Le frein à disque hydraulique a mis un peu moins d’une décennie pour s’imposer, comme système de freinage sur les VTT. Il commence même à conquérir le marché du vélo de route.
Le frein à disque hydraulique dispose de nombreux avantages par rapport aux autres types de freinage : frein à disque mécanique, frein hydraulique à patins type Magura HS 33 ou frein sur jante de type Cantilever ou V-Brake.
De nombreux articles exposants ces avantages existes, je ne développerai pas cet aspect.
Un système de freinage a comme fonction de réduire la vitesse d’un vélo. Pour cela, il va créer des frottements afin de diminuer la vitesse de rotation de la roue.
Dans la suite de l’article, lorsque je parlerai de « frein à disque », cela correspondra toujours à un frein à disque reposant sur un système hydraulique.
1. Composition
Un frein à disque est constitué de plusieurs parties :
- un maître-cylindre
- un étrier
- une durite
- un disque
- de l’huile
1.1 Maître-cylindre
Le maître-cylindre est la partie qui se trouve sur le cintre. Il permet de commander le système de freinage.
Il peut être réversible (le même maître-cylindre pour le frein avant ou arrière : SRAM Guide) ou non (ex. Shimano XTR).
Il est composé de :
- Un levier de frein : permettant d’actionner le système.
- Un piston maître-cylindre : assurant l’étanchéité du système.
- Un réservoir avec membrane : permettant de stocker une réserve l’huile pour compenser l’usure des plaquettes.
1.2 Étrier
L’étrier est la partie fixée sur le cadre ou la fourche.
En VTT, tous les étriers sont des étriers fixes avec des pistons mobiles.
Par opposition, la plupart des voitures sont équipées d’étriers flottants.
Pour les plus anciens riders, le modèle Magura Gustav M était à étrier flottant. Principe: la plaquette externe est poussée sur le disque, puis l’étrier se déplace, la plaquette interne entre en contact avec le disque.
L’étrier peut être monobloc ou constitué de 2 demi-coquilles visées.
L’étrier monobloc est forgé, ce qui le rend plus rigide que 2 demi-coquilles moulées : cela permet d’améliorer la puissance de freinage.
L’étrier est composé :
- de pistons : 2, 4 ou 6 pistons (modèle Hope Mono M6 Ti).
Ils sont la plupart du temps en bakélite (plastique très dur, thermorésistant) pour limiter la chauffe du système de frein. - de joints O-ring : assurent l’étanchéité du système.
Ils permettent aux pistons de reprendre leur place initiale après l’action de freinage. - de plaquettes : supports métalliques constitués d’un mélange de résine et de métal.
Il en existe plusieurs types, mais les 2 principales sont :
– les plaquettes organiques ou résines
– les plaquettes frittées ou métalliques
Je développerais cette partie sur le choix des plaquettes et leurs utilisations dans un prochain article.
Les 2 standards de fixation de l’étrier sur le cadre sont :
- le Standard International (IS) : 2 trous perpendiculaires à l’axe du vélo. Il tend à disparaître au profit du Postmount.
- Le Postmount : 2 trous parallèles à l’axe du vélo. Introduit par Manitou, c’est le nouveau standard sur les fourches, et il se généralise sur les cadres.
Avantages :
– Plus mécanique : adaptateur est fixé dans l’axe du frein et de la fourche, ce qui induit moins de déformation sur l’adaptateur.
– Facilité de centrage de l’étrier avec le disque (l’utilisation des rondelles de calage n’est plus nécessaire, OUF!)
1.3 Durite
La durite relie le maître-cylindre avec l’étrier. Elle permet le déplacement de l’huile dans le système.
Elle doit être le plus rigide possible, afin d’éviter sa déformation sous la pression hydraulique.
Il en existe 2 types :
- Durite en plastique : âme en Teflon recouvert de plastique, cela représente la quasi-totalité des freins du marché.
– Avantages : présente un bon rapport poids/performance.
– Inconvénients : légère déformation sous la pression hydraulique. - Durite aviation : âme en Teflon recouvert d’une tresse en inox.
– Avantages : plus rigide donc moins de déformation, ce qui est censé entraîner un meilleur feeling au levier (pas de différence de toucher entre frein arrière / frein avant).
– Inconvénients : poids plus important, plus cher, moins pratique pour les raccords.
1.4 Disque
Le disque est fixé sur le moyeu de la roue. C’est la partie du système de freinage en rotation qu’il faut ralentir.
Dans le milieu du vélo, les disques sont tous en acier. Ils peuvent avoir une étoile en aluminium pour diminuer leur poids.
Il existe 2 types de fixation du disque sur le moyeu :
- 6 trous : c’est le standard, le disque est maintenu sur le moyeu par 6 vis Torx 25.
Il y a eu des disques en 3, 4 et 5 trous (découverte du 5 trous, il y a 1 mois sur un vieux VTT: on en apprend tous les jours !). - Le Centerlock : brevet déposé par Shimano,le disque est maintenu par un écrou de serrage qui se visse sur le moyeu. Il utilise un système de cannelures entre le moyeu et le disque.
Il existe des adaptateurs pour fixer un disque 6 tours sur un moyeu Centerlock. L’inverse n’est pas possible.
Il existe différents diamètres de disques, allant de 140 à 203 mm. Cela entraîne la nécessité d’utiliser un adaptateur pour le montage des étriers sur le cadre ou la fourche.
1.5 Liquide de frein
Le liquide de frein est un des points clés du fonctionnement d’un système hydraulique : il sert à transmettre la pression du levier de frein aux pitons de l’étrier.
Ce liquide de frein doit être incompressible, ne pas contenir de bulles d’air, ni d’eau. Mais l’un des points les plus importants est son pouvoir de résistance à la chaleur.
Deux types de liquide de freins cohabitent :
- l’huile synthétique ou DOT : c’est une huile de synthèse.
Les différents indices de DOT 3, 4 ou 5.1, correspondent à des normes en fonction de leurs points d’ébullition.
Avantages : point d’ébullition humide élevé, normé, miscible entre eux.
Inconvénients : absorbe l’humidité, produit nocif, agressif contre les peintures.
Utilisé par : Sram Avid, Formula, Hope et une partie des freins Hayes - l’huile minérale : c’est une huile issue de la distillation de combustibles fossiles.
Avantages : non agressif contre les peintures, d’origine minérale
Inconvénients : absorbe l’humidité, point d’ébullition plus bas que la DOT 4.
Utilisé par : Shimano, Magura, Tektro, une partie des freins Hayes et le nouveau frein Formula Cura
Tableau récapitulatif des températures d’ébullition des différentes DOT :
Norme | Température d’ébullition « sec » | Température d’ébullition « humide » (à 3,7 % d’humidité) |
|---|---|---|
| DOT 3 | 205 °C | 140 °C |
| DOT 4 | 230 °C | 155 °C |
| DOT 5.1 | 270 °C | 190 °C |
Le point d’ébullition de l’huile minérale est équivalent à la DOT 3.
Il ne 
2. Principe de fonctionnement
2.1 Principe
Un frein hydraulique est basé sur les principes de Pascal et de la mécanique des fluides.
L’huile étant un liquide incompressible, elle permet de transmettre et de démultiplier la pression exercée sur le levier aux pistons de l’étrier de frein.
Le but de ce déplacement de fluide, est de créer des frictions entre les plaquettes et le disque afin de diminuer sa vitesse de rotation.
L’énergie générée par ces frottements se transforme en chaleur.
C’est donc le déplacement de l’huile dans le système qui va permettre le freinage.
Les étapes :
- Action du levier.
- Déplacement du piston maître-cylindre qui pousse l’huile dans la durite Le piston ferme le réservoir.
- L’huile pousse les pistons de l’étrier, ce qui entraîne le déplacement des plaquettes contre le disque.
- Le frottement des plaquettes sur le disque entraîne la décélération en produisant de la chaleur.
2.2 Système ouvert/fermé
Au repos, un frein à disque est un système ouvert par la présence d’un réservoir d’huile. Il permet la libre circulation du liquide entre le maître-cylindre et le réservoir. Ce réservoir est équipé d’une membrane qui permet de gérer la variation du volume d’huile. Elle est nécessaire pour compenser :
- l’usure des plaquettes,
- la dilatation de l’huile avec l’augmentation de sa température.
Sans la présence du réservoir et de la membrane, le frein freinerait tout seul lors de longue descente, dû à la chauffe du système : ceux qui ont connu les Formula Evoluzione comprendront. Lors du freinage, le piston bouche l’orifice du réservoir, on passe donc d’un système ouvert à un système fermé. La pression exercée sur le levier pourra alors être transmise aux pistons de l’étrier, tout en ayant un dosage précis.
2.3 Puissance & progressivité
Il y a 2 notions qui interviennent dans la qualité du freinage :
- sa puissance : démultiplication de la force exercée au levier, transmise à l’étrier
– Ratio diamètre du piston maître-cylindre / pistons étrier
– Diamètre du disque: + grand diamètre → + de puissance
– Nature des plaquettes: les plaquettes métalliques offrant plus de puissance
– Nombre de pistons étriers: + de pistons → + de puissance
- sa progressivité : cela dépend des exigences du pilote. Certains préfèrent un toucher On/Off (Formula), d’autres un toucher plus progressif (Shimano).
– Nombre de pistons étriers: + de pistons → possibilité de + de progressivité si présence de:
– Différence de diamètre entre les pistons d’étriers quand étrier 4 ou 6 pistons
Conclusion
Un frein à disque est donc un système relativement simple, mais les contraintes liées au VTT en font un point à ne pas négliger : la sécurité du pilote étant mise en jeu !
Comme pour le reste des accessoires d’un vélo, il faut que le frein soit le plus léger possible tout en apportant le maximum de puissance et constance. Un compromis pas toujours évident à trouver.
La 2ème partie de cet article “Freins à disque” développera l’entretien et les problèmes rencontrés avec les freins hydrauliques. A suivre…
Le système a été rendu parfait, l’objectif est maintenant de la rendre légère. C’est la raison pour laquelle on avait mis si longtemps de l’appliquer aux vélos de la course. L’avantage du vélo de course est le fait qu’il y en a moins de résistance quand on fait la course par rapport aux autres vélos. c’est grâce au fait qu’ils sont très légers, un système de frein à disc on contraire est plus lourd que les patins classiques, malgré cela, certains systèmes font tomber le dispositif hydraulique pour des câbles mécaniques qui sont presque aussi efficaces et plus léger. un jour dans un futur proche, on espère réintégré l’hydraulique.
bonjour
sur mon étrier de frein il n’y a qu’un piston qui bouge ,je ne pense pas que ce soit normal
est ce qu’il y a une solution ou faut il changer l’etrier ? si il y a une solution est ce que vous pourriez me l’indiquer dans votre réponse
merci
Bonjour Lucas,
Il faut lubrifier le piston qui ne sort plus avec de la dot si frein Dot, huile minérale si frein huile minérale ou à la graisse silicone spécifique.
Sans démonter, il faut bloquer le piston opposé et freiner, sans faire sortir le piston complètement.
Ou en démontant l’étrier, et en sortant le piston.
La manip’ peut être complexe si le piston sort de son logement, donc attention d’être sur de savoir faire avant de faire n’importe quoi.
Article très instructif. Merci…
Bonjour, jai des sram ultimate donc source de nombreux problem notement le dilatage du piston dans le levier a la chaleur mais la nest pas le probleme, je viens de finire mes plaquetes avant jen ai profite pour comander 2 paires de semi metalique pour larriere aussi,moind usé mais pas loin de l’ecarteur. Jai démonté les plauettes avant, ecarter les piston pour laisser place a la nouvelle garniture plus epaice que lancienne et ca rentre, par contre larrier, impossible d’ecarter les 4 pistons, jen pousse 2 avec une clee plate, les deux autre sortent, et meme dans une possition optimal ou les 4 pistons sont le plus enfoncés bah les nouvelles plaquetes rentrent tout juste mais sans laisser meme pas un micron pour laisser passer le disc, en gros elles sont collées quoi, impossible decarter les pistons plus que ca, meme en titillant les reglages au levier. Ceraice un tros plein d’huil dans le system du au fait que durant la dernier purge la piece utilisee pour maintenir les pistons ecartés etait plus fine? Je lavait fait faire par un shop. Seraice un probleme de purge ou avez vous dautres supositions??
Merci
Une reponse svp
Bonjour,
Tout d’abord merci pour cet article très détaillé sur la mécanique des freins à disque de VTT. J’espère que ce post n’est pas trop vieux et que quelqu’un verra mon message. Je compte changer mon vieux frein à disque arrière SHIMANO XTR début 2000 parce que la durite est trop courte pour aller sur mon nouveau cadre et qu’il est impossible de trouver une durite compatible avec ce système, ce qui me fait pleurer parce ces freins sont increvables. Je vais donc opter pour ce que j’estime être le plus équivalent, à savoir un SHIMANO SLX, mais on me propose soit des pistons en résine, soit des pistons métalliques, je ne trouve aucun renseignement détaillant la différence entre les deux, auriez-vous une réponse ?
Bien à vous
Je ne savais pas qu’il y avait des freins SLX avec pistons en résine ou en alu (vous ne confondez pas avec les plaquettes ?).
Un piston en alu va plus conduire la chaleur, donc plus faire chauffer les plaquettes et l’huile.
Un piston en backélite (plastique dur) isole l’huile des plaquettes en évitant de créer un pont thermique.
est il possible de nous faire un schema cinematique de frein a disque hydraulique de velo car je suis dans la merde pour un projet que je dois bientot rendres . svp.
merci.
Cordialement , un eleve de terminale STI2D option ITEC dans la merde…