Brevet FR2011636A1 — publié le 19700306

i. 5011636 La présente invention concerne les-freins à disques . Les contraintes thermiques causées par les gradients thermiques sont la cause principale des défaillances des disques dans les freins à disques multiples, et de nombreuses tentatives ont été 5 faites pour améliorer les matières de friction et/ou les caractéristiques, de dissipation de la chaleur des freins à disques. La chaleur importante produite par les exigences élevées de décélération des avions aux grandes vitesses et sous de lourdes charges produit des contraintes thermiques et cause souvent la défaillance 10 des disques par bombement ou par fissuration, et par suite le mauvais fonctionnement du frein, avec les conditions d'insécurité qui en résultent . Le but général de l'invention est d'éviter ou de surmonter ces défaillances ainsi que d'autres difficultés et inconvénients 15 des techniques antérieures, en réalisant dans un frein à disques un empilage homogène de disques dans lequel chaque disque est léger, a des caractéristiques élevées de dissipation de chaleur, et a aussi d'excellentes propriétés de frottement par rapport aux disques adjacents, de telle sorte que la chaleur se dissipe 20 rapidement et que la fiabilité du frein reste extrêmement élevée . Un autre but de l'invention est de réaliser dans un frein à disques un empilage de disques qui soient fabriqués en un mélange de graphite et de carbone, pour obtenir une combinaison de légèreté en poids, de forte dissipation de chaleur, de faible dilatation 25. thermique et de bonnes caractéristiques de freinage par friction . Les buts précédents, et d'autres encore, qui-apparaîtront au cours de la description, sont atteints dams un frein à disques comprenant en combinaison, vin corps rotatif, une. fusée fixe' soutenant à rotation ledit corps rotatif, un empilage de disques 30 imbriqués clavetés alternativement sur la fusée et le corps rotatif, et des moyens pour presser les disques les uns contre les autres; ce' frein étant caractérisé en ce- que les disques sont homogènes et formés d'une matière à base de carbone ayant une chaleur spécifique élevée, une faible densité, des propriétés 35 de faible dilatation thermique, et une bonne stabilité de frottement entre disques adjacents sur une gamme étendue de caractéristiques de charge . Pour mieux faire comprendre 1'invention,on se référera aux dessins annexés, dans lesquels : 69 20679 2. 2011636 la Fig. 1 est une vue en coupe d'une roue et d'une fusée comportant un frein appliquant la présente invention, certaines parties étant arrachées et d'autres représentées en coupe j la Fig. 2 est une vue en coupe transversale, à plus grande 5 échelle et avec arrachements d'un disque claveté sur la roue ; la Fig. 3 est une vue en coupe transversale., à plus grande échelle et avec arrachements, d'un disque claveté sur la fusée ; la Fig. 4 est une vue en perspective d'une variante utilisant un revêtement anti-oxydant ; 10 la Fig. 5 est une vue en élévation latérale d'un autre mode de réalisation du disque*,utilisant des barrettes métalliques pour renforcer les encoches soumises au couple, et montrant aussi une construction en segments du disque proprement dit ; la Fig. 6 est une -vue en élévation d'une autre variante, 15 montrant une construction à barrettes métalliques et en segments, analogue à celle de la Fig. 5 î la Fig. 7 est une vue en élévation d'une barrette métallique disposée sur le disque de façon à former un tenon d'entraînement; la Fig. 8 est une vue en coupe verticale suivant la ligne 8-8 20 de la Fig. 7 ; et la Fig. 9 est une vue en perspective d'une barrette destinée à former un tenon d'entraînement, qui est une variante du type représenté sur la Fig. 7 • En se reportant'aux dessins, et d&ord à la Fig,.. 1., on voit 25- une fusée non rotative 1, autour de laquelle,une roue 2 est montée à rotation sur des roulements 3 et 4.La fusée est conformée avec un flasque radial 5 de transmission de couple sur lequel une plaque 8 de. couple et de pression est fixée par des boulons 6 . également répartis autour du flasque . Une contre-plaque 9 est 30 prévue-en face de la plaque de pression 8... . , .. .. Les plaques 8 et 9 sont pourvues d'ouvertures 10 et 11 alignées et espacées sur. leurs cirç.onféî?ences, qtii contiennent un - nombre approprié de boulons d'assemblage, 12 sdétendant sur la distap.ce, cQmprise ejitre. les, plaques, C^que £.p^lopr lg.,.traverse 35 l'un des trous pratiqués dans, un tube .de c,ouple_4.13# normalement • plus courut que l' espace compris ,e,ntre, les, plaques. .8 et 9,et une. rondelle élastique ou rondelle Belleyllle 14 est placée : v: autour -de chaque. boulon entre l'.ur^e de^leugjiep fte Pression et ;--le tube de couple, .afin de maintenir les plaques éc,artées et les * r. ï s.i v ^ If . 69 20679 3. 2011636 ramener dans cette position après une action de freinage . Le tube de couple 13 est fixé d'une façon classique pat* des boulons (non représentés) à la plaque de couple 8 en des points placés sur la circonférence entre les boulons 12 . 5 Entre la plaque de pression 8 et la contre-plaQue 9 sont placés plusieurs disques 15, portant chacun sur leur pourtour externe des encoches espacées destinées à recevoir des cannelures ou clavettes 16 portées par la roue 2, les disques de frein 15 étant prévus pour ïlotter le long des clavettes suivant l'axe de 10 la roue . Entre les plaques 8 et 9 se trouve également un second jeu de disques de frein 17 imbriqués entre les disques 15 et ayant à leur périphérie interne des encoches de façon à être clavetés sur des cannelures formées sur le tube de couple 13, de façon à empêcher leur rotation tout en permettant leur flottement 15 axial . Les disques 15 et 17 sont fabriqués en une matière essentiellement à base de carbone ayant des caractéristiques élevées de dissipation thermique, et cependant un coefficient de frottement suffisant quand ils frottent les uns contre les autres de façon 20 à former un empilage homogène de disques . Le terme homogène est employé pour signifier que chaque disque composant la pile est essentiellement homogène dans sa composition quand on le considère en section transversale, et que chaque disque est essentiellement semblable à tout autre disque, à l'exception peut-être de varia-25 . tions en épaisseur ou configuration, suivant sa position dans l'«»pilage . En d'autres termes, il n'est ajouté de matière de friction à aucun des disques . Cela ne signifie pas que la composition de chaque disque est exactement uniforme à travers l'une quelconque de ses sections, car la composition peut varier à 30 travers le disque, ou le disque peut être stratifié, etc. Le matériau à base de carbone peut être du carbone pur, en particulier sous forme de graphite ou de carbone amorphe, ou bien des composés typiques du carbone parmi lesquels on citera les carbures, tels que le carbure de bore, le carbure de silicium et le carbure 35 de titane . On peut naturellement utiliser des mélanges de carbone sous ses diverses formes . Outre la base carbonée, on peut utiliser d'autres ingrédients tels qu'anti-oxydants, liants, charges, agents et fibres de renforcement . La base carbonée peut être massive et de consistance uniforme dans toute sa masse, elle peut 69 20679 4. 2011636 être stratifiée avec une matière fibreuse réticulée par exemple, ou bien elle peut avoir certaines de ses parties, celles par exemple qui sont adjacentes aux surfaces transmettant le couple, variables en densité, mode d'assemblage ou composition . 5 Les caractéristiques de la matière constituant les disques sont déterminantes pour la nature homogène de l'empilage et pour le fonctionnement correct du frein constitué par les disques . Spécifiquement, la résistance à la flexion de cette matière doit être supérieure à 350 kg/cm2, sa masse spécifique supérieure à 10 1,45 grammes par cm3, ga chaleur spécifique supérieure à 0,17 cal/g/°C sur la plage de température des disques en fonctionnement normal, sa conductivité supérieure à 0,04 calorie par seconde, par em?, par cm et par °C, sa résistance au choc supérieure à 15*8 m.kg/m et son coefficient de frottement supérieur 15 à 0,10 dans les conditions normales de fonctionnement . Afin d'obtenir ces caractéristiques, on a trouvé qu'une combinaison de graphite et de carbone est nécessaire à concurrence d'au moins 75 % environ du volume total du disque . Le volume restant est complété en ajoutant des matières de renforcement prises dans 20 un groupe composé du tungstène, du carbure de silicium et d'autres additifs résistant aux fortes températures . Il est en outre souhaitable d'ajouter des agents anti-oxydants pris dans un groupe constitué par le bore, le tungstène, le carbure de silicium, le zirconium, le titane, etc. 25 Le traitement anti-oxydâtion des disques autour des encoches est nécessaire pour empêcher leur défaillance due à une diminution de la résistance dans cette région fortement chargée . Une autre technique pour empêcher la défaillance par oxydation consiste à revêtir les encoches et toutes les régions du disque non soumises 30 au frottement par un revêtement anti-oxydant . Cela est représenté sur la Pig. 4, oti la référence 30 désigne un disque de frein ayant les caractéristiques décrites ci-dessus, excepté qu'un revêtement anti-oxydant 32 recouvre toute la surface non soumise au frottement,du disque . Ce revêtement peut être appliqué par 35 enduiaage, éleetrolyse, revêtement par voie électrique, dispersion de plasma, pulvérisation et dépôt en phase vapeur . Des revêtements typiques peuvent comprendre du nickel électro-lytique et du chrome déposé par voie électrique ; du nickel déposé par voie électrique et un revêtement électrolytique rapide de chrome; 69 20679 5. 2011636 du chrome et de l'oxyde de chrome ; du carbure de silicium ; du silicium métallique, du nickel déposé par voie élèctrique sur du cuivrej du cadmium déposé par voie électrique sur du nickel . Le revêtement sera aussi épais qu'il sera nécessaire ï l'ordre de 5 grandeur de son épaisseur sera de 5 à 40 centièmes de mm environ . La dimension des encoches formées dans les disques 15 et 17 est importante pour obtenir le comportement d^4a pilé homogène de disques qui est nécessaire pour atteindre le but de l'invention. A cet effet, on a trouvé que les faces de l'encoche de clavetage 10 doivent être positionnées à 0,25 mm près et dé préférence à 0,1 mm près . Le nombre des encoches de clavetage dépend de l'épaisseur des disques, du couple nécessaire, éfcc. mais doit être déterminé de façon que la contrainte d'appui entre une encoche quelconque èt sa clavette 16 ne soit pas supérieure à environ 15 350 kg/cm2 pendant le fonctionnement en service normal, et ne dépasse pas environ 1050 kg/cm2 pendant l'application à courte durée des couples de pointe . Les faces opposées de chaque encoche sont parallèles* ajustées et de niveau par rapport aux faces parallèles de la clavette 16 . La tolérance de jeu entre 20 les faces de la clavette 16 et celles de l'encoche 15a ne doit pas être supérieure à 1,6 mm, et doit de préférence être comprise entre 0,3 et 0,62 mm, bien que ces limites puissent varier suivant l'utilisation particulière du disque . On considère suivant l'invention qu'il doit y avoir au minimum quatre encoches 15a 25 sur le pourtour externe du disque 15 . Des caractéristiques similaires s'appliquent au disque 17 représenté sur la Fig. 3 et à ses encoches 17a . Les cannelures du moyeu ou tube de couple 13 doivent répondre à peu près aux mêmes conditions dimensionnelles que celles qui ont été décrites pour 30 les disques 15 et la roue 2 . Mais les dimensions physiques réelles des encoches 17a doivent être plus faibles puisque ces*encoches sont formées sur une surface radiale interné . Elles'doivent couvrir la même distance angulaire exprimée en degrés que les encoches 15a . 35 Dans certains cas, il s'est avéré souhaitable de renforcer les parties des disques des Pig. 1 à 4, qui sont soumises au couple ou à la charge par d'autres moyens quë des additifs incorporés à la matière à base de carbone . A cet effet, on va décrire les variantes de l'invention représentées aux Ejg. 5 à 9 . 69 20679 6. 2011636 En ce qui concerne ,1e, mode de réalisation, représenté sur la Fig. 5# un disque désigné dans son ensemble par la référence 30 est modifié en ce qu'il est séparé en segments 30a, 3013 et 30e, qui sont plus faciles à former et éliminent pratiquement les 5 déchets de matière .Les segments sont assemblés par des barrettes métalliques-embouties 32, rivées en place par des rivets 34 et délimitant les encoches d'entraînement 36 . En effet, les barrettes 32 sont embouties dans une seule pièce de métal, la partie correspondant à l'encoche 36 étant courbée vers le bas 10 pour prendre la forme- des segments respectifs du disque et les maintenir en relation de butée et d*alignement commun l'a représenté . Les rebords latéraux à travers lesquels les rivets effectuent la fixation s'adaptent de façon précise sur le bord externe périphérique des segments . Il est important que les 15 segments 30a, etc. butent étroitement l'un contre l'autre et soient maintenus en relation de butée serrée par les barrettes 32. Il est évident que les barrettes 32 pourraient être utilisées avec les disques des Fig. 1 à 4 pour renforcer la région d^d'encoche, et ne sont pas uniquement applicables au mode de réalisation à La 0g. 6 représente une légère modification apportée au mode de réalisation de la Fig. 5 . Dans ce mode d'exécution, un 25 disque désigné dans son ensemble par la référence 4,0 comprend des segments 40a, 40b, etc. Dans ce cas,, une petite pièce métallique rapportée 42 s'étend entre les segments voisins et en butée . l'un contre l'autre et délimite une encoche ou fente d'entraînement métallique, renforcée 44 . Une barrette 46 est fixéè par 30 des rivets 48 entre les extrémités adjacentes des pièces rapportées 42, constituant ainsi un bord métallique renforcé sur toute la périphérie externe du disque 40 . Cette construction est préférable lorsque les segments de disque 40^, etc.,sont plus courts et lorsqu'une plus grande., aptitude -à supporter, le couple 35 est. nécessaire pour améliorer la. résistaïjee,, et résister aux contraintes excessives,. ...... • ,i:,. • La Fig. 7 représente un disque 50 qui à une cirçèrâ'érence interne 50a continue et une circonférence,'.externe 50^.-.continue . Un tenon ou une clavette d'entraînement qui supporte le couple est 69 20679 7. 2011636 formé par une barrette 52 maintenue en place sur la périphérie externe par des rivets 54 . Deux éléments latéraux 56 s'étendant radialement vers l'extérieur coopèrent avec une pièce métallique rapportée 58 brasée ou fixée d'une autre façon appropriée en posi-5 tion entre les éléments latéraux 56 pour former un tenon ou une clavette d'entraînement . La Fig. 8 illustre plus clairement la disposition de la pièce rapportée 58 par rapport aux éléments latéraux 56 . La Fig. 9 représente en perspective une barrette emboutie 10 d'une seule pièce, qui peut être mise en place de façon convenable par des rivets ou des moyens analogues sur le bord circulaire externe d'un disque semblable au disque 50 de la Fig. 7* et qui délimite le tenon ou la clavette d'entraînement . C'est une variante possible à la construction des Fig. 7 et 8 . 15 Pour appliquer la pression de freinage à l'empilage de disques, tout moyen classique peut convenir pour presser l'une vers l'autre les plaques 8 et 9 en faisant coulisser les disques 15 et 17 pour les amener en engagement de freinage par friction . Un tel agencement peut être lé dispositif d'application de pression dé-20 crit dans le brevet américain n° 3 038 559 • Ce dispositif utilise essentiellement un cylindre circonférentiel 19 ménagé dans un collier'20, un piston annulaire 21 étant monté à coulissement autour d'un boulon 18 à l'intérieur du cylindre .Le cylindre et le piston sont montés entre la plaque de pression 8 et la tête 25 du boulon 18 . Pour rendre étanche le cylindre 19, une bague 22 est montée entre le collier 20 et le boulon, et une bague 23 est montée contre le piston 21 à l'intérieur du cylindre 19 . Pour fournir la pression au cylindre 19, une tubulure annulaire 24 peut être prévue autour de la fusée 1, et peut être alimentée 30 par une tuyauterie venant d'une soupape de commande (non représentée) . Des conduits flexibles 25 combinés individuellement aux cylindres 19 réunissent ces cylindres à la tubulure 24. On voit donc que l'invention a atteint son but en réalisant un empilage homogène utilisant une matière ayant un faible poids, 35 une dissipation thermique élevée et ayant aussi des caractéristiques de frottement suffisantes quand les éléments frottent les tins sur les autres . En fait, l'empilage de disques de l'invention, disposé suivant l'agencement exposé, a une capacité d'enthalpie double à peu près de celle des disques ordinaires en aeier . La 40 faible dilatationthermique élimine pratiquement les contraintes thermiques, résolvant ainsi lés problèmes caractéristiques inhérents à l'emploi de l'acier . 69 20679 8. 2011636 REVENDICATIONS -x-x-x-x-x-x-x-x-x-x- 1.Frein à disques, comprenant en combinaison un corps rotatif, une fusée fixe soutenant à rotation ledit corps, un empilage de disques clavetés alternativement sur la fusée et le 5 corps, et des moyens pour presser les disques les ions contre les autres, caractérisé en ce que chaque disque est réalisé en une matière à base de carbone de composition à peu près uniforme en section transversale, ayant un poids faible, un§6haleur spécifi- . que élevée et des propriétés de faible dilatation thermique, et 10 ayant un coefficient de frottement d'au moins 0,10 entre des disques adjacents, sur la plage de température correspondant au fonctionnement normal de ceux-ci . 2.Frein à disques suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les disques sont réalisés en un mélange de graphite et de 15 carbone, un additif étant ajouté audit mélange pour contribuer à empêeher l'oxydation des disques pendant l'utilisation . 3. Frein à disques suivant la revendication 2, caractérisé en ce que des agents de renforcement pour les hautes températures, choisis dans un groupe comprenant le tungstène et le car- 20 bure de silicium, sont ajoutés de façon à représenter moins de 25 % en volume des disques, chaque disque comportant un revêtement anti-oxydant qui recouvre toutes les parties des disques non soumises au frottement, et choisi dans un groupe de matières comprenant le nickel obtenir par électroJ;yse et le chrome déposé par 25 voie électrique ; le nickel déposé par voie électrique et le chrome déposé par électrolyse rapide ; le chrome et l'oxyde de chrome, le carbure de silicium; le silicium sous forme métallique; le nickel déposé par voie électrique sur cuivre, et le cadmium déposé par voie électrique sur nickel . 30 4. Frein à disques suivant la revendication 3» caractérisé en ce que les disques sont pourvus d'encoches pour réaliser le clavetage sur la fusée et le corps rotatif, les jeux entre les encoches et les clavettes ou cannelures étant inférieurs à 0,62 mm et dans lequel l'additif anti-oxydant est un mince revêtement 35 recouvrant la surface du disque non soumise au frottement . 5. Frein à disques suivant la revendication 4, caractérisé ence que les disques présentent au moins quatre encoches, et dans lequel l'effort dû au couple et imposé à chaque encoche par la 69 20679 9. 2011636 clavette ou cannelure correspondante de la fusée ou du corps rotatif est inférieure à environ 350 kg/cm2 pour le fonctionnement en service normal, et à environ 1050 kg/cm2 pour les efforts de pointe de courte durée . ■ " -5 6. Frein à disques suivant la revendication 5> caractérisé en ce que des encoches sont pratiquées pour contenir des clavettes ou cannelures de transmission du couple, lesdites encoches ayant des faces parallèles, chacune d'elles supportant 350 kg/cm2 pendant des périodes prolongées et 1050 kg/cm2 pour des efforts de 10 pointe de courte durée, les encoches présentant avec les cannelures ou clavettes un jeu compris entre 0,25 et 0,1 mm, les disques de frein ayant une résistance à la flexion supérieure à 350 kg/cm2 . 7. Frein à disques suivant la revendication 6, ayant des propriétés élevées de dissipation de la chaleur, de solidité et de .chaque disque 15 frottement, caractérise en ce que/ est fait d une matiere a base de carbone permettant d'obtenir un coefficient de frottement d'au moins 0,1 lorsqu'il est en contact avec un disque semblable, ladite matière ayant une chaleur spécifique d'au moins 0,17 cal. par g et par degré C, et une maS%e/SPsuperSeure à 1,45 g/cm3 20 mais inférieure à 2,5 g/cm3 . 8. Frein à disques suivant la revendication 7* caractérisé en ce qu'il comprend une barrette métallique rapportée, fixée au disque à l'emplacement de chaque encoche pour recevoir les cannelures ou clavettes et supporter l'effort résultant du couple 25 transmis . 9. Frein à disques suivant la revendication 8, caractérisé en ce que ladite matière à base de carbone représente au moins 75 % environ du volume du disque, les 25 % restant étant formés par des additifs de renforcement choisis dans un groupe comprenant 30 le tungstène, le carbure de silicium, le zirconium et le titane, et dans lequel la barrette "rapportée est emboutie, et'tivée en place sur la périphérie du disque sur une distance de chaque coté de chaque encoche au mdns égale à la longueur de l'encoche . 10. Frein à disques suivant la revendication 9* caractérisé en 35 ce qu'il est divisé en plusieurs segments circulaires, maintenus en butée réciproque par leurs extrémités par- la barrette rapportée dans chaque encoche .