L'anatomie du système de freinage pneumatique d'un camion

Ce qui suit a été publié dans le CCJ's Air Brake Book, 11e édition, parrainé par SilverbackHD. Le manuel de freins à air du CCJ est une ressource complémentaire de l'industrie, grâce à notre partenariat avec SilverbackHD, le Technology and Maintenance Council et la Commercial Vehicle Safety Alliance. Vous pouvez télécharger l'intégralité du livre sur les freins à air ici.

Les freins à air fonctionnent différemment des systèmes de freinage hydrauliques que l'on trouve sur les automobiles et les camions légers. Tous les systèmes de freinage pneumatique diffèrent quelque peu en fonction de la conception du fabricant et des options spécifiques à l'application. Ce chapitre détaille les trois systèmes de base de freins pneumatiques avec lesquels vous devez vous familiariser avant d'entreprendre des travaux d'entretien ou de remplacement.

Le système d'alimentation fournit de l'air sous pression qui actionne ses composants et constitue à bien des égards le cœur du système de freinage pneumatique.SilverbackHDLe système d'alimentation fournit de l'air sous pression qui actionne ses composants et constitue à bien des égards le cœur du système de freinage pneumatique. Un compresseur d'air alimenté par moteur fournit de l'air à un régulateur, qui contrôle la sortie du compresseur en cyclant l'air dans le système selon les besoins, ou en déchargeant si le système est à sa pression correcte - généralement entre 100 et 120 psi pour la plupart des véhicules.

Le conducteur du véhicule peut surveiller la pression du système d'air via un manomètre monté sur le tableau de bord. Si la pression dans le système tombe en dessous de 60 psi, un interrupteur dans le système doit s'allumer et envoyer un signal électronique à une lumière de tableau de bord ou à un avertisseur sonore dans la cabine et alerter le conducteur d'un problème.

L'air dans le système est stocké dans des réservoirs d'air (généralement trois ou plus par tracteur) jusqu'à ce qu'il soit nécessaire. Les clapets anti-retour empêchent l'air sous pression de repasser par le compresseur lorsqu'il ne fonctionne pas pour s'assurer que l'air arrive là où il est nécessaire. Si le système devient surpressurisé avec trop d'air, "pop-off" ou sécurité, les vannes s'ouvrent pour permettre à l'air de s'échapper avant d'endommager les conduites d'air, les réservoirs ou d'autres composants du système.

Le réservoir d'air le plus proche du compresseur est souvent appelé réservoir d'alimentation (parfois appelé réservoir "humide"), car c'est là que l'humidité atmosphérique se condense en plus grande quantité. L'humidité est le plus grand ennemi de tout système de freinage pneumatique, et il faut faire très attention pour s'assurer qu'un véhicule a l'air le plus propre et le plus sec possible circulant dans son système de freinage. À cette fin, les réservoirs sont équipés de vannes de vidange automatiques ou manuelles permettant de purger l'eau du système.

Les sécheurs d'air se condensent ensuite et éliminent toute eau non évacuée du système en forçant l'air à travers une cartouche contenant un matériau déshydratant. Avant les sécheurs d'air, de l'alcool était parfois injecté dans le système d'air par temps froid pour empêcher l'eau de geler et d'obstruer les conduites d'air, mais cette pratique est fortement déconseillée. L'alcool rongera les composants en caoutchouc comme les joints.

Les coûts d'acquisition sont plus élevés pour les freins à disque pneumatiques, mais le coût du cycle de vie et les valeurs de revente peuvent compenser cela à long terme. SilverbackHDAir dans les réservoirs doit être acheminé vers les différents composants du système avant que toute action de freinage puisse avoir lieu. Le système de contrôle est une série de vannes pneumatiques qui fait exactement cela - diriger et contrôler l'air pendant qu'il circule dans le système pour s'assurer qu'il va là où il est nécessaire. Ces vannes se trouvent généralement dans une unité de logement commune sur le véhicule, bien que pour des raisons de simplicité, nous les examinerons individuellement ici.

La pédale à double commande est l'actionneur principal du système. Il s'agit en fait de deux soupapes qui fonctionnent simultanément en réponse à l'entrée du pied du conducteur sur la pédale de frein. Deux vannes sont nécessaires car après avoir quitté le réservoir d'alimentation, l'air dans le système se divise en deux circuits de freinage séparés et protégés qui sont divisés entre les réservoirs primaire et secondaire. Cette source d'air de secours permet au conducteur d'arrêter complètement le véhicule en cas de panne du système.

Lorsque le conducteur appuie sur la pédale de frein, l'air s'écoule du réservoir primaire et à travers la partie primaire du clapet de pied à double commande pour actionner les freins de l'essieu arrière. En même temps, l'air s'écoule du réservoir secondaire à travers la partie secondaire du clapet de pied à double commande pour actionner les freins de l'essieu avant. Un clapet anti-retour à deux voies détecte la pression d'air dans les systèmes d'air primaire et secondaire et permet au système avec la pression la plus élevée d'actionner les freins de la remorque (le cas échéant). L'air primaire peut également être fourni manuellement à la remorque au moyen d'une vanne manuelle, qui se trouve généralement près du volant du véhicule. De plus, le clapet anti-retour à deux voies actionne l'interrupteur des feux stop du véhicule, garantissant ainsi que les feux stop sont actionnés en cas de défaillance du circuit.

Mais il faut du temps pour faire passer de l'air dans un système de freinage afin d'arrêter ou de ralentir un véhicule. Des valves relais sont utilisées sur les remorques et les essieux arrière des tracteurs à roues longues pour garantir un temps de réaction plus rapide du système. Ces vannes relais sont directement alimentées par la pression du système et utilisent l'air du clapet de pied à double commande comme signal pour diriger rapidement le flux d'air vers les freins qu'elles desservent. Si le véhicule est équipé d'un système de freinage antiblocage (ABS), les soupapes ABS sont combinées avec des soupapes relais sur une remorque pour fournir de l'air modulé au mécanisme de freinage antiblocage.

La pression de refoulement des vannes relais est affectée par leur réglage de pression de "crack" respectif. La pression d'ouverture est la quantité de pression d'air requise à l'entrée du clapet de pied avant que la soupape relais n'envoie la pression d'air aux freins contrôlés par cette soupape. La pression d'ouverture est un élément important du calage et de l'équilibre des freins. Il est déterminé pour chaque essieu du véhicule par la charge de l'essieu desservi par la valve, la taille des freins et l'agressivité des garnitures sur ces freins.

Une soupape qui se fissure à une pression trop basse pour un essieu donné peut faire fonctionner les freins de cet essieu à une pression de commande inférieure alors que les autres essieux ne le font pas et peut entraîner un déséquilibre de freinage important. De même, une soupape qui se fissure à une pression trop élevée peut également provoquer un déséquilibre de freinage pour les mêmes raisons. En raison de problèmes d'incompatibilité et d'usure, les équipementiers et les fabricants de composants, par l'intermédiaire du Technology & Maintenance Council, de la Society of Automotive Engineers et d'autres organisations de l'industrie, ont travaillé dur pour normaliser les caractéristiques de fissure des soupapes. (Pour plus d'informations, reportez-vous à la pratique recommandée SAE J1505 pour les procédures d'équilibrage des freins et J1860 pour les pratiques d'étiquetage des composants recommandées.)

Une fois qu'un camion à l'arrêt est prêt à repartir, le retour en avion dans le système entraînerait un décalage notable entre le moment où le conducteur a retiré son pied de la pédale de frein et le moment où les freins ont été relâchés. Pour lutter contre ce problème, les valves de desserrage rapide situées près des freins qu'elles desservent expulsent rapidement l'air du système et permettent des temps de desserrage rapides des freins.

Des vannes d'air montées sur le tableau de bord à l'intérieur de la cabine contrôlent la pression d'air vers les freins de stationnement. Dans la plupart des cas, il s'agit de freins à ressort, qui sont actionnés progressivement par la pression d'air descendante dans le système de freinage. Inversement, lorsque l'air est appliqué en appuyant sur la soupape de commande du tableau de bord (soupape de commande de stationnement), les freins seront complètement relâchés dans la plage de 60 à 70 psi. Cela fournit une fonction de sécurité en cas de perte totale d'air ; le véhicule peut toujours être garé et peut être utilisé dans le cadre d'un système de freinage d'urgence.

La soupape de protection du tracteur maintient la pression d'air dans les conduites qui transportent l'air vers la remorque si l'on est tiré derrière le véhicule. "Gladhands" - raccords rapides à l'arrière du tracteur - alimente en air la remorque. En cas d'urgence - soit une fuite importante dans les conduites d'air ou une rupture de remorque - la soupape de protection du tracteur se ferme automatiquement pour maintenir la pression d'air dans le circuit du tracteur. La valve fonctionne également en conjonction avec la valve de frein de stationnement de la remorque montée sur le tableau de bord pour couper l'air vers le circuit de la remorque avant de déconnecter la remorque du tracteur.

La valve de frein à ressort de la remorque - parfois appelée valve multifonction - desserre les freins de stationnement de la remorque et contrôle la charge des réservoirs de service de la remorque. Il fonctionne également avec un clapet anti-retour intégré pour isoler un réservoir défectueux, ce qui permettrait autrement aux freins de stationnement de s'appliquer automatiquement, qu'ils soient nécessaires ou non.

Une extrémité de roue de frein à tambour devrait être remplacée par un frein à disque pneumatique avec une chambre de frein, un moyeu et un axe de rotor. Lorsque les freins sont appliqués sur un véhicule équipé de freins pneumatiques, la pression d'air est dirigée vers les chambres de frein à chaque extrémité de roue. La chambre de frein elle-même se compose de plusieurs composants interconnectés, dont un boîtier de pression, un diaphragme et une tige de poussée.

Lorsque le système exerce une pression d'air sur le diaphragme, la tige de poussée de l'autre côté du diaphragme s'étend vers l'extérieur. La force exercée par cette tige de poussée lorsqu'elle se déplace vers l'extérieur est le résultat de la quantité de pression d'air appliquée en psi combinée à la surface du diaphragme en pouces carrés.

Par exemple, si une pression d'air de 100 psi est fournie à une chambre de pression avec un diaphragme de 16 pouces carrés, la quantité de force générée au niveau de la tige de poussée serait de 1 600 livres. En utilisant la même formule, une application de pression d'air de 100 psi dans une chambre avec un diaphragme de 30 pouces carrés produira 3 000 livres de force de tige de poussée. Évidemment, il est important de s'assurer que les chambres de frein sont bien adaptées pour éviter de graves problèmes de déséquilibre des freins.

Dans un système de freinage à came en S, la tige de poussée est reliée à un levier appelé régleur de frein (également appelé régleur de jeu). Lorsqu'elle est actionnée par la pression d'air dans la chambre de frein, la tige de poussée force le régleur de frein vers l'extérieur. Le régleur de frein est relié à un arbre qui s'étend perpendiculairement au plan formé par celui-ci et la tige de poussée. Lorsque la tige de poussée s'étend vers l'extérieur, elle amène le régleur de frein à faire tourner l'arbre. Lorsque l'arbre tourne, il fait tourner une came en forme de S située entre les mâchoires de frein. Cette action force les mâchoires de frein à s'écarter, les plaçant contre la partie intérieure du tambour de frein, créant la friction nécessaire pour ralentir le véhicule. La quantité de frottement produite dépend de plusieurs facteurs, notamment la taille des patins de frein, le coefficient de frottement (agressivité) du matériau de la garniture de frein et la masse et le rejet de chaleur du tambour.

Les mâchoires de frein - leur matériau de garniture, en particulier - sont autodestructrices par nature. En d'autres termes, le frottement créé en poussant le patin contre le tambour de frein crée de la chaleur et use naturellement la garniture de frein en ralentissant le véhicule. Le régleur de frein est équipé d'un mécanisme de réglage du jeu pour compenser l'usure constante des garnitures de frein et assurer une force d'arrêt constante lorsque les freins sont appliqués. Ce système, comme son nom l'indique, s'ajuste automatiquement à mesure que la garniture de frein s'use afin que la tige de poussée n'ait pas à se déplacer de plus en plus loin pour appliquer la pression de freinage. Sans le dispositif de réglage des freins, la tige de poussée serait bientôt incapable de s'étendre suffisamment vers l'extérieur pour appliquer les freins.

Les régleurs de frein ont également une autre fonction importante. Ce sont des multiplicateurs de force - essentiellement des leviers qui multiplient les forces de freinage proportionnellement à leur longueur. Un régleur de frein de 5 1/2 pouces de long, par exemple, convertit 1 000 livres de force au niveau de la tige de poussée en 5 500 pouces-livres de couple au niveau de l'arbre à cames de frein. Pour cette raison, la longueur du régleur de frein et la taille de la chambre de frein sont les deux composants les plus couramment modifiés pour répondre aux différentes exigences de freinage du véhicule. Les régleurs de frein automatiques (ABA) sont évalués par un «facteur AL» - le produit de la surface de la chambre (type) par la longueur de l'ABA.

Les ingénieurs expriment le produit de ces deux valeurs comme le "facteur AL" du système de freinage. Ce facteur, lorsqu'il est multiplié par une pression d'air de 60 psi, est la norme de l'industrie pour les calculs de freinage. En utilisant cette formule, 60 psi de pression d'air appliquée à une chambre à air avec un diaphragme de 16 pouces carrés (la partie "A" du facteur AL) crée 960 livres de force de tige de poussée. Cela devient 3 840 lb-pi de couple appliqué à l'arbre à cames de frein lorsqu'il est multiplié par un régleur de frein de 4 pouces.

Les récepteurs de frein font plus que simplement appliquer les freins de service dans la conduite quotidienne. Sur les essieux arrière du tracteur et les essieux de la remorque, ils serrent également les freins de stationnement. Ces freins à ressort utilisent une deuxième chambre avec un deuxième diaphragme et un ressort puissant. Un conducteur doit enfoncer les valves de frein de stationnement montées sur le tableau de bord afin de mettre un véhicule en service normal. Une fois que ces vannes sont en position "marche" (enfoncée), une pression d'air est appliquée à la chambre à ressort du côté du diaphragme opposé au ressort lui-même. La pression d'air sur le diaphragme comprime le ressort, maintenant les freins de stationnement desserrés tant qu'il y a une pression d'air adéquate dans le système. Cela n'affecte pas l'action des freins de service en fonctionnement normal du véhicule.

Lorsque le véhicule est garé, le conducteur tire les vannes du tableau de bord. Cette action évacue l'air qui retient les freins à ressort, leur permettant de se déployer et de maintenir le véhicule en place. FMVSS 121 définit généralement les exigences minimales de stationnement des véhicules pour les véhicules chargés.

Par mesure de sécurité, les freins à ressort sont conçus pour s'appliquer automatiquement en cas de perte de pression d'air dans le système de freinage. Si la pression d'air est perdue pour une raison quelconque, le frein à ressort de stationnement surmonte la pression d'air de retenue dans la chambre de frein secondaire et les freins sont appliqués automatiquement pour fournir une puissance d'arrêt d'urgence.