Frână

O frână este un sistem utilizat pentru încetinirea sau chiar imobilizarea părților unei mașini sau a unui vehicul . În cazul mișcărilor, majoritatea tipurilor de frâne convertesc energia cinetică în energie termică prin frecare a pieselor în mișcare pe părțile staționare, elemente care trebuie răcite. Alte sisteme transformă energia cinetică într-o altă energie (de exemplu electrică sau pneumatică ), numită frânare regenerativă pe vehiculul electric . În cele din urmă, frânele cu curenți turbionari sunt utilizate pentru a încetini piesele metalice fără frecare.

Istorie

De la inventarea roții , a apărut problema imobilizării acesteia, în anumite circumstanțe. La vehiculele trase de animale, frâna consta dintr-un tampon sau pantof acționat de o pârghie, frecând circumferința roții. Sistemul este eficient numai atunci când roata este curată și uscată. Pentru imobilizare, o pană a fost plasată în fața roții.

Primele automobile au folosit întotdeauna acest sistem de încălțăminte , cu manetă sau comandă a pedalei cu transmisie directă sau prin cablu . Avea dezavantajul de a nu putea fi foarte puternic, chiar și prin apăsarea foarte puternică a pedalei și de a fi foarte sensibil la murdărie, praf, noroi, pietriș.

Frânele cu tambur au fost inventate în anii 1900, îmbunătățind semnificativ frânarea mașinilor din acea vreme care erau controlate prin cabluri.

Prima frână acționată hidraulic a fost inventată de americanul Malcolm Lockheed (fratele lui Allan, ambii cofondatori ai Lockheed ) în 1919 , acesta din urmă a fondat Lockheed Hydraulic Brake Company în Detroit, iar vehiculele Chrysler au fost primele echipate în 1924 . Compania Lockheed Hydraulic Brake va deveni Bendix în 1932. Odată cu trecerea la o legătură hidraulică, forța aplicată ar putea fi mult mai mare, făcând frânele mai eficiente, dar și mai stresate.

În anii 1950 , frânele pe disc au început să înlocuiască tamburele vehiculelor de producție.

În 1978 , germanul Bosch și-a comercializat ABS-ul electronic, un sistem antiblocare pentru roțile pe care compania începuse să lucreze în 1936 . Acum a fost montat pe toate mașinile din Europa din 2004.

De la începutul anilor 2000, pe anumite mașini sport „high-end”, discurile din oțel au fost înlocuite cu ceramică, chiar și carbon pe anumite mașini de curse, cum ar fi Formula 1 (aceasta din urmă necesită o temperatură de 250 la 300  ° C minimum a functiona). Carbonul este, de asemenea, utilizat în frânarea aeronautică

Mai recent, alte sisteme au făcut posibilă îmbunătățirea controlului frânelor, cum ar fi ESC , asistență la frânarea de urgență sau AEB .

Controlul frânei

Pentru a frâna un vehicul, șoferul exercită o forță asupra unei comenzi ( pedală într-un automobil , pârghie pe ambele roți și în mașini vechi  etc. ), această forță este transmisă la frâne. Această transmisie se poate face în diferite moduri:

În cazul unui circuit pneumatic , din motive de siguranță, logica efortului este „inversată”: fără presiunea aerului comprimat în circuit, frâna este acționată (printr-un arc puternic ), iar presiunea este aplicată. frâne. Astfel, cea mai mică defecțiune a circuitului (scurgere) determină frânarea. Acesta este principiul adoptat în remorci, camioane și trenuri tractate în multe țări: declanșarea semnalului de alarmă deschide circuitul care generează frânarea imediată a întregului tren.

Principiul frânelor de frecare

Principiul său se bazează pe conversia energiei cinetice a vehiculului sau a pieselor care trebuie frânate (legate de viteză și masă) în energie termică . Energia care trebuie evacuată răspunde ecuației:

Fricțiunea pieselor în mișcare (rotoare) pe piese fixe (statori) este în general utilizată. Eficacitatea frânelor de frecare este legată de capacitatea componentelor sale de a asigura o frecare suficientă, în timp ce disipează rapid căldura pentru a evita supraîncălzirea întregului mecanism, supraîncălzirea făcând frânarea inoperantă (cf. accidentele „rampei Laffrey” ).

Frânele sunt un dispozitiv esențial de siguranță:

Diferite sisteme de frânare

Frână de bandă

O bandă mai mult sau mai puțin întinsă înconjoară și freacă la periferia unei părți cilindrice rotative. Adesea folosit pentru scutere și cicluri de antrenament.

Sabot sau frână bloc

Frâna de pantof constă dintr - o parte mobilă, pantofului , care se aplică pe roata sau a unui dispozitiv care face corp comun cu ea. Este încă utilizat, în special în transportul feroviar ( frână automată ).

Frână cu tambur

Frâna cu tambur constă dintr - un cilindru în interiorul căruia segmente (sau fălci) , prevăzute cu garniturile de depărtarea pentru a realiza frânarea. Distanța se realizează cu o came și / sau pistoane, este integrat un sistem de compensare a uzurii. Segmentele revin în poziția de repaus prin intermediul arcurilor.

Disc rupt

La frânele cu disc , utilizate inițial în aviație, apar pe mașină în 1953 Le Mans 24 de ore într - un Jaguar tip C . Acesta din urmă a câștigat testul, atrage atenția în mod special asupra acestei soluții îndrăznețe. Doi ani mai târziu, înOctombrie 1955, Citroën își echipează DS 19 cu frâne pe disc față . Alte mașini sportive și de lux europene au urmat în scurt timp exemplul. Producătorii se înmulțesc (Girling, Dunlop, Bendix  etc. ), generalizarea este acum aproape totală pentru mașini și motociclete.

Frână de parcare

Frâna de parcare denumită în mod obișnuit „frână de mână” oferă un control diferit de frânele obișnuite, dar de multe ori folosește aceleași dispozitive de frânare pe automobile, în 2020 frâna de parcare a automobilelor este adesea acționată electric.

Frâna motorului

Tehnică vezi dispozitivul pentru a evita exagerarea frânelor (în special la coborâri lungi, cum ar fi la munte) și, în cazul unui sistem de frânare defect sau supraîncălzire, motorul de tracțiune este folosit ca frână de motor , o tehnică care constă în de a folosi rezistența motorului atunci când acesta nu mai este alimentat cu combustibil, sau foarte puțin, pentru a încetini vehiculul.

ABS de frânare electronic

Asistență anti-blocare a roților, denumită adesea „ABS” din germană „  Antiblockiersystem  ”. Principiul de funcționare constă în monitorizarea constantă a vitezei de rotație a fiecărei roți a vehiculului. Un computer electronic gestionează un bloc de electrovalve pe circuitul de frânare și monitorizează individual rotația fiecărei roți folosind un senzor instalat pe fiecare dintre ele. Dacă computerul detectează blocarea (încetinirea semnificativă în comparație cu celelalte roți) a unei roți, frâna acesteia este eliberată imediat (fără ca șoferul să trebuiască să-și modifice acțiunea asupra pedalei de frână). Calculatorul va permite cea mai puternică presiune de frânare posibilă, împiedicând blocarea roților. Funcționarea sistemului are ca rezultat o vibrație a pedalei de frână.

Scopul principal al ABS este de a menține vehiculul manevrabil în timpul frânării de urgență și de a nu reduce distanța de frânare.

Frână aerodinamică pentru mașini de curse și sport

Eleronele și clapele

Un alt tip de frână cu aer (aerodinamic) constă din clapete și aripioare mecanice la exteriorul vehiculului, care vor crește coeficientul de rezistență aerodinamică al vehiculului și, prin urmare, îl vor încetini. Frânele cu aer de acest tip sunt ineficiente pentru mașinile care circulă cu viteză normală; Prin urmare, acestea sunt rezervate mașinilor de curse și mașinilor sport de înaltă performanță, care trebuie să decelereze rapid la viteze foarte mari.

În multe mașini de curse și sport de înaltă performanță, dispozitivele aerodinamice sunt utilizate pentru a încetini mașinile la viteze foarte mari. Bugatti Veyron, una dintre cele mai rapide mașini de producție din lume, are un spoiler spate care, la viteze peste 200  km / h , acționează ca un întârziat, desfășurat la un unghi de 55 ° în 0,4 secunde De fiecare dată când pedala de frână este apăsată , oferă 0,68 g suplimentar  (6,66  m / s 2 ) de decelerare (echivalent cu coeficientul de rezistență al unei mașini hatchback). Dragster Top combustibil și alte curse de drag , care ajunge în mod obișnuit o viteză mare de mai mult de 241 kilometri pe oră (o sută cincizeci de mile pe oră), utilizați frână mecanică cu aer printr - o parasuta dupa cursei.

În 1994, NASCAR a introdus clapete de acoperiș pentru mașini, care sunt proiectate pentru a împiedica decolarea și eventual răsturnarea mașinilor. După ce Rusty Wallace s-a prăbușit la Talladega Superspeedway , Penske Racing a proiectat obloanele. Proprietarul echipei NASCAR, Jack Roush, a contribuit la îmbunătățirea designului obloanelor de acoperiș, colaborând cu Embry-Riddle Aeronautical University , din Daytona , Florida , Statele Unite . În timpul unei rotații, mașina se rotește până când ajunge în cele din urmă la un unghi în care aerul care vine în față reacționează cu profilul vehiculului în același mod ca o aripă. Dacă viteza este suficient de mare, aerul care curge peste această formă aerodinamică poate crea suficientă ridicare pentru a forța mașina să decoleze. Pentru a evita acest lucru, NASCAR a dezvoltat un set de clape care sunt încastrate în buzunarele de pe acoperișul mașinii. Când o mașină se ridică și atinge un unghi în care apare un unghi mare, presiunea scăzută deasupra clapelor îi determină să se desfășoare. Primul clapetă, orientat la 140 de grade față de linia centrală a mașinii, se instalează de obicei primul. După ce clapetele se desfășoară, aerul de înaltă presiune este forțat printr-un tub de aer care se conectează la un al doilea clapă care se desfășoară. Această a doua componentă împiedică, dacă mașina continuă să se întoarcă, să nu se creeze un lift, chiar și în timpul schimbărilor de unghi ale vehiculului. Desfășurarea acestor clape elimină majoritatea efectelor de ridicare ale vehiculului. Jaluzelele de acoperiș lovesc de obicei mașinile pe pământ atunci când virează, deși acest lucru nu este pe deplin garantat.

Frâne electrice

Frână electrică a mașinii

Frânarea electrică folosește capacitatea mașinilor electrice de a se transforma în generatoare de energie electrică atunci când acestea sunt în mișcare. Energia cinetică sau potențialul , legat de mișcarea masei, este transformat în energie electrică, care este trimisă fie la rezistențele care se disipă sub formă de căldură (frână DB ), fie alimentate înapoi în sursa de energie - prin exemplu catenar în cazul motoarelor de tracțiune ale unui tren - ( frânare regenerativă ).

La mașinile electrice hibride și mașinile electrice , frânarea regenerativă este utilizată pentru a reîncărca bateria de tracțiune în timpul decelerării. Energia recuperată este apoi utilizată pentru tracțiune, ceea ce permite economii substanțiale de energie și ameliorează frânele de frecare, îmbunătățind astfel semnificativ echilibrul de poluare.

Frână curent turbionar

Tipul de frână utilizat în special la camioane și autocare, numit și retarder . Acest sistem nu este considerat o frână strict vorbind, deoarece este cu atât mai eficient cu cât viteza este mare; nu permite oprirea completă rapid. Folosește curenți turbionari generați într-o masă metalică conductivă electric care transformă energia mecanică în căldură (ca un generator electric scurtcircuitat). Prin urmare, aceste frâne trebuie răcite cu atenție pentru a evita orice problemă de deformare a metalului datorată căldurii.

Frână electromagnetică

Frâna electromagnetică este utilizată în tehnologia feroviară pentru a crește forța de frânare. Este utilizat în plus față de frânarea pneumatică a pantofilor și, în anumite cazuri, în plus față de așa-numita frânare „electrică” ca pe MI 2N (echipamente RATP pe linia A și SNCF pe linia E a RER ).

Acest sistem este utilizat numai pentru așa-numita frânare „de urgență” (în cazul unui incident și nu pentru oprirea normală, cum ar fi oprirea la o stație), atunci când este necesar să opriți trenul la distanță. De exemplu, pentru un tren de navetă Z 20500 care circulă cu 140  km / h , este nevoie de aproximativ 800 de metri pentru a se opri complet, comparativ cu aproximativ 500  m pentru un tren MI2N care circulă cu aceeași viteză.

Sistemul de frânare electromagnetică a apărut în Franța din 1969 pe mașinile cu „confort ridicat”, primele mașini care au călătorit cu 200  km / h pe Capitol, apoi pe trenurile cu turbină cu gaz în 1972 . Acest sistem a fost apoi abandonat până în 1990 , când a reapărut pe MI2N, X 73500 ,  etc. Ar trebui să fie, de asemenea, utilizat pe trenurile POS ale TGV Est Européen, care va face legătura Franța / Germania, deoarece este obligatorie în această din urmă țară - în timp ce este considerat prea agresiv pentru calea ferată din rețeaua feroviară națională franceză, cu excepția echipament comun cu RATP . De asemenea, este folosit, din nou ca frână de urgență, pe trenurile de tramvaie ale anumitor producători, cum ar fi Alstom .

Principiul de funcționare

Frânele electromagnetice constau dintr-un set (cricuri plus plăcuțe) fixat pe cadrul de boghiu între cele două axe. În timpul frânării de urgență, tampoanele coboară și se apasă de șină folosind cricuri. Apoi se creează un câmp magnetic pentru a apăsa puternic tampoanele în contact cu șina, ceea ce creează o forță de frânare suplimentară, pe lângă discurile, pantofii sau chiar frânele electrice de pe anumite trenuri.

Principalul avantaj al acestui sistem este acela că oferă o forță de frânare constantă: în cazul frânării pe disc, dacă presiunea exercitată asupra lor este prea mare există riscul de angrenare (blocarea discurilor. Roți de osie care vor aluneca pe șină) și, prin urmare, un risc semnificativ de prelungire a distanței de oprire cu deteriorarea suprafeței de contact a roților. Acest risc este semnificativ în caz de ploaie sau frunze moarte care cad pe calea ferată, ceea ce aduce atingere siguranței traficului care stă la baza reglementărilor feroviare.

Frânarea aeronavelor

Frânarea aeronavelor este destul de similară cu cea a automobilelor, dar cu necesitatea de a opri o masă mare cât mai repede posibil, ceea ce explică de ce aviația a fost primul utilizator al „noilor tehnologii” (frâne cu disc, frâne cu carbon)  etc. etc. ).

Frânare de aterizare

În plus față de frânarea convențională la aterizare prin intermediul frânelor roților (de obicei cu discuri multiple), o aeronavă poate fi frânată și folosind diferite dispozitive permițând fie scurtarea distanței de oprire, fie reducerea distanței de oprire. afară) frânele roții:

În cazul avioanelor militare , un dispozitiv de urgență face posibilă oprirea la capătul pistei a unei aeronave care nu ar fi putut frâna la timp prin mijloace proprii. Există două posibilități:

Frânarea în timpul aterizării

Când un avion aterizează pe un portavion , cel mai adesea este frânat de utilizarea combinată a unui baston de aterizare și a liniilor de oprire  :

În cazul în care bățul a ratat toate capetele, avionul nu are altă soluție decât să decoleze din nou imediat cu impulsul său și să încerce din nou. Din acest motiv, puterea maximă a motorului este cuplată imediat ce roțile ating. În cele din urmă, o plasă mare poate fi, de asemenea, desfășurată peste pod, pentru a permite aeronavei să aterizeze chiar dacă aeronava nu mai este capabilă să prindă un fir de oprire (fundul rupt, defectarea  etc. ). Această metodă este totuși utilizată ca ultimă soluție, de fapt rețeaua riscă să deterioreze anumite părți ale structurii avionului atunci când se oprește din cauza forțelor care vor fi exercitate asupra fuselajului și aripilor .

În timpul aterizării pe portavionul Charles de Gaulle , pilotul unui Rafale are 90 de metri pentru a merge de la 220  km / h la zero, adică o decelerare într-o manevră care durează aproximativ 1,5 secunde. Aceasta reprezintă aproximativ o decelerare de 40 m / s 2 , sau aproximativ 4  g .

Ciclul de frână, moped și motociclete

Note și referințe

Note

  1. Încă folosit astăzi pe majoritatea bicicletelor .

Referințe

  1. (în) Allan Haines Lockheed - Delta Mike Airfield, Inc., 16 iunie 2007
  2. Frânare - Echipa JSO
  3. ABS are 30 de ani: Bosch este la originea evoluției perpetue - Bosch InfoTech , februarie / martie 2008
  4. ABS - Definiție , securite-routiere-az.fr, accesat la 11 august 2019
  5. Frânare: mai degrabă ceramică decât carbon - L'Argus , 14 septembrie 2000
  6. Tehnica F1: Secretele frânelor de carbon din Formula 1 - René Fagnan, Auto123.com, 9 ianuarie 2014
  7. Brembo dezvăluie secretele frânării în F1 - Matthieu Piccon, BusinessF1, 4 septembrie 2014
  8. Capitalul frânelor de carbon - Thierry Vigoureux, Le Point , 28 martie 2013
  9. „Top 10 cele mai rapide mașini din lume”
  10. Eric Adams , „  Inside a Street-Legal Land Rocket  ” , Popular Science , vol.  269, nr .  6,2006, p.  73
  11. Site-ul sezonului prostesc al lui Jayski
  12. (în) Colaboratori diferiți , Trivia oficială NASCAR: Provocarea finală pentru fanii NASCAR , New York, Harper Collins,1998, 1 st  ed. , 192  p. ( ISBN  978-0-06-107304-5 , OCLC  38739017 , LCCN  98016564 )
  13. Explicația obloanelor de acoperiș.

Vezi și tu

Articole similare