Freins d'avion

Les premiers avions n'ont pas de système de freinage pour ralentir et arrêter l'avion lorsqu'il est au sol. Au lieu de cela, ils s'appuient sur des vitesses lentes, des surfaces d'aérodrome molles et le frottement développé par le patin de queue pour réduire la vitesse pendant les opérations au sol. Les systèmes de freinage conçus pour les avions sont devenus courants après la Première Guerre mondiale à mesure que la vitesse et la complexité des avions augmentaient et que l'utilisation de surfaces de piste lisses et pavées proliférait. Tous les avions modernes sont équipés de freins. Leur bon fonctionnement est déterminant pour la sécurité de l'exploitation de l'aéronef au sol. Les freins ralentissent l'avion et l'arrêtent dans un délai raisonnable. Ils maintiennent l'avion immobile pendant le point fixe du moteur et, dans de nombreux cas, dirigent l'avion pendant le roulage. Sur la plupart des avions, chacune des roues principales est équipée d'une unité de freinage. La roue avant ou la roue arrière n'a pas de frein.

Dans le système de freinage typique, des liaisons mécaniques et/ou hydrauliques aux pédales de gouvernail permettent au pilote de contrôler les freins. Une pression sur le haut de la pédale de direction droite active le frein sur la ou les roues principales droites et une pression sur la partie supérieure de la pédale de direction gauche actionne le frein sur la ou les roues principales gauches. Le fonctionnement de base des freins consiste à convertir l'énergie cinétique du mouvement en énergie thermique par la création de frottement. Une grande quantité de chaleur est développée et les forces exercées sur les composants du système de freinage sont exigeantes. Un réglage, une inspection et un entretien corrects des freins sont essentiels pour un fonctionnement efficace.

Types et construction des freins d'avion 

Les avions modernes utilisent généralement des freins à disque. Le disque tourne avec l'ensemble de roue tournant tandis qu'un étrier fixe résiste à la rotation en provoquant un frottement contre le disque lorsque les freins sont appliqués. La taille, le poids et la vitesse d'atterrissage de l'avion influencent la conception et la complexité du système de frein à disque. Les freins à disque simple, double et multiple sont des types de freins courants. Les freins à rotor segmenté sont utilisés sur les gros avions. Les freins à tube d'expansion se trouvent sur les gros avions plus anciens. L'utilisation de disques en carbone est en augmentation dans la flotte aéronautique moderne.  

Freins à disque unique 

Les petits aéronefs légers réalisent généralement un freinage efficace à l'aide d'un seul disque claveté ou boulonné à chaque roue. Lorsque la roue tourne, le disque aussi. Le freinage est accompli en appliquant une friction des deux côtés du disque à partir d'un étrier non rotatif boulonné à la bride de l'essieu du train d'atterrissage. Les pistons dans le boîtier de l'étrier sous pression hydraulique forcent les plaquettes ou les garnitures de frein à porter contre le disque lorsque les freins sont appliqués. Les maîtres-cylindres hydrauliques connectés aux pédales de gouvernail fournissent la pression lorsque les moitiés supérieures des pédales de gouvernail sont enfoncées.

Freins à double disque 

Les freins à double disque sont utilisés sur les avions où un seul disque sur chaque roue ne fournit pas une friction de freinage suffisante. Deux disques sont calés sur la roue au lieu d'un. Un support central est situé entre les deux disques. Il contient des garnitures de chaque côté qui entrent en contact avec chacun des disques lorsque les freins sont appliqués. Les boulons de montage de l'étrier sont longs et se montent à travers le support central, ainsi que la plaque arrière qui se boulonne à l'ensemble du boîtier.

Freins à disques multiples 

Les gros avions lourds nécessitent l'utilisation de freins à disques multiples. Les freins à disques multiples sont des freins à usage intensif conçus pour être utilisés avec des soupapes de commande de frein assisté ou des maîtres-cylindres de suralimentation, ce qui est abordé plus loin dans ce chapitre. L'ensemble de frein se compose d'un support de roulement allongé similaire à une unité de type tube de torsion qui se boulonne à la bride d'essieu. Il supporte les différentes pièces de frein, y compris un cylindre et un piston annulaires, une série de disques en acier alternant avec des disques en cuivre ou en bronze, une plaque arrière et un support de plaque arrière. Les stators en acier sont calés sur le support de roulement et les rotors plaqués cuivre ou bronze sont calés sur la roue en rotation. La pression hydraulique appliquée au piston provoque la compression de l'ensemble de l'empilement de stators et de rotors. Cela crée un frottement et une chaleur énormes et ralentit la rotation de la roue.

Freins à disque à rotor segmenté 

La grande quantité de chaleur générée lors du ralentissement de la rotation des roues sur les gros avions à hautes performances est problématique. Pour mieux dissiper cette chaleur, des freins à disque segmenté ont été développés. Les freins à disque à rotor segmenté sont des freins à disques multiples mais de conception plus moderne que le type décrit précédemment. Il existe de nombreuses variantes. La plupart comportent de nombreux éléments qui aident au contrôle et à la dissipation de la chaleur. Les freins à disque à rotor segmenté sont des freins à usage intensif spécialement adaptés pour être utilisés avec les systèmes hydrauliques haute pression des systèmes de freinage assisté. Le freinage est réalisé au moyen de plusieurs ensembles de garnitures de frein stationnaires à friction élevée qui entrent en contact avec des segments en rotation. Les rotors sont construits avec des fentes ou en sections avec un espace entre eux, ce qui aide à dissiper la chaleur et donne son nom au frein.

Freins en carbone 

Le frein à disques multiples segmenté a donné de nombreuses années de service fiable à l'industrie aéronautique. Il a évolué au fil du temps dans le but de le rendre léger et de dissiper la chaleur de frottement du freinage de manière rapide et sûre. La dernière itération du frein à disques multiples est le frein à disque en carbone. On le trouve actuellement sur les avions de haute performance et les transporteurs aériens. Les freins en carbone sont ainsi nommés parce que des matériaux en fibre de carbone sont utilisés pour construire les disques de frein.

Freins à tube d'expansion 

Un frein à tube d'expansion est une approche différente du freinage qui est utilisée sur les avions de toutes tailles produits dans les années 1930 à 1950. Il s'agit d'un frein léger à basse pression boulonné à la bride de l'essieu qui s'adapte à l'intérieur d'un tambour de frein en fer. Un tube plat en néoprène renforcé de tissu est monté autour de la circonférence d'une bride de couple en forme de roue. La surface plane exposée du tube d'expansion est garnie de patins de frein similaires au matériau de garniture de frein. Deux cadres plats se boulonnent sur les côtés de la bride de couple. Les languettes sur les cadres contiennent le tube et permettent de boulonner des barres de torsion uniformément espacées à travers le tube entre chaque bloc de frein. Ceux-ci empêchent le mouvement circonférentiel du tube sur la bride.

Systèmes d'actionnement de frein 

Les différents ensembles de freinage, décrits dans la section précédente, utilisent tous l'énergie hydraulique pour fonctionner. Différents moyens de fournir la pression de fluide hydraulique requise aux ensembles de freinage sont abordés dans cette section. Il existe trois systèmes d'actionnement de base : 

1. Un système indépendant ne faisant pas partie du système hydraulique principal de l'aéronef ;

2. Un système de surpression qui utilise le système hydraulique de l'avion par intermittence en cas de besoin ; et 

3. Un système de freinage assisté qui utilise uniquement le(s) circuit(s) hydraulique(s) principal(aux) de l'aéronef comme source de pression. 

Maîtres-cylindres indépendants 

En général, les petits aéronefs légers et les aéronefs sans systèmes hydrauliques utilisent des systèmes de freinage indépendants. Un système de freinage indépendant n'est en aucun cas connecté au système hydraulique de l'avion. Les maîtres-cylindres sont utilisés pour développer la pression hydraulique nécessaire au fonctionnement des freins. Ceci est similaire au système de freinage d'une automobile.

Dans la plupart des systèmes d'actionnement des freins, le pilote appuie sur le dessus des pédales de direction pour appliquer les freins. Un maître-cylindre pour chaque frein est relié mécaniquement au palonnier correspondant (c'est-à-dire, le frein principal droit au palonnier droit, le frein principal gauche au palonnier gauche). Lorsque la pédale est enfoncée, un piston à l'intérieur d'une chambre étanche remplie de fluide dans le maître-cylindre force le fluide hydraulique à travers une conduite jusqu'au(x) piston(s) dans l'ensemble de frein. Le ou les pistons de frein poussent les garnitures de frein contre le rotor de frein pour créer le frottement qui ralentit la rotation de la roue. La pression est augmentée dans l'ensemble des systèmes de freinage et contre le rotor lorsque la pédale est poussée plus fort.

Freins assistés 

Dans un système de freinage indépendant, la pression appliquée sur les freins est aussi grande que la pression du pied appliquée sur le haut de la pédale de direction. Les systèmes d'actionnement des freins assistés augmentent la force développée par le pilote avec la pression du système hydraulique en cas de besoin. Le boost n'est que lors d'un gros freinage. Il en résulte une pression appliquée sur les freins supérieure à celle que le pilote seul peut fournir. Les freins assistés sont utilisés sur les avions moyens et plus gros qui ne nécessitent pas un système d'actionnement des freins à pleine puissance.

Freins assistés 

Les aéronefs de grande taille et à hautes performances sont équipés de freins assistés pour ralentir, arrêter et retenir l'aéronef. Les systèmes d'actionnement des freins assistés utilisent le système hydraulique de l'avion comme source d'énergie pour appliquer les freins. Le pilote appuie sur le haut du palonnier pour freiner comme avec les autres systèmes d'actionnement. Le volume et la pression de fluide hydraulique requis ne peuvent pas être produits par un maître-cylindre. Au lieu de cela, une soupape de commande de frein assisté ou une soupape de dosage de frein reçoit l'entrée de la pédale de frein soit directement, soit par l'intermédiaire de liaisons. La valve dose le fluide hydraulique vers l'ensemble de freinage correspondant en relation directe avec la pression appliquée à la pédale.

Soupape de commande de frein/soupape de dosage de frein 

L'élément clé d'un système de freinage assisté est la soupape de commande de freinage, parfois appelée soupape de dosage de freinage. Il répond à l'entrée de la pédale de frein en dirigeant le fluide hydraulique du système de l'avion vers les freins. Au fur et à mesure que la pression augmente sur la pédale de frein, plus de liquide est dirigé vers le frein, provoquant une pression plus élevée et une action de freinage plus importante. 

Systèmes de freinage d'urgence 

Comme on peut le voir sur la figure, les valves de dosage de frein reçoivent non seulement la pression hydraulique de deux systèmes hydrauliques séparés, mais elles alimentent également deux ensembles de freinage séparés. Chaque ensemble de roue principale a deux roues. Le frein de roue intérieur et le frein de roue extérieur, situés dans leurs jantes respectives, sont indépendants l'un de l'autre. En cas de panne du système hydraulique ou de panne des freins, chacun est alimenté indépendamment pour ralentir et arrêter adéquatement l'avion sans l'autre. Les aéronefs plus compliqués peuvent impliquer un autre système hydraulique de secours ou utiliser une alternance similaire de sources et d'ensembles de freinage pour maintenir le freinage en cas de défaillance du système hydraulique ou des freins. 

REMARQUE : Dans la section sur les freins à rotor segmenté ci-dessus, un ensemble de frein a été décrit qui avait des pistons alternatifs alimentés par des sources hydrauliques indépendantes. Il s'agit d'une autre méthode de redondance particulièrement adaptée, mais sans s'y limiter, aux aéronefs à roue principale unique.

Frein à main 

La fonction du système de frein de stationnement est une opération combinée. Les freins sont appliqués avec les pédales du gouvernail et un système à cliquet les maintient en place lorsque le levier du frein de stationnement sur le poste de pilotage est tiré. 

En même temps, une vanne d'arrêt est fermée dans la conduite de retour commune des freins au système hydraulique. Cela emprisonne le liquide dans les freins en maintenant les rotors immobiles. Enfoncer davantage les pédales libère le cliquet de la pédale et ouvre la vanne de la conduite de retour.

Déboosters de frein 

Certains ensembles de freins d'aéronef qui fonctionnent à la pression du système hydraulique de l'aéronef ne sont pas conçus pour une pression aussi élevée. Ils fournissent un freinage efficace grâce à un système de freinage assisté mais nécessitent une pression inférieure à la pression maximale du système hydraulique. Pour fournir la pression inférieure, un cylindre de surpression de freinage est installé en aval de la soupape de commande et de la soupape anti-patinage. Le débooster réduit toute la pression de la soupape de commande dans la plage de fonctionnement de l'ensemble de freinage.

Antidérapant 

Les gros avions équipés de freins assistés nécessitent des systèmes anti-patinage. Il n'est pas possible de savoir immédiatement dans le poste de pilotage quand une roue s'arrête de tourner et commence à déraper, en particulier dans les aéronefs équipés de trains d'atterrissage principaux à plusieurs roues. Un dérapage non corrigé peut rapidement entraîner l'éclatement d'un pneu, des dommages éventuels à l'avion et la perte de contrôle de l'avion.

Le système anti-patinage ne détecte pas seulement le patinage des roues, il détecte également le moment où le patinage des roues est imminent. Il dépressurise automatiquement les pistons de frein de la roue concernée en connectant momentanément la zone de liquide de frein sous pression à la conduite de retour du système hydraulique. Cela permet à la roue de tourner et d'éviter un dérapage. Une pression plus faible est alors maintenue sur le frein à un niveau qui ralentit la roue sans la faire déraper.

L'efficacité de freinage maximale existe lorsque les roues décélèrent à une vitesse maximale mais ne patinent pas. Si une roue décélère trop vite, cela indique que les freins sont sur le point de se bloquer et de provoquer un dérapage. Pour s'assurer que cela ne se produise pas, chaque roue est surveillée pour un taux de décélération plus rapide qu'un taux prédéfini. Lorsqu'une décélération excessive est détectée, la pression hydraulique est réduite au frein de cette roue. Pour faire fonctionner le système anti-dérapage, les interrupteurs du poste de pilotage doivent être placés en position ON. Après l'atterrissage de l'avion, le pilote applique et maintient une pression complète sur les pédales de frein de direction. Le système anti-dérapage fonctionne alors automatiquement jusqu'à ce que la vitesse de l'avion ait chuté à environ 20 mph. Le système revient en mode de freinage manuel pour le roulage lent et les manœuvres au sol. 

Il existe différentes conceptions de systèmes antidérapants. La plupart contiennent trois principaux types de composants : des capteurs de vitesse de roue, des vannes de commande antidérapantes et une unité de commande. Ces unités fonctionnent ensemble sans interférence humaine. Certains systèmes anti-patinage assurent un freinage automatique complet. Le pilote n'a qu'à activer le système de freinage automatique et les composants antidérapants ralentissent l'avion sans pédale. Les interrupteurs de sécurité au sol sont câblés dans les circuits pour les systèmes anti-dérapage et de freinage automatique. Des capteurs de vitesse de roue sont situés sur chaque roue équipée d'un ensemble de freinage. Chaque frein possède également sa propre soupape de commande anti-patinage. En règle générale, un seul boîtier de commande contient les circuits comparatifs anti-dérapage pour tous les freins de l'avion.

Vannes de contrôle antidérapantes 

Les vannes de contrôle anti-patinage sont des vannes hydrauliques à action rapide et à commande électrique qui répondent à l'entrée de l'unité de contrôle anti-patinage. Il y a une soupape de commande pour chaque ensemble de frein. Un moteur couple utilise l'entrée du pilote de vanne pour régler la position d'un clapet entre deux buses. En rapprochant le clapet d'une buse ou de l'autre, des pressions sont développées dans le deuxième étage de la vanne. Ces pressions agissent sur un tiroir qui est positionné pour créer ou réduire la pression sur le frein en ouvrant et en bloquant les orifices de fluide.

Touchdown et protection de roue de verrouillage 

Il est essentiel que les freins ne soient pas appliqués lorsque l'avion entre en contact avec la piste lors de l'atterrissage. Cela pourrait provoquer un éclatement immédiat du pneu. Un mode de protection contre le toucher des roues est intégré à la plupart des systèmes anti-dérapage des avions pour éviter cela. Il fonctionne généralement en conjonction avec le capteur de vitesse de roue et l'interrupteur de sécurité air/sol sur la jambe de train d'atterrissage (interrupteur squat). Jusqu'à ce que l'avion ait du poids sur les roues, le circuit du détecteur signale à la soupape de commande anti-dérapage d'ouvrir le passage entre les freins et le retour du système hydraulique, empêchant ainsi l'accumulation de pression et l'application des freins. Une fois que l'interrupteur de squat est ouvert, l'unité de commande anti-dérapage envoie un signal à la soupape de commande pour qu'elle se ferme et permette l'accumulation de pression de freinage. En secours et lorsque l'avion est au sol avec la jambe de force pas suffisamment comprimée pour ouvrir l'interrupteur de squat, un signal de capteur de vitesse de roue minimum peut être prioritaire et permettre le freinage. Les roues sont souvent regroupées, l'une reposant sur l'interrupteur de squat et l'autre sur la sortie du capteur de vitesse de roue pour assurer le freinage lorsque l'avion est au sol, mais pas avant.

Freins automatiques 

Les aéronefs équipés de freins automatiques contournent généralement les vannes de commande de frein ou les vannes de dosage des freins et utilisent une vanne de commande de frein automatique séparée pour assurer cette fonction. En plus de la redondance fournie, les freins automatiques s'appuient sur le système anti-dérapage pour ajuster la pression sur les freins si nécessaire en raison d'un dérapage imminent. La figure montre un schéma simplifié du système de freinage du Boeing 757 avec la soupape de freinage automatique par rapport à la soupape de dosage principale et aux soupapes anti-patinage dans ce système à huit roues principales.

Inspection et entretien des freins 

L'inspection et l'entretien des freins sont importants pour que ces composants critiques de l'avion restent pleinement fonctionnels à tout moment. Il existe de nombreux systèmes de freinage différents sur les avions. La maintenance du système de freinage est effectuée à la fois lorsque les freins sont installés sur l'avion et lorsque les freins sont retirés. Les instructions du fabricant doivent toujours être suivies pour assurer un bon entretien. 

L'inspection et l'entretien des freins d'aéronef lorsqu'ils sont installés sur l'aéronef sont requis. L'ensemble du système de freinage doit être inspecté conformément aux instructions du fabricant. Certains éléments d'inspection courants comprennent : l'usure des garnitures de frein, l'air dans le système de freinage, le niveau de quantité de liquide, les fuites et le couple de serrage approprié des boulons.

Doublure Usure. Le matériau de la garniture de frein est conçu pour s'user car il provoque des frottements lors de l'application des freins. Cette usure doit être surveillée pour s'assurer qu'elle n'est pas usée au-delà des limites et qu'une garniture suffisante est disponible pour un freinage efficace. L'avionneur donne des spécifications d'usure des garnitures dans ses informations de maintenance. La quantité d'usure peut être vérifiée pendant que les freins sont installés sur l'avion.   

Air dans le système de freinage 

La présence d'air dans le liquide du système de freinage rend la pédale de frein spongieuse. L'air peut être éliminé par purge pour rétablir une sensation ferme de la pédale de frein. Les systèmes de freinage doivent être purgés conformément aux instructions des fabricants. La méthode utilisée est adaptée au type de système de freinage. Les freins sont purgés par l'une des deux méthodes suivantes : purge de haut en bas, purge par gravité ou purge de pression de bas en haut. Les freins sont purgés lorsque les pédales semblent spongieuses ou chaque fois que le système de freinage a été ouvert. 

Purge des systèmes de freinage du maître-cylindre 

Les systèmes de freinage avec maîtres-cylindres peuvent être purgés par gravité ou par pression. Suivez les instructions du manuel de maintenance de l'avion. Pour purger sous pression un système de freinage de bas en haut, un pot sous pression est utilisé. Il s'agit d'un réservoir portable qui contient une réserve de liquide de frein sous pression. Lors de la dispersion du fluide du réservoir, le fluide pur sans air est forcé depuis le fond du réservoir par la pression d'air au-dessus de celui-ci. Le tuyau de sortie qui relie l'orifice de purge sur l'ensemble de frein contient une vanne d'arrêt. Notez qu'une source similaire de fluide pur sous pression peut remplacer un réservoir sous pression, comme une unité de type pompe à main que l'on trouve dans certains hangars.

Purge des systèmes de freinage assisté 

La purge des freins de haut en bas est utilisée dans les systèmes de freinage assisté. Les servofreins sont alimentés en liquide par le système hydraulique de l'avion. Le système hydraulique doit fonctionner sans air dans le liquide, tout comme le système de freinage. Par conséquent, la purge de pression ascendante n'est pas une option pour les freins assistés. L'air emprisonné dans le système de freinage serait forcé dans le système hydraulique principal, ce qui n'est pas acceptable. 

Dysfonctionnements et dommages aux freins 

Les freins des aéronefs fonctionnent sous des contraintes extrêmes et dans des conditions variées. Ils sont susceptibles de dysfonctionnement et de dommages. Quelques problèmes de freinage courants sont abordés dans cette section. 

Surchauffe. Alors que les freins d'avion ralentissent l'avion en transformant l'énergie cinétique en énergie thermique, la surchauffe des freins n'est pas souhaitable. Une chaleur excessive peut endommager et déformer les pièces de frein, les affaiblissant jusqu'au point de défaillance. Le protocole d'utilisation des freins est conçu pour éviter la surchauffe. Lorsqu'un frein montre des signes de surchauffe, il doit être retiré de l'avion et inspecté pour détecter tout dommage. Lorsqu'un aéronef est impliqué dans un décollage interrompu, les freins doivent être retirés et inspectés pour s'assurer qu'ils ont résisté à ce niveau élevé d'utilisation. 

L'inspection typique des freins après surchauffe implique le retrait du frein de l'avion et le démontage des freins. Tous les joints doivent être remplacés. Le boîtier de frein doit être vérifié pour les fissures, le gauchissement et la dureté conformément au manuel d'entretien. Toute faiblesse ou perte de traitement thermique pourrait entraîner la défaillance du frein lors d'un freinage à haute pression. Les disques de frein doivent également être inspectés. Ils ne doivent pas être déformés et le traitement de surface ne doit pas être endommagé ou transféré sur un disque adjacent. Une fois remonté, le frein doit être testé au banc pour les fuites et testé sous pression pour le fonctionnement avant d'être installé sur l'avion.

Faire glisser. La traînée de frein est une condition causée par les garnitures qui ne se rétractent pas du disque de frein lorsque les freins ne sont plus appliqués. Elle peut être causée par plusieurs facteurs différents. Les freins qui traînent sont essentiellement partiellement activés à tout moment. Cela peut entraîner une usure excessive des garnitures et une surchauffe entraînant des dommages au(x) disque(s). 

Un frein peut glisser lorsque le mécanisme de retour ne fonctionne pas correctement. Cela peut être dû à un ressort de rappel faible, à la goupille de retour glissant dans la poignée de la goupille de réglage automatique ou à un dysfonctionnement similaire. Inspectez le(s) dispositif(s) de réglage automatique et les unités de retour sur le frein lorsqu'un glissement est signalé. Un frein surchauffé qui a déformé le disque provoque également une traînée de frein. Retirez le frein et effectuez une inspection complète comme indiqué dans la section précédente. L'air dans la conduite de liquide de frein peut également provoquer une traînée de frein. La chaleur provoque la dilatation de l'air, ce qui pousse prématurément les garnitures de frein contre le disque. Si aucun dommage n'a été causé lors du signalement, purgez les freins pour éliminer l'air du système afin d'éliminer la traînée.

À tout moment, le technicien doit effectuer des inspections pour s'assurer que les pièces appropriées sont utilisées dans l'ensemble de frein. Des pièces inappropriées, en particulier dans les ensembles de rétraction/réglage, peuvent faire glisser les freins.

Claquement ou grincement.Les freins peuvent claquer ou grincer lorsque les garnitures ne roulent pas en douceur et uniformément le long du disque. Un ou plusieurs disques déformés dans une pile de disques de frein multiples produisent une condition dans laquelle le frein est effectivement appliqué et retiré plusieurs fois par minute. Cela provoque des broutages et, à haute fréquence, des grincements. Tout désalignement de la pile de disques hors parallèle provoque le même phénomène. Les disques qui ont été surchauffés peuvent endommager la couche superficielle du disque. Une partie de ce mélange peut être transférée au disque adjacent, ce qui entraîne des surfaces de disque inégales qui entraînent également des broutages ou des grincements. En plus du bruit produit par le claquement et le grincement des freins, des vibrations sont provoquées qui peuvent endommager davantage les freins et le système de train d'atterrissage. Le technicien doit enquêter sur tous les rapports de broutage et de grincement des freins.