Brevet FR2596833A1 — publié le 19871009

DISQUE DE FRICTION RENFOR La présente invention concerne des disques de friction réalisés en matériau composite. Plus particulièrement, l'invention s'applique à des disques en composite à renfort stratifié circonférentiellement, et porte sur le renforcement de la tenue au cisaillement interlaminaire du composite. On connait des disques de friction, et particulièrement des disques de freins, en matériau composite, par exemple en composite carbonecarbone. Ces disques peuvent être fabriqués de diverses façons entrainant des structures différentes du matériau qui les compose. On ne détaillera pas ici les caractéristiques et particularités des différents procédés connus de fabrication des matériaux composites. On notera seulement que les propriétés du composite dépendent dans une large mesure de l'agencement du substrat fibreux initial utilisé pour la fabrication. Dans le cas de disques en matériau composite, on peut noter deux dispositions particulières des fibres, résultant de deux méthodes particulières de fabrication. Selon la première, les fibres sont disposées en nappes planes superposées suivant des orientations différentes et après le traitement propre à la réalisation du composite (densification, imprègnation), on obtient les disques dont la structure est faite de strates disposées parallèlement aux surfaces de frottement. Selon une autre méthode on réalise un enroulement des nappes fibreuses sur un mandrin de façon à obtenir un cylindre auquel on fait subir les opérations propres à la réalisation du composite. Puis on découpe dans ce cylindre, perpendiculairement à 1 'axe, des rondelles qui constituent les disques désirés. Dans ce cas, la structure des disques est composée de strates circonférentielles et perpendiculaires aux surfaces de frottement. Quel que soit le procédé de fabrication, il est nécessaire, soit pour réaliser l'entrainement de disques tournants, soit pour assurer le maintien en rotation de disques fixes, de prévoir à leur périphérie, ou sur leur pourtour intérieur, des moyens permettant d'assurer cette fontion de liaison en rotation. Dans ce but, les disques utilisés dans les dispositifs de freinage sont généralement pourvus d'encoches dans lesquelles s'engagent des clavettes, ou ergots, de l'organe portant le disque. C'est au niveau de ces encoches que s'effectue la transmission de l'effort de freinage, qui est de Q fait concentré sur une petite surface, constituée par la face ou même une partie seulement de la face de ces encoches. Or, si les matériaux composites, et en particulier le carbone-carbone utilisé pour les freins, présentent des qualités indéniables au point de vue frottement, ils présentent aussi l'inconvénient d'être moins résistant que l'acier aux efforts de compression et de cisaillement qui s'exercent au niveau des encoches. Ceci fait apparaitre un risque de fissuration et d'effritement en cas de contraintes trop importantes. Ce risque est d'autant plus fréquent qu'il n'est pas possible d'avoir un contact parfait entre clavette et encoche, et donc que l'effort est en fait transmis sur une très faible surface et en conséquence avec une grande pression de contact. I1 est donc apparu nécessaire de renforcer les disques à ce niveau pour disperser l'effort sur une section plus importante et ainsi avoir des contraintes conciliables avec la relative fragilité du matériau. Des moyens de renforcement du disque permettant de diminuer ces contraintes sont décrits dans les demandes de brevet français Nos. 83 08332 et 84 06150. Ces moyens consistent pratiquement à interposer entre la clavette et le matériau composite, au niveau de l'encoche, une pièce métallique qui permet de transmettre l'effort très localisé fourni par la clavette à une section nettement plus importante du matériau composite. La répartition des contraintes qui s'ensuit évite bien les problèmes de matage et d'effritement de la face des encoches. Toutefois, la répartition des contraintes ne peut se faire qu'au niveau d'une section annulaire correspondant approximativement à la profondeur des encoches. La contrainte de cisaillement existant au niveau d'une circonférence passant légèrement en retrait ou au niveau du fond des encoches n'en est pas moins importante. Si cette contrainte de cisaillement ne pose pas de problèmes dans le cas de disques réalisés par la première méthode exposée ci-dessus, conduisant à des disques dont les strates sont parallèles aux faces de frottement, il n'en est pas de même dans le cas de la seconde méthode, conduisant à des disques dont les strates sont circonférentielles. On a alors un risque important de cisaillement interlaminaire entre deux nappes fibreuses. Des procédés existants tentent de parer à cet inconvénient majeur. Tout d'abord un aiguilletage radial peut être réalisé lors de la fabrication du matérau, lorsque l'on réalise l'enroulement des différentes nappes fibreuses. Cet aiguilletage a pour effet d'assurer une liaison par enchevêtrement des fibres des différentes nappes. Un autre procédé est décrit dans le brevet français No. 81.10881. Selon ce document, en plus de l'aiguilletage du matériau, on procède à la compression et à la formation d'ondulations circonférentielles dans toutes les couches de fibres. Ces ondulations déforment la section circulaire de chaque nappe fibreuse et assurent la liaison des nappes par interpénétration du sommet d'une ondulation d'une nappe, dans le creux de l'ondulation correspondante d'une nappe adjacente, et apportent également une amélioration à la résistance au cisaillement laminaire. De plus, la présence des creux de l'ondulation en périphérie, ou sur le pourtour interne du disque est une facilité pour la réalisation des encoches. Toutefois, les risques de cisaillement ne sont pas totalement supprimés. Etant donné les contraintes très importantes auxquelles sont soumis les disques, en particulier lors de leur utilisation dans un système de freinage d'avion, et, pour des raisons de sécurité évidentes, étant impératif d'éviter la rupture de ces disques, on continue à rechercher des moyens d'accroître leur résistance. La présente invention se propose d'apporter une nouvelle solution à ce problème. Pour remédier aux inconvénients précités, un disque de friction en matériau composite du type stratifié circonférentiellement comporte des moyens de renfort pour consolider le matériau à proximité des endroits où les efforts sont transmis entre le disque et son support. Selon l'invention, lesdits moyens de renfort comprennent des chevilles disposés approximativement radialement, en plusieurs endroits de la circonférence du disque, transversalement aux strates du matériau, dans ns l'épaisseur du disque et pénétrant dans ledit disque sur une longueur couvrant plusieurs des strates circonférentielles du matériau à partir de la circonférence interne ou externe du disque. Les chevilles sont emmanchées en force dans des trous percés radialement ou presque radialement, dans le disque, de façon à être ajustées serrées. Lesdites chevilles disposées ainsi pratiquement perpendiculairement aux différentes nappes de fibres empêchent leur glissement relatif et participent ainsi grandement à la résistance au cisaillement interlaminaire. Selon une réalisation préférentielle de l'invention que l'on va décrire cidessous, les chevilles sont disposées au voisinage de part et d'autre des encoches d'entrainement réalisées à la périphérie ou sur le pourtour interne du disque, et elles sont associées avec des cavaliers de renfort disposés dans ns lesdites encoches pour en protéger les faces. On réalise ainsi une combinaison efficace des moyens de renforcement destinés à éviter le cisaillement interlaminaire, avec des moyens de protection contre le matage des faces des encoches. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront dans la description de modes de réalisation préférentiels, en relation avec les dessins dans lesquels - la figure 1 est une vue partielle en perspective et coupes de détails d'un disque de friction selon l'invention, avec encoches et renforts disposés à la périphérie du disque - la figure 2 est une vue en demi-coupe d'un ensemble cavalier-chevilles identiques à celui de la figure 1, mais monté sur le pourtour interne d'un disque; - la figure 3 est une vue en demi-coupe d'une version différente de l'ensemble cavalier-chevilles, avec chevilles à têtes: et - la figure 4 est une coupe transversale d'une cheville montrant la forme triangulaire des cannelures. Selon le mode de réalisation de l'invention, représenté à la figure 1, le disque 2 est pourvu sur sa périphérie d'encoches 5. Ces encoches 5 sont réalisées sur toute l'épaisseur du disque 2 et leur section suivant un plan parallèle aux faces du disque a une forme générale rectangulaire ou carrée dont les angles peuvent être plus ou moins chanfreinés ou arrondis. A la périphérie du disque 2, et symétriquement par rapport à un plan radial passant par le milieu de l'encoche 5, des méplats 8 sont réalisés orthogonalement audit plan radial et s'étendant à partir des faces 6 de l'encoche 5, sur une distance déterminée. Un cavalier 1 de renforcement et de protection de l'encoche est placé de façon à recouvir le matériau composte au niveau de chaque encoche. Ce cavalier 1 comporte une partie centrale en forme de U à branches parallèles, insérée dans l'encoche 5 et qui en épouse les formes de façon à être an contact permanent avec les faces 6 et le fond 7 de l'encoche. De chaque côté, à partir des extrémités des branches du U, des prolongements 9 s'étendent sensiblement perpendiculairement à ces branches. Ces prolongements 9 viennent en appui sur les méplats 8 de la périphérie du disque, lorsque le cavalier est enfoncé jusqu'à buter au fond 7 de l'encoche. Les méplats 8 ont une profondeur suffisante, à partir de la périphérie du disque, pour assurer un dégagement nécessaire à la mise en place des prolongements 9 du cavalier, de façon que ceux-ci ne débordent pas de la circonférence du disque et n'augmentent pas son encombrement. De chaque côté de l'encoche et de chaque côté du disque, le cavalier comporte des facettes 10 parallèles aux faces du disque et reliant les bords latéraux des prolongements 9 aux bords de la branche du U située du même côté. Ces facettes 10 recouvrent une portion de la face du disque qui se trouve directement adjacente au U et au méplat 8. On voit ainsi que le cavalier 1 est une pièce constituée à sa partie centrale d'un U dont "l'épaisseur" est égale à l'épaisseur du disque, et de chaque coté du U, deux parties en forme de U renversé venant recouvrir comme un cavalier les parties du disque adjacentes à chaque encoche. Dans les facettes 10, des perçages sont réalisés, parallèlement à l'axe du disque et coaxialement avec des perçages correspondants réalisés dans le disque. Des moyens de fixation, tels que des rivets 3 sont disposés dans ces perçages et sertis ou rivetés pour assurer le maintien du cavalier sur le disque, sans jeu entre la partie centrale en U dudit cavalier 1, et l'encoche 5 réalisée dans le disque. Des chevilles de renfort 4 sont placées sensiblement radialement dans le disque, de chaque côté de l'encoche. Ces chevilles sont en fait emmanchées à force et sur toute leur longueur dans des trous 13 percés perpendiculairement aux méplats 8 et entrés dans l'épaisseur du disque. De préférence, la longueur des chevilles est égale sensiblement au double de la profondeur des encoches. De préférence aussi, les chevilles sont placées entre la face latéraie 6 de l'encoche et le rivet 3 situé du même côté de l'encoche. Dans cette disposition, l'extrémité de la cheville 4 est recouverte par le prolongement 9 du cavalier. De plus, la cheville 4 participe directement au renfort de l'encoche en répartissant sur toute sa longueur les contraintes reçues à sa partie supérieure, et en répartissant également les contraintes qui pourraient être transmises au niveau du rivet 3, en cas d'effort excessif sur le cavalier 1. Les chevilles 4 sont de préférence cylindriques et cannelées, les cannelures pouvant être droites ou hélicoldales. Ainsi que cela est représenté sur la figure 4, les cannelures présentent une section de forme triangulaire. Des chevilles cannelées de ce type, emmanchées en force dans des trous 13 cylindriques percés ou alesés répartissent et limitent les contraintes d'emmanchement sur toute la profondeur du trou, en détériorant les cannelures de la cheville, ou en rayant l'alésage, selon la nature des matériaux en présence, respectivement pour le disque et pour la cheville. Par exemple, dans le cas de cheville métallique, et de disque en composite carbone-carbone, les cannelures de la cheville imprimeront leur marque dans la paroi, moins dure, du trou percé 13. L'utilisation d'une cheville cannelée est préférable dans un trou cylindrique, car elle autorise des tolérances de fabrication plus larges, autant sur le diamètre du trou, que sur celui de la cheville. L'ajustement sera pour l'emploi d'une cheville cylindrique lisse 0 5 k 6 + 0,009 + 0,001 et 5 5H 7 + 0,012 pour l'alésage +0 Comparativement, l'ajustement sera pour l'emploi d'une cheville cannelée t 5,15 + 0,05 et p 5 + 0,05 pour l'alésage. Selon le mode de réalisation représenté à la figure 3, ls chevilles 4' comportent une tête 12 de section supérieure à la section des chevilles. Des alésages 11 sont réalisés dans les prolongements 9 des cavaliers, coaxialement avec les trous 13 percés dans le disque pour recevoir les chevilles. Dans ce mode de réalisation, le cavalier est d'abord mis en place dans ns l'encoche, puis les chevilles 4' à tête sont emmanchées, à travers les alésages 11 des prolongements 9, dans les perçages 13 du disque, jusqu'à ce que la tête des chevilles bute sur lesdits prolongements. Ainsi, il est possible de supprimer les rivets 3'de maintien du cavalier, celui-ci étant fermement retenu par la tête des chevilles. I1 est à noter que le diamètre des alésages des prolongements doit être supérieur à celui des chevilles pour que lesdites chevilles ne forcent pas dans lesdits alésages lors de l'emmanchement, et ne créent pas de contraintes néfastes dans le disque ultérieurement en cas d'un léger défaut de coaxialité entre alésages des prolongements et perçages dans le disque. Quel que soit le mode de réalisation des chevilles et des cavaliers, il est bien entendu qu'ils peuvent être utilisés pour renforcer des encoches se trouvant à la périphérie, ou sur le pourtour interne du disque, selon que celui-ci est maintenu sur un arbre, ou à l'intérieur d'un moyeu ou d'une roue. L'invention s' applique de façon générale au renforcement de disque en composite stratifié circonférentiellement et plus particulièrement aux disques de freins multidisques en composite carbonecarbone, à texture de type aiguilletée circonférentiellement, utilisés par exemple dans les freins d'avions. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux réalisations particulières décrites cidessus, à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDI Q TIONS 1. Disque de friction en matériau composite du type stratifié circonférentiellement, comportant des moyens de renfort pour consolider le matériau à proximité des endroits où des efforts sont transmis entre le disque et son support, caractérisé en ce que lesdits moyens de renfort comprennent des chevilles (4) disposés approximativement radialement, en plusieurs endroits de la circonférence du disque (2), transversalement aux strates du matériau. dans l'épaisseur du disque et pénétrant dans ledit disque sur une longueur couvrant plusieurs des strates circonférentielles du matériau à partir de la circonférence interne ou externe du disque. 2. Disque de friction selon la revendication 1, caractérisé en ce que les chevilles (4) de renfort sont ajustées serrées et emmanchées en force dans des trous (13) percés sensiblement radialement dans le disque. 3. Disque de friction selon la revendication 1 ou 2, comportant sur sa circonférence interne ou externe des encoches (5) d'entrainement destinées à assurer la liaison en rotation entre le disque et son support, caractérisé en ce que les chevilles (4) de renfort sont disposées au voisinage de part et d'autre desdites encoches (5). 4. Disque de friction selon la revendication 3, caractérisé en ce que les chevilles sont implantées dans le disque sur une profondeur égale environ au double de la profondeur des encoches. 5. Disque de friction selon la revendication 3 ou 4, comportant des cavaliers (1) de renfort disposés dans les encoches pour en protéger les faces (6), caractérisé en ce que des méplats (8) sont réalisés dans le disque, de chaque côté des encoches, lesdits cavaliers comportant des prolongements (9) recouvrant les parties des méplats (8) adjacentes aux cotés des encoches de façon que les cavaliers ne débordent pas de la circonférence du disque, et en ce que les prolongements (9) s'étendent de chaque côté des encoches sur une longueur suffisante pour recouvrir les extrémités des chevilles (4). 6. Disque de friction selon la revendication 5, caractérisé en ce que les chevilles sont pourvues de têtes (12) de section supérieure à la section des chevilles, et en ce que lesdites chevilles sont emmanchées dans les trous (13) du disque au travers d'alésages (11) réalisés dans chaque prolongement (9) des cavaliers, jusqu'à ce que leurs têtes viennent en butée sur lesdits prolongements. 7. Disque de friction selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les chevilles (4) ont une forme cylindrique. 8. Disque de friction selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les chevilles (4) sont cannelées. 9. Disque de fricton selon la revendication 8, caractérisé en ce que les chevilles (4) ont des cannelures hélicoidales. 10. Disque de friction selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que les cannelures ont une section transversale triangulaire. 11. Disque de friction selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les chevilles (4) sont métalliques.