Brevet FR2523242A1 — publié le 19830916

Frein à disque à performances élevées. L'objet de la présente invention est un frein à disque à performances élevées. On sait qu'un frein à disque comprend une partie tournante constituée par un disque de freinage monté sur l'arbre de freinage et une partie stationnaire constituée par une pince ou une mâchoire de freinage, ainsi que des moyens de commande associés à ladite partie stationnaire pour la mettre en contact glissant avec une surface dudit disque. Dans les freins à disque connus, le disque de freinage monté sur l'arbre de freinage est constitué généralement par deux couronnes sujettes à usure, et unies entre elles au moyen d'une série d'ailettes qui rendent le corps du disque monolithique et produisent une circulation forcée de l'air de refroidissement dans ce disque, lorsque pendant le freinage, l'énergie cinétique de la masse à freiner est totalement transformée en chaleur par suite du frottement produit par le glissement des surfaces des pastilles ou des garnitures de frottement fixées à la pince sur les surfaces du disque. Dans ces freins à disque connus, le disque de freinage est toujours métallique, particulièrement en acier ou en fonte, et possède par conséquent un coefficient élevé de conductivité thermique, tandis que les pastilles ou garnitures de frottement sont en un matériau à faible coef- ficient de conductivité thermique. La chaleur en laquelle se transforme l'énergie cinétique pendant le freinage est ainsi emmagasinée et dissipée ensuite presque entièrement par le disque de freinage qui la cède à l'air ambiant, par suite de la différence de température entre le disque et l'air qui s'établit à la fin de chaque freinage, tandis que les garnitures de frottement fixées sur la pince, ayant un coefficient de conductivité thermique bien inférieur à celui du métal dont le disque est constitué, ne contribuent pas d'une façon appréciable à la dissipation de la chaleur. Les disques de freinage de ce type connu ont une limite bien déterminée pour leurs performances, limite qui est déterminée par le niveau maximum de température que peut atteindre le disque, et au-delà duquel il se produit une contrainte thermique inacceptable de ce disque et une détérioration des caractéristiques des garnitures de frotte- ment, avec la possibilité de brûlures des granitures et comme conséquence des anomalies et/ou une diminution de la force de freinage. Un tel fait réduit ultérieurement les performances du disque si au début de chaque freinage successif le disque n'a pas encore dissipé totalement la chaleur accumulée dans chacun des freinages précédents Cela provoque une augmen- tation continue de la température du disque dans le cas de freinages répétés et par conséquent, fait atteindre plus rapidement le niveau maximum de température quand l'écart de température entre le disque et l'air ambiant est tel qu'il ne permet pas d'éliminer toute la chaleur emmagasinée, c'est-à-dire dans des conditions essentiellement d'équilibre thermique. En définitive, on peut affirmer qu'aussi bien dans le cas des freinages uniques (comme par exemple dans le cas des freins à disques pour aéroplanes), que dans ceux des freinages répétés qui peuvent se produire à des intervalles de temps très réduits (comme par exemple dans le cas des freins d'automobiles et des motocyclettes de compétition), ou à des intervalles de temps réduits (comme par exemple dans le cas des freins de véhicules de transport public urbain, comme le métropolitain, le tramway, l'autobus, trolleybus, etc), ou encore à des intervalles de temps moyens ou longs (comme par exemple dans le cas des freins pour véhicules ferroviaires et pour les automobiles en marche hors d'une agglomération), le complexe des dimen- sions d'un disque de freinage est toujours conditionné d'une part, par la nécessité d'obtenir les prestations sévères exigées et d'autre part, par la nécessité contraire de réduire les dimensions du disque de freins, étant donné que les espaces disponibles sont toujours plus réduits. Dans les freins à disque connus, on a donc des puissan- ces de freinage réduites ou bien, si l'on désire atteindre des valeurs supérieures pour la puissance de freinage, on obtient des températures élevées au détriment de la sécurité, de l'efficacité et de la durée des freins qui habituellement constituent l'organe vital pour la machine sur laquelle ils sont montés. Un autre inconvénient typique des freins à disque connus ayant un disque d'une seule pièce est, par exemple dans le cas de leur application à des véhicules ferroviaires ou analogues, de ne pouvoir remplacer le disque de freinage usé par un neuf qu'après avoir démonté les roues et le disque lui-même de l'essieu et de procéder ensuite au remontage du disque neuf et des roues. Le but de la présente invention est donc de réaliser un frein à disque qui supprime les limites et les inconvénients des freins à disque de type connu, en permettant de fournir des prestations, c'est-à-dire des puissances de freinage notablement supérieures par rapport à tout type de freins à disque connu, indépendamment de l'application à laquelle il est destiné qui peut être pour un type quelconque de véhicule ferroviaire, de tramway, routier, aéronautique ou naval ou même pour un type quelconque de machine industrielle à installation fixe ou mobile qui nécessiterait un frein. Pour réaliser l'objet selon la présente invention, il est proposé un frein à disque caractérisé en ce que la partie en rotation présente au moins une surface à faible coefficient de conductivité thermique et en ce que la partie stationnaire est constituée d'un matériau à coefficient de conductivité thermique élevé et est munie de moyens de dissipation de la chaleur. La partie tournante peut être constituée par un disque portant au moins sur une de ses faces une garniture de frottemer mais elle peut être réalisée également directement en un matériau à faible coefficient de conductivité thermique. La partie stationnaire peut être constituée par au moins une tête de freinage métallique. L'invention propose donc, pour ainsi dire, de faire une interversion entre les parties dans la conception du frein à disque en faisant effectuer l'emmagasinement et la dissipa- tion de la chaleur produite pendant le freinage, non pas par la partie tournante comme dans les freins à disque de type connu, mais par la partie stationnaire. Cette nouvelle conception du frein à disque selon l'invention permet d'augmenter notablement la puissance de freinage du frein et cela principalement grâce à sa caracté- ristique particulière d'avoir une très grande capacité et réserve thermiques, étant donné que la ou les têtes de freina- ge métalliques qui emmagasinent presque toute la chaleur de freinage, comme elles sont stationnaires, peuvent avoir une surface radiante munie d'ailettes d'une extension pratiquement illimitée et/ou de cavités ou de canalisations internes permettant la circulation forcée d'un fluide quel- conque de refroidissement. Cette caractéristique est permise non seulement par la grande capacité d'évacuation de la chaleur du frein à disque, mais également par le fait que la chaleur peut être éliminée de façon continue et surtout également au moment le plus critique, c'est-à-dire au terme du freinage, dans lequel pour les freins à disque de type connu la ventilation fait totalement défaut et o se manifestent justement des pointes de température les plus élevées qui sont responsables de la contrainte thermique du disque et de la brûlure des garnitures de frottement De cette façon, il est garanti des prestations excellentes de freinage à des vitesses plus éléves et pour des masses à freiner plus grandes et également avec un plus grand nombre de freinages dans l'unité de temps. Ces caractéristiques et d'autres encore du frein à disque selon l'invention et les nombreux avantages qui en dérivent vont être présentés avec plus de détail dans la description ci-après d'une forme de réalisation donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en regard des dessins annexés. Sur ces dessins, la figure 1 représente un frein à disque selon la pré- sente invention vu en plan et en partie en coupe suivant un plan passant par l'axe de l'arbre auquel le frein est associé, et la figure 2 représente en élévation le frein à disque de la figure 1. Sur les dessins, le repère 10 indique l'arbre de freinage. Sur l'arbre 10 est monté un disque 11 qui, dans le cas de figure, est d'une seule pièce, mais qui pourrait être réalisé par exemple également en deux ou plusieurs secteurs Le montage du disque 11 sur l'arbre 10 peut être effectué de la façon la plus avantageuse quelconque, par exemple au moyen d'un clavetage forcé ou de tout autre système classique. Le disque 11, sur ses deux faces, possède des logements 12 dans lesquels sont situées et convenablement bloquées des garnitures de frottement annulaires 13 en un matériau à faible coefficient de conductivité thermique Il peut s'agir de bagues entières ou bien de bagues divisées en deux ou plu- sieurs secteurs Pour le blocage des garnitures de frotte- ment 13 dans leurs logements respectifs 12 du disque 11, il est possible d'adopter tous les systèmes possibles de fixation convenable bien connus par ailleurs et qui ne sont pas représentés sur les dessins. Avec chacune des garnitures de frottement 13 portées par le disque 11, une tête de freinage 14 coopère Dans le cas représenté, chacune des têtes de freinage 14 est constituée par un corps en forme de secteur de couronne circulaire avec un angle d'ouverture d'environ 1200, mais cette forme n'est absolument pas indispensable: En effet, on peut prévoir, suivant les exigences, des têtes en un seul ou plusieurs secteurs avec une ouverture angulaire inférieure à 1200 ou supérieure à 1200, de façon à couvrir la totalité de la surface annulaire du disque 11 avec une ouverture de 360 . De même, la forme en secteur de couronne circulaire des têtes n'est pas une obligation, lesdites têtes pouvant avoir une forme quelconque mieux adaptée pour la dispersion de la chaleur de freinage. Les têtes 14 ont des surfaces de freinage 15 faisant face aux garnitures de frottement 13 du disque 11 et destinées à être mises en contact glissant avec celles-ci pour exercer l'effort de freinage. Les têtes de freinage sont en un matériau à grand coefficient de conductivité thermique, de préférence métallique, par exemple des alliages d' aluminium. Dans le cas représenté, les têtes de freinage 14 sont munies soit d'ailettes extérieures 16, soit d'une cavité intérieure 17 permettant la circulation d'un fluide de refroidissement, mais suivant les cas, on peut prévoir un seul de ces moyens de dissipation de la chaleur Le matériau dans lequel les têtes sont réalisées est choisi de façon à posséder une grande conductivité thermique aussi bien relativement à l'air ambiant que relativement au fluide éventuel de refroidissement passant à travers sa cavité intérieure ou à travers des canalisations internes conve- nables. Pour la circulation forcée du fluide de refroidissement à travers la cavité interne 17 de chaque tête de freinage 14, il est prévu un circuit indiqué par le repère numérique 18 et comprenant une pompe de circulation 19 et un échangeur de chaleur 20. Dans le cas représenté, la pompe 19 est actionnée par un engrenage périphérique 21 du disque 1 i avec lequel engrène le pignon 22 monté sur l'arbre de la pompe Cependant si l'on désire actionner la pompe d'une façon indépendante de la rotation du disque 11, c'est-à-dire de l'arbre 10, sa commande peut être réalisée électriquement, hydrauliquement ou par tout autre moyen Dans ce cas,la pompe peut être maintenue en fonctionnement d'une façon continue ou intermit- tente,-suivant les besoins, par exemple, à l'aide d'une commande à thermostat installée dans le circuit du fluide de refroidissement, et en fonction des prestations de freinage requises. L'échangeur de chaleur 20 peut être à corps unique ou à corps multiples Il peut être installé dans une partie quelconque du véhicule ou de la machine sur lequel le frein est monté Une possibilité avantageuse d'installation de l'échangeur de chaleur est de pouvoir le mettre à l'intérieur du véhicule ou dans le milieu dans lequel se trouve la machine, et de cette façon, il peut être utilisé comme "chaufferette" pendant les saisons froides Dans ce cas, pendant les saisons chaudes, le fluide de refroidissement peut être détourné vers un autre circuit avec une circulation dans un ou plusieurs échangeurs de chaleur disposés à l'extérieur du véhicule ou du milieu o se trouve la machine, ou bien encore le fluide peut être envoyé au groupe thermique d'une installation de climatisation du type à vaporisation Les frigories de cette installation peuvent être en outre utilisées pour réfrigérer le fluide de refroidissement des têtes de freinage. Il est possible de cette façon de récupérer et d'utiliser l'énergie thermique qui autrement serait perdue. Pour commander le rapprochement et l'éloignement des têtes de freinage 14 relativement aux garnitures de frottement 13 du disque 11 de façon à provoquer ou à supprimer le contact glissant de leur surface 15 avec les surfaces faisant vis-à- vis des garnitures, il est prévu une-pince à deux demi-corps 23, 24, et à l'une des extrémités de la pince sont articulées les têtes de freinage 14, tandis qu'aux autres extrémités, agit un organe de commande, figuré par un cylindre 25 pneuma- tique ou hydraulique, mais qui pourrait être constitué par un tout autre moyen, par exemple un électro-aimant Comme on peut le voir sur la figure 1, le cylindre 25 est articulé au point 36 au demi-corps 24, tandis que sa tige 26 est articulée au point 37 sur le demi-corps 23 Dans une position intermédiaire, les deux demi-corps 23 et 24 sont reliés entre eux au moyen d'un tirant 27 qui porte à ses extrémités des pivots d'articulation 35 L'articulation entre chaque demi-corps 23 et 24 et la tête de freinage correspondante 14, est réalisée par un arbre 28 qui traverse deux ailettes 29 de la tête 14 et l'extrémité du demi-corps qui s'introduit entre lesdites ailettes 29 (voir figure 2) A l'extrémité inférieure de l'arbre 28 est vissé un écrou 30 qui peut être fixé par une goupille, tandis qu'à l'extrémité supérieure du même arbre 28 est solidaire une oreillette 31 sur laquelle est articulé un tirant 32 pour la suspension de la tête de freinage 14 et du demi-corps correspondant de la pince à une partie fixe 33 du véhicule ou de la machine Les demi- corps 23, 24 sont en outre suspendus à la partie fixe 33 au moyen d'un support 34 qui est dans l'alignement du tirant 27 de liaison. Comme il résulte de tout ce qui a été décrit jusqu'à maintenant, dans l'application du frein à disque représentée sur les dessins, l'axe de l'arbre de freinage 10 est horizontal, le disque de freinage 11 tourne dans un plan vertical et également les deux têtes de freinage 14 sont disposées dans des plans verticaux parallèles. Pour exercer un effort de freinage sur le disque 11, on commande par l'intermédiaire du cylindre 25 l'éloignement réciproque des extrémités des semi-corps 23, 24 de la pince entre lesquels agit ledit cylindre, provoquant ainsi le rapprochement réciproque des autres extrémités des demi-corps o sont articulées les têtes de freinage 14 qui, de cette façon, sont comprimées contre les garnitures de frottement annulaires 13 du disque 11 Il faut noter que l'on fait tourner les demi-corps 23, 24 autour des pivots d'articulation du tirant 27 de liaison et que la force exercée, en phase de freinage, par le cylindre 25 est multipliée par le rapport entre la distance des pivots 35-36 (respectivement 35- 37) et la distance des pivots 35-28 de façon à agir en face du barycentre des surfaces de contacts 15 des têtes de freinage 14. La chaleur produite pendant le freinage passe seulement pour une partie minime aux garnitures de frottement 13 du disque de freinage 11, tandis qu'elle passe dans sa majeure partie aux têtes de freinage 14 qui absorbent donc la chaleur et la dissipent en partie dans le milieu grâce à la présence des ailettes 16 Une autre partie de la chaleur des têtes de freinage 14 est absorbée par la circulation du fluide de refroidissement à travers les cavités 17, circulation provo- quée par la pompe 19 Comme on l'a déjà mentionné dans le cas représenté, cette pompe fonctionne seulement lorsque l'arbre 10 tourne et que le disque 11 tourne, mais si l'on désire obtenir des prestations encore supérieures de ce frein, il est possible de faire actionner d'une façon auto- nome la pompe 19, indépendamment de la rotation du disque de freinage 11. On doit noter en outre que la pompe 19 est montéed'une façon convenable sur l'un des demi-corps 23, 24 de la pince (dans le cas représenté, elle est montée sur le demi-corps 23). Comme il ressort de la description précédente, la caractéristique principale du frein à disque selon l'inven- tion réside en ce que la fonction de l'emmagasinage et de la dissipation de la chaleur produite pendant le freinage n'est plus confiée à la partie qui tourne (le disque)du frein mais elle est confiée au contraire à la partie stationnaire (tête de freinage) Il en dérive de nombreux avantages relativement aux fins des prestations de freinage, de la durée, de la sécurité et de l'efficacité du frein. Ces avantages sont dus au fait que la partie station- naire du frein, contrairement à la partie tournante, peut être facilement conforme et dimensionnée pour emmagasiner la chaleur de freinage suivant les exigences d'emploi du frein et elle peut être *en outre dotée des moyens les plus opportuns pour la dissipation de la chaleur emmagasinée. Relativement aux freins à disque de type connu, on a donc, à égalité de masse d'emmagasinage de la chaleur, un fonctionnement des organes de contact glissant constamment à une température relativement basse L'usure de la partie tournante du frein ne diminue pas la capacité d'emmagasinage de la chaleur (puisque cette fonction n'est pas confiée à la partie tournante) tandis que l'usure de la partie stationnaire ne compromet pas les prestations du frein, en tenant compte de l'efficacité des moyens de dispersion de la chaleur de la partie stationnaire, lesdits moyens pouvant être actifs, même au moment le plus critique, c'est-à-dire au terme du freinage et pouvant fonctionner continuellement ou par intermittence, par exemple à l'aide d'une commande thermostatique en fonction de la température du fluide de refroidissement de la partie stationnaire. Le fait que le disque de freinage du frein selon l'invention travaille toujours à basse température élimine également les problèmes bien connus de sécurité dans son montage sur l'arbre de freinage, qui pour les freins connus, se rattachent au phénomène de la dilatation thermique du dis- que qui peut causer des glissements possibles entre le disque et l'arbre. Le disque de freinage peut rester de façon permanente fixé sur l'arbre de freinage sans en être jamais démonté et sans exiger le démontage d'autres organes, tandis que le remplacement des organes d'usure (garnitures de frottement) peut être effectué d'une façon extrêmement facile. Même les têtes de freinage métalliques, lorsqu'elles sont à leur usure maximale, peuvent être facilement démontées et remplacées Comme cela a déjà été mentionné, le disque de freinage pourrait être réalisé également directement en matériau à bas coefficient de conductivité thermique, et dans ce cas on ferait naturellement moins de garnitures de frottement et le disque pourrait être monté sur l'arbre au moyen d'une simple douille ou fourreau. Il est possible avec le frein à disque selon l'invention de récupérer l'énergie de freinage sous forme de chaleur qui, dans le cas du montage du frein sur un véhicule, peut être utilisée pour le chauffage à bord pendant les saisons froides au moyen de chaufferettes alimentées par le fluide de refroidissement provenant des têtes de freinage Dans la saison chaude, la chaleur peut être dissipée dans l'échangeur de chaleur, en déviant d'une façon opportune le flux du fluide de refroidissement au moyen de robinets adéquats. On peut même utiliser en tant qu'échangeur de chaleur la pince qui commande les têtes de freinage, en conformant opportunément ses deux demicorps et en les munissant éventuellement d'ailettes et de cavités et/ou de canalisa- tions internes permettant la circulation forcée du fluide de refroidissement. Le frein à disque selon l'invention est susceptible de nombreuses variantes outre celles déjà mentionnées. Ainsi, par exemple, la pince peut être constituée par un système mécanique ou hydraulique quelconque multiplicateur ou non-multiplicateur de l'effort, capable de produire l'effort nécessaire de freinage en face des surfaces 15 de contact des têtes de freinage 14 avec les garnitures de frottement 13. 12 - REVENDICATIONS 1. Frein à disque comprenant une partie tournante, en particulier un disque, monté sur l'arbre de freinage, une partie stationnaire de freinage, et des moyens de commande associés à la partie stationnaire pour la mettre en contact glissant avec la partie tournante, caractérisé en ce que la partie tournante ( 11) présente au moins une surface ( 13) à faible coefficient de conductivité thermique et que la partie stationnaire ( 23, 24) est en un matériau à coefficient élevé de conductivité thermique et est munie de moyens de dissipation de la chaleur ( 14). 2. Frein à disque selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le disque formant la partie tournante porte au moins sur une de ses faces une garniture de frottement ( 13). 3. Frein à disque selon la revendication 2, caracté- risé en ce que la garniture de frottement est fixée dans un logement ( 12) dudit disque. 4. Frein à disque selon la revendication 2, caracté- risé en ce que la garniture de frottement est de forme annulaire. 5. Frein à disque selon la revendication 4, caracté- risé en ce que la garniture de frottement annulaire est subdivisée en plusieurs secteurs. 6 Frein à disque selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le disque formant la partie tournante est au moins en partie en un matériau à faible coefficient de conductivité thermique. 7. Frein à disque selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le disque formant la partie tournante est constitué par une pluralité de secteurs. 8. Frein à disque selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la partie stationnaire est constituée par au moins une tête de freinage métallique ( 14). 9 Frein à disque selon la revendication 8, caracté- risé en ce que la tête de freinage ( 14) est en alliage 13 - d'aluminium. 10. Frein à disque selon la revendication 8, caracté- risé en ce que la tête de freinage est constituée par un corps en forme de secteur de couronne circulaire. 11 Frein à disque selon la revendication 8, caracté- risé en ce que la tête de freinage est munie d'un ensemble d'ailettes ( 16). 12. Frein à disque selon la revendication 8, caracté- risé en ce que la tête de freinage présente au moins une cavité ou une canalisation ( 17) pour le passage d'un fluide de refroidissement. 13. Frein à disque selon la revendication 12, caractérisé en ce que la cavité ou la canalisation de la tête de freinage est insérée dans un circuit de refroidisse- ment comprenant une pompe de circulation ( 19) et un échangeur de chaleur ( 20). 14. Frein à disque selon la revendication 13, caractérisé en ce que la pompe de circulation ( 19) est actionnée par le disque de freinage ( 11) qui est muni d'un engrenage ( 21) sur lequel engrène un pignon ( 22) fixé sur l'arbre de la pompe. 15. Frein à disque selon la revendication 13, caractérisé en ce que la pompe de circulation ( 19) est munie de moyens d'actionnement autonomes. 16 Frein à disque selon la revendication 15, caractérisé en ce que les moyens d'actionnement de la pompe sont commandés par un thermostat en fonction de la tempé- rature du fluide de refroidissement. 17. Frein à disque selon la revendication 8, caracté- risé en ce que la tête de freinage ( 14) est constituée par plusieurs secteurs. 18. Frein à disque selon la revendication 8, caracté- risé en ce que l'on prévoit deux têtes de freinage ( 14) en opposition réciproque et pouvant être commandées par un organe de commande ( 25) à l'aide d'un système intermédiaire. 19. Frein à disque selon la revendication 18, 14 - caractérisé en ce que ledit système intermédiaire est un multiplicateur de l'effort. 20. Frein à disque selon la revendication 19, caractérisé en ce que le système intermédiaire est consti- tué par une pince à deux demi-corps ( 23, 24) reliés entre eux en un point intermédiaire ( 27), et en ce que sur les deux demi-corps en face d'une de leurs extrémités les têtes de freinage ( 14) sont articulées tandis qu'entre leurs autres extrémités, l'organe de commande ( 25) est actionné. 21. Frein à disque selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'organe de commande ( 25) est constitué par au moins un cylindre du type hydraulique ou pneumatique. 22 Frein & disque selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'organe de commande est constitué par un électro-aimant.