Freins et ralentisseurs : Quand il faut s’arrêter

Le système de freinage d’un camion de collecte est mis à rude épreuve chaque semaine dans des environnements et des circonstances parmi les plus sévères. Le camion doit maintenir des fonctions de freinage normales dans des conditions de circulation allant de l’autoroute à la circulation urbaine dense, en passant par les arrêts répétés de l’itinéraire de collecte. À chaque arrêt, le poids du camion augmente jusqu’à ce qu’il atteigne sa charge utile, et l’on s’attend à ce que les caractéristiques de freinage du camion restent relativement constantes, du vide au plein. Ajoutez la nécessité de faire ces arrêts de panique inattendus pour l’automobiliste qui coupe soudainement devant le camion ou l’enfant sur un tricycle qui s’élance sans être vu d’entre deux voitures garées pour voir le « gros camion », et vous devez avoir un système à sécurité intégrée.

En un mot, les systèmes de freinage et de ralentisseur fonctionnent sur le concept d’offrir une résistance sélective à un élément en mouvement, soit sur une roue tournante ou un arbre rotatif dans une force de friction égale et opposée au mouvement jusqu’à ce que l’objet s’arrête. Grâce à la fonction de freinage, l’énergie contenue dans l’objet en mouvement est transformée en chaleur qui se dissipe ensuite dans l’atmosphère. Les systèmes de freinage sont principalement de nature mécanique, tandis que les systèmes de ralentisseurs fonctionnent soit par la résistance des fluides, soit par des forces électromagnétiques. Les ralentisseurs sont utilisés pour compléter le système de freinage principal en réduisant l’effort que celui-ci doit fournir pour immobiliser un véhicule.

A Primer on Braking Systems

Sur un camion de collecte des déchets, le système de freinage se compose de deux sous-systèmes : le frein de service, qui est conçu pour fonctionner par l’intermédiaire de la pédale de pied et être appliqué pendant le fonctionnement normal du véhicule ; et le frein de stationnement, qui est un système mécanique conçu pour maintenir les freins chaque fois que le véhicule est garé et que le moteur est éteint. Dans les situations où le conducteur doit sortir à plusieurs reprises du véhicule tout en le plaçant en situation de stationnement, un système de frein de travail, qui combine les caractéristiques du frein de service et du frein de stationnement, peut être utilisé sans générer une usure importante du frein de stationnement à ressort.

Les systèmes de freinage utilisent soit un fluide hydraulique, soit de l’air pour fonctionner. Bien que les deux systèmes aient des applications appropriées sur divers véhicules, les principaux systèmes de freinage des véhicules de collecte des ordures ménagères fonctionnent à l’air. Cela nécessite un compresseur pour générer de l’air à la pression appropriée et un réservoir de stockage pour contenir l’air comprimé. L’air est ensuite traité pour éliminer l’humidité, qui peut réduire l’efficacité des systèmes de freinage. Le système de freinage est souvent divisé en circuits conçus pour assurer la redondance du système. Cette redondance a pour but de permettre au véhicule de conserver plus de 50 % de sa fonction de freinage en cas de défaillance d’un circuit. Chaque circuit dispose d’un système de valve approprié qui distribue l’air aux freins de fondation sur chaque ensemble de roue.

Les systèmes de freinage pneumatique sont la plateforme dominante en raison de leur fiabilité et de leur moindre coût d’entretien.  » Un système de freins à air comprimé est un système qui pardonne « , déclare Ron Bailey, directeur technique des ventes pour Bendix Spicer Foundation Brake LLC d’Elyria, OH. « Vous pouvez faire fonctionner un système de freinage pneumatique avec une certaine fuite dans le système et vous ne perdez pas le système de freinage. Je veux dire que les systèmes pneumatiques et hydrauliques sont tous deux redondants, en ce sens que si vous perdez une partie du système, l’autre moitié du système fonctionne. Cependant, un système pneumatique peut fonctionner avec une fuite mineure dans le système et continuer à fonctionner, ce qui n’est pas vraiment le cas avec un système hydraulique. Vous avez une fuite dans un système hydraulique et vous avez perdu une partie du système. »

Les composants de freinage des camions de collecte doivent être robustes pour arrêter les véhicules lourds lors de leurs tournées quotidiennes. Dans le sens des aiguilles d’une montre, en partant du haut à gauche, on trouve un frein à disque pneumatique, un actionneur de soupape, qui utilise l’air des freins de stationnement pour maintenir la pédale de commande appliquée pendant les inspections, et un compresseur, qui sert de source d’énergie pour charger l’air du système de freinage pneumatique. À droite, un technicien travaille sur un frein à disque pneumatique.

Les freins de fondations peuvent être constitués de freins à disque ou à tambour. La majorité des systèmes de freinage sur les véhicules de collecte des ordures sont des freins à tambour à came en S, qui consistent en une chambre de frein et un régleur de jeu faisant tourner une came en forme de S qui applique les segments contre le tambour pour créer la force de freinage. Les freins à disque utilisent un étrier pour appliquer une pression sur un rotor par l’intermédiaire des plaquettes. Les freins à tambour poussent vers l’extérieur contre la surface du tambour qui se déplace parallèlement à la surface de la route, tandis que les freins à disque appliquent une pression sur un disque qui tourne perpendiculairement à la surface de la route.

Selon Bailey, il existe des différences distinctives entre les deux systèmes. « Moins de 2% des véhicules lourds aux États-Unis sont équipés de freins à disque à air », dit-il. « Je pense que la principale raison de cette situation est d’ordre économique. Les freins à disque sont généralement plus chers à l’achat, mais nous pensons qu’il existe des paiements sur le cycle de vie qui réduiront ce coût et rendront plus raisonnable l’utilisation de freins à disque pneumatiques grâce à une durée de vie plus longue des garnitures et à une maintenance plus facile. En comparaison, les freins à tambour ont quelques caractéristiques que les freins à disque ne possèdent pas. La première est la stabilité. Il peut y avoir jusqu’à 30% de variation de droite à gauche. Les freins à disque sont intrinsèquement beaucoup plus stables – probablement moins de 10 % de variation d’un frein à l’autre. L’autre avantage des freins à disque par rapport aux freins à tambour est ce que nous appelons l’évanouissement des freins, c’est-à-dire la perte d’efficacité des freins. Avec l’augmentation de la température, les freins à tambour auront certainement des pertes d’efficacité car les freins deviennent chauds. L’évanouissement d’un frein à tambour peut atteindre 30 à 40 % entre une situation froide et une situation chaude. Les freins à disque ont probablement moins de 10 % de variation du froid au chaud. Les déchets sont considérés comme des opérations de freinage à chaud très exigeantes. Nous avons vu jusqu’à 60 arrêts par kilomètre sur des déchets. Les freins à tambour chauffent, s’affaiblissent, perdent de leur efficacité et l’usure des garnitures augmente avec la température. Les freins à disque sont beaucoup moins sensibles à ces conditions et peuvent offrir une amélioration de l’usure des garnitures et un temps de service beaucoup plus rapide lorsque vous devez remplacer les plaquettes. »

Déterminer quel type de système de freinage (disque ou tambour) est approprié pour une application spécifique dépend d’une variété de facteurs, explique John Hall, vice-président de l’ingénierie des produits chez Webb Wheel Products à Cullman, AL. Certains de ces facteurs sont le cycle de service, les habitudes du conducteur, le type de cargaison, le poids et le coût.

Aujourd’hui, le coût d’un frein à disque pneumatique est sensiblement plus élevé que celui d’un frein à tambour. La principale raison en est que les composants d’un frein à tambour sont fabriqués en bien plus grand volume que les composants d’un frein à disque pneumatique. Le coût des composants est extrêmement sensible au volume. Au fur et à mesure que le volume des composants du frein à disque pneumatique augmente, la différence entre le coût d’un frein à disque pneumatique et celui d’un frein à tambour diminue.

Améliorer la durée de vie des tambours de frein

La durée de vie des tambours de frein de remplacement peut être augmentée en ne suivant pas la pratique courante qui consiste à « ajuster » un nouveau tambour de frein avant de le mettre en service. Aujourd’hui, la plupart des fabricants de tambours usinent le tambour en un seul mandrin. Cela permet de minimiser l’écart entre le diamètre de la surface de freinage et le diamètre du pilote. La pratique consistant à usiner davantage un tambour de frein réduit la durée de vie d’un tambour neuf en augmentant le diamètre de sa surface de freinage. En outre, cette pratique augmente généralement le faux-rond du diamètre de la surface de freinage par rapport au diamètre pilote, ce qui peut contribuer à la formation de contrôles thermiques sur la surface de freinage. Cela peut finalement réduire la durée de vie du tambour.

L’utilisation de tambours ventilés avec des turbines de frein peut réduire la température de fonctionnement des tambours de frein en service sévère. Des températures de fonctionnement plus basses sont corrélées à une augmentation de la durée de vie des tambours.

L’ajout d’un frein de travail au système permet d’utiliser le système de freinage de manière plus efficace, explique Chuck Eberling, ingénieur principal du personnel chez Bendix Commercial Vehicle Systems. « L’un des plus grands ennemis d’un système de freinage sur un véhicule à ordures est l’application du frein de stationnement lors des arrêts de routine de maison à maison », observe-t-il. « Grâce à des études avec l’industrie, nous avons appris qu’il est littéralement impossible pour les systèmes de charge qui sont généralement utilisés sur ces véhicules de suivre un itinéraire de 800 à 1 200 arrêts où le conducteur applique effectivement les freins de stationnement à chaque arrêt. Il est très important qu’il dispose de ce que l’on appelle un frein de travail qui utilise le frein de service. Ce faisant, la consommation d’air sera triplée et le système de charge aura la possibilité de répondre à la demande. Si le système de charge ne peut pas répondre à la demande, il va saturer tout le système et avoir des problèmes sur la route avec la corrosion interne et les gels et ce genre de choses. »

Les ralentisseurs aident au freinage

Toute personne qui s’est tenue le long d’une bretelle d’autoroute en descente alors qu’un poids lourd ralentissait a entendu le gémissement familier d’un système de ralentisseur de moteur. Couplés à des ralentisseurs de chaîne cinématique et de transmission, ils sont conçus pour assister le système de freinage existant en convertissant l’énergie générée par la chaîne cinématique du véhicule en un système de freinage.

Lorsque l’accélérateur d’un camion de collection est enfoncé, le moteur accélère car le carburant est poussé dans les cylindres et s’enflamme, créant ainsi du travail. Lorsque l’accélérateur est relâché, le moteur ralentit. Un ralentisseur de moteur capte les gaz d’échappement du moteur et les comprime de sorte que le moteur doit travailler davantage pour pousser les gaz hors des cylindres, et il retarde et ralentit donc le moteur par résistance. Cela entraîne un ralentissement du véhicule, nécessitant moins de force de freinage sur les freins de service pour immobiliser le véhicule.

Les ralentisseurs de transmission remplissent une fonction similaire en ce qu’ils ralentissent les forces de rotation de la chaîne cinématique en créant une résistance au sein de la transmission. Steve Spurlin, ingénieur en chef pour Allison Transmissions à Indianapolis, IN, décrit le fonctionnement de ce système : « Le ralentisseur est constitué d’un élément rotatif à ailettes appelé rotor. De chaque côté du rotor se trouvent des éléments à ailettes qui ne tournent pas, appelés stators. La cavité entre le rotor et les stators est pressurisée avec de l’huile. Le rotor est cannelé à l’arbre de sortie de la transmission. L’huile sous pression qui travaille entre le rotor et le stator ralentit le véhicule lorsque l’opérateur demande un ralentissement. Le ralentisseur pompe de l’huile jusqu’à environ 60 gallons par minute et il puise de l’huile dans l’alimentation normale de la transmission. »

Les ralentisseurs de la ligne de transmission sont installés entre la transmission et l’extrémité arrière du camion, et utilisent l’énergie électromagnétique pour contrer l’énergie de la ligne de transmission en rotation, comme un moteur électrique. « Sur le marché des déchets, ils sont principalement achetés pour prolonger la durée de vie des freins », explique Joe Gawlik, directeur régional des ventes de Telma Inc. à Elk Grove Village, IL, une filiale du groupe Valeo. « Étant donné le nombre de travaux de freinage effectués sur le marché des déchets, cela permettra d’économiser sur la durée de vie des freins et les dépenses qui y sont associées, ainsi que sur la durée de vie des pneumatiques. Le stator est boulonné au rail du châssis et il est fixe. Lorsque le ralentisseur est activé, un champ électromagnétique créé à l’aide de courants de Foucault ralentit la rotation de ces rotors, ce qui signifie que vous ralentissez le camion sans utiliser vos freins ». Selon John Gillespie, directeur général de Telma, « aucune autre technologie de freinage auxiliaire n’est aussi bien adaptée à l’industrie des déchets que la technologie électromagnétique. Nous avons constaté une multiplication par cinq de la durée de vie des freins et une réduction des défaillances des pneus liées à la chaleur grâce à cette technologie. »

Selon Spurlin, il y a deux raisons d’avoir un système de ralentisseur, quel qu’il soit, sur un véhicule de collecte. « L’une d’entre elles est le contrôle de la vitesse dans les pentes, ce qui n’est pas vraiment ce pour quoi un véhicule de collecte des ordures le voudrait », dit-il. « Le deuxième objectif est de fournir un freinage supplémentaire au véhicule qui pourrait, en fait, aider à économiser les freins de service normaux afin de prolonger la durée de vie des freins. L’avantage le plus courant est celui d’une vocation à fort taux d’arrêt/démarrage comme celle d’un camion à ordures. Dans le cadre de la collecte normale des ordures ménagères, qu’il s’agisse d’un chargeur latéral, d’un chargeur arrière ou même d’un chargeur frontal, lorsqu’ils effectuent un travail à faible vitesse, vous ne tirerez pas grand profit d’un ralentisseur, quel qu’il soit, car vous roulez à faible vitesse. L’énergie de freinage que vous mettez dans les freins de service est très faible, car la vitesse est faible. Mais chacun de ces camions sort du quartier. Ils circulent dans le trafic normal et, dans la plupart des cas, ils vont sur une autoroute plusieurs fois par jour à grande vitesse vers des décharges ou des stations de transfert. Ils bénéficieraient des avantages du ralentisseur en termes d’économies de freinage, car ils roulent à des vitesses plus élevées et les freins de service reçoivent plus d’énergie de freinage. Si le ralentisseur peut absorber cette énergie par rapport aux freins de service, alors c’est ainsi que vous allez prolonger la durée de vie des freins. »

L’activation des systèmes de ralentisseurs peut être configurée en fonction des besoins du système d’exploitation. « Les conducteurs et les entreprises ont le choix avec la façon dont ils veulent que le système soit configuré », dit Gawlik. « La majorité des unités commercialisées sur le marché des déchets sont équipées d’une commande au pied, ce qui signifie que dès que le conducteur appuie sur le frein, le ralentisseur est activé en quatre étapes différentes, avec 25 % pour chaque étape. Il est activé par un interrupteur à pression d’air et il est activé à 3, 5, 7 et 10 livres d’air dans les conduites de freinage. C’est l’option la plus populaire sur le marché des déchets. Toutefois, il existe d’autres options, comme la commande hors gaz. Quelques entreprises de collecte de déchets choisissent cette option où environ 25 % ou 50 % de la puissance est activée dès que l’on relâche l’accélérateur, les autres étapes étant activées par la pédale de frein. Dès que vous relâchez l’accélérateur, boum, vous avez 50 % du ralentisseur qui fonctionne immédiatement. »

Systèmes futurs

À l’heure actuelle, tous les systèmes de freinage doivent satisfaire ou dépasser les exigences de la National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) pour pouvoir arrêter un véhicule de classe 8 en 355 pieds à partir de 60 miles par heure. La NHTSA dispose actuellement d’un programme en neuf étapes visant à réduire de 50 % le nombre de décès liés aux véhicules lourds d’ici 2010. « Dans le cadre de l’un de ses principaux efforts, elle prévoit de réduire la distance d’arrêt requise de 355 à 248 pieds », explique M. Bailey. « Les freins à tambour peuvent être capables d’atteindre ce niveau, mais c’est là que le facteur d’efficacité entre vraiment en jeu lorsque vous commencez à mettre des freins à tambour beaucoup plus grands sur les essieux avant. Les freins à disque peuvent gérer cela. Nous avons des informations qui montrent la distance d’arrêt sur un tracteur typique avec des freins à disque tout autour jusqu’à des distances d’arrêt de 185 à 215 pieds. »

Puisque l’activation des systèmes de freinage peut entraîner des problèmes de stabilité et de maniabilité, en particulier dans des conditions météorologiques difficiles ou des applications de panique, les futurs systèmes intégreront des caractéristiques telles que des contrôles de stabilité et des systèmes de freinage automatisés plus avancés. « Les systèmes avancés dont nous parlons sont en fait ceux que l’on trouve le plus souvent dans un système de freinage électronique complet, qui est assez courant en Europe », explique M. Eberling. « Cependant, en raison de l’absence d’une distance d’arrêt plus courte et du coût que représente un système de freinage entièrement électronique avec la redondance pneumatique exigée par la loi, nous avons en fait intégré les fonctions avancées d’un système de freinage entièrement électronique dans la plate-forme actuelle du système de freinage antiblocage. Nous pensons que notre système est au point, avec ces concepts avancés de stabilité au roulis et de stabilité électronique améliorée, qu’il n’y a pas de réelle valeur dans un système de freinage entièrement électronique. »