Frein à disque vélo de route
Apparu en 2013 sur le vélo de route, le système de frein à disque se généralise désormais. Il apporte de la puissance et de la souplesse, mais révolutionne nos habitudes et équipements. Portrait d’une nouvelle technologie.
À vélo, pour ralentir une seule solution : freiner ! Et le freinage, c’est quoi ? Transformer l’énergie cinétique en chaleur par frottement. Le frein à patins serre ses patins sur une jante pour créer de la friction, le frein à disque serre des plaquettes sur un disque. Dans tous les cas, la vitesse se « transforme » en chaleur. Elle n’est juste pas située au même endroit.
1. Avantages et inconvénients du frein à disque
Hormis le fait qu’on « force » moins pour freiner, le gros avantage du disque est que l’on freine plus fort. Pourquoi ? L’avantage du frein à disque est de dissocier le freinage de la jante. La jante et le pneu ne chauffent plus, et le matériau de la roue n’influe plus sur les performances de freinage. Si on passe de roues carbone à des roues en aluminium ou vice-versa, nul besoin de s’inquiéter des patins qui sont montés ! Le disque monte plus haut en température que la jante, il peut ainsi transformer plus d’énergie en chaleur. Avec des freins à patins, une jante alu peut atteindre des températures de 150 °C, avec le carbone cela peut monter à 250°C sur des freinages appuyés. Dans ce dernier cas, des patins non adaptés peuvent fondre, mais surtout la jante peut s’endommager en se gondolant, ou en se déchirant. Les chambres à air, rubans de jantes et pneus peuvent souffrir également.
Avec le disque, pas de risque sur ce plan. De plus, la température du disque élimine presque complètement le temps de latence quand il pleut, la surface évaporant presque immédiatement le film d’eau. Enfin, l’adoption du frein à disque permet d’utiliser de plus gros pneus, puisque plus rien ne gêne leur passage dans le cadre, à part le cadre lui-même. Séduisant. Au chapitre des inconvénients, un vélo de route équipé d’un système de freins à disque aura un poids et un prix supérieur à un modèle à patins. Il sera impossible d’utiliser ses roues à patins bien entendu. Quant à l’entretien, il faudra s’habituer à de nouveaux gestes et acquérir des outils spécifiques. Mais c’est le progrès ! Voyons les éléments qui constituent le frein à disque.
2. Le disque de frein
Le disque se nomme rotor en fait. Il est fixé directement sur le moyeu, soit à l’aide de 6 trous (IS-International Standard), soit via une empreinte cannelée (Centerlock ou AFS). Ceci impose des moyeux spécifiques, plus larges et renforcés. La roue est également touchée par quelques modifications. Elle comporte ainsi plus de rayons et le rayonnage radial est abandonné côté disque. Enfin, les jantes n’ont plus de piste de freinage, mais sont renforcées au niveau de l’accroche des têtes de rayons.
Le rotor fait un diamètre de 140 ou 160 mm pour les vélos de route, alors qu’en VTT on monte jusqu’à 220 mm quand même. Shimano préconise le montage d’une paire de rotor en 140 mm afin d’avoir un freinage plus doux. Campagnolo, Sram, FSA et Rotor préfèrent un disque de 160 mm devant afin d’avoir la puissance associée à un 140 mm derrière. Un montage recommandé aussi par l’UCI.
Le disque peut être en acier inoxydable, très découpé pour gagner du poids et dissiper la chaleur. Il peut aussi être composé d’une âme en aluminium recouverte par de l’acier inoxydable. Cette dernière version fait gagner du poids, mais permet surtout d’encore mieux diffuser la chaleur. Et pour être encore plus léger, certains disques associent une piste de freinage en acier, ou un sandwich acier-alu à un support en aluminium, ils sont nommés disques flottants car plus souples latéralement. Mais attention, lors du choix il faut aussi tenir compte de l’épaisseur du disque qui peut varier de 1,8 à 2 mm et de la compatibilité avec les différents types de plaquettes.
3. Les plaquettes de frein
Le but des plaquettes est de créer la friction. Les plaquettes livrées avec les étriers sont de type Organique ou Résine. C’est un mélange de résine de pétrole qui confère à l’ensemble un comportement identique à celui du frein à patins en termes de progressivité quand les plaquettes travaillent à froid. En cas de fortes sollicitations (descentes de cols, hautes vitesses, freinages fréquents), elles perdent de leur efficacité au fur et à mesure que la température du disque monte.
En pièces de rechange, on trouve aussi des plaquettes semi-frittées qui combinent la résine à des céramiques ou des métaux. Ceci augmente le spectre des températures d’utilisations et permet un usage plus agressif. Enfin pour les plus exigeants, il y a des plaquettes frittées constituées de divers métaux et céramiques qui couvrent toutes les températures de fonctionnement et excellent sur les freinages importants, mais en contrepartie, le freinage à basse vitesse est moins vif.
4. Les étriers et leviers de frein à disque
Avant toute chose, les étriers de freins à disque se fixent en bas du fourreau de fourche gauche ou en bout de base gauche. Ce qui implique des cadres et des fourches spécifiques. Donc pas question d’envisager de bricolage sur un vélo prévu pour le frein à patins ! De plus, la fixation des roues ne se fait plus avec des blocages rapides, mais avec des axes traversants, les Thru-Axle. Ils empêchent la roue d’être « arrachée » en cas de freinage violent et contribuent à la rigidité de l’ensemble. Pour simplifier encore la situation, sur les vélos de route, le premier standard de fixation était le Post-Mount supplanté depuis quelques années par le Flat Mount. Un adaptateur permet de se dépanner en cas de changement d’étriers pour monter du Flat Mount sur un cadre Post Mount. L’inverse n’est pas possible. Et pour finir, suivant le diamètre des disques, on bascule une « cale adaptateur » sur l’étrier avant pour passer de 140 à 160 mm. Sauf chez Campagnolo, où il y a un étrier 140 mm et un de 160 mm. Si les fabricants de transmissions, Campagnolo, FSA, Shimano, Sram et Rotor, proposent des systèmes hydrauliques, il existe aussi des étriers mécaniques et des mixtes.
Sur les freins à disque mécaniques, le mécanisme utilise une vis sans fin tractée par un câble et un ressort pour pousser les plaquettes. Dans cette configuration mécanique, le levier de commande est un levier traditionnel prévu pour le frein à patin.
Les étriers hydrauliques utilisent un fluide chassé par le maitre cylindre lors de l’appui sur le levier en direction des pistons présents dans l’étrier. Les pistons vont alors pousser symétriquement, ou presque, les plaquettes sur le rotor. Sur la route, les étriers comportent deux pistons pour des raisons de poids. Les quatre pistons, en vogue dans le monde du VTT, sont plus puissants certes mais aussi plus lourds. Les leviers associant freinage et passages des vitesses sont bien entendu spécifiques à ce type de freinage. Ils existent pour transmission mécanique et électrique. Il y a cependant moyen d’utiliser des leviers à câble avec des étriers hydrauliques. Pour cela, on emploie un étrier hybride TRP qui comporte un petit circuit hydraulique fermé intégrant maître cylindre et pistons. Le câble comprime alors le maître cylindre qui agit sur les pistons.
5. Le fonctionnement des différents systèmes de freins à disque
A priori, c’est simple. On appuie sur les leviers et les plaquettes frottent sur le disque. En détail, c’est plus compliqué en fait, mais pas tellement plus que le frein à patins. Avec un système de freins à disque mécanique, quand on appuie sur le levier on tend un câble qui va faire tourner une vis sans fin qui va amener la plaquette contre le disque et créer la friction. Sur les modèles basiques, une seule plaquette est poussée sur le disque qui est alors lui-même poussé, et donc déformé, contre l’autre plaquette pour obtenir le freinage. D’autres modèles poussent simultanément les deux plaquettes.
Quand on relâchera la pression sur les leviers, des ressorts ramèneront les vis sans fin à leur position d’origine. La puissance de freinage sera modulée avec la force de traction du câble. Mais avec l’augmentation de celle-ci, il faudra composer avec l’élasticité du câble, celle des bras en aluminium sur l’étrier et la compression des gaines. Il y aura donc quelques pertes. Dans le cas d’un système mécanique, le ressenti sera un peu plus souple qu’avec des freins à patins. Quand les plaquettes vont s’user, il faudra ajuster la tension du câble grâce à une molette. Et faire de même si le câble s’allonge un peu. Comme avec des patins en somme !
Avec un système hydraulique quand on appuie sur le levier, on appuie sur un piston dans le maître cylindre qui va « chasser » l’huile en direction de l’étrier. Là, l’huile ou fluide hydraulique va pousser les pistons sur lesquels reposent les plaquettes. Quand on soulagera la pression sur le levier, une dépression se créera dans le système hydraulique ramenant les plaquettes, aidées par un ressort quand même, à leur position initiale. La modulation de la puissance de freinage sera proportionnelle à la force de l’appui sur le levier. Le ressenti sera donc meilleur que sur les autres systèmes à disques ou à patins. L’usure des plaquettes sera en plus compensée automatiquement.
6. Les choses à savoir sur le freinage à disques
Comme dit plus haut, le disque chauffe plus qu’une jante et cela constitue son avantage mais aussi sa limite d’usage. Dans tous les cas, la chaleur va se diffuser du disque aux plaquettes puis des plaquettes à l’étrier. Dans le cas d’un système mécanique, on peut freiner longtemps, jusqu’à glacer les plaquettes et cuire le disque en dépassant allègrement les 300 – 400 °C. Un disque noirci et des plaquettes brulées, cela se voit surtout en descente VTT, mais comme les disques routes sont plus petits, cela peut arriver sur route aussi si on freine trop longtemps !
Avec un système hydraulique, une fois que les plaquettes sont chaudes elles transmettent la chaleur aux pistons et ces derniers la font passer à l’huile. Pour que le frein à disque hydraulique fonctionne, il faut qu’il n’y ait que du fluide dans le circuit. Mais avec la montée en température, l’huile peut bouillir et générer un gaz qui lui sera compressible et rendra le levier mou. C’est le fading. Pour s’en prémunir, il convient de réapprendre à freiner avec des disques. On freine fort avec les freins et on ne fait pas « lécher » les plaquettes en permanence ! Autre paramètre à prendre en compte, il convient également de revoir ses habitudes en matière de monte pneumatique. Finis les pneus de 23 mm, le 25 est toléré, mais le plus confortable est le 28 mm. Cette dimension permettra de passer au sol la puissance de freinage sur le sec et le mouillé sans risque de dérapage.
7. L’entretien du frein à disque
D’une façon générale, il faut vérifier l’usure des plaquettes et des disques. Pour les plaquettes, il y a parfois des témoins visuels ou sonores qui indiquent qu’on est en bout de course. Sinon, il faudra les démonter et regarder ce qu’il reste comme matière. Pour ôter les plaquettes, il y a généralement une vis retenue par un circlips (ou goupille) à démonter. Une fois enlevée, on peut retirer les plaquettes. Ces dernières sont séparées par un ressort qu’il ne faudra ni perdre, ni écraser. Au remontage, il faudra faire attention car il y a une plaquette droite et une gauche. Et ne pas oublier après avoir revissé la vis, de placer la goupille.
Pour les disques, il y a parfois des témoins visuels qui indiquent qu’on est au bout, sinon il faut un pied à coulisse et dès que l’épaisseur est inférieure à 1,6 mm, on remplace ! Dans le cas d’un montage IS, on desserre les 6 vis Torx et on le remplace. Au remontage, on fera attention au couple de serrage des vis. Dans le cas du Centerlock, on utilise un démonte-cassette Shimano pour débloquer et bloquer la boussole de serrage qui retient le disque ou l’adaptateur Centerlock IS. Car on peut monter un disque IS sur un moyeu Centerlock, mais pas faire l’inverse. À l’usage un disque peut se voiler un peu. On peut le dégauchir à l’aide d’un outil spécial en se servant des plaquettes comme « guide ». On le redresse à l’endroit où il touche. Mais pour cela il faut être sûr que l’étrier est bien centré. L’étrier se centre facilement. Il suffit de desserrer légèrement sa fixation au cadre et de « freiner ». En maintenant la pression sur le levier, on resserre l’étrier sur le cadre et le frein est centré.
Pour un système de freinage à disque mécanique, il faut aussi s’assurer que les câbleries sont en bon état et remplacer câbles et gaines au moins une fois par an. Pour les freins à disque hydrauliques, il faut réaliser des purges quand c’est nécessaire et remplacer l’huile une fois par an (suivant le type d‘huile), voire plus en cas d’usage intensif.
8. Les types d’huiles pour frein à disque
Sur la route, il y a deux types d’huiles ou fluides hydrauliques qui sont employés. Campagnolo, Shimano, FSA, Rotor exploitent de l’huile minérale. Sram utilise de la DOT 5.1 qui n’est pas compatible avec l’huile minérale ni avec les autres DOT. En fin de compte quand on choisit une marque de freins, on choisit une huile ! L’huile minérale ne fixe pas l’eau mais bout entre 120°C à 280°C tandis que la DOT 5.1 bout à 270°C mais fixe l’eau et dès lors voit son point d’ébullition baisser de façon drastique, imposant son remplacement. Techniquement les huiles minérales se valent et sont compatibles. Mais si elles ont des couleurs différentes, c’est afin que les fabricants de freins sachent si ce sont leurs huiles qui ont été employées ou d’autres. Si le frein est encore sous garantie, le mieux est de rester fidèle à l’huile recommandée par la marque des freins. Du côté de la DOT 5.1, du moment que c’est de la DOT 5.1 cela marche pour Sram. Que risque-t-on à mettre la mauvaise huile dans un frein ? De la DOT 5.1 dans une circuit hydraulique minéral rendra les joints poreux. De l’huile minérale dans un circuit DOT 5.1 fera gonfler les joints bloquant définitivement tout le système.
9. Qu’est ce qu’une purge de frein ?
L’huile hydraulique n’est pas compressible et c’est pour cela qu’on l’utilise. Mais sur la durée, il peut y avoir des fuites, donc des pertes d’huile et une entrée d’air dans le système. Ceci entraîne une perte de puissance de freinage sensible ou totale. Pour éviter cela, il faut purger le circuit hydraulique de l’air, qu’on utilise de l’huile minérale ou du DOT 5.1. Chaque marque de frein a son processus et son kit de purge spécifiques. Le kit de purge comporte soit deux seringues, soit une seringue et un « bol de réception » et on doit bien entendu l’utiliser avec l’huile prévue pour le système de freinage. La règle est d’avoir un kit de purge par type d’huile et par marque de freins à disque ! Et de ne pas mélanger surtout huiles et kits. Pour effectuer la purge, on ouvre généralement le circuit en haut et en bas et on injecte de l’huile pour remplir l’étrier, les durites et le levier en chassant les bulles d’air. Maintenant s’il y a de l’eau dans le circuit, soit parce que l’huile l’a captée, soit parce qu’elle est rentrée dans le circuit, il faut alors remplacer toute l’huile. Une opération à effectuer plus souvent avec les systèmes utilisant de la DOT 5.1 comme Sram ou Hope. Avec l’huile minérale employée par Shimano, Campagnolo, FSA et Rotor, le remplacement ne devient nécessaire qu’en cas d’usage intensif et long comme la montagne pratiquée quotidiennement, un ensemble cycliste-vélo lourd, etc.
10. Comment réalise-t-on une purge de frein ?
Les différentes marques de freins partagent un tronc commun pour la réalisation d’une purge du circuit hydraulique. On ne travaille pas sur la paire de freins en même temps, on fait un étrier l’un après l’autre. On démonte la roue, puis les plaquettes. En effet, la moindre goutte d’huile dessus rendra les plaquettes inutilisables. On appuie ensuite sur les pistons pour les rentrer au maximum dans l’étrier. Normalement dans le kit de purge, il y a un cale piston qu’on mettra en place avant de passer à la suite.
À partir de là, chaque marque a sa façon de procéder, et même le processus peut différer d’un modèle de frein à l’autre au sein d’une même marque. Consulter les notices s’impose donc. On connectera en haut le réceptacle pour le surplus d’huile ou une seringue. On rajoutera dans ces accessoires un peu d’huile pour assurer l’étanchéité. En bas, on connectera une seringue pleine qui « chassera » de l’huile et des bulles d’air. En fonction des recommandations, la purge se fera en un seul passage ou avec plusieurs « aller et retour » du fluide contenu dans les deux seringues. La suite diffère en fonction des marques. Mais généralement, on ferme d’abord le point de purge bas, on actionne ensuite le levier de frein pour s’assurer qu’il n’y a plus de bulles d’air. Puis on démonte le bol ou la seringue supérieure et on remet en place la vis de purge. Les premières fois sont laborieuses, mais le coup de main arrive vite !
11. Quel avenir pour le frein à disque ?
Le freinage à disque est déjà généralisé en fait, à l’image de ce qu’il se passe en VTT et en vélo gravel. Il ne reste plus que quelques vélos à freins patins dans les toutes premières tranches de prix. Les autres modèles de vélos de route à disque entrée de gamme sont déjà en étriers mécaniques. Mais nul doute qu’ils ne passent d’ici quelques années en hydrauliques eux aussi. Car ce type de freinage est de plus en plus décliné sur les transmissions premier prix. Et en matière de roues et de pneus, les fabricants ont déjà tranché. Toutes les nouveautés sont destinées au freinage à disque. L’avenir du vélo de route est donc tout tracé.
