Brevet FR2517004A1 — publié le 19830527

La présente invention a pour objet une garniture de friction pour un embrayage ou frein opérant en milieu humide, notamment pour un embrayage centrifuge fortement sollicité. Lors de l'utilisation d'embrayages centri- fuges, tels que ceux intervenant par exemple dans des convertisseurs de couple hydrodynamiques en tant qu'embrayages de court-circuitage (demande de brevet allemand DEOS 27 43 595), on doit utiliser des garnitures de friction qui peuvent absorber de fortes charges mécaniques et thermiques et qui ne doivent alors présenter autant que possible aucune usure. Dans de nombreux essais effectués avec de tels em- brayages centrifuges, il s'est avéré que des garnitures de friction semblables à celles utilisées par exemple dans des boîtes de vitesses automatiques pour véhicules ne donnent aucun résultat satisfaisant pour diffé- rentes raisons. Des garnitures semi-métallique (amiante/liant/ copeaux métalliques), par exemple, sont sujettes à une trop forte usure, et il se produit en outre dans ce cas, dans le domaine de synchronisation, un fort broutage (effet de collage et glissement). Des garnitures métalliques se comportent bien mieux en ce qui concerne l'aptitude de sollici- tation mécanique et thermique mais il se produit éga- lement avec elles, dans la phase de synchronisation, un léger effet de collage/glissement Le très faible coefficient de frottement de glissement a également une influence défavorable de sorte que, dans certaines conditions déterminées de service, il peut se produire de longues phases de patinage et par conséquent une forte augmentation d'échauffement Une propriété parti- culièrement favorable de la garniture métallique con- siste en ce que, dans le cas d'une charge brusque, elle présente, parallèlement à la surface de frottement, un coefficient de frottement d'adhérence plus faible que dans le cas d'une charge exercée d'une manière progressivement croissante Il en découle que, dans le cas d'une variation de couple brusque, qui peut être déclenché par exemple par un changement de vitesse dans une botte de vitesses automatique l'embrayage s'ouvre pendant une courte période et ainsi l'a-coup est absorbé par l'intermédiaire du patinage ainsi engendré Dans le cas d'un couple constant ou croissant lentement, comme cela se produit par exemple pendant une phase d'accélération, un couple supérieur peut cependant être transmis. Des garnitures en papier (c'est-à-dire des garnitures à base de fibres d-'amiante qui sont pour- vues de liants et qui sont fabriquées sur des machines à papier) se comportent correctement, d'après l'expé- rience, en ce qui concerne l'effet de collage/glisse- ment En opposition aux garnitures semi-métalliques et métalliques, elles ont la propriété que leur coef- ficient de frottement de glissement est supérieur à leur coefficient de frottement d'adhérence, ce qui donne lieu, pendant la phase de synchronisation, à un comportement doux et exempt d'à-coups Malheureusement de telles garnitures de friction ne sont pas adaptées à des fortes sollicitations énergétiques et mécaniques. Lors d'une utilisation dans un embrayage centrifuge, il se produit assez tôt des modifications défavorables - et irréversibles des propriétés dela garniture. Il se pose ainsi le problème de disposer d'une garniture de friction utilisable dans un embrayage ou un frein opérant en milieu humide qui combine les propriétés favorables de la garniture en papier avec celles de la garniture en métal, telles qu'un comporte- ment uniforme et exempt de broutage dans la phase de synchronisation, une grande aptitude de résistance aux charges énergétiques et mécaniques, une usure extrê- mement faible, une grande résistance aux liquides utilisés dans les transmissions de grande capacité (par exemple des huiles du type fluide pour trans- mission automatique ou "ATF"), un coefficient de frottement plus grand dans la phase de glissement avant la synchronisation qu'après l'établissement de la synchronisation ainsi qu'un plus faible coefficient de frottement en cas de sollicitation brutale, par rapport à une sollicitation constante, après terminaison de la synchronisation et pour de grandes pressions de surface. Selon l'invention, ce problème est résolu en ce que la garniture de friction se compose d'un bois exempt de résine, dont les fibres sont orientées essentiellement parallèlement à la direction de frottement et dont la densité brute moyenne go s'élève au moins à 550 kg/m 3. Ainsi, lors d'expériences effectuées avec un embrayage centrifuge du type défini ci-dessus, on a constaté de façon surprenante que, lors de l'utilisa- tion de bois associé à de l'acier comme partenaire de glissement et en utilisant du fluide pour transmission automatique comme agent de lubrification et de re- froidissement, on a pu obtenir, dans toute la période de patinage allant de l'application des masselottes centrifuges jusqu'à la synchronisation et jusqu'à la suppression de la condition d'adhérence par des ac- croissements brutaux de couple, un comportement absolu- ment exempt de broutage. Le bois doit être exempt de résine car d'une part la résine empêche la pénétration de l'huile dans les fibres et d'autre part il peut se produire, lors d'une expulsion de la résine, des variations indésirables de volume du bois et un encrassement de l'huile. Pour atteindre cet état, on peut enlever la résine d'un bois en contenant par des moyens appropriés Généralement on utilise un bois à courtes fibres, comme c'est le cas pour des bois d'arbres à feuilles caduques On peut cependant également - utiliser des bois à fibres longues (par exemple des bois d'arbres à aiguilles comme des bois de pins pour parquets (Pinus palustris)). En outre le bois doit posséder une grande résistance à la compression et au cisaillement de façon à absorber les pressions de surface et les forces de cisaillement En outre il est nécessaire d'avoir une grande résistance à l'usure pour maintenir l'usure aussi faible que possible ou même l'exclure complètement. Aussi bien les valeurs de résistance mécani- que que les valeurs de résistance à l'usure augmentent avec la densité brute P (la densité brute PO est le rapport de la masse d'un échantillon de bois à son volume, c'est-à-dire le volume délimité par son enveloppe extérieure après séchage à 1030 C jusqu'à ce qu'on obtienne une constance de poids) Pour cette raison, il est avantageux d'utiliser du bois avec une densité brute aussi grande que possible D'autre part il est cependant également avantageux que la structure du bois soit choisie de telle sorte que le fluide utilisé pour le refroidissement et la lubrification puisse bien péné- trer dans la structure fibreuse Cet impératif est mieux satisfait par des bois de densités brutes assez faibles. En tenant compte de ces propriétés partiel- lement contradictoires, on doit utiliser comme maté- riau de friction un bois ayant une densité brute moyenne ro au moins égale à 550 kg/m 3 Un très bon compr Q- mis en ce qui concerne les propriétés précitées est obtenu avec un bois ayant une densité brute comprise entre environ 600 et 660 kg/m 3 Un bois ayant cette densité brute est avantageusement utilisable en pratique. Pour la fabrication de garnitures incurvées et épaisses, il est en outre important que le bois puisse être bien cintré A cet égard, on peut utiliser des bois comme par exemple du mélèze (Larix), de l'érable (Acer), du bouleau (Betula), du chêne (Quereussessiliflora), de l'eucalyptus, de l'hickory (Hicoria), du noyer (Juglans regia) et du teck (Tectona grandis) ainsi que du frêne (fraxinus) et de l'orme (Ulmus campestris), le bois d'orme ayant notamment un comportement très satisfaisant. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limi- tatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 montre la variation des coeffi- cients de frottement de différentes garnitures de fric- tion, la figure 2 est une vue latérale d'une masselotte centrifuge pour embrayage centrifuge, com- portant une garniture en bois collée, et la figure 3 est une vue en plan de dessus d'une masselotte centrifuge conforme à la figure 2. Sur la figure 1, on a représenté la va- riation des coefficients de frottement de différentes garnitures de friction en fonction de la pression de surface et du glissement ou patinage angulaire en tant que paramètre Les courbes en traits pleins correspondent au coefficient de frottement d'adhérence tandis que les courbes en traits interrompus correspon- dent au coefficient de frottement de glissement pour un patinage angulaire de 20 %. On voit que le bois d'orme H présente un com- portement au frottement qui est semblable à celui d'une garniture en papier P Jusqu'à une pression de surface d'environ 60 N/cm 2, ce bois a un coefficient de frottement de glissement qui est supérieur à son coefficient de frottement d'adhérence Au-dessus de cette pression de surface, ce comportement est inversé La garniture semi-métallique SM et la garniture métallique M présentent par contre le comportement typique d'un corps solide Leurs coefficients de frottement de glissement sont bien plus faibles que leurs coefficients de frottement d'adhéren- ce. Dans des essais de comparaison o on a fait intervenir des pressions de surface jusqu'à IION/cm 2 dans le cas d'une garniture en papier, jusqu'à 150 N/cm 2 dans le cas d'une garniture en bois, ainsi que des sollicitations énergétiques de 550 J/cm 2, il s'est avéré que les garnitures en papier subissent au bout d'environ 12 heures des transformations de leur structure initialement poreuse et à fibres fines Elles sont pratiquement complètement compactées de sorte qu'elles perdent leurs propriétés de friction initiale- ment favorables et qu'on obtient au contraire le com- portement typique d'un corps solide. La garniture en bois d'orme n'a par contre pas présenté une modification de ses propriétés sur toute la durée de l'essai (environ 100 heures), pendant laquelle il s'est produit dans des cas isolés des pres- sions de surface pouvant atteindre 400 N/cm 2 En ou- tre, pendant toute la durée de l'essai, on n'a constaté aucune usure Des mesures comparatives faites avec du bois de frêne ont par contre montré que ce bois donne lieu, pour des propriétés de glissement par ailleurs favorables, a une faible usure par comparaison au bois d'orme. Grâce au grand coefficient de frottement de glissement de la garniture en bois, il est possible d'utiliser des masselottes centrifuges d'une plus faible masse et des ressorts de rappel plus puis- sants Selon la loi de la force centrifuge cela per- met d'obtenir une courbe de transmission de moments Mf(n) de pente plus forte pour un embrayage centrifuge et il en résulte que celui-ci est soumis à une zone de patinage plus faible par comparaison à des embraya- ges équipés par exemple de garnitures semi-métalliques ou métalliques Dans le cas de boites de vitesses automatiques pour véhicules, cela signifie que de plus faibles forces d'application sont nécessaires et qu'on peut par conséquent économiser de l'énergie. La grande pression de surface, pouvant être appliquée sans dommage, de la garniture en bois permet en outre de réduire les dimensions, ce qui est d'une énorme importance dans des boites de vitesses pour véhicules automobiles Il est également à noter que la garniture en bois peut être réalisée très mince. Dans les essais indiqués ci-dessus, on a donné à la garniture une épaisseur S de l'ordre de 1,5 à 2,0 mm, ces valeurs correspondant au maximum à 1 % du diamètre D sur la surface de friction (diamètre de friction). Il est également d'une grande importance que la fabrication des garnitures soit très simple et que le bois permette, par rapport à l'amiante, un usi- nage ne polluant absolument pas l'environnement Pour des garnitures très minces, on peut utiliser par exemple du bois de placage. Pour mettreen évidence l'application pratique de garnitures de friction en bois, on a représenté sur les figures 2 et 3 une garniture en bois collée sur une masselotte centrifuge Comme le montre la figure 2, la garniture en bois 1, cintrée par un procédé con- nu, est collée directement sur la surface usinée d'une masselotte centrifuge 2 Le collage est effectué à l'aide d'un adhésif à base de caoutchouc nitrilé contenant du phénol, du crésol, et des cétones (tel que diffusé sous la marque enregistrée Bostik 1777), ce qui a permis d'obtenir de bons résultats Les fraisages latéraux 7 et 8 (figure 3) prévus dans la masselotte servent à l'appui des ressorts de rappel, non représentés En dehors du collage, la garniture peut naturellement être fixée sur le support par d'au- tres moyens connus, par exemple par des vis ou des rivets mais cependant le collage est avantageux, notam- ment dans le cas de minces garnitures de friction. La figure 3 montre en outre que la garniture est pourvue d'un striage longitudinal et d'un striage transversal 4,5, d'une manière connue, afin d'assurer l'évacuation de l'huile En outre il est prévu un trou ( 6) qui sert à l'évacuation de l'huile dans une direc- tion radiale. La garniture de friction conforme à l'inven- tion peut posséder une épaisseur (S) d'environ 0,3 à 5 mm Lorsqu'on dépasse la valeur supérieure, on peut rencontrer des difficultés au cintrage ou bien le volume nécessaire au montage peut être trop grand. Lorsqu'on tombe en dessous de l'épaisseur de 0,3 mm, on rencontre alors fréquemment des difficultés lors de la fabrication de la garniture brute Des garnitures minces sont avantageusement fabriquées en bois de placage. Généralement, on adopte pour la garniture de friction une épaisseur qui peut représenter jusqu'à environ 1 % du diamètre D de la surface de friction, c'est-à-dire que, dans des boites de vitesses de véhicules automobiles, on adopte une épaisseur de garniture de 0,5 à 2,5 mm, Des garnitures de cette épaisseur sont légères et bien manipulables et en outre elles peuvent être fabriquées de façon peu coûteuse à partir de bois de placage Pour des garnitures ayant l'épaisseur pré- férée, notamment pour les garnitures formées du bois d'orme avantageux, il s'est avéré particulièrement ap- proprié d'adopter un striage longitudinal dans lequel la largeur des stries 5 est comprise entre 1 et 2 mm, en étant notamment d'environ 1,5 mm La largeur des nervures 3 formées par les stries longitudinales doit être comprise entre 2 et 3 fois la largeur des stries 5, en étant notamment égale à 2,5 fois cette largeur Avec ces dimensions, on obtient de très bons résultats en ce qui concerne la pression de sur- face et l'écoulement de l'huile La garniture peut également être pourvue d'une ou plusieurs stries transversales 4, notamment quand la longueur des ner- vures 3 dépasse environ 5 cm ou bien lorsqu'il est nécessaire d'avoir un débit de fluide particulièrement élevé Il s'est révélé particulièrement approprié d'adopter pour les stries transversales 4 une largeur correspondant à peu près à 2 fois la largeur des stries longitudinales. Le mouvement de glissement s'effectue paral- lèlement aux nervures 3 et pour cette raison la garni- ture en bois doit être découpée de manière que la direction longitudinale de ses fibres soit également essentiellement parallèle à la direction de friction. Cela est nécessaire pour empêcher un écaillage et une désagrégation de la garniture en bois. La réalisation du striage peut être effectuée aussi bien avant qu'après la fixation de la garniture en bois sur son support Dans le cas d'une fabrication en série, il est avantageux de fabriquer des barres ou des bandes exactement dimensionnéeg et prqfilées qui sont découpées à longueur de manière à former les garnitures individuelles. En dehors de la forme, représentée sur les dessins, de garnitures en bois pour des masselottes centrifuges d'embrayage centrifuge, il est égrlement possible de mettre en place les garnitures de friction conforme à l'invention sur le côté intérieur de cy- lindres creux (par exemple des bandes de freinage pour des boites de vitesses automatiques pour véhicules automobiles) ou bien de les réaliser comme des garnitures en forme de disques. REVENDICATIONS 1. Garniture de friction pour embrayage ou frein opérant en milieu humide, caractérisée en ce qu'elle est formée d'un bois exempt de résine ayant une densité brute moyenne à l'état sec (po) d'au moins 550 kg/m et dont les fibres sont orientées essentiel- lement parallèlement à la direction de friction. 2. Garniture de friction selon la reven- dication 1, caractérisée en ce qu'elle se compose de bois d'orme. 3 Garniture de friction selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle a une épaisseur (S) pouvant atteindre jusqu'à 1 % du diamètre de friction (D). 4. Garniture de friction selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle est fabriquée à partir d'un bois de placage. 5. Garniture de friction selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle est pourvue d'un striage ( 4,5), la largeur des stries ( 5) situées selon la direction de friction étant comprise entre 1 et 2 mm, en étant notamment d'environ 1,5 mm, tandis que la largeur des nervures ( 3) formées par les stries longitudinales est comprise entre 2 et 3 fois la largeur des stries longitudinales ( 5), en étant notamment de 2,5 fois ladite largeur, et en ce qu'elle est pourvue le cas échéant, d'une ou plusieurs stries transversales ( 4) dont la largeur est à peu près égale à deux fois la largeur des stries longitudinales ( 5).