Bien choisir un frein industriel

Les freins ont diverses forces d’actionnement qui contrôlent une action : mécanique, électrique, pneumatique, hydraulique et auto-actionnement. Les freins sont classés selon des variables d’actionnement pour un large choix de produits. Cette variété offre des choix qui conviennent à presque toutes les applications, qu’elles soient statiques ou dynamiques. Les caractéristiques telles que le couple, le temps de réponse, la taille de l’enveloppe, la configuration, le milieu de contrôle, les exigences cycliques et la capacité thermique sont toutes affectées par la géométrie du frein, l’interface et la force de commande. Pour choisir un frein industriel, vous devez tenir compte de l’environnement et des installations de votre application.

La plupart des freins disponibles aujourd’hui sont des freins à ressort. En d’autres termes, ils génèrent leur couple de maintien en utilisant un mécanisme à ressort pour appliquer une pression sur une surface de friction. Ces freins sont désengagés en relâchant la pression de ces ressorts par un actionnement hydraulique, pneumatique ou électromagnétique.

La première étape dans le choix d’un frein approprié consiste à déterminer le couple nécessaire à votre application. Habituellement, en dessous de 20,000 lb-pi, les freins électriques à ressort deviennent une option. Ils sont souvent le choix à faire pour les applications à faible couple, car leur coût est un facteur décisif. Pour les applications à couple plus élevé, les freins hydrauliques et pneumatiques sont souvent mieux adaptés.

Pour dimensionner un frein, vous devez tenir compte du couple (exprimé en N.m) et de la force de freinage (pour les freins linéaires, exprimée en N). Le dimensionnement des freins se fait donc en fonction du couple, de la vitesse et des cycles.

La taille et le type de freins les mieux adaptés à une conception donnée dépendent du fait que la machine a besoin d’arrêts d’urgence ou d’arrêts plus souples qui sacrifient les freins pour protéger les charges transportées des chocs. Ensuite, d’autres critères d’application (y compris l’enveloppe de la machine, la capacité thermique, les cadences et les calendriers d’inspection et de réparation) déterminent le choix final. Sur certaines machines, il est plus important que les freins empêchent le déplacement des charges et le désalignement.

Il est généralement préférable de dimensionner les freins et les embrayages en fonction du couple moteur de l’axe de la machine. Mais pour les axes où le frein doit arrêter des charges verticales, vous devez tenir compte de la façon dont les moteurs peuvent temporairement tirer un courant plus élevé pour fournir un couple supérieur au couple nominal. Consultez les courbes de performance publiées par les fabricants de freins et d’embrayages pour obtenir les valeurs de couple dynamique pour les plages de vitesses de fonctionnement, afin de faire correspondre correctement les freins au couple de sortie du moteur de l’axe.

Il existe plusieurs variantes de conception et l’un des principaux facteurs de différenciation est la façon dont un frein ou un embrayage s’engage et s’actionne. Certaines options sont mécaniques, électriques, électromagnétiques, hydrauliques ou pneumatiques.

Frein pneumatique de la marque The Hilliard Corporation

• Les modes d’activation hydrauliques et pneumatiques
  Les freins à actionnement par fluide comprennent habituellement un piston pour engager physiquement les disques de friction. Les freins à commande hydraulique et pneumatique sont des unités à réaction rapide qui agissent sur la pression du fluide et la masse du piston, de façon à ce que la vitesse d’engagement suive la pression de commande. Certains freins et embrayages pneumatiques sont spécialement conçus pour fonctionner à basse température et maintenir la tenue de route avec un minimum de puissance.
  Quelques mises en garde : dans de nombreux embrayages, la force totale du piston se transmet à travers un palier – en fait un point d’usure – pour laisser le corps tourner au fur et à mesure que le carter reste en place. Ici, les roulements et les charges élevées limitent également la vitesse de fonctionnement. Les freins à actionnement par fluide n’ont pas besoin de tels roulements.

• Les modes d’activation manuels (ou mécaniques)
  Les freins à commande mécanique comportant un levier offrent un avantage mécanique pour déclencher l’engagement et le désengagement. Ce levier sert habituellement à serrer les disques de friction ensemble pour la transmission du couple. Lorsque le mécanisme se déplace, l’état de l’embrayage ou du frein passe d’embrayé à débrayé, ou vice versa. Certains de ces freins et embrayages sont munis d’un mécanisme de verrouillage qui permet de maintenir l’unité en l’état jusqu’à sa remise sous tension. Ces embrayages et freins n’ont pas de roulements à billes, sont assez tolérants à la vitesse, sont disponibles en option dans des configurations à une position, ne sont pas affectés par des pannes de courant et offrent un relâchement automatique en cas de surcharge ou de verrouillage. D’un autre côté, de nombreux embrayages et freins à commande mécanique ne se désengagent pas automatiquement en cas de perte de puissance, et la plupart d’entre eux nécessitent des réglages pour compenser l’usure.

Frein électromagnétique de la marque MAYR

• Les modes d’activation électromagnétiques
  Les freins de maintien électromagnétiques ont une bobine de champ, une série de ressorts, une plaque de pression, un disque de friction et une plaque de recouvrement extérieure. Le frein est engagé mécaniquement par les ressorts qui poussent sur la plaque de pression pour serrer le disque de friction sur la plaque de recouvrement. L’activation et la désactivation du frein s’effectuent en appliquant la tension nominale à la bobine, qui est généralement de 24 ou 90 V.
  En effet, les freins électromagnétiques sont soit activés électriquement, soit désactivés électriquement par ressort. Ce dernier assure une double fonction de sécurité en cas de panne de courant. Ce type de frein de sécurité est appelé « frein à manque de courant », utilisé pour stopper des charges en mouvement et les maintenir en position d’arrêt. En cas de panne ou d’arrêt d’urgence, les freins de sécurité sont capables de stopper et maintenir une charge en position.
  Les freins électriques sont faciles à contrôler et à utiliser, même à quelques milliers de cycles par minute.
  Les embrayages et freins électromagnétiques ont une bonne fonctionnalité à haute vitesse, une longue durée de vie et sont dotés de mécanismes d’auto-ajustement pour compenser l’usure des disques de friction. Mais il y a aussi des inconvénients à cette technologie : ils ont besoin de roulements pour supporter une bobine stationnaire. De plus, le temps d’engagement de l’embrayage ou du frein électromagnétique dépasse celui des autres modèles en raison du temps nécessaire pour générer le champ magnétique de la bobine.

Il existe différents types de freins industriels :

Frein à disque de la marque Römer Fördertechnik

• Frein à disque : il s’agit d’un frein efficace pour les grandes machines. Ce type de frein est le plus répandu pour l’embrayage ou le freinage d’usage général. Une surface est habituellement métallique et formée en un ou plusieurs disques et bandes. L’autre surface a un revêtement de friction en forme de plaque et d’étrier. Les freins à disque simples ont une seule plaque de friction et un seul disque.

Frein multidisque de la marque WPT Power

• Frein multidisque (cellule de frein) : il s’agit d’un frein pour les applications de régulation de vitesse ou contrôle de tension de bande. Dans ces conceptions plus complexes, plusieurs disques et plaques de friction sont utilisés pour augmenter la surface de friction. Les disques peuvent être immergés dans l’huile pour accroître l’efficacité du refroidissement. Certains freins à disque utilisent des étriers au lieu d’une plaque de friction. Des étriers supplémentaires peuvent être ajoutés pour augmenter le couple de freinage. Dans cette conception, les plaquettes de frein sont faciles à entretenir.

Frein à tambour de la marque Pintsch Bubenzer

• Frein à tambour (moins cher mais mauvaise dissipation de la chaleur) : les embrayages et freins à tambour ont des surfaces de frottement cylindriques avec un axe ou un arbre de montage commun. Il s’agit de types à contraction ou à expansion ; le tambour est en contact sur son diamètre extérieur ou intérieur. Les embrayages et freins à tambour s’usent uniformément et transmettent un couple élevé.

• Freins à bande ou à sangle : simples et fiables, ils se composent d’un tambour rotatif et d’une bande d’acier flexible revêtue d’un matériau de friction. Une tringlerie mécanique serre la bande autour du tambour. Si, pendant l’actionnement, la traction sur la bande est dans le sens de rotation, le frein est auto-alimenté. Les freins à bande s’usent inégalement et dissipent lentement la chaleur.

Frein électromagnétique de la marque SUCO

• Freins électriques et électromagnétiques : les embrayages et freins électriques sans friction utilisent l’attraction électromagnétique pour transférer le couple. Ils sont principalement utilisés dans les applications où un contact positif n’est pas nécessaire. Les applications comprennent les entraînements à glissement variable et les démarrages et arrêts progressifs. Ils ne sont pas aussi rapides et précis que les embrayages et freins à friction.

Frein à poudre de la marque MAGTROL

• Freins à poudre : les freins et embrayages électromagnétiques à poudre combinent la résilience d’un embrayage à fluide et la stabilité bloquée d’un embrayage à friction. Le couple est transmis par une poudre ferromagnétique sèche spécialement alliée. Dans la pratique, les coefficients de frottement statiques et dynamiques sont sensiblement égaux, et le couple de sortie est indépendant de la vitesse, ou vitesse de glissement. La performance de la poudre n’est pas affectée par l’élévation de la température sur la surface de travail, et les embrayages ont, à tout moment, les caractéristiques d’un couple transmis directement proportionnel au courant. Il est à noter que l’utilisation de poudre sèche plutôt que de poudre en suspension dans un liquide favorise l’uniformité et la précision du contrôle du couple.

La majorité des freins mis en service sont des freins de maintien. Leur fonction est de maintenir la charge en position. Mais ils sont aussi conçus pour effectuer des freinages de secours et arrêter une masse en mouvement (en cas de panne de courant par exemple). Ces freins sont bien adaptés pour sécuriser des machines. Dans le cas d’un arrêt et d’un maintien, l’inertie causée par le frein ralentit, et la vitesse détermine la quantité d’énergie générée par engagement.

Un frein dynamique utilise, par contre, la motorisation d’un véhicule en génératrice pour réduire sa vitesse. L’énergie transformée peut alors soit être stockée ou transmise à d’autres véhicules, soit être dissipée sous forme de chaleur. Ce système est utilisé dans les véhicules à batterie électrique, sur des engins ferroviaires, ainsi que des machines et engins divers (comme le chariot élévateur). Il permet de limiter l’usure des freins par friction, mais aussi de récupérer une partie de l’énergie cinétique.

Ces freins sont aussi appelés « freins à manque de courant » ou « freins à pression de ressort » (le couple est généré par des ressorts précontraints). Lors d’une coupure de courant – en cas de panne ou d’arrêt d’urgence –, les freins de sécurité sont capables de stopper et maintenir une charge en position. La technologie la plus répandue est celle « à manque de courant ». On retrouve généralement ce type de produit intégré dans des moteurs, mais cette technologie peut être déclinée sur n’importe quelle autre machine.

Les différents types de freins de sécurité sont :

• Freins de positionnement : permettant un grand nombre d’interventions avec beaucoup de précision, les couples de freinage peuvent être réglés sensiblement pour s’adapter à tous types d’applications.
• Freins de maintien : permettant de dissiper un travail de friction important, ils sont utilisés en cas d’anomalie sur une installation, en cas de freinages d’urgence.
• Freins de secours : conçus pour effectuer des freinages de secours et arrêter une masse en mouvement (panne de courant par exemple), ces freins sont bien adaptés pour sécuriser des machines.