Brevet FR2623263A1 — publié le 19890519

L'invention a pour objet un frein pour véhicules routiers, ferroviaires et aéronefs, de préférence frein à disque à garniture partielle, constitué d'un élément tournant, par exemple un disque de frein, et d'un élément fixe, par exemple une mâchoire de frein pourvue d'un dispositif de serrage tel qu'un piston soumis à l'action d'un fluide sous pression, utilisant un matériau céramique ou similaire comme partenaire de friction. Le développement des véhicules exige pour les automobiles et véhicules ferroviaires actuels des freins présentant une grande fiabilité, des performances et une durée de vie importantes, tout en assurant un encombrement réduit et un poids sévèrement limité, afin de maintenir aussi faibles que possible les masses non suspendues. Ces exigences jointes à la nécessité d'employer des matériaux non polluants (matériauxde friction exempt d'amiante) se heurtent de plus en plus aux limites de la rentabilité. En particulier, le prix élevé des matières de substitution de l'amiante et les sollicitations auxquelles sont soumises les garnitures de friction du fait des grandes vitesses admissibles de la nouvelle génération de véhicules, entraînent des coûts d'entretien et de réparation élevés pour les utilisateurs de ces véhicules, afin de maintenir l'installation de freinage en bon état. Ces problèmes ne peuvent plus être résolus par des mesures de construction concernant l'installation de freinage, ni par une modification des garnitures de friction. Il est nécessaire au contraire de réduire la sollicitation spécifique des surfaces de friction et les contraintes thermiques du matériau de friction, tout en maintenant un poids réduit pour le frein, sans augmenter son encombrement. La réduction de l'usure du matériau de friction se traduit à la longue par des coQts d'entretien et de réparation de l'installation de freinage beaucoup plus bas. On a déjà tenté d'obtenir des conditions plus favorables en recourant à la céramique comme matériau de frein. Par le document DE-OS 35 15 512, on connaît un disque de frein dont la bague de friction est exclusivement en céramique. D'autres publications décrivent des disques de frein dans lesquels le disque classique, réalisé en acier, est revêtu d'un matériau céramique, ou est réalisé dans un alliage de céramique et de métal (Cermet). Ces développements ont en commun que les garnitures de friction usuelles en matériau de friction organique, sont utilisées dans les dimensions et selon une dispositif usuels dans les freins classiques, c'est-à-dire comme dans les freins à disque à garniture partielle équipésd'un disque d'acier. Le problème de la forte sollicitation spécifique des surfaces de friction n'est pas résolu avec ces freins équipés de disques céramiques et similaires; la seule différence est que Il'on atténue le problème par une meilleure évacuation de la chaleur et une meilleure résistance à l'usure du disque de frein en céramique. Avec le disque de frein, en particulier pour freinsd'avion, selon le document DE-OS 24 18 024, des garnitures de friction annulaires, interchangeables, en matériau à base de carbone, sont fixées sur le noyau du disque de frein. Si ces garnitures de friction devaient coopérer en friction avec des éléments en métal fritté fixes, on obtiendrait une sollicitation spécifique des surfaces de friction du matériau de friction, beaucoup moins importantes. Mais l'association matière plastique/métal fritté ne peut être utilisée, contrairement à l'aviation, dans les transports routiers du fait non seulement des coûts élevés, mais du comportement spécifique en friction, du confort et du profil de sollicitation tout-à-fait différents. L'invention a. pour but de réaliser un frein permettant de freiner fiablement des véhicules lourds et très rapides dans toutes les conditions de fonctionnement, qui soit en même temps petit et léger et garantisse une faible sollicitation spécifique des surfaces de friction. L'invention se caractérise en ce que, dans le frein du type précité, l'élément tournant porte comme partenaire de friction 'une couche de garniture en matériau de friction organique, li6 par une matière plastique, tandis que l'élement fixe du frein comporte un partenaire de friction en matériau céramique ou similaire. Du fait d'une telle disposition inversée du matériau de friction par rapport à l'élément tournant et à l'élément fixe du frein, par utilisation de ce matériau qu'est la céramique et similaire, on obtient que l'élément de construction qui dans le système de freinage connu, était le plus fortement sollicité, à savoir la garniture de la mâchoire de frein réalisée dans un matériau de friction organique, est considérablement moins sollicité. En disposant la garniture en matériau de friction organique sur le disque de frein, on obtient une surface de garniture plusieurs fis pis grande et tournant rapidement pour ce matériau, le partenaire de friction en matériau de friction organique ayant à supporter une sollicitation thermique et mécanique beaucoup moins importante. Si l'on utilise pour la mâchoire de frein un matériau de friction céramique, on obtient un déplacement voulu de la plus forte contrainte thermique vers la garniture de mâchoire céramique, supportant mieux les hautes températures. Cette association du matériau de friction pour l'élément tournant et l'élément fixe du frein donne une meilleure répartition des contraintes thermiques et mécaniques. L'endurance et les performances du frein s'en trouvent améliorées. Grâce à une sollicitation spécifique réduite des surfaces de friction, on obtient une plus longue durée de vie et par conséquent des coûts d'entretien réduits pour les garnitures de friction de l'installation de freinage, soumises à usure. Il en résulte une répartition nettement améliorée des contraintes thermiques et mécaniques. Selon une- autre caractéristique de l'invention, il est avantageux pour l'élément agissant du dispositif de serrage, par exemple le piston, d'utiliser aussi un matériau céramique. Il en va de même pour le cylindre de frein. Outre l'avantage d'un transfert de chaleur réduit, on peut faire l'économie avec un cylindre céramique du traitement de surface qui est coûteux. Selon l'invention, la mâchoire de frein qui ne doit plus obéir en premier lieu à des critères d'usure, peut être adaptée dans une forme idéale concernant la surface de pressage, au diamètre du piston du dispositif de serrage, d'o des conditions idéales de pressage des surfaces. Afin d'éviter un effet de cisaillement avec le matériau céramique très dur destiné au partenaire de friction de l'élément fixe du frein, il est avantageux que les bords d'entrée et de sortie du partenaire de friction de l'élément fixe - vus en coupe transversale- soient arrondis. Les associations de friction entre le matériau de friction classique (matériau de friction organique) et le matériau de friction céramique dans l'agencement suivant l'invention, peuvent être utilisés pour tous les systèmes de freinage connus. Des modes de réalisation de l'invention sont décrits ci-après plus en détail en référence aux dessins annexés. La figure 1 est une vue en coupe schématique et de principe d'un frein à disque suivant l'invention, la figure 2 est une vue en coupe schématique et de principe du frein à tambour suivant l'invention, la figure 3 est un schéma de principe d'un frein à disque destiné à un véhicule ferroviaire suivant l'invention, la figure 4 montre un détail d'une mâchoire de frein en céramique. Dans un frein à disque à garniture partielle 1 de la figure 1, le disque de frein 7 est pourvu sur ses deux faces d'une garniture 3 et 4 en matériau de friction organique, et ce sur toute la surface annulaire de la partie de disque 2a. Les mâchoires de frein 5 et 6 sont constituées chacune d'une plaque de support 7 comportant un revêtement de friction 8 en matériau céramique. Le piston 9 du dispositif de serrage de l'étrier flottant 10 peut être un piston céramique. Comme le montre la figure 4, les bords du revêtement céramique 8 d'entrée et de sortie sont pourvus d'arrondis 11 et 12. Dans le frein à tambour 14 de la figure 2, le corps de tambour 15 présente sur son pourtour intérieur une masse de garniture 16 en matériau de friction organique. Les mâchoires de frein 17 et 18 qui sont montées tournantes en 19 et 20, et qui peuvent être pressées contre la masse de garniture 16 du corps de tambour, par un dispositif de serrage 21, sont pourvues d'une garniture 22 et 23 en matériau céramique. Les références 24, 25 désignent des ressorts destinés à desserrer les mâchoires de frein. Dans le frein à disque 27 de la figure 3 pour véhicules ferroviaires, le corps de disque 28 est pourvu tout autour, sur ses deux faces, d'une garniture de friction 29 et 30 en matériau de friction organique. Les mâchoires de frein 31 et 32 qui sont montées tournantes autour des axes 33 et 34, présentent une garniture 35 et 36 qui est en matériau céramique. Là encore, la masse de garniture en matériau de friction organique a une surface beaucoup plus importante sur le disque de frein que les garnitures céramiques des mâchoires de frein. Comme matériau céramique, on peut utiliser tout matériau industriel céramique approprié. Pour le matériau de friction organique on peut utiliser la composition usuelle telle qu'elle est connue dans l'industrie des garnitures de friction. REVENDICATIONS 1. Frein pour véhicules routiers, ferroviaires et aéronefs, de préférence frein à disque à garniture partielle, constitué d'un élément tournant (2, 15,28> par exemple un disque de frein, et d'un élément fixe, (5,6,17,18, 31 32) par exemple ue mir defreinpuruoe d'un dispositif de serrage tel qu'un piston (9) soumis à l'action d'un fluide sous pression, utilisant un matériau céramique ou similaire comme partenaire de friction associé, caractérisé en ce que l'élément tournant (2, 15, 28) du frein (1, 14, 27) porte comme partenaire de friction associé une couche de garniture (3, 4; 16, 29, 30) réalisée dans un matériau de friction organique lié par une matière plastique, tandis que l'élément fixe (5, 6; 17, 18; 31, 32) comporte un partenaire de friction réalisé dans un matériau céramique ou similaire. 2. Frein selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément agissant du dispositif de serrage, par exemple le piston (9), est réalisé dans un matériau céramique. 3. Frein selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le partenaire de friction, en matériau céramique ou similaire, de l'élément fixe du frein a une surface dont la grandeur correspond l' 1élément agissant, par exemple le piston (9). 4. Frein selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les bords d'entrée et de sortie du partenaire de friction (8) de l'élément fixe - vus en coupe transversale - sont pourvus d'arrondis (11, 12).