Brevet FR2557240A1 — publié le 19850628

Disque de frein à garnitures démontables. L'invention concerne un disque de frein à disque, constitué de garnitures de friction démontables montées des deux côtés d'une âme résistante aux efforts mécaniques. Pour des véhicules terrestres lourds et mus à grandes vitesses, les énergies dissipées aux freinages sont considérables. Les freins à disque traditionnels les plus performants doivent être utilisés en nombre suffisant pour éviter toute dégradation thermique des matériaux métalliques constituant le disque. Il s'en suit un encombrement volumineux et des masses tournantes non suspendues importantes, limitant ainsi les performances du véhicule. D'autre part, pour des freinages à très fortes puissances (freinages d'urgence ou de détresse), les disques traditionnels (fontes ou aciers réfractaires) thermiquement très sollicités, sont souvent le siège de fissurations ou criques entraînant la dépose et le changement des disques. La dépose des disques est généralement une opération de maintenance coûteuse et délicate, demandant souvent le démontage complet de l'essieu. De plus, lors des freinages, les grandes dissipations énergétiques donnent naissance à de très hautes températures dans le disque. Elles entraînent des dilatations importantes qui créent des sollicitations mécaniques aux points d'ancrage au moyeu, conduisant souvent à leur rupture. Pour éviter ces risques, les constructeurs utilisent souvent des moyeux élastiques nécessitant l'emploi d'aciers très spéciaux, et dont les formes complexes entratnent des procédés de fabrication délicats. Différents efforts ont déjà été faits pour dissocier la fonction de frottement et dissipation thermique d'une part et la fonction de transfert des efforts mécaniques d'autre part C'est pourquoi des disques du type précité en tête de ce mémoire ont déjà été proposés: les documents FR-A-2324945, 2357789, 2359321, 2470299 témoignent à des degrés divers de tels efforts. Toutefois, les systèmes proposés à l'heure actuelle ne donnent pas entièrement satisfaction, et leurs principaux 2 557240 inconvénients sont, en résumé, les suivants: limitation thermique des matériaux, masses importantes, liaisons mécaniques délicates du disque avec le moyeu, maintenance lourde et onéreuse. Le but de l'invention est de proposer un nouveau disque de frein palliant les principaux inconvénients précités tout en permettant une adaptation aisée aux systèmes de frein couramment employés (pinces, pièces environnantes, liaison à l'essieu). Ce but est atteint selon l'invention en ce que l'âme est constituée d'un moyeu entouré de rayons, en ce que les garnitures sont des secteurs annulaires portant sur leur dos intérieur des reliefs coopérant avec les rayons pour assurer notamment un guidage radial et un blocage angulaire, en ce qu'il est prévu des moyens élastiques de montage amovible axial des secteurs sur l'âme, et des moyens élastiques de montage amovible radial des secteurs sur l'âme. Ainsi se trouve parfaitement réalisée la séparation entre la fonction frottement et dissipation thermique et la fonction transfert des efforts mécaniques. Avantageusement, les moyens élastiques de montage axial et radial comprennent d'une part des crochets situés à l'extrémité des rayons et formant des butées obliques à la fois axiales et radiales coopérant avec des surfaces obliques correspondantes de la périphérie externe des secteurs, et d'autre part des couronnes élastiques fixées sur le moyeu de l'âme et s'appuyant élastiquement sur des surfaces obliques correspondantes de la périphérie interne des secteurs. Avantageusement, les secteurs de l'une et l'autre face du disque s'appuient axialement dos à dos. Avantageusement, dans le cas o chaque secteur est contigu à une pluralité de rayons, la surface oblique de la périphérie externe du secteur est dégagée au niveau des crochets de certains desdits rayons, afin de faciliter le libre jeu des dilatations différentielles pendant le fonctionnement du frein. Avantageusement, les reliefs du dos intérieur de chaque secteur comprennent d'une part une rainure radiale centrale coopérant par ses côtés avec les chants d'un rayon et dont la profondeur maintient à distance le fond de la rainure et le plat du rayon, et d'autre part deux demi-rainures radiales en bordure du secteur, laissant la place, avec jeu, d'un rayon. Des gorges au dos des secteurs assurent une ventilation interne. Avantageusement, les secteurs d'une face sont décalés d'un demi-secteur des secteurs de l'autre face. Chaque secteur recouvre deux espaces angulaires entre les rayons. Avantageusement, le disque comprend six ou huit rayons. En résumé, l'invention utilise: - des garnitures de frottement, présentées en secteurs de couronne disposés sur les faces du disque, libres de se dilater axialement et radialement, - une âme métallique à rayons supportant sans les contraindre les éléments frottants, transmettant les efforts mécaniques et libre de se dilater radialement ce qui favorise une architecture simple, le moyeu étant intégré à l'âme. L'utilisation de garnitures en matériaux carbone-carbone ou carbonecarbure de silicium permet de dépasser notablement les limites thermiques des matériaux classiques conduisant ainsi à un gain de masse considérable, palliant ainsi certains inconvénients précités. Les patins de pince sont alors constitués du même matériau que celui utilisé pour les garnitures de frottement du disque. Les matériaux composites carbone-carbone, ou carbone- carbure de silicium ont des capacités de résistance jamais atteintes à ce jour par d'autres matériaux, ainsi qu'un coefficient de frottement élevé même à hautes températures. De plus, jamais on a obtenu d'aussi faibles abrasions avec des garnitures classiques. Leurs principales caractéristiques sont: - une très forte chaleur spécifique (environ deux fois 255724O celle de l'acier) qui augmente avec la température (jusqu'à 1500 C au moins), - une faible densité (environ 3 à 4 fois plus faible que celle de l'acier), - d'excellentes caractéristiques mécaniques et une grande résistance à la déformation pour toutes les températures rencontrées en freinage. - un très faible coefficient de dilatation quelle que soit la direction spatiale considérée (environ 3 à 5 fois plus faible que celui de l'acier), - une excellente résistance aux chocs thermiques, - des conductivités différentes suivant les orientations spatiales considérées (environ 25 à 250 W/m C), mais réglables. - de très bonnes caractéristiques de frottement avec un coefficient dynamique moyen y> 0,30, - des usures très faibles, même aux hautes températures de fonctionnement, comparées à celles des garnitures classiques ou en céramiques frittées (environ 3 à 4 fois plus faibles). L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'un mode préféré de réalisation. Il sera fait référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente en perspective partiellement arrachée et éclatée un disque de frein conforme à l'invention. - la figure 2 est une demi-coupe axiale du disque, au travers d'un rayon de l'âme, - la figure 3 est une vue de détail au voisinage d'un rayon, en coupe circulaire orthogonale audit rayon, - la figure 4 est une vue de détail en coupe IV-IV de la figure 3. Le disque comporte une âme métallique 1 composée de six ou huit bras radiaux ou rayons 2 répartis de façon équidistante autour d'une couronne 3 jouant le rôle du moyeu. Les bras 2 ont une section rectangulaire (ils comportent des plats 4 et des chants 5), et se terminent par une chape 6 en forme de crochet double dirigé vers l'axe du disque et définissant de chaque côté de l'âme une portée oblique 7. Les bras 2 peuvent résister à des efforts mécaniques importants et les transmettre au moyeu 3 qui les répercute sur l'essieu (non représenté) dont il est solidaire. Les garnitures de frottement sont formées de secteurs 8 (trois ou quatre par face de disque) montés de chaque côté des bras 2 de l'âme métallique 1. Sur la figure 1, on a représenté des secteurs 8 à l'état monté, d'un côté et de l'autre du disque, et, en éclaté, deux secteurs orientés de façon à laisser voir respectivement leur face externe de frottement 11 et leur face interne d'accrochage ou dos 10. Disposés en butée sous les chapes 6 en bout de bras 2, les secteurs 8 de garnitures son crochetés et maintenus radialement et axialement à leur périphérie externe. L'angle d'inclinaison des portées 7 des crochets par rapport à l'axe du disque est déterminé pour permettre un parfait maintien des secteurs 8, mais aussi faciliter l'assemblage lors de leur mise en place. Les portées obliques 7 des chapes 6 coopèrent avec des portées obliques correspondantes 9 à la périphérie externe des secteurs 8. Les secteurs 8 mis sur une face du disque s'appuient sur le dos 10 des secteurs disposés sur l'autre face. Les secteurs 8 disposés dos à dos sont décalés circonférentiellement d'un angle égal à l'écart angulaire des bras (60 ou 450), soit à la moitié de l'extension angulaire des secteurs 8. Ce montage permet une bonne tenue à la flexion des secteurs 8 de garnitures et un parallélisme correct des faces de frottement 11 évitantainsi une attaque brutale par les patins de pince des bords chanfreinés 13 des secteurs (fig.3). Ces appuis permettent aussi d'éviter le contact du dos 10 des secteurs de garniture 8 avec les bras supports 2, diminuant ainsi les transferts thermiques vers l'âme métallique et favorisant une ventilation des bras. En effet, les contacts entre les secteurs 8 de garnitures et les bras 2 sont limités aux surfaces des chants 5 des bras 2 de façon suffisante pour supporter les efforts mécaniques, tout en permettant un dégagement 14 pour l'air de ventilation en bout de bras 2 (cf. fig. 4). Pour cela, des rainures radiales 15 et 16 sont exécutées au dos de la garniture, respectivement au milieu et aux bords du secteur 8, pour permettre l'emboîtement des bras 2. La profondeur des rainures 15,16 est définie pour laisser un jeu suffisant avec le plat 4 des bras 2 pour favoriser leur ventilation. De plus, chaque secteur 8 de garniture transmet les efforts de frottement qu'il reçoit à un seul des bras 2 de l'âme métallique 1. Aussi, seule la rainure centrale 15 des secteurs 8 de garnitures présente des bords 17 en contact avec les chants 5 du bras emboité 2, ce qui permet à la garniture 8 de travailler en compression de façon identique quel que soit le sens de rotation du disque. Les bras 2 reprennent donc alternativement les efforts de frottement des secteurs d'une face du disque puis de l'autre. Dans le cas o les températures de fonctionnement sont jugées excessives pour le disque et en particulier l'âme métallique, une autoventilation interne est réalisée en exécutant des gorges ou rainures 18 aux dos 10 des secteurs 8 (cf. fig. 3). Dans le mode de réalisation illustré sur les dessins, chaque garniture 8 est susceptible d'être en contact radial avec trois chapes, ce qui n'est pas nécessairement compatible avec le libre jeu des dilatations différentielles. Aussi peut-on prévoir que, pour obtenir et maintenir les mêmes contacts radiaux entre les chapes 6 et les garnitures 8 lors des évolutions thermiques du frein en fonctionnement, la portée oblique 9 du milieu de la garniture (au niveau de la rainure centrale 15) en vis-à-vis de la portée oblique 7 de la chape 6 du bras correspondant soit dégagée ou, les portées obliques 9 aux extrémités de la garniture 8 (au niveau des rainures de bord 16), en vis-à-vis des portées obliques 7 des chapes 6 des bras correspondant soient dégageas. Ainsi seuls sont soumis à des efforts centrifuges deux points de contacts radiaux en extrémités des secteurs de garniture pour la première version, ou un contact radial central pour la seconde version. Enfin, pour que les secteurs 8 de garnitures soient complètement tenus axialement, serrés dos à dos et poussés radialement contre les chapes 6 en bout de bras, des couronnes élastiques 19 viennent en appui sur un cône de portée 20 usiné sur la périphérie interne des secteurs 2 de garniture et dont l'angle est défini pour laisser libre leurs déplacements relatifs. Les couronnes élastiques sont supportées par la couronne moyeu 3 de l'âme métallique 1 et tenues par des vis 21. Elles permettent un auto-centrage des secteurs 8 de garnitures tout en les laissant libres de se dilater par rapport à l'âme métallique 1, évitant ainsi l'accumulation des contraintes. Les couronnes élastiques sont constituées par un anneau dans lequel sont prévus les trous 22 pour le passage des vis 21, entouré de bras radiaux constituant des lames élastiques cintrées dont l'extrémité vient appuyer sur la portée conique 20. La simplicité de forme de l'âme métallique I intégrant le moyeu 3, la maîtrise des niveaux thermiques atteints sur les bras 2, les faibles contraintes accumulées dues en particulier à la libre dilatation des bras, permettent l'utilisation dtaciers réfractaires matrices de composition bien définie et de reproductibilité parfaite ou de fontes moulées à hautes caractéristiques mécaniques. Les couronnes élastiques 19 en aciers réfractaires du type 15CDV6 ou28CDV5 sont matricées. La reproductibilité du produit est donc parfaitement maîtrisée. L'utilisation d'un tel disque équipé de garnitures carbone/carbone ou carbone/carbure de silicium dans un système de frein du type ferroviaire permet: - un gain de masse d'environ 60 % par rapport aux systèmes de freins utilisant des disques classiques, - un gain d'encombrement d'environ 50 %, - une durée de vie des disques équivalente à celle des disques classiques, - une durée de vie des patins de pince environ quatre fois plus importante que celle obtenue avec des patins de freins traditionnels, - une maintenance très simplifiée ne nécessitant pas d'immobilisation prolongée du véhicule, - une sécurité totale de freinage permettant la sauvegarde du véhicule même dans des conditions très sévères et exceptionnelles pour lesquelles les matériaux classiques sont détruits. L'utilisation d'un tel disque est parfaitement adaptée aux systèmes des freins des véhicules ferroviaires et en particulier aux trains grandes vitesses. Il peut être employé aussi sur des véhicules utilitaires lourds, des engins de travaux publics, des camions incendies, des chars... REVENDICATIONS 1. Disque de frein à disque, constitué de garnitures de friction (8) démontables montées des deux côtés d'une âme (1) résistante aux efforts mécaniques, caractérisé en ce que l'âme (1) est constituée d'un moyeu (3) entouré de rayons (2), en ce que les garnitures sont des secteurs annulaires (8) portant sur leur dos intérieur (10) des reliefs (15,16) coopérant avec les rayons (2) pour assurer notamment un guidage radial et un blocage angulaire, en ce qu'il est prévu des moyens élastiques de montage amovible axial (19,6) des secteurs (8) sur l'âme (1), et des moyens élastiques de montage amovible radial (19,6) des secteurs (8) sur l'âme (1). 2. Disque selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens élastiques de montage axial et radial comprennent d'une part des crochets (6) situés à l'extrémité des rayons (2) et formant des butées obliques à la fois axiales et radiales coopérant avec des surfaces obliques correspondantes (9) de la périphérie externe des secteurs (8), et d'autre part des couronnes élastiques (19) fixées sur le moyeu (3) de l'âme et s'appuyant élastiquement sur des surfaces obliques correspondantes (20) de la périphérie interne des secteurs (8). 3. Disque selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque secteur (8) contigu à une pluralité de rayons (2), la surface oblique (9) de la périphérie externe du secteur étant dégagée au niveau des crochets (6) de certains desdits rayons (2). 4. Disque selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les secteurs (8) de l'une et l'autre face du disque s'appuient axialement dos à dos (10). 5. Disque selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les reliefs du dos intérieur (10) de chaque secteur (8) comprennent une rainure radiale centrale (15) coopérant par ses côtés avec les chants (5) d'un rayon (2) et dont la profondeur maintient à distance le fond de la rainure et le plat du rayon (2). 6. Disque selon la revendication 5, caractérisé en ce que les reliefs du dos intérieur (10) de chaque secteur (8) comprennent deux demi-rainures radiales (16) en bordure du secteur, laissant la place, avec jeu, d'un rayon (2). 7. Disque selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que des gorges (18) au dos (10) des secteurs (8) assurent une ventilation interne. 8. Disque selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les secteurs (8) d'une face sont décalés d'un demi-secteur des secteurs (8) de l'autre face. 9. Disque selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que chaque secteur (8) recouvre deux espaces angulaires entre les rayons (2). 10. Disque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend six ou huit rayons (2). 11. Disque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'âme (1) est métallique et les garnitures (8) sont des composites du type carbone-carbone ou carbone-carbure de silicium.