Brevet FR2534337A1 — publié le 19840413

Les garnitures de friction à base de carbone, par exemple sous forme de matériaux composites carbone-fibres de carbone frottant l'un sur l'autre ou sous forme de matériaux frittés contenant plus de 80 % de carbone frottant sur la fonte grise ou sur l'acier, permettent d'obtenir un couple frottant capable-de supporter des charges élevées et restant constant, qu'il était impossible de réaliser jusque présent. L'abrasion est bien plus faible qu avec d1autres garnitures de friction connues jusqugici, à condition que la température limite où commence l'oxydation de la garniture de carbone ne soit pas dépassée.Les garnitures de carbone ont une grande sta bilié de forme et possèdent une isistance mécanique remarquablement élevée pour une masse volumique réd'ite. Elles présentent cependant aussi d'autres différences avec les garnitures employées habituellement. Le coefficieat de dilation linéaire est bien plus petit que celui du fer et la conductivite thermique est nettement plus élevée que celle d'autres garnitures-. Comme la garniture de carbone est pratiquement un corps noir, on pourrait supposer que l'on puisse tirer profit du coefficient de radiation élevé, surtout dans le cas des freins à disques à garniture partielle (s'étendant seulement sur une partie de cercle), où la chaleur doit hêtre dissipée principalement par radiation. Cette supposition 'est en fait exacte que pour le disque d'un frein de con ception classique. Dans un frein S disque à garniture partielle, la chaleur de freinage est développée non seulement sur la face du disque mais aussi sur la face des segments frotteurs de l'étrier > où la charge de frottement spécifique est élevee sur une surface de frot tement relativement petite. Au freinage, il doit s'établir un gradient de température tel, entre les segments frotteurs de l'étrier et le disque, que la chaleur soit transmise au disque, d'où elle est dissipée par radiation. Les segments frotteurs de l'étrier, qui sont incapables d'évacuer de la chaleur par radiation, deviennent donc plus chauds pendant le freinage que le disque de frein. Si les segments portent ou sont constitués par des garnitures de carbone, la commande hydraulique agissant sur les segments risque donc d'être surchauffée en raison de la bonne conductivité thermique des garnitures. C'est à cause de cette difficulté que l'application de cet excellent matériau de frottement sur les voitures et les camions a échouée ju5quà maintenant. Dans le frein à un ou plusieurs disques selon l'in vention, qui est équipé de garnitures de friction en carbone, on exploite leurs avantages comme matériau de frottement, en tenant compte des caractéristiques mentionnees, par le fait que le maintien en place des garnitures de friction sur les porte-garnitures du frein dans le sens circonférentiel est assuré uniquement par complémentarité de formes, notamment par emboitement ou encastrement, et que les porte-garnitures sont conformés de manière que la chaleur du frottement soit également dissipée, par convection et radiation, & la surface des garnitures opposée d la face de frottement. I1 est ainsi tenu compte de manière adéquate de la différence entre les coefficients de dilatation thermique de la garniture et de son support métallique et lsévacuation de la chaleur est améliorée3 de sorte que la puissance surfacique spécifique des garnitures est accrue sans élévation de la température. Selon un perfectionnement de I'invcntion, les garni tures de friction, disposées fixes dans le sens circonfdrentiel, sont appliquées directement contre la surface de frottement antagoniste par des prolongements axiaux des organes de commande. Cette mesure a pour effet, ddgune part, que les organes de commande sont également refroidis, par la circulation d'air entre les prolongements, d'autre part, que les porte-garnitures servent uniquement - en dehors du maitien des garnitures - à la transmission du couple. De plus, tout risque de blocage par suite de dilatations différentes, est évité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés sur lesquels - les figures 1 a 3 représentent ltexemple d'un frein à disques à garniture complète (s'étendant sur un cercle complet) pour la roue avant d'un véhicule utilitaire, où des garnitures de fibres de carbone frottent sur des garnitures de fibres de carbone ;; - la figure 4 montre un frein multidisques à garniture complète réalisée comme un frein sur transmission et utilisant le mEme couple frottant - les figures 5 à 8 représentent l'exemple d'un frein à disques à garniture complète pour voiture où des blocs frittés de carbone forment une garniture de friction frottant sur les faces internes des deux parties d'un carter de frein en fonte grise - les figures 9 à 12 représentent un frein à disques à garniture partielle utilisant le même couple frottant - les figures 13 et 14 représentent enfin, par des coupes partielles,un frein A disques à garniture complète et à commande mécanique, utilisant également des blocs de matériau fritté au carbone comme garniture de friction. La figure 1 représente une coupe axiale du frein de roue avant pour véhicules utilitaires des figures 1 à 3, la figure 2 est une vue en perspective de la partie en forme de bride du carter de ce frein et la figure 3 est une vue en perspective de la partie en forme de couvercle de ce carter. Sur la figure 1, la référence 1 désigne la roue, laquelle est -fixée par des vis 2 au moyeu 4 montré rotatif sur la fusée d'essieu 3. Cette dernière porte le support de frein 5 sur lequel sont montées - mobiles axialement et fixes dans le sens circonférentiel - des garnitures de frein en carbone - fibres de carbone 6 et 7 sous forme de disques (anneaux) ou alors de segments. L'unité de commande 8 pour le serrage du frein par air comprimé, arrivant par le tuyau 9, est logée entre les disques 6 et 7. La bride 10 et le couvercle 11 formant le carter du frein constituent des parties tournantes de celui-ci. Les deux parties du carter supportent, par des nervures radicales, des garnitures de carbone tournantes 12 et 13, également sous forme de disques (anneaux) ou de segments. Les nervures radiales de chaque demi-carter sont reliées entre elles par une portion annulaire continue 101 respectivement 111. Entre les nervures, ces deux portions annulaires présentent des trous pour le passage des boulons d'assemblage 14. Le demi-carter en forme de bride possède en outre une portion annulaire 102 avec des trous filetés pour la réception des vis de fixation de roue 2 tandis que le demi-carter formant couvercle possède en plus une portion annu laire discoïde 112.La bride et le couvercle sont représentés séparément et en perspective sur les figures 2 et 3. Le frein sur transmission représenté en coupe axiale sur la figure 4 est prévu à la sortie d'une boite de vitessesl5, dont l'élement mené sous forme d'une bride est désigné par 151. La partie mobile ou rotor symétrique en deux pièces 171 et 172 du frein est fixée entre la bride de sortie 151 et la bride de joint 161 de l'arbre de transmission 16. Chacune des deux pièces du rotor comporte une portion annulaire 173 respectivement 174 et des élé- ments d'entraînement en équerre 175 respectivement 176, sur lesquels ont été glissés des disques 18 de carbone-fibres de carbone dont le bord annulaire intérieur présente des encoches radiales pour l'en trainement en rotation et la transmission du couple.Des bras portefrein 19 fixes par des vis sur la boite de vitesses supportent des disques de frein 20 axialement mobiles, formés également par des garnitures de carbene-fibres de carbone, qui sont amenés à frotter. sur les disques tournants 18 lors du freinage. Pour le maintien circonférentiel en vue de la transmission du couple de freinage, les disques 20 présentent sur leur bord annulaire extérieur des encoches radiales coopérant avec les bras porte-frein. Le dispositif de commande 21, qui est une commande de serrage par air comprimé à deux circuits dans cet exemple mais qui pourrait également etre constitué par un dispositif de serrage hydraulique ou mécanique, est prévu entre les deux disques 20 - qui ne tournent pas - situés au milieu. Les quatres disques 20 formant les deux autres paires de disques non tournants de cet exemple sont séparés par deux anneaux-entretoises 22 circonférentiellement fixes, tandis que les quatres disques 18 formant les deux paires de disques tournants du milieu sont séparés par deux anneaux-entretoises tournants 23.Les anneaux-entretoises sont disposés librement entre les disques et sont formés chacun d'une nervure annulaire 221 ou 231 d'où partent des nervures transversales axiales 222 ou 232 qui sont uniformément réparties circonférentiellement. Ces nervures transversales sont appliquées contre les disques et permettent une circulation d'air radiale, laquelle est engendrée dans le cas des anneauxentretoises tournants par les éléments d'entraînement en équerre du rotor et par les nervures transversales et qui est engendrée dans le cas des anneaux-entretoises fixes par les éléments d'entraînement en équerre du rotor.Le courant d'air est dirigé sur les faces des disques 18, 20 opposées à leur face de frottement et-- produit la transmission à air environnant de la chaleur amenee par suite de la bonne conductivité thermique du matériau des garnitures de friction sur ces faces arrières des disques. Les figures 5 à 8 représentent un frein pour voiture particulière équipé de garnitures de friction frittées polycris tallines au carbone. La figure 5 représente une coupe axiale de la moitié supérieure de ce frein, la figure 6 est une coupe axiale de sa moitié inférieure, la figure 7 est une coupe cylindrique partielle suivant A-B de figure 6 et la figure 8 est une coupe transversale suivant C-i de figure 6 Sur ces figures, 31 désigne le moyeu et 32 désigne le corps de roue fixé au moyeu par des vis 321o Les demi-cartes de frein 33 et 34, présentent extérieurement des nervures radiales et tour nant avec le moyeu, sont reliés aux prolongements radiaux 311 du moyeu 31 par des vis 35 Les disques de frein 37 et 38, présentant des évidements 371 et 381 sont suspendus axialement mobiles mais circonférentiellement fixes au support de frein stationnaire 36. Les évidements sont ronds à l'exception de deux faces sécantes et reçoivent chacun un bloc ou plaquette de garniture 44 ou 45 sous forme d'un comprimé de carbone et de poudre métallique. Les faces sécantes ou méplats empêchent les plaquettes de garniture de tourner dans les évidements des disques de frein. Sur la face arrière de chaque plaquette est collé un ressort 441 ou 451 sous forme d'une lame, dont les extrémités viennent s'encliqueter dans des rainures et et382 pressées dans les méplats des évidements 371 et 381 lors de la mise ce place des plaquettes dans les disques, ce qui doit s'e- fectuer avant l'assemblage du frein.Entre les disques 37 et 38 se trouve le dispositif de commande hydraulique, lequel est constitué d'un anneau-récepteur 39 et d'un anneau-cylindre 40 et dont l'étan- chéité est assurée par des bagues d'étanchéité 41 et 42. L'anneau-rEcepteur et l'anneau-cylindre sont empêchés de tourner l'un par rapport à l'autre par une goupille cylindrique 43 pénétrant dans un trou de l'anneau-cylindre 40 (figure 5). Le dispo sitif de commande-est protégé contre l'encrassement par des soufflets 48 et 49. I1 est alimenté en huile pour freins par le tuyau de frein 47, la tubulure 46, la vis creuse 461 et un perçage 391. il est en contact avec les plaquettes 44 et 45 par des prolongements axiaux de l'anneau-cylindre 40, ainsi que par des prolongements 392 de l'annegu-rdeepteur 39.Lors de l'actionnement du frein, les plaquettes de garniture sont amenées à frotter sur les faces internes des deux moitiés 32 et 34 du carter de frein. Il s'établit ainsi un couple de freinage qui est transmis perles plaquettes auxdisques 37 et 38. Les disques transmettent le couple aux bras porte-frein 36.A partir d'une charge de freinage déte-nmnées le frottement produit sur les bras portefrein devient si important que les plaquettes sont pressées - à l'encontre de la force des ressorts - contre les surfaces de frottement du carter, sans que cela demande un déplacement supplémentaire des disques par la commande Les forces exercées sur les plaquettes dans le sens circonférentiel sont transmises aux disques par les surfaces d'appui des plaquettes dans les évidements 371 et 381 des disques. L'application irrégulière de la garniture de friction par suite d'une voilure éventuelle du disque est ainsi exclue. Une telle voilure peut etre occasionnée facilement dans le cas d'une garniture de fric tion qui est frittée sur le disque, en~raison de la différence entre les coefficients de dilatation thermique des deux matériaux. Comme dans le frein à disques à garniture complète des figures 5 et 8, le refroidissement des faces opposées aux faces de frottement des plaquettes est assuré,- dans le frein à disques à garniture partielle des figures 9 à 12, par le fait que ces faces arrières des plaquettes sont balayées par des courants d'air désignés par les flèches 442 et 452. Dans le cas du frein à garniture complète, l'éva- cuation de la chaleur par convection à partir des faces arrières des plaquettes est encore accentuée par un effet d'aération créé par des ouvertures ménagées dans le carter du frein. Les figures 9 à 12 représentent un frein à disques à garniture partielle dont la figure 9 montre une coupe axiale suivant E-F de figure 10, la figure 10 montre une coupe transversale suivant G-H de figure 9, la figure 11 montre une coupe transversale qui est perpendiculaire à la coupe G-H - suivant J-K de figure 9 et la figure 12 montre enfin une coupe axiale suivant L-M de figure 1 par le cbté appui de l'étrier. Les plaquettes 50 et 51 de ce frein sont. montées fixes dans le sens circonférentiel et axialement mobiles sur des ressorts 54 et 55 collés sur les plaquettes dans des évidements 52l respectivement 531 des mdckoires de frein 52 et 53. Les ressorts 54 et 55 en forme de lame pénètrent dans des rainures 522 respectivement 532 ménagées dans les mâchoires. Le piston 57, monté dans le cylindre 561 de l'étrier flottant 56 et étanché par des bagues d'étanchéité 58, présente des prolongements 571 en forme de segments qui sont en contact avec les plaquettes de garniture 51 de la machoire 53. Les plaquettes de garniture 50 de la mâchoire 52 disposée sur le caté opposé du disque de frein 59 sobt appuyées axialement par des nervures 562 de l'étrier flottant 56.Le contact sur une partie de la surface par les prolongements axiaux des organes de commande et > dans le cas d'un frein à garniture partielle, le contact partiel sur un cOté du frein par les nervures d'appui de l'étrier, doivent autre réa- lisée de manière que le pressage des plaquettes contre les surfaces de frottement antagonistes soit aussi uniforme que possibles mais sans que la surface de garniture restant libre pour l'adration soit top fortement réduite. Sur le plan thermique, il est a noter que l'utilisation d'un matériau de frottement de faible masse volumique, de haute-résis- tance mécanique et bon conducteur de chaleur, avec application des mesures selon l'invention, convient particulièrement pour un frein à disques à garniture complète et à carter nervuré radialement, qui est ouvert à l'intérieur ou à l'extérieur et dans lequel sont logés des disques pourvus tout autour d'une garniture de friction ce qui constitue le type de frein capable de supporter les plus fortes charges de tous les types de freins à disques à encombrement et poids égaux.Les améliorations supplémentaires réalisables avec un tel frein dépassent de beaucoup les améliorations que l'on peut obtenir avec la même garniture sur des freins à disques du type à garniture partelle, en raison de la différence entre les puissances spécifiques des surfaces de frottement, Les figures 13 et 14 représentent un frein à disques å garniture complète et à commande mécanique, dont la figure 13 montre une coupe axiale partielle et la figure 14 montre une coupe trans versale partielle suivant N-O de figure 13. Ce frein est muni d'un carter d'acier moulé en deux. pièces 60, o1 qui sont extérieurement nervurées radialement et sont assemblées par des vis 66. Deux disques de frein 62 et 63 sont montés fixes en rotation mais axialement mobiles dans ce carter.Sur leurs faces intérieures opposées à celles frottant sur le carter, les disques 62 et 63 présentent des rampes circonférentielles qui sont en contact, par l'intermédiaire de galets 671 et 672, avec des rampes correspondantes prévues sur un anneau central de commande 65, dont la rotation produit le déplacement axial des disques. Les disques de frein 62 et 63 possèdent des évidements qui sont uniformément répartis circonférentiellement et dans lesquels sont logés des segments de garniture de friction formés d'un matériau fritté au carbone. Les évidements cylindriques destinés à recevoir les segments frotteurs sont coupés par des canaux radiaux 621 et 631 qui sont réalisés par fraisage et qui laissent subsister, sur le fond des évidements cylindriques, des prolongements radiaux 623, sur lesquels sont appuyées les garnitures de friction 64 et 65.Les canaux radiaux 621 et 631 s'étendent sur toute la dimension radiale des disques annulaires et.eng endrent, pendant la rotation des parties tournantes du frein, en raison de l'effet d'aspiration des orifices d'aération radiaux 601 et 611 ménagés dans le carter de frein, un courant d'air qui refroidit les faces arrière des segments frotteurs. Les nervures 623 et 633 laissées en place lors du fraisage des canaux radiaux 621 et 631 transmettent les forces axiales produites par la commande mécanique aux segments frotteurs. A la suite du freinage, des ressorts de rappel non représentés prévus entre les disques créent lejeude desserrage requis. L'anneau central 65 est pourvu d'une denture périphérique 651 pour sa rotation par un anneau 68 qui est attaqué directement Qu par l'intermédiaire d'un engrenage réducteur par le levier de frein, lequel n'est pas représenté pour simplifier le dessin. Les disques de frein 62 et 63, portant les segments frotteurs, s'appuient cir conférentiellement par leur denture interne 622 respectivement 632 sur le support de frein stationnaire 67 qui est également denté. Dans ce frein, la majeure partie de l'énergie de frai nage transformée en chaleur est dissipée à l'air environnant par la surface extérieure - agrandie par les nervures radiales - du carter de frein. Le nervurage provoque en plus une augmentation de la vitesse relative de l'air de refroidissement.En raison de la bonne conducti vité thermique de la garniture de friction en carbone, une partie de la chaleur de frottement développée a la surface de frottement est transmise à parloir de cette dernière et à travers le segment frotteur à la face arrière de celui-ci. L'air circulant le long de cette face arrière dans les canaux radiaux 621 et 631 évacue. cette chaleur par convection et évite en même temps le surchauffage des organes de commande. Comme le coefficient de dilatation thermique de la garni ture de carbone e t plus petit que celui du fer, un blocage entre les garnitures et les disques ne risque pas de se produire lorsque le rein est chauds d > autant plus que l'effort de commande exercé par les galets de poussée 671 et 672 est transmis directement aux seg- mente frotteurs par les prolongements 623s 633 des disques, sans disque support interposé. La circulation d > air a l'intérieur du frein, produisant le refroidissement des segments frotteurs, est indiquée par les flèches 69 et 70. REVENDICATIONS 1. Frein à un ou plusieurs disques équipé de garnitures de friction en carbone, en particulier pour véhicules automobiles, caractérisé en ce que le maintien en place des garnitures de friction (6,7,12,13 ; 18, 20; 44, 45 ; 50, 51 ; 64, 65) sur les porte garnitures~(5, 10, 11 ; 171, 172, 19; 37, 52, 53; 62,63) du frein dans le sens circonférentiel est assuré uniquementpar complémentarité de formes, notamment par emboitement ou encastrement, et que les porte-garnitures sont conformés de manière que la chaleur de frottement soit également dissipée,par parconvection et radiation, à la surface des garnitures opposée à .i face de frottement 2. Frein selon la revendication 1, caractérisé an ce que les garnitures de friction (6, 7 ; 20 ; 44, 45 ; 50, 51; 64, 65), disposées fies dans le sens circonférentiel, sont appliquées directement contre la surface de frottement antagoniste par des prolongements axiaux (81, 82 ; 211 ; 392, 402 ; 562, 571; 623, 633) des organes de commande(8 ; 21 ; 39, 40 ; 57 ; 62, 63).