisations agissant sur chaque roue est issu du même réservoir,
mais la "compression" est réalisée par deux maître-cylindres différents.
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Comment gère-t-on la surchauffe des freins ? Y a-t-il des systèmes particuliers, des précautions à prendre, des recommandations d'utilisation à suivre ?
Tout les avions gros format (liners) risquent de voir leur freins chauffer en cas de roulage long et lent.
Ceci est dû à leur masse et à la poussée résiduelle des moteurs même au ralenti.
De plus, si au sol on utilise les dégivrages moteur pour éviter la formation de glace sur les anneaux d'entrée d'air
(anti-ice nacelles), alors le phénomène est amplifié car l'utilisation des dégivrages moteur provoque
une élévation du régime moteur même au ralenti. La poussée résiduelle augmente, il faut donc freiner davantage encore
pour "retenir" l'avion.
Il faut juste une température maxi pour entreprendre un décollage histoire d'avoir
de quoi freiner en cas d'arrêt décollage.
Une option sur 330/340 par exemple permet de rajouter des ventilateurs
électriques sur chaque jante afin de les refroidir rapidement (en cas
d'utilisation de l'avion sur des trajets assez courts en général, là ou les
freins n'auraient pas le temps de refroidir en vol).
Au freinage, les seules précautions sont de regarder la page "wheel" sur
l'ecam mais de toute façon, elle apparaît automatiquement lorsque la
température des freins atteint 300°C avec une indication ambrée sur
l'indication du frein en surchauffe. Il faudra alors éviter de rester sur
les freins trop longtemps.
Comme dit plus haut, si nécessaire, il peut y avoir destruction des freins carbone en cas de freinage détresse.
Il arrive de laisser le train sorti quelques minutes après de décollage sur certains avions pour refroidir
des freins chauffés par un roulage long et les ramener à une température convenable
pour en garantir l'efficacité lors de l'atterrissage si l'étape est courte et la piste à destination
courte également (par exemple Dakar -> Cap Skirring).
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En conditions d'utilisation habituelles, préfère-t-on ne pas trop freiner et bouffer beaucoup de piste, ou bien freiner et dégager rapidement la piste ?
Ca dépend des compagnies pour le transport civil, et du pilote pour le tourisme...
A Air France, on freine moyennement et assez tôt.
Sur Mirage 2000, en temps normal : freinage aérodynamique jusqu'à 100kt puis on pose la roulette de nez et on freine entre -0.20 et -0.30 de Jx.
Boggie d'A340 pendant un virage au sol un peu trop serré... |
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(crédit : inconnu)
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Un frein bousillé par un freinage un peu trop appuyé, ça prend combien de temps à changer ? Ca coûte combien ?
Sur avion de ligne, ça depend, mais sur 340 comme sur la plupart,
on met plus de temps à reunir les outillages (pour dévisser l'écrou de
roue, de levage du bogie, de transport de roue et frein, de torquage et enfin
de gonflage) qu'à déposer et reposer la roue et le frein...
Changement de roue d'Airbus A340 |
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(crédit : Mitucci)
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Sur chasseur, en fonction de la peinture témoin (qui vire selon la température atteinte), on change ou pas le train principal.
Le coût sur Mirage 2000 :
Pneu : 10mn (travail) à 1h (+ papelar), 3000 à 6000 frs
Puits de chaleur = disque de carbone : 4h à 6h
Bloc de frein complet : 4h à 6h
Train Principal : 8h à 16h
Frein bousillé de Boeing 737 |
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(crédit : Mitucci)
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Un freinage trop brusque ou trop intensif peut avoir quelles conséquences sur un avion léger ?
On capote avec un train classique. Cela se termine en
pylone ou sur le dos. L'avion repose alors sur le moteur et le sommet de la
dérive et la tête des occupants est préservée !
Si on freine trop sur une roue, toujours avec un train classique et une roulette non conjuguée, le
cheval de bois est assuré surtout à faible vitesse. Ceci démontre l'intérêt du train tricycle.
Pylône d'un F4U Corsair |
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(crédit : inconnu)
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Le frein de parking, c'est quoi ?
Il s'agit presque toujours du maintien de la pression soit par action directe sur les pédales (la manette du frein de parking ne
fait que retenir les pédales),
soit par un robinet sur le circuit hydraulique. Cette solution présente
quelque fois le risque que l'échauffement du tambour ou du disque ne se
transmette à l'hydraulique et n'entraîne une surpression.
Il y a eu des avions avec un bouton de bloquage directement sur la roue (époque du SIPA 90...)
Le frein de parking ne s'utilise que pour
de courtes périodes car il maintient le circuit hydraulique sous pression.
D'ailleurs lorsqu'un avion de ligne arrive au parking, avant de mettre en place la
passerelle, on attend que le pilote desserre le frein de parc pour coller la
passerelle. En effet, quelque fois, lorsque le pilote enlève le frein de parc,
on constate que l'amortisseur se détend et que l'appareil recule
légèrement... ça coûte si cher une porte d'avion...
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Y a-t-il certains avions sans frein ?
Oui, il s'agit de tous les avions anciens qui
avaient une béquille ou un patin qui trainait au sol. Le plus récent de
cette catégorie étant le Tiger Moth.
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Comment la transmission des ordres est-elle effectuée ?
Sur les vieux avions légers, ça marche par cable, comme sur les vélos (Stampe...)
Sur tout ce qui est un peu plus moderne, la transmission est hydraulique avec 2 solutions pour aboutir au même
effort sur les garnitures :
- soit fort volume d'huile déplacé et faible pression : Piper cub, Sipa, Nord 1000, (freins ERAM d'après guerre), Fieseler Storch etc...
- soit faible volume et forte pression (idem automobile), la solution actuelle pour tous les avions légers (d'ailleurs la plupart du temps les
constructeurs font appel à du matériel issu de l'automobile).
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Si on freine au point de bloquer les roues, ça fait quoi ?
Ca fait boum.
De façons différentes selon la masse de l'avion...
Si il est gros... le pneu de la roue bloquée explose en moins d'une seconde.
Si il est petit, on se retrouve dans la situation d'un freinage trop brutal décrit ci-dessus.
Pylône d'un F4U Corsair |
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(crédit : inconnu)
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En cas de fuite hydraulique, qu'est-ce qui se passe ?
Le système "Brake by wire" est très fiable,
on estime qu'il tolère une panne pour 100 millions d'atterrissages.
Ce qui veut tout de même dire que des fois, ça peut ne pas marcher... il y a donc un circuit de secours.
Des capteurs analysent la pression de chaque circuit.
En cas de chute de pression, le circuit touché est immédiatement coupé et le circuit hydraulique de secours,
totalement indépendant, prend le relais.
Mais il faut aussi prévoir une solution en cas de fuite dans le circuit hydraulique de secours !
Deux cas peuvent se présenter :
- la fuite empêche une alimentation correcte du circuit de secours. Des accumulateurs (réservoirs contenant de l'huile
sous pression) prennent le relais pour fournir la haute pression.
- la fuite empêche la transmission de la commande. Le pilote peut encore freiner l'avion avec la manette de frein de parking.
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Comment fonctionne le système Brake by Wire ?
Cela concerne les avions de ligne et notamment les Airbus.
Explication Snecma : En mode de fonctionnement normal, la commande de freinage est assurée par un calculateur appelé BSCU (Brake and Steering Control Unit).
Un calculateur est un ordinateur qui reçoit des informations provenant de différents capteurs répartis dans l'avion.
Ceux-ci mesurent des grandeurs physiques (pression, vitesse...) et les convertissent en signaux électriques.
Après analyse, le BSCU envoie ses conclusions sous forme de commande aux actionneurs.
Toutes ces informations sont transmises par signaux électriques.
Les freins d'un avion étant hydrauliques, pour ajuster l'effort de freinage, il faut ajuster la pression de l'huile qui pousse
les pistons contre les disques. Cela signifie ouvrir plus ou moins les valves qui mènent l'huile aux freins.
Tant que l'avion est en vol, le circuit de freinage est fermé. Une fois au sol, quand le pilote freine, un capteur situé dans la
pédale envoie l'information "freinage" au BSCU. Celui-ci commande à l'électrovanne qui isole le circuit de freinage de s'ouvrir.
L'huile s'engouffre alors à haute pression dans le circuit, maintenant prêt à fonctionner.
Le BSCU commande à la servo-valve de chaque frein de s'ouvrir plus ou moins suivant la force d'appui transmise à la pédale.
Une pression d'huile plus ou moins grande arrive jusqu'aux freins.
En comparant la vitesse de l'avion à celles des roues mesurées par les tachymètres,
le BSCU ajuste en permanence l'ouverture des servo-valves.
Une servo-valve est un mécanisme qui laisse passer de l'huile à la pression exacte demandée par la consigne.
Schéma de la partie hydraulique du système de freinage de l'A330/340 |
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(crédit : Messier-Bugatti - www.messier-bugatti.com)
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