Brevet FR2042661A1 — publié le 19710212

7U I//UÔ i La présente invention concerne l'utilisation de, fibres de verre orientées dans un agrégat rigide dans- une matière destinée à constituer des garnitures de frein. En raison de la longueur structurelle de certaines"chaînes de résines thermoplastiques 5 ou d'autres liants renforcés par des fibres de verre, on a préconisé l'utilisation de ces dernières comme couche de renforcement de matières composites résistant au frottement destinées aux embrayages, aux freins ou autres. Les.brevets des Etats-Unis d'Amérique N° 2 i58 337 et 3 365 041 décrivent l'utilisation d'un 10 tissu en fibres de verre destiné à renforcer les garnitures métalliques ou en amiante de freins ou d'embrayages. En outre, les brevets des Etats-Unis d'Amérique n° 2 554 548 et 2 158 337 décrivent l'utilisation d'un support en fibresde verre additionné de matières classiquement employées généralement dans les garnitures 15 de frein, et dans lequel les fibres de verre renforcent physiquement la garniture composite, ou constituent une charge. En dehors de ces suggestions d'emploi comme renfort structurel ou de charge de matières de frottement, les fibres de verre n'ont pas été utilisées dans les garnitures de frein car leur résistance 20 à l'usure .et leur coefficient de frottement ont été jugés insuffisants et notablement inférieurs à oeux des matières de friction classiques utilisées jusqu'ici, par exemple les fibres d'amiante ou les garnitures métalliques utilisées dans certains cas pour des freins soumis à de hautes températures. 25 On a constaté que les garnitures de frein comprenant des fi bres de verre rigidement reliées l'une à l'autre pour former des patins ou des garnitures de frein dans lesquels l'orientation et la nature des fibres sont telles que si un nombre appréciable d'extrémités de fibres émergent des surfaces de freinage, elles 30 présentent d'excellentes caractéristiques de friction et d'usure. En conséquence, l'invention a pour objet une nouvelle matière de freinage comprenant des fibres de verre reliées de telle sorte que de nombreuses extrémités de ces fibres débouchent à la surface constituant la surface de freinage, les caractéristiques de 35 frottement et de résistance à l'usure de la matière étant ainsi améliorées. Effectivement, les essais ont prouvé l'amélioration considérable des caractéristiques de friction et de résistance à l'usure de blocs de fibres de verre imprégnés de résine, si l'orientation » . i «-* jfytiuu i . - / • - 2 des fibres est telle qu'un grand nombre d'extrémités de fibres débouchent'dans la surface de freinage ou d'usure du bloc, pour que lors du frottement du bloc contre un tambour de frein ou un disque mobile, chacune des extrémités de fibres se comporte comme 5 un micro-outil appliqué contre la surface opposée pour provoquer l'infime enlèvement de matière nécessaire à l'efficacité de la friction. On peut supposer que si les essais de freinage effectués avec des matières à base de fibres de verre non orientées ou des téxtures de fibres tissées incorporées .dans les garnitures de frein 10 n'ont pas donné satisfaction, c'est en raison de ce que le contact entre les fibres et la surface de freinage porte sur une.zone relativement étendue, lisse et sans aspérité, telle la surface des côtés (tangents à la surface) des fibres, et, de ce fait, l'effet d'enlèvement de matière désiré est très réduit si ce n'est sup-15 primé. L'invention a donc pour objet principal une matière de freinage comportant des fibres de verre orientées, un grand nombre d'extrémités de fibres débouchant dans la surface de freinage selon un angle qui augmente 1'usure et supprime la diminution 20 temporaire de l'efficacité du freinage ou "fading" des freins : comportant des garnitures fabriquées dans cette matière. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une telle matière pour que la surface de freinage soit composée de nombreuses extrémités de fibres ou de boucles qui s'usent rapidement pour 25 présenter .-contre la surface de freinage des extrémités de fibres permettant d'obtenir l'effet de freinage désiré. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressor-tiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif une forme de réalisation 30 conforme S ..l'invention. ' Dans ces dessins, • la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un disque de frein sur -lequel agissent des plaquettes en matière de 1'invention ; 35 la figure 2 est une vue schématique en perspective d'un frein d'automobile à tambour, dont.les mâchoires sont munies de garnitures en -matière de 1'invention % la figure 3 est une vue latérale partielle d'une mâchoire du frein de,la figure 2 munie d'une garniture rivée en matière de 40 1'invention ; à 70 17706 3 2042661 la figure. 4 est une coupe selon la ligne 4-4 de la figure 3 ; la figure 5A est une vue schématique d'une forme de réalisation de la matière.pour garniture de frein de 11 invention montrant la texture des fibres de verre à l'intérieur du bloc ; 5 la figure 5B est une vue d'une autre forme de réalisation de la matière de l'invention dans laquelle les fibres de verre sont annulaires ou disposées en spirales ; les figures 6a et 6B illustrent le procédé de fabrication . d'une forme préférée de matière de l'invention dans laquelle des 10 sections découpées du bloc de la figure 6A sont fixées à un support de garniture pour présenter une surface comportant de nombreuses extrémités de fibres de verre ; et, les figures 7A et 7B sont semblables aux figures 6A et 6B et illustrent la fabrication d'un autre type de matière de 1'inven-15 tion. Dans le frein à disque classique représenté figure 1, la garniture L est fixée sur la plaquette de frein 10, et sur le frein à tambour classique de la figure 2, la garniture L est fixée sur les mâchoires ou segments lia et 11b. 20 Dans le cas du frein à disque de la figure 1, les plaquettes 10 sont appliquées sélectivement contre le disque de frein 15 perpendiculairement à la direction de sa rotation indiquée par la flèche (lorsque le véhicule se déplace vers l'avant). Dans le cas du frein à tambour de la figure 2, le sens de rotation du tambour 25 14 est indiqué par la flèche, la mâchoire lia étant la mâchoire d'attaque et la mâchoire 11b la mâchoire suiveuse. Comme on l'a vu précédemment, l'invention concerne l'utilisation d'une ma-- tiêre imprégnée de fibres de verre dans laquelle un nombre important d'extrémités de fibres se présentent sur la surface de 30 freinage pour offrir un coefficient de frottement acceptable et augmenter la résistance à l'effet de baisse temporaire d'efficacité des freins ou "fading". La matière préférée est une matière dont les fibres sont orientées dans une direction générale recoupant la surface de freinage pour que les extrémités des fibres 35 viennent en" contact avec cette surface. Une telle matière est représentée* figures 3 et 4 ; dans cette matière des fibres courtes parallèles sont enrobées dans un liant rigide"pour constituer la -garniture de frein à tambour de la figure 3, La direction des fibres fait un angle approximatif de 45° avec un plan 70 17706 4 2042661 perpendiculaire au plan tangent au point de contact de la fibre avec la surface de freinage (figure 3). Un effet de freinage plus efficace est obtenu si la direction des fibres est comprise entre ■ un plan perpendiculaire à ce dit plan tangent et ce dernier. 5 Lorsque l'angle des fibres s'approche du plan tangent (le plan T de la figure 3), la surface de contact entre les fibres et le tambour est plus grande, et de ce fait, l'effet d'abrasion et d'enlèvement de matière nécessaire à un freinage correct n'est plus obtenu. Si la direction des fibres dépasse la perpendiculaire 10 audit plan tangent (dans le sens de la direction du mouvement relatif) l'efficacité du freinage est réduite car l'extrémité des fibres n'entame plus la surface de freinage. On voit donc que cet effet de freinage optimal de la matière décrite ci-dessus n'est possible que si le tambour 14 se déplace par rapport à la garni-15 ture L dans sa direction normale de rotation indiquée par la flèche. Ce fait ne présente pas d'inconvénient dans les applications à l'automobile car le freinage en marche arrière qui s'effectue â des vitesses relativement faibles ne requiert pas l'efficacité et la résistance, au "fading" exigées par le freinage en 20 marche avant. En outre, un effet de freinage unidirectionnel peut être désirable dans certaines applications lorsque le mouvement doit être freiné dans une direction mais non dans l'autre. Dans le cas du type de frein à disque de la figure 1, la direction principale des fibres doit être comprise entre un plan 25 perpendiculaire au.plan de rotation du disque 13 et un plan parallèle au plan du disque, que les fibres soient dirigées dans le sens du mouvement de rotation ou en sens inverse. De ce fait, les fibres doivent être dirigées vers le côté du plan perpendiculaire à la surface de freinage qui correspond à l'inverse de la 30 direction du mouvement de la surface de freinage opposée. Les figures 5 à 7 représentent la matière de l'invention destinée à constituer des garnitures de frein, et illustrent le procédé de fabrication de cette matière. Dans, chaque cas, les matières comprennent des fibres de.verre qui par leur structure ou 35 leur disposition présentent un grand nombre, de leurs extrémités à la surface de freinage comme on l'a vu précédeiraiient. Chacune de ces figures représente un patin de frein destiné aux plaquettes du frein à disques de la figure 1, mais il est évident que cette matière peut être découpée pour constituer une garniture de 70 17706 5 2.042661 mâchoire du frein à tambour de la figure -2, ou un autre élément d'un système de freinage ou d'embrayage à friction. La figure 5A représente schématiquement un"bloc de matière destiné à constituer des garnitures dé frein o.u autres dans la-5 quelle des longueurs de fibres de verre, ou des fibres de verre enchevêtrées comportant des boucles, des spirales et des fibres non parallèles sont fixées dans un liant rigide, l'axe principal de ces fibres étant dirigé dans le sens de la ||èche F: La surface 153 est utilisée comme surface de freinage/est sensiblement 10 perpendiculaire à la direction F des fibres. De plus, la surface supérieure 16a peut constituer également une surface de freinage en raison du nombre des extrémités des fibres rompues et des boucles de fibres qui y débouchent. Dans le cas de la surface 16a, l'angle d'intersection des extrémités des fibres sera d'un 15 côté ou de l'autre du plan perpendiculaire à la surface de freinage, et ce freinage sera "bi-directionnel". Cette propriété peut être utilisée avantageusement pour des applications dans lesquelles un freinage unidirectionnel n'est pas souhaitable. Comme on l'a vu précédemment, un freinage initial provoque une légère 20 érosion dé la surface de freinage qui use rapidement les boucles pour exposer deux extrémités séparées de la boucle de fibre à la surface de freinage. Cette érosion initiale peut être effectuée pendant la fabrication des'garnitures pour que ces surfaces soient immédiatement utilisables lors de la pose des garnitures. 25 La figure 5B représente une autre structure de la matière de 1'invention dans laquelle les fibres de verre sont en tire-bouchon ou en spirales, l'axe principal des spirales étant dans le sens de la flèche F. Comme dans le cas de la figure 5A,la surface 15b peut être utilisée comme surface de freinage, de même que la sur-30 face 16b qui est tangente à de nombreuses boucles de fibres qui s'érodent rapidement pour présenter des extrémités de fibre à la surface de freinage. Les figures 6A et 6B illustrent schématiquement un procédé de fabrication d'une matière de 1'invention pour garnitures de frein. 35 Dans cette matière, pratiquement toutes les fibres s'étendent dans une direction unique schématisée par l'axe des fibres F (figure 6A). La garniture de frein est fabriquée.par découpage successif de tranches de ce bloc, dans un plan transversal par rapport à' la direction F ou dans le sens de la flèche Sa /U 1/706 6 2042661 de la figure 6A. Ces tranches découpées sont fixées à un support commun 17 pour constituer une surface de freinage 18 (figure 6B). Le procédé de fabrication illustré par les figures 6A et 6B permet de fabriquer des matières de caractéristiques diverses. Par exem- 5 pie» dans■le cas du frein à tambour de la- figure 2, tandis que la « mâchoire d'attaque de frein 11^ est "auto-serrante"fcar son bord d'attaque tend à "s'engager" de lui-même contre le tambour en exerçant une pression supérieure /celle de son bord de fuite, dans ce cas, l'angle d'intersection des fibres de la garniture avec la 10 surface de frottement peut être modifié graduellement sur la longueur de la mâchoire pour compenser cette différence de pression. Par exemple, il peut être désirable d'augmenter l'angle des fibres des parties de la garniture voisines du bord de fuite pour compenser une telle différence de pression. De même, la direction des 15 tranches séparées de la garniture par rapport à l'axe F des fibres peut varier pour des applications particulières. De plus, des sections de garnitures alternées ayant des caractéristiques différentes déterminées par les directions des fibres ou par les propriétés du liant,peuvent être.utilisées pour augmenter au maxi-20 mum possible l'effet d'abrasion, les coefficients de frottement, ou l'efficacité du refroidissement de la garniture composite. Les figures 7A et 7B illustrent un autre procédé de fabrication de la matière pour garnitures de frein de l'invention, semblable au procédé illustré par les figures 6A et 6B en ce qu'une bande 25 de fibres / verre disposée selon l'axe des fibres F est d'abord préparée puis découpée, retournée et montée sur un support commun 17. Dans ce cas, toutefois, la bande est préparée à partir d'un mat ou revêtement de fibres projeté sur une courroie mobile pour que les fibres ne soient pas absolument parallèles l'une à 30 l'autre comme dans le cas de la figure 6, leur direction générale étant indiquée par la flèche F. Dans cet exemple, la rigidité du bloc est augmentée car chacune des fibres s'étend dans au moins une direction latérale écartée de la direction F, ce qui augmente l'effet de renforcement du bloc par les fib*es. 35 En plus de l'amélioration des caractéristiques de résistance à l'usure et du coefficient de frottement notées précédemment, la matière de garniture de l'invention possède également une excellente conductibilité thermique dans la, direction opposée à celle de la surface de freinage »si bien que la chaleur de cette surface 70 17706 7 2042661 est dissipée par la garniture et ses "éléments associés, telle la mâchoire de frein lia de la figure 4. On voit sur cette' figure que chaque fibre s'étendant depuis la surface de friction à travers l'épaisseur de la garniture et dont lrautre extrémité est 5 voisine de la mâchoire constitue un conducteur thermique relié » directement à la mâchoire, au contraire des matières classiques dans lesquelles les fibres orientées au hasard ne transmettent pas la chaleur dégagée à la mâchoire, la chaleur devant traverser le liant ou la charge dont les propriétés thermo-conductrices 10 sont inférieures à celles des fibres de verre. La conductibilité thermique est également bonne lorsque la matière est préparée à partir de longueurs de fibres de verre non serrées enroulées en spirales car l'extension de chaqué fil ou de chaque toron met ce der.nier en contact direct avec les fils ou torons des couches 15 adjacentes, ce qui améliore la conductibilité thermique, à l'opposé de matières à base de fibres complètement parallèles qui provoquent un effet de laminage ou de superposition, si bien que des points chauds peuvent se localiser sans être en communication thermique directe avec les autres parties de la garniture ou.de 20 ses éléments associés. L'enrobage des fibres de verre par certains revêtements augmente leurs caractéristiques de conductibilité thermique,ce qui améliore les performances à chaud des éléments de freinage. Par exemple, si les fibres de verre sont à base de borosilicate à bas point de fusion, un enrobage par un modificateur 25 du coefficient de friction, tel 11aluminium, le zinc, les sels de tungstène, le titane, etc. améliore les caractéristiques du freinage aux hautes températures de même que la caractéristique de résistance à l'usure. L'application de hautes températures provoque une réaction endothermique entre la fibre de verre et le revêtement, 30 ce qui transforme le revêtement en verre à l'alumine ou autre qui est plus dur que le verre original. La caractéristique de résistance à l'usure est améliorée et la réaction endothermique absorbe une certaine quantité de chaleur en empêchant le "fading" du frein lors d'une période de freinage énergique prolongée. Les cristaux 35 très durs qui se forment, tels les cristaux d'alumine,se compor-• tent comme des coins placés entre la garniture et. la surface du tambour, ce qui augmente l'efficacité du freinage au fur et à mesure que des particules minuscules d'alumine sont détachées des fibres lors d'une décélération puissante. 70 17706 8 2042661 Les liants utilisés pour la fabrication des garnitures de l'invention doivent avoir un point de fusion élevé, être des matières rigides résistant aux contraintes physiques et aux hautes températures auxquelles elles sont soumises pendant les freinages 5 énergiques. Des liants à haut point de fusion, inorganiques,ou des résines à chaîne croisée conviennent à cette fabrication. Etant donné que le verre lui-même a un point de fusion suffisamment bas pour qu'il se produise un. certain effet de soudage indispensable à un freinage correct, le liant lui-même ne doit pas provoquer ce 10 phénomène, ses particules doivent résister à l'érosion sans provoquer l'émission de poussière. Les fibres de verre décrites ci-dessus étant des compositions de verre relativement dures par rapport à l'acier du tambour de frein, permettent d'éviter les usures inégales des éléments tant que la densité des fibres reste unifor-15 me dans la masse de la matière. Le verre, en raison de ses caractéristiques de dureté et de résistance ,se prête particulièrement bien à ces fonctions et,en raison de la plage étendue de dureté et de points de fusion des compositions de verre pouvant être transformées en fibres que l'on trouve dans le commerpe, une .gamme 20 étendue de matières présentant des caractéristiques de résistance au "fading" et des coefficients de frottement choisis peut être obtenue grâce aux diverses densités de fibre et de leurs différents alignements relatifs possibles que l'invention permet de réaliser. 25 II va de soi que l'invention a été décrite ci-dessus à titre d'exemple préférentiel explicatif mais nullement limitatif et que l'on pourra introduire toute variante dans ses éléments constitutifs sans sortir de son cadre défini par les revendications annexées. 70 17706 9 20.42661 REVENDICATIONS 1. Matière pour garniture de frein à friction composée d'un corps dont une surface constituant une surface de friction est d'une forme complémentaire de celle de la surface de l'élément 5 contre lequel la garniture de frein est appliquée pour freiner ledit élément, cette matière étant caractérisée en ce que le corps * " • ■ v. * * ■ est constitué par de nombreuses fibres de verre réunies par un liant, les fibres étant disposées dans une direction générale faisant un angle avec ladite surface de friction. 10 2. Matière pour garniture de frein composée d'un corps dont une surface constituant une surface de friction est d'une forme complémentaire de celie de la surface de l'élément contre lequel la garniture de frein est appliquée pour freiner ledit" élément, cette matière étant caractérisée en ce que le corps est composé 15 de nombreuses fibres de verre réunies par un liant, et que les fibres de verre sont disposées par rapport à ladite surface de freinage pour qu'un grand nombre d'extrémités de fibres affleurent ladite surface de freinage. 3. Matière pour garniture de frein à friction composée d'un 20 corps dont une surface constituant une surface de friction est d'une forme complémentaire de celle de la surface dé l'élément contre, lequel la garniture de frein est appliquée pour freiner ledit élément, cette matière étant caractérisée en ce que le corps est composé de nombreuses fibres de verre réunies par un liant, tin 25 grand nombre d'extrémités desdites fibres de verre étant exposé sur ladite surface de freinage. 4, Matière selon la revendication 3, caractérisée en ce que les fibres de verre sont orientées dans une direction faisant un angle avec ladite surface de freinage. 30 5. Matière selon la revendication 3, caractérisée en ce que les fibres de verre sont des brins dont une extrémité cassée affleure ladite surface de freinage. 6. Matière pour garniture de frein à friction composée d'un corps dont une surface constituant une surface de friction est de , . 35 d'une forme complémentaire / celle de la surface de l'élement contre lequel la garniture de frein est appliquée pour freiner ledit élément, cette matière étant caractérisée en ce que le corps est constitué par de nombreuses spires de fibre de verre réunies par un liant rigide, lesdites fibres de verre ayant leurs 70 17706 1U 20426-61 extrémités ou leurs spires émergeant à la surface -de freinage en faisant un angle avec cette dernière. 7. Frein à friction comportant un organe de freinage mobile et , pouvant être appliqué: en contact frottant contre un.élément mo- 5 ..bile par rapport audit organe de freinage, caractérisé en ce que ledit organe de freinage est muni d'une garniture ..comprenant de nombreuses fibres de verre orientées .dans une ,direction qui coupe la surface du frottement entre ledit organe et l'élément mobile. 8. Frein à friction comportant une mâchoire de.freinage de 10 surface courbe pouvant s 1engager contre un tambour de frein mobile par rapport à ladite mâchoire, caractérisé en.ce que de nombreuses extrémités de fibres de verre émergent à la surface de freinage de ladite garniture. 9. Frein à friction selon la revendication 8, caractérisé en 15 ce que les fibres de verre sont orientées dans une direction qui coupe la s.ur-face de freinage courbe de la garniture. 10. Frein à friction selon la revendication 9, caractérisé en ce que la direction des fibres coupe ladite surface de freinage sous un angle voisin de la perpendiculaire au plan tangent au point 20 d'intersection. 11. Frein à friction selon la revendication 9, caractérisé en ce que la direction des fibres coupe la surface de freànage selon un angle compris entre la perpendiculaire au plan tangent au point de contact et un plan parallèle audit plan tangent, mesuré dans le 25 sens de la rotation du tambour tournant à partir de ladite direction perpendiculaire. 12. Frein à friction comprenant un organe mobile de friction pouvant venir en contact avec un disque animé d'un mouvement relatif par rapport audit organe de friction, caractérisé en ce que 30 l'organe de friction comporte un patin de frottement comprenant de nombreuses fibres de verre, un grand nombre d'extrémités desdites fibres émergeant à la surface dudit patin de frein. 13. Matière pour garniture de frein, caractérisée en ce qu'elle comprend des fibres de verre reliées ensemble par un liant rigide 35 et disposées dans une direction coupant une des surfaces de ladite matière pour que,lorsque ladite surface est une surface de freinage, de nombreuses extrémités de fibres émergent à ladite surface de freinage. 70 17706 ii 2042661 14. Matière pour garniture de frein, caractérisée eii ce qu'elle se compose de fibres de verre reliées par un liant rigide, les extrémités ou les spires desdites fibres coupant une surface de ladite matière pour que,lorsque ladite surface est une surface 5 de freinage, de nombreuses extrémités de fibres ou de spires de fibres émergent à ladite surface de freinage. 15. Procédé de fabrication de garniture de frein comportant de nombreuses fibres de verre orientées selon une direction faisant un angle avec la surfacë de freinage de ladite garniture, ce 10 procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à préparer une bande de matière comprenant des fibres de verre reliées par un liant rigide et dirigées généralement selon 1'axe principal de ladite longueur de matière, à découper ladite bande en blocs dont les surfaces font un angle avec ledit axe principal, à aligner lesdits 15 blocs, leurs faces sectionnées étant toutes dans une direction commune, et à solidariser lesdits blocs alignés pour que lesdites surfaces de découpe constituent des surfaces de freinage, de nombreuses extrémités de fibres de verre émergeant desdites surfaces de freinage.