TRAIN D'ATTERRISSAGE

FREINS ET CIRCUIT DE FREINAGE



- Freins à tambour pour monomoteur

- Freins à diques pour avions monomoteur ou bimoteur léger

- Freins pour avions de transport

- Circuit de freinage d'un bimoteur léger

- Circuit de freinage d'un avion de transport

Introduction

Des normes officielles codifient le dimensionnement du freinage. Ces normes définissent les performances minimales pour qu'un avion soit autorisé à voler. L'avionneur applique les règlements et définit les spécifications. Une roue et un frein n'est pas spécifique à un avion, plusieurs types d'avions peuvent avoir les mêmes roues et freins ( par exemple les A320 , 319 et 318). A noter que le frein est toujours homologué dans un ensemble roue-frein-pneu.

Evolution des freins

Les freins ont beaucoup évolués avec le temps, jusque vers le milieu des années 1950 les freins à tambours étaient encore utilisés sur les avions de ligne. Actuellement les freins à tambours n'étant pratiquement plus utilisés en aviation, ils ne seront donc pas étudiés dans cette page.
Puis les freins à disques ont fait leur apparition dans les années 1950.
Disque acier, garniture organique
Disque cuivre, garniture organique
Disque acier, garniture frittées
Disque carbone, carbone

Freins à tambour à came pour avions monomoteur

Seul les appareils de construction ancienne ont encore des freins à tambour actionnés par câbles.

Eléments composant les freins tambour à came

- Le tambour est un cylindre ouvert sur un côté. Solidaire de la roue il tourne à la même vitesse qu'elle. La surface interne du tambour constitue la piste de freinage.
- Le flasque solidaire de la jambe de train est un disque qui supporte les mâchoires, la came et sa biellette. Il ferme le tambour côté ouvert.
- Les mâchoires sont fixées sur le flasque. Elles sont recouvertes d'un matériau présentant un coefficient de friction important. Un ressort de rappel est attaché aux deux mâchoires.

Freins Tambour

Principe fonctionnement

En actionnant la pédale de freins et par l'intermédiaire d'un câble et d'une biellette une came pivote et écarte les deux mâchoires portées par le flasque, qui viennent serrer par l'intérieur le tambour. Lorsque la pression est relâchée un ressort de rappel ramène les deux mâchoires dans leur position initiale, pour éviter tous frottements de la garniture sur le tambour.

Freins came détail
Image Haut de page



Freins à disques pour avions monomoteur ou bimoteur léger

Actuellement tous les avions "modernes" ont recours à l'hydraulique pour le circuit de freinage.
Un réservoir de liquide hydraulique est soit unique pour les deux atterrisseurs soit réparti dans chaque maître-cylindre ( comme dessin ci-dessus).

Freins schema monomoteur

Principe fonctionnement

Les pédales du palonnier peuvent pivoter autour d'un axe (schéma ci-dessus). En appuyant avec les pieds sur le haut des pédales, le pilote actionne deux maître-cylindres (un pour chaque atterrisseur). Chaque maître-cylindre agit par l'intermédiaire d'une tuyauterie hydraulique sur un piston placé dans un étrier. Les systèmes de freinage simples comprennent un disque d'acier fixé à la roue et un étrier fixé à la jambe de l'atterrisseur. L’étrier comporte deux mâchoires, une fixe et l'autre actionnée par un piston sur lequel agit le fluide hydraulique. Ce piston va comprimé la mâchoire mobile sur le disque solidaire de la roue.
Chaque roue ayant son propre circuit, le freinage peut être simultané (action sur les deux pédales en même temps) soit différentiel pour le guidage au sol.

Freins Simple Disque

Maître-cylindre

Lorsque le piston est en position haute (freins non appliqués) le fluide est libre de passer du réservoir à la chambre de pression pour remplacer le fluide qui aurait pu être perdu dû à une légère fuite.
Quand le pilote commence a appuyé sur la pédale de frein, le piston descend en emprisonnant le fluide qui se trouve entre la face inférieure du piston et l'ensemble du frein de roue. Si le pilote continu à appuyé sur la pédale le piston continue à descendre et force le fluide à sortir de la chambre vers l'étrier.
En relâchant la pression sur la pédale, le ressort renvoie le piston vers le haut, et le fluide retourne dans la chambre de pression.
Ci-sessous schéma d'un maître-cylindre avec réservoir incorporé.

Freins Master cylindre

Etrier

Le fluide utilisé par les systèmes de freinage est le Skydrol. Le Skydrol est un liquide hydraulique résistant au feu (point d'auto inflammation supérieur à 500°C),et sa viscosité varie beaucoup moins qu'une huile hydraulique « classique », une qualité essentielle quand l'avion est à haute altitude.
Un étrier peut être à simple disque ou à multiple disques
Schéma de principe d'un étrier à simple disque

Freins Schema Etrier
Freins Schema Etrier

Frein de parc

En appuyant simultanément sur les deux pédales de freins, la pression hydraulique met sous pression les deux étriers. Cette pression sera maintenue en actionnant un tiroir rotatif à l'aide d'une poignée dans le poste de pilotage.

Freins Parc Tiroir
Freins Photo Tiroir

Système mécanique Anti-blocage des roues

Début des années 1950 les avions devenant de plus en plus gros, avec des vitesses d'atterrissage de plus en plus élevées et l'informatique n'ayant pas encore "envahi" les postes de pilotage; les ingénieurs ont dû inventé un système anti-blocage des roues pour éviter les méplats sur les pneus voire les éclatements et diminuer la distance d'atterrissage.
C'est le Maxaret de Dunlop qui a été le premier système anti-blocage des freins à être largement utilisé.
Le système est entièrement mécanique et comporte une valve hydraulique régulée par un volant à ressort, monté à l'intérieur d'un tambour. Ce tambour disposé à l'intérieur de la jante de la roue de l'avion, est entouré d'une bande en caoutchouc solide de sorte que ce caoutchouc soit maintenu en contact permanent avec la jante.

Freins Maxaret Complet

En fonctionnement normal la rotation de la roue fait tourner le tambour et le volant à la même vitesse. Lorsque la roue commence à ralentir, la vitesse du volant due à son inertie naturelle devient supérieur à celle de la roue. Quand la position du volant interne dépasse 60°par rapport au tambour, la valve hydraulique s'ouvre et la pression de freinage sur les roues est relâchée , empêchant ainsi leur blocage. Lorsque la vitesse du tambour et du volant correspond de nouveau, la valve hydraulique se referme, permettant à la pression hydraulique d'être restaurée.

Freins Maxaret Valve

L'unité devient assez sensible pour être en activité au-dessus environ de 20kt. Le système est capable du fonctionner jusqu'à 10 fois par seconde.

Freins Maxaret Photo

Il est bien évidant que depuis les années 1950/1960, les systèmes Maxaret ont évolué avec l'arrivée de l'électronique.


Image Haut de page



Freins pour avions de transport

Les freins en carbone ont été initialement utilisées dans les applications hautes performances de l'avion militaire. Le faible poids et la capacité d'absorption d'énergie plus élevée du frein carbone justifiait leur coût, qui était historiquement plus élevé que le coût de freins acier. Cette technologie a été mise en service en 1986 par Messier-Bugatti sur Airbus A310.
Depuis les freins carbone/carbone n’ont cessé de progresser sur le marché des avions de transport. Ils constituent aujourd’hui la meilleure technologie pour le freinage aéronautique de haute performance, qui exige l’absorption d’une quantité d’énergie considérable. Ils sont efficaces, performants, légers et plus endurants.
Actuellement tous les avions de transport sont équipés de freins à disques carbone/carbone. Le carbone-carbone est composé d'une matrice en carbone et d'un renfort en fibres de carbone. Il appartient à la famille des composites à hautes performances thermiques ou composites thermostructuraux.

Principe de fonctionnement

Les disques de frein sont empilés les uns sur les autres, constituant ce qu’on appelle un "puits de chaleur" en raison de la température qu’ils peuvent atteindre : jusqu’à 2 000°C (voir ci-dessous). La moitié de ces disques est solidaire de la roue (ou jante) et tourne avec elle, ce sont les rotors ; l’autre moitié est solidaire de l’avion par l’intermédiaire de l’essieu et ne tourne pas, ce sont les stators. Ils sont montés en alternance. Ce sont ainsi les frottements des disques les uns sur les autres qui assurent le freinage.
Les disques de friction sont en carbone/carbone pour des raisons de température de fonctionnement et de légèreté. Le premier disque sur lequel agissent les pistons est un stator solidaire de l’essieu. Par mesure de sécurité, le dispositif de freinage est dédoublé sur chaque roue. Sur le schéma ci-dessous sur les 14 pistons, seulement 7 agissent simultanément sur les disques, les 7 autres n’étant utilisés qu’en cas de défaillance du système de freinage principal.

Freins Schema Carbone A330
Freins photo A330

Actionneurs hydrauliques en fonctionnement:
Lorsque les freins sont appliqués sous l'effet de la pression hydraulique, le piston entre en contact avec le disque stator qui appuie sur le disque rotor.

Freins Schema MesBug

Actionneurs hydrauliques hors fonctionnement:
Lorsque la pression des freins est relâchée, le ressort repousse le piston dans son logement. Il fournit un dégagement de pré-réglage entre chaque stator et rotor.

Freins Schema MesBug

Lors de l'atterrissage voire d'un freinage d'urgence sur un appareil tel qu'un Airbus 330 ou Boeing 777, la température des freins peut dépasser 2 000°C.
Ci-dessous vue d'un block de frein quelques secondes après une accélération-arrêt (rejected take off) en anglais.

Freins Photo Airbus RTO

Alors que l'usure des freins n'est que de quelques micromètres (10-6 mètres) par face pour un freinage d'urgence, elle est nettement plus élevée lors des freinages de faible puissance, tels que ceux nécessaires lors des déplacements à faibles vitesses sur les "taxiways" ou la piste. Ce phénomène correspond à une "bosse d'usure", c'est-à-dire à l'existence d'une plage de température autour de 150°C, pour laquelle on constate une vitesse d'usure maximale.
En pratique, ce phénomène se traduit aussi par des durées de vie des freins plus ou moins longues et dans des proportions allant de 1 à 3 selon les conditions climatiques (pays froids et secs ou pays tropicaux chauds et humides) ou encore selon la fréquence de rotation des avions.   Source: CNRS info n°393

Image Haut de page



Circuit de freinage d'un bimoteur léger

Le Super King Air B200 servira d'exemple.
En appuyant avec les pieds sur le haut des pédales du palonnier,le pilote actionne un maître cylindre qui envoie une pression hydraulique au piston de l'étrier. Chaque maître-cylindre alimente son propre circuit, ce qui permet un freinage différentiel. Pour appliquer le frein de parc, il suffit d'appuyer sur les deux pédales en même temps puis de tirer la poignée "Parking brake". Pour retirer le frein de parc, il faut appuyer sur les pédales du palonnier en même temps puis repousser la poignée "Parking brake".

Freins schema circuit BE200

Sur les avions monomoteurs et sur la plupart des bimoteurs légers il n'y a ni circuit de freinage secours, ni circuit anti-skid.

Image Haut de page



Circuit de freinage d'un avion de transport

Les avions de ligne sont munis de deux voire trois circuits hydrauliques pouvant permettre le freinage. Airbus désigne ces circuits par des couleurs (vert, jaune, bleu) alors que Boeing les désigne par des lettres (A, B, C ...).
Chaque circuit est capable d’alimenter seul les freins. Si un circuit tombe en panne (baisse de pression), le système passe automatiquement sur l’autre.

Système de freinage sur A310

Les huit roues du train principal sont équipées chacune de freins multi-disques actionnées par deux ensembles de pistons indépendamment (systèmes normaux et alternatifs). Le circuit de freinage normal est fourni à partir du circuit hydraulique vert. Chaque frein est équipé d'un indicateur automatique d'usage, d'un régleur automatique de frein qui assure un dégagement correct entre les rotors et les stators quand les freins sont au repos.
Lors d'un freinage normal, les pédales du palonnier envoient par l'intermédiaire du BPTU (Brake Pedal Transmitter Unit) des ordres électriques de freinage au boitier de commande BSCU (brake system control unit). Le BSCU active le clapet du sélecteur normal de frein permettant à la pression verte d'actionner les pistons, par l'intermédiaire des valves principale et des servo-valves.
Un commutateur à trois positions permet de sélectionner NORM/ON, ALTN/ON, ALTN/OFF, et de déconnecter l'anti-skid.

Freins Schema circuit A310

Système de freinage sur A319 ou A320

Les pilotes freinent en appuyant avec les pieds sur le haut des palonniers. Un signal (entièrement électrique) produit par le BPTU (Brake Pedal Transmitter Unit) est alors envoyé vers un ordinateur appelé BCSU (Brake and Steering Control Unit) qui contrôle
- le freinage normal par appui sur les pédales de frein pour chaque pilote, les pédales gauche et droite sont indépendantes.
- la fonction automatique des freins LO, MED, MAX, la sélection se fait à partir de trois boutons situés sur le tableau de bord
- le système antidérapant normal et secondaire (anti-skid).
- l'orientation de la roulette de nez.
Le BCSU tient compte de l’ordre du pilote, mais également à d’autres paramètres pour élaborer la pression de freinage. A l’atterrissage, le BCSU utilise les données de 2 ordinateurs ADIRS (Air Data Inertial Reference Sytem) pour calculer la vitesse de l’avion et 4 tachomètres installés sur les roues pour calculer la vitesse que “voient” les roues. Le système anti-skid ABS permet de diminuer la distance de freinage jusqu’à 40%. Dès que la vitesse d’une roue devient inférieure à 13% par rapport à la vitesse de l’avion, l'anti-skid diminue la pression de freinage sur cette roue. Le pilote peut mettre l’anti-skid sur ON ou OFF. En mode normal (manuel ou automatique), le BCSU contrôle l’anti-dérapage (anti-skid) de chaque roue tant que la vitesse de l’avion est supérieure à 5 m/s environ.

Freins Schema circuit A320

Le circuit vert est le circuit normal de fonctionnement.
Le circuit jaune est le circuit secondaire ou secours. Pas d'anti-skid.
Le frein de parking est branché sur le circuit jaune.

Système anti-blocage des roues

Chaque tachomètre (tachymètre) installé sur les roues envoie un signal électrique qui varie avec la vitesse de la roue. Le signal est envoyé au BCSU qui compare ce signal avec les signaux des autres roues. La différence des informations (si elle existe) transmises par les tachomètres permet de détecter les situations où les roues sont bloquées et ont tendance à glisser.
Quand la différence entre le rapport prévu de glissement et le rapport désiré de glissement atteint une valeur prédéterminée, le BCSU transmet un ordre à la servo-valve électro-hydraulique pour diminuer la pression.

Schéma simplifié d'une servo-valve électro-hydraulique

Une servo-valve électro-hydraulique est un appareil qui convertit une grandeur électrique (courant ou tension) en une grandeur hydraulique proportionnelle (débit ou pression). Elle est constituée d’un, deux ou trois étages suivant que le moteur couple électrique pilote directement l’organe de puissance hydraulique (buse-palette), ou qu’il y a un, deux ou trois étages d’amplification hydraulique intermédiaire. La servo-valve la plus utilisée est la servo-valve en débit ou pression à 2 étages.
Elle est constituée de trois éléments :
- un actionneur pilote de type moteur-couple électrique ;
- un amplificateur hydraulique constitué d’un mécanisme buse-palette ;
- un tiroir de distribution.
Ci-dessous schéma d'une servo-valve simplifiée

Freins Servovalve Neutre

L’armature est solidaire d’une palette plongeant dans l’amplificateur hydraulique et dont l’extrémité est située entre deux buses. En situation repos, lorsque Pa = Pb = Po , le tiroir est en position milieu= 0
L’armature du moteur-couple à courant continu se prolonge dans l’entrefer d’un circuit magnétique. Le passage d’un courant continu dans les deux bobines situées de part et d’autre de l’armature provoque le basculement de cette dernière d’un angle θ.

Freins Servovalve Action

Le mouvement de rotation de l’ensemble armature-palette vient étrangler le débit fluide traversant l’une ou l’autre des buses. La pression différentielle ainsi créée se répercute aux deux extrémités du tiroir du distributeur et provoque son déplacement. Ce tiroir possède trois orifices de contrôle, la pression d'arrivée A , la pression retour R et la pression d'utilisation U qui est proportionnelle au déplacement du tiroir compté à partir de la position du milieu.

Système de Freinage sur A330

L'unité de freinage et de contrôle de pilotage BSCU est un système numérique double canaux (contrôle et surveillance. L'ordinateur contrôlant les fonctions suivantes:
- le système de freinage normal
- l'anti-dérapant de contrôle (anti-skid) normal et secours
- la fonction de freinage automatique avec LO, MED, MAX .
- l'orientation du train avant traitement de la commande
- la température des freins et le traitement du signal
- le suivi de toutes ces fonctions.

Le freinage automatique ou Auto-brake sur A330 peut être armé par un bouton à plusieurs niveaux:
Low: dans ce mode, le freinage commence progressivement 8 secondes après le déploiement des spoilers sol. La décéleration visée est de 1.7 m/s2
Medium: dans ce mode, le freinage est plus aggressif. Il commence immédiatement à la sortie des spoilers sol (donc au moment de l’enfoncement du train d’atterrissage principal) et vise une décélération de 3 m/s2
Max: armé surtout lors du décollage pour permettre le freinage en cas d’interruption. Il applique la pression maximale sur les freins.

Freins Schema circuit A330

Image Suite