Brevet FR2546250A1 — publié le 19841123

RENFORT METALLIQLE DE RATNC'RE DE CLAVETTE POUR DISQUE DE FREIN EN COMPOSITE CARBONE-CARBONE La présente invention concerne des pièces métalliques destinées à renforcer localement le matériau composite carbone-carbone constituant un disque de frein par exemple pour avion, dans les zones de transmission de l'effort mécanique dû au couple de freinage. Il est connu qu'un disque de frein d'avion en composite carbone-carbone est sensible au phénomène de matage dans les zones d'appui des clavettes métalliques assurant la transmission de l'effort de couple. Il est connu également que le procédé de transmission d'effort de couple par clavettes introduit de très importantes concentrations d'efforts dans les zones concernées. Pour lutter simultanément contre les deux inconvénients précédents, la majorité des disques de frein en composite carbone-carbone actuellement commercialisés sont munis de renforts métalliques de formes très diverses et qui sont systématiquement fixés sur le disque par deux à six rivets chacun. Ce mode de fixation présente deux types d'inconvénients : - d'une part, le renfort métallique, rendu parfaitement solidaire du disque par les rivets qui traversent le carbone de part en part, pré sente une incompatibilité de coefficient de dilation avec le carbone, ce qui cause des contraintes importantes dans celui-ci et même des ruptures lors des échauffements importants, - d'autre part, la présence de nombreux rivets, forcément de petit diamè- tre pour des raisons d'encombrement, favorise la concentration de contraintes sur un seul d'entre eux en raison notamment des différences de coefficient de dilation. Il peut s'ensuivre des ruptures prématurées. La présente invention permet de résoudre ce problème en prévoyant des renforts métalliques de rainures de clavette dont la forme permet de supprimer le maLaga et de diminuer les concentrations de contrainte. La figure 1 se rapport à l'art antérieur. et montre la localisationd2s contraintes. La figure 2 se rapporte à l'inventionD et présente, en vue de face, un secteur circulaire d'un disque de frein. La figure 3 représente, en vue de dessus (an l'absence du disque d'an- tralnement), la partie principale du système de renfort de la figure 2. Sur les figures 2 et 3, les hachuras larges représentent la partie carbonée du disque de frein. Dans un disque de frein classique (1) l'effort de couple est transmis par les clavettes (2), et, lorsque les roues tournent dans le sens indiqué par la flèche, il apparaît une phénomène de matage dans la zone d'appui (3) des clavettes (2), et une importante concentration d'effort dans la zone (4). I L'invention, telle qu'elle est représentée sur les figures 2 et 3s consistre en un renfort métallique des rainures de clavettes comportant, pour chaque couple (5) de deux demi-rainures - deux pièces d'appui en acier (6A, 6B) venant en appui par leur face arrière A sur le flanc B de la rainure, chacune de ces pièces 6A, 6B comportant, sur sa face avant, dans sa partie centrale, une nervure en relief (7). - un cadre en acier (8), à périmètre rectangulaire pour relier les piè ces d'appui (6A, 6B). - un insert (9) en acier pour l'appui du rivet (10) dans le disque en carbone (1). Les rainures (11) dans le carbone sont réalisées par usinage avec une fraise dont le diamètre est identique à celui de la partie arrondie de la pièce d'appui (6A, 6B) dont le rayon de courbure, est de préférence égal ou supérieur au tiers de la profondeur de la rainura de clavette. La nervure (7), en relief sur les pièces (6A, 6B) a une longueur égale à l'épaisseur du disque (1). Les pièces d'appui (6A, 6B) sont fixées dans la cadre (8) de façon à faciliter le montage final sur le disque (1). Cette fixation est effectuée, par exemple, par soudure électrique par points, uniquement sur la nervure (7). De cette façon, les pièces (6A, 6B) conservent un certain degré de liberté, et peuvent, sous l'effet d'un effort important, effectuer une légère rotation par rapport au cadre (8). Les génératrices des faces A des pièces d'appui (6A, 6B) sont parallèles et l'assemblage des pièces (6) et du cadre (8) est mis en place après chauffage, de façon à créer une précontrainte de compression, entre les faces A et la partie carbonée en contact avec cette face, qui corresponde à 1500C environ. Ainsi, le carbone est parfaitement préservé du mata ge; 1500C est la température de la-pièce en acier au moment de la suppression totale du jeu avec le carbone, mais cette pièce est chauffée au-dessus de 200"C pour la mise en place.Le calcul des contraintes dans l'acier et le carbone à froid s'effectue en considerant les coefficients de dilatations respectifs de l'acier (11 x 10-6) et du carbone (1,5 x 106), les modules d'étasticité de l'acier (20000 hb), du carbone (1000 à 8000 h b) et les sections respectives d'acier et carbone. Les pièces d'appui (6) peuvent etre aisément réalisées an série à partir d'tm profilé que lton tronçonne. Le cadre (8) peut être réalisé à partir d'un tube rectangulaire coupé en tronçons de longueur appropriée et soumis à un forgeage à chaud. Le rivet (10) est fixé à travers un insert en acier (9) de grand diamètre de préférence égal ou supérieur r la moitié de la profondeur de la rainu- re de la clavette (11) ce qui permet une bonne répartition des efforts dans le carbone autour du rivet et permet de fixer le rivet le plus près possible de la piste de frottement du disque pour un même encombrement radial du cadre (8). La mise en oeuvre de l'invention présente les avantages suivants 10i excellent appui sur les faces internes des rainures (11) des clavettes, quelle que soit la force appliquée, les concentrations de contraintes étant évitées à la fois grâce au grand rayon de courbure de la base des pièces (6), et grâce à la possibilité de la légère rotation des pièces (6) par rapport au cadre (8), autour de la nervure (7). En l'absence de ces pièces (6A, 6B),l'effort de couple s'exerce par une clavette très rigide qui tent à le concentrer d'autant plus près du fond de la rainure de clavette que le couple est important ; il an résulte une concentration des contraintes nuisible à la longévité du disque, tandis que, selon l'invention, le débattement angulaire relatif entre (6A, 6B) et (8) assure une égalisation des contraintes dans le carbone. 2 / participation éventuelle du rivet central à l'effort de couple en raison de la précontrainte du cadre (8) le rivet ne subit pas les efforts provenant des clavettes, dans la mesure où ces efforts sont faibles ; en cas d'efforts importants, l'écrasement du carbone devient supé- rieur à l'écrasement du à la précontrainte, et les pièces (6A, 6B) peuvent alors subir jusqu'à la moitié environ de l'effort total. Transmispar les pièces (6A, 6B) cet effort s'applique sur le rivet (10) puis finalement sur l'insert (9) de grand diamètre, qui transmet dans le carbone une contrainte bien répartie. 30/ absence de contraintes différentielles : la dilatation des parties métalliques n'entraîne pas de contrainte dans le carbone, l'insert (9) possédant un jeu suffisant. Il est souhaitable, de toutes façons, de réaliser des pièces (6) et (8) en un acier qui peut être de qualité courante, mais à faible coefficient de dilatation (par exemple, ( 4 / absence totale de matage sur le carbone grâce à la précontrainte de compression à froid, ce qui supprime toute possibilité de jeu9 donc de choc. La mise en oeuvre de l'invention augmente très sensiblement la sécurité d'emploi et la longévité des freins à disque en composite carbone-carbone. REVENDICATIONS 1 / Renfort métallique de rainures de clavettes pour disque de frein en matériau composite carbone-carbone, caractérisé en ce qu'il comporte, pour chaque couple de deux demi-rainures (5) deux pièces d'appui (6A, 6B) dont la face arrière A coopère avec la face interne B de la rainure de clavette correspondante, assemblées par un cadre rectangulaire (8), fixé dans le disque de frein (1) par au moins un rivet (10) passant dans un insert (9) de diamètre égal ou supérieur à la moitié de la profondeur de la rainure de clavette. 20/ Renfort métalliquel selon revendication 1, caractérisé en ce e le rayon de courbure de le partie arrondie des pièces d'appui (6A, 6B) est égal ou supérieur au tiers de la profondeur de la rainura de clavette. 3 / Renfort métallique, selon revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque pièce d'appui (6A, 6B) comporte, sur la face en regard de la rainure (11), une nervure (7), de -longueur égale à l'épaisseur du. disque (1) et en ce que le cadre (8) est relié, aux pièces d'appui (6A, 6B) unique- ment par fixation sur la nervure (7). 4 / Renfort métallique, selon revendication 3, caractérisé en ce que la fixation entre la pièce d'appui (6A)(6B) et la nervure (7) est effectuée par soudure électrique par points. 5 / Renfort métallique, selon revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'assemblage de la pièce d'appui (6A) (6B) et du cadre (8) sur deux rainures successives (11) exerce une précontrainte de compression sur la partie du disque carboné (1) située entre ces deux rainures. 6 / Renfort métallique, selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé sé en ce qu'il est réalisé en acier ayant un coefficient de dilation linéaire de préférence égal ou inférieur à 12 x 10-6 de O à 600 Co