Brevet FR2427513A1 — publié le 19791228

L'invention concerne les systèmes de freins a disque de secours dans lesquels les patins de freins sont serrés par ressort et écartés par des moyens pneumatiques ou hydrauliques. Plus particulièrement, l'invention concerne un appareil pour assurer une force de freinage constante sur le patin d'un frein a disque au moyen d'une articulation comportant un organe de contact a portée a bille entre un levier d'actionnement et le patin de frein. Les freins a disque n'ont généralement pas été très utilisés comme freins de secours ou freins de stationnement en raison de la difficulté d'exercer une force suffisante sur le patin de frein quand le véhicule qui en est équipé est a l'arrêt. Les véhicules de série ayant des freins a disque sur toutes les roues sont habituellement équipés d'un système de frein du type a tambour comme frein de secours ou de stationnement, avec des patins internes a expansion ou des bandes de freinage externes. Les progrès technologiques qui ont été apportés aux systèmes de freins a disque répandus commercialement permettent d'utiliser le système primaire comme système de secours, mais, cependant, aucun des systèmes connus de la demanderesse ne comporte l'articulation a portée a bille décrite ci-après. I1 apparat qu'il y a une lacune dans les dispositifs a machoires actionnées mécaniquement commercialisés actuellement, par rapport aux caractéristiques performantes des équipements industriels. Cette lacune est comblée par la présente invention. Le système de freins a disque est un ensemble flottant en forme de machoire, conçu pour servir de frein de secours et de stationnement, sur des machines non routières de construction relativement lourde et véhicules analogues. Typiquement, un seul ensemble pourra être monté sur l'arbre d 'entraînement du véhicule ou sur un autre élément en liaison avec le sol. L'ensemble comprend un disque de frein rotatif monté sur l'arbre d'entraînement et un boitier en forme de machoire flottante qui comporte des moyens pour former un axe de pivotement d'un levier d'actionnement ainsi qu'une console de support pour y fixer un vérin a air et le ressort sollicitant le frein. Un vérin a air maintient un ressort d'actionnement du frein a l'état comprimé tant que la pression n'est pas réduite. La chute de pression laisse le ressort d'actionnement du frein se détendre, ce qui fait basculer le bras long du levier d'actionnement autour de l'axe de pivotement porté par le boitier. Le bras court du levier d'actionnement qui porte une bille de transmission de force est appuyé contre le piston garni du patin de frein. Le patin est appliqué contre le disque pour empêcher sa rotation. Quand le piston est déplacé vers le disque-, la bille se déplace sur la surface extérieure du piston vers l'axe de pivotement du levier. En raison de ce déplacement, le bras de levier effectif du bras court diminue proportionnellement au déplace ment angulaire du levier, ce qui accroît la force exercée sur le piston. Simultanément, comme le ressort agissant sur le bras long du levier bascule celui-ci autour de l'axe de pivotement, sa force décroît du fait que sa longueur augmente. Le principe de cette invention est que la force de serrage reste constante sur l'ensemble du déplacement du piston. La diminution de la force du ressort agissant sur le bras long du levier est compensée par l'accroissement du rapport du levier lorsque le point de contact de la bille sur le piston réduit la longueur du bras de levier effectif du bras court du levier. La présente invention a pour objet un frein a disque a machoire glissante qui peut servir de frein de stationnement ou de secours. L'invention a également pour objet un mécanisme d'actionnement de frein a disque qui permette d'exercer une force de serrage du disque relativement constante indépendamment de l'usure des patins de freins. Dans ce cadre, l'invention a aussi pour objet des moyens pour exercer une force de serrage constante sur toute la course du ressort de serrage en vue de réduire la variation du couple de freinage. Un des avantages de l'invention est que la compensation de l'usure de la garniture peut etre effectuée par une vis de réglage, ce qui commande ainsi la course du mécanisme d'actionnement. Une variante de réalisation, comportant une plaquette de butée, a pour objet d'éliminer les contraintes de contact dans l'articulation d'actionnement, ce qui améliore l'efficacité du mécanisme. La description qui va suivre en regard des dessins an nexés, donnée a titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut etre réalisée, les particula rités qui ressortent tant du dessin que du texte faisant bien entendu partie de ladite invention. La figure 1 est une vue en élévation de côté avec des parties arrachées et des parties en coupe; la figure 2 est une vue en élévation de face avec des parties arrachées et des parties en coupe; la figure 3 est une vue en coupe d'un détail d'une variante; et, la figure 4 est un graphique représentant les vecteurs force de la transmission du frein a disques. L'environnement et deux formes de réalisation spécifiques de l'invention sont représentés sur les dessins. Les figures 1 et 2 représentent une forme de réalisation préférée dans laquelle l'ensemble du frein a disque est indiqué en 10. En se référant d'abord a la figure 2, l'ensemble du frein tel que représenté est monté sur un bâti 12 (non représenté sur la figure 1) qui supporte le frein, et qui est solidaire du véhicule. Ce bâti peut être un carter d'essieu par exemple. Des plaques de calage 14, fixées au bâti support 12, par exemple par des boulons 16, délimitent un calage 20 pour positionner l'ensemble de freinage 10 a un emplacement oo il chevauche un disque de frein 22 ou rotor qui est solidaire d'un organe en liaison avec le sol, par exemple un arbre d'entraînement 24. Un boitier en forme de macho ire 26 est prévu pour recevoir une paire de patins de freins, un de chaque côté du disque 22, comme représenté sur la figure 1. La partie inférieure du boitier 26 comporte une partie 48 caté levier et une partie 54 côté vis de réglage, écartées l'une de l'autre. La partie 48 côté levier comporte un support d'axe de pivot ou des consoles en saillie 60 et 62 et un alésage 32 dans lequel est logé un piston 30, tandis que la partie coté vis de réglage comporte un alésage fileté 52. Le piston 30 peut se déplacer librement dans l'alésage 32 et peut a son tour solliciter contre le disque 22 le patin 34 du côté levier, constitué d'un matériau de friction 36 lié a une plaque de base 40. La face opposée du disque 22 est en contact pendant que le frein est mis en oeuvre avec le patin de frein 42 du côté vis de réglage, constituée également d'une plaque de base 44 a laquelle est lié un matériau de revêtement 46. Une vis de réglage 50 est vissée dans l'alésage fileté 52 de la partie 54 du boitier 26. La vis de réglage filetée est munie d'un contre-écrou 56 de blocage pour fixer sa position. Les consoles 60 et 62 forment un seul corps avec le boitier 26, qui comporte une pièce de liaison 28. Les consoles comportent des trous alignés 64 et 66 dans lesquels est passée une cheville 70. Cette cheville sert d'axe de pivotement, autour duquel peut basculer un levier d'actionnement 72. Le levier 72 comporte un bras de levier long 74 avec une ouverture 76 a son extrêmité et un bras court 80 s'étendant a partir de la cheville 70 en direction opposée au bras long.Le bras long 74 est connecté par une articulation 82 a un dispositif d'actionnement 84 du frein a ressort, dispositif qui est monté sur deux bras s'étendant vers le haut sur la partie supérieure du boitier 26, au moyen de boulons 86, de façon que la tige de poussée 90 et son étrier 92 soient alignés pour y passer une goupille 94 formant l'articulation du bras de levier long 74 au dispositif d'actionnement 84. Le dispositif d'actionnement est un bloc classique qui reçoit de l'air sous pression pour comprimer le ressort interne, empêchant ainsi le serrage du frein. La baisse de la pression de l'air libère le ressort, ce qui provoque le déplacement vers l'extérieur de la tige 90 et a pour effet le serrage du frein. Une caractéristique essentielle de la présente invention concerne le fonctionnement du bras de levier court 80 qui est en contact avec le piston 30 pour faire fonctionner le frein a disque. Comme on peut le voir sur la figure- 1, le bras de levier court 80 comporte une cavité 90 pour loaer une bille d'acier ou un organe de contact sphérique 100. Le diamètre de la cavité est très sensiblement équivalent au diamètre de la bille d'acier et la profondeur est inférieure au diamètre de la bille de façon que celle-ci fasse saillie l'extérieur de la cavité, comme représenté sur la figure. Le point de contact A de cette bille d'acier sur la face adjacente du piston est un point caractéristique quand le frein n'est pas serré.Le point B sur la ligne 102 en pointillé, qui représente la position de la surface du piston 30 déplacé est le point de contact entre la bille d'acier et le piston quand le frein a disque est serré. Ces positions sont extrêmes. La position du bras long 74, représentée en pointillé, peut être considérée comme correspondant a une paire de patins de freins bien usés, ayant besoin de compensation. Le bras long 74 revient toujours a la position I, représentée en trait plein, correspondant au frein non serré. Cependant, la bille d'acier 100 peut ne pas être en contact avec le piston 30 au point A. Ceci dépend de l'état d'usure des patins 36 et 46. Le contact entre la bille d'acier et le piston n'est pas nécessaire quand le frein n'est pas serré. La figure 3 représente une variante de réalisation de l'ensemble mécanique d'articulation du piston a l'extrêmité du bras court du levier 72. L'alésage du piston 32 dans cette forme de réalisation abrite un piston 104. Entre ce piston et la bille d'acier 100 est prévue une plaquette de butée 106. La plaquette de butée 106 peut avoir une surface lisse 110 qui glisse sur la surface lisse 112 du piston 104 tandis que la face 114 au contact de la bille comporte un logement concave 116 pour y recevoir la bille d'acier. Le dispositif fonctionne de la façon suivante. L'avantage de la commande de transmission constituée par la bille d'acier et le piston apparaît dans la courbe de la force de serrage au cours du serrage du frein. En position dégagée, quand le frein n'est pas serré, l'air comprimé dans le dispositif d'actionnement 84 retient le ressort a l'état complètement comprimé, et le bras de levier 74 est a ia position représentée en trait plein sur la figure 1. Quand la pression descend dans le cylindre, le ressort sollicite la tige de poussée 90 pour déplacer le levier 74 vers la position II en pointillé sur la figure 1. (La position II en pointillé est une position extrême représentant une usure importante du matériau de friction des patins de freins. I1 serait opportun d'agir sur la vis de réglage 50. En fonctionnement normal, le déplacement angulaire du bras de levier long 74 serait sensiblement inférieur au déplacement représenté par la position II). Du fait de la grande longueur du bras 74 par rapport au bras court 80, la force exercée sur la bille d'acier 100 et par celle-ci sur le piston 30,est un multiple de la force exercée sur l'articulation de ltétrier 94. La force de serrage contre le disque est équilibrée par le patin de freins 42 du côté opposé, maintenu en position par la vis de réglage 50. La clé de l'efficacité de la présente invention est que la bille d'acier 100 est placée sur le bras de levier court 80 par rapport a l'axe du pivot du levier 70, de façon que lorsque le bras long 74 se déplace de la position I en trait plein vers la position II en pointillé, le déplacement du point de contact de la bille d'acier contre le piston modifie le rapport de levier. Autrement dit, lorsque le bras long se déplace vers la position II, la longueur efficace du bras court diminue et le rapport de multiplication entre le bras long et le bras court croît en fonction du déplacement du bras long.Ceci est possible parce que le point de contact de la bille d'acier sur le piston n'est pas fixe et change pendant toute la course de la tige de piston 90, la longueur effective du bras de levier court décroissant constamment quand le bras de levier long pivote autour de l'axe 70. I1 en résulte une force de serrage uniforme sur toute la course du frein, définie par le déplacement angulaire du bras de levier long autour de l'axe 70, en raison de la contrainte imposée par la force du ressort dans le dispositif d'actionnement. Le rapport de levier croissant quand la bille d'acier se déplace transversalement vers l'axe de pivotement constitué par la cheville 70 se superpose a la force décroissante du ressort quand celui-ci se détend d'un état comprimé a un état moins comprimé. I1 en résulte une force de serrage constante. Essentiellement, quand la force du ressort décroît, l'effet de la force restante est multiplié par le rapport de levier croissant lorsque la bille d'acier se rapproche de l'axe du pivot. Le graphique de la figure 4 représente le rapport géométrique prévu, expliqué ci-dessus. Comme un des objets de la présente invention est d'avoir une force de freinage constante sur toute la course du bras de levier long, il est souhaitable que F1 soit approximativement égal a F2 ( F1 - F2 ), qui sont les forces exercées par la machoire respectivement la première position A et a la seconde position B. Le rapport entre la position I et la position II peut être représenté par la relation suivante, en se référant la figure 4. Données : Sfl > Sf2 ; R1 > R2 ; r1 > r2 Sfl X R1 = M1 = F1 X r Sf2 x R2 = M2 = F2 xr2 Me et M2 représentent les moments 1 et 2 quand Les relations ci-dessus donnent le rapport idéal qui ne serait qu'approché dans une réalisation pratique. L'invention permettrait d'approcher étroitement ces rapports, mais cependant, une équivalence absolue n'est pas nécessaire dans le freinage en pratique. Par exemple au point B de la figure 4, la composante de force initiale est exclue ainsi que les pertes fonctionnelles entre la bille d'acier et le piston dans le sens de cette composante. Deux aspects fonctionnels de ce frein a disque a macho ire flottante méritent un commentaire. D'abord, on voit que le frein a disque entier est une machoire flottante, l'ensemble pouvant glisser latéralement dans le chemin de calage 20, ce qui est nécessaire pendant le serrage du frein. Lorsque le frein est desserré, les patins peuvent être en contact avec le disque, mais il n'y a aucune force defreinage ou de serrage entre eux et le disque est libre de tourner. Le bras de levier long 74 retournera toujours a la position I tandis que la bille d'acier 100 peut ou non être en contact avec le piston 30 au point A selon l'état d'usure des patins 36 et 46 et le voilement du disque de frein 22. Le contact entre la bille d'acier et le piston n'est pas nécessaire quand le frein n'est pas serré (position I). Un léger voilement du rotor peut repousser les patins à un écart d'une fraction de millimètre. La vis de réglage 44 sera vissée vers le patin adjacent (c'est-à-dire sa plaque de base) de façon a placer le patin correspondant assez près du disque pour assurer un fonctionnement efficace du frein. I1 ressort de la description ci-dessus que le frein a disque a macho ire flottante utilisable comme frein de secours atteint pleinement ses objectifs et présente les avantages tels qu'exposés ci-dessus. I1 va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qu'il serait possible de les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1) Frein a disque à machoire flottante comprenant - un boitier en forme de machoire; - un dispositif d'actionnement du frein fonctionnant par ressort, fixé a la partie supérieure du boitier; - deux patins de freins opposés montés dans la partie inferieure du boîtier; - un piston disposé dans un alésage formé dans la partie infé rieure du boîtier, l'axe du piston et de l'alésage étant ali gnés sur la partie arrière d'un des deux patins; - un axe de pivotement monté dans le boitier entre l'axe du piston dans la partie inférieure du boîtier, et la partie supérieure du boîtier;; - un levier d'actionnement ayant un alésage transversal monté de façon a pouvoir basculer sur l'axe de pivotement, ce levier comprenant un bras de levier long s 'étendant à partir de l'axe vers le mécanisme d'actionnement à ressort et un bras de levier court s'étendant de cet axe au-dela de l'axe du piston vers la partie inférieure du boitier; et - un organe de contact sphérique porté par le bras de levier court pour venir en contact avec le piston. 2) Frein selon la revendication 1, caractérisé en ce que le boitier comporte en outre - une partie inférieure comprenant une partie côté levier et une partie côté vis de serrage, écartées l'une de l'autre, la partie côté levier comportant un support pour l'axe de pi votement, et l'alésage pour recevoir le piston, la partie cô té vis de serrage comportant un alésage fileté; et - une partie supérieure formant un seul corps avec la partie inférieure, la partie supérieure comportant deux bras s'é tendant vers le haut, munis d'ouvertures à leurs extrêmités supérieures, la partie supérieure comportant une pièce de liaison assurant une connexion structurelle entre la partie côté levier et la partie côté vis de serrage. 3) Frein selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie côté vis de serrage du boitier contient une vis de serrage qui est vissée dans l'alésage fileté. 4) Frein selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'actionnement a ressort comprend en outre un dispositif d'actionnement commandé par air comprimé, dans lequel l'air sous pression envoyé dans le dispositif comprime le ressort et maintient ce ressort en position comprimée jusqu'à ce que la pression d'air diminue. 5) Frein selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de contact sphérique est une bille métallique qui peut rouler le long de la surface du piston lorsque le bras de levier court se déplace vers le piston, ce qui rapproche le point de contact de la bille et du piston de l'axe de pivotement horizontal. 6) Frein a disque a macho ire flottante comprenant - un boitier en forme de machoire; - un dispositif d'actionnement du frein fonctionnant par res sort, fixé a la partie supérieure du boîtier; - deux patins de freins opposés montés dans la partie inférieure du boîtier; - un piston disposé dans un alésage formé dans la partie infé rieure du boîtier, l'axe du piston et de l'alésage étant ali gnés sur la partie arrière d'undes deux patins; - un axe de pivotement monté dans le boitier entre l'axe du piston dans la partie inférieure du boîtier, et la partie supérieure du boîtier;; - un levier d'actionnement ayant un alésage transversal monté de façon a pouvoir basculer sur l'axe de pivotement, ce levier comprenant un bras de levier long s'étendant à partir de l'axe vers le mécanisme d'actionnement a ressort et un bras de levier court s'étendant de cet axe au-delà de l'axe du piston vers la partie inférieure du boîtier; - un organe de contact sphérique porté par le bras de levier court pour venir en contact avec le piston; et, - une plaquette de butée ayant sur une face une cavité pour recevoir organe de contact sphérique et une face opposée lisse pour être en contact avec le piston de façon à pouvoir glisser contre celui-ci. 7) Frein selon la revendication 6, caractérisé en ce que la plaquette de butée est un disque circulaire ayant un diamètre supérieur a celui de l'organe de contact et inférieur au diamètre du piston. 8) Frein selon la revendication 6, caractérisé en ce que la plaquette de butée est montée de façon à pouvoir glisser le long de la surface du piston quand le bras de levier court est déplacé vers le piston, de façon que la surface de contact de la plaquette de butée se déplace en travers de la surface arriè- re du piston en se rapprochant de l'axe horizontal du piston. 9) Frein a disque à machoire flottante comprenant - un boitier en forme de machoire comportant . une partie inférieure ayant une partie côté levier et une partie côté vis de serrage écartées l'une de l'autre, la partie côté levier comportant un support d'axe de pivotement et un alésage pour recevoir un piston, la partie côté vis de serrage comportant un alésage fileté; . une partie supérieure formée en un seul corps avec la partie inférieure, la partie supérieure comportant deux bras sté- tendant vers le haut, munis d'ouvertures à leurs extrêmités supérieures, et un organe de liaison assurant une connexion structurelle entre la partie côté levier et la partie côté vis de serrage;; - un mécanisme d'actionnement commandé par ressort fixé à la partie supérieure du boîtier, comportant un mécanisme d'ac tionnement commandé par air comprimé pour comprimer le res sort quand de l'air sous pression est introduit dans le méca nisme d'actionnement et libérer le ressort quand la pression d'air diminue dans le mécanisme; - deux patins de freins opposés, montés sur les parties infé rieures du boîtier; - un piston logé dans l'alésage de la partie inférieure et ali gné sur la face arrière d'un des deux patins de freins; - une vis de réglage vissée dans l'alésage fileté et alignée avec la face arrière du second des deux patins de freins; - un axe de pivotement porté par le boitier entre l'axe du pis ton et la partie supérieure du boitier; ; - un levier d'actionnement ayant un alésage transversal monté sur l'axe de pivotement et comprenant un bras de levier long s'étendant à partir de l'axe de pivotement vers le disposi tif d'actionnement commandé par ressort et un bras de levier court s'étendant à partir de l'axe au-delà de l'axe du pis ton; et, - un organe de contact sphérique porté par le bras de levier court pour exercer une force sur le piston quand le bras de le vier court est sollicité vers le piston. 10) Frein selon la revendication 9, caractérisé en ce que le bras de levier court comporte une cavité pour recevoir l'organe de contact sphérique, cette cavité ayant un diamètre compatible avec le diamètre de l'organe de contact sphérique et une profondeur inférieure à ce diamètre. I1) Frein selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'une plaquette de butée est disposée entre l'organe de contact sphérique et le piston pour transmettre la force de l'orga- ne de contact sphérique au piston.