Brevet FR2681925A1 — publié le 19930402

"Plaquette de frein à disque pour chemin de fer" La présente invention concerne d'une manière générale les freins à disque pour chemins de fer. Ainsi qu'on le sait, connus de longue date dans l'automobile, les freins à disque sont de nos jours de plus en plus fréquemment mis en oeuvre dans le chemin de fer, o ils tendent à supplanter les freins à bandage équipant jusqu'alors le matériel correspondant. Comme pour l'automobile, les freins à disque pour chemins de fer mettent en oeuvre deux plaquettes de frein, qui, disposées chacune respectivement de part et d'autre du disque, en y étant soumises à des moyens de commande à pression portés par une pince ou un étrier, sont usuellement chacune fractionnées circonférentiellement en deux demi- plaquettes et comportent chacune une garniture de friction, par laquelle elles sont adaptées à être appliquées au disque, et une semelle, qui porte cette garniture de friction, et par laquelle elles sont elles- mêmes adaptées à être rapportées sur un support fixe par rapport au disque. Mais, dans le chemin de fer, les conditions de mise en oeuvre de tels freins à disque sont très particulières. Tout d'abord, assurée par air comprimé, la pression suivant laquelle la garniture de friction des plaquettes de frein est appliquée au disque est relativement faible. Conjointement, la vitesse linéaire à l'interface entre cette garniture de friction et le disque est au contraire beaucoup plus élevée. Or, l'énergie absorbée lors d'un freinage est dissipée en chaleur, et l'élévation de température qui en résulte pour le disque a pour effet d'en dilater le matériau constitutif, qu'il s'agisse de fonte ou d'acier. Des freinages répétés soumettent donc alternativement le disque à des échauffements et à des refroidissements. Si, lors de tels freinages, l'échauffement est suffisant, la limite d'élasticité en traction de son matériau constitutif peut être atteinte, et des criques de fatigue finissent alors par apparaître à sa surface, au détriment de sa pérennité, et, donc, de la sécurité. Pour limiter l'échauffement au freinage, il importe de diminuer la température moyenne à l'interface entre la garniture de friction et le disque. Il importe, donc, d'obtenir une bonne répartition de la chaleur, et, partant, d'assurer un contact maximal entre cette garniture de friction et le disque. Ainsi, et, indépendamment de toute autre considération, il est particulièrement souhaitable, de ce point de vue, dans les freins à disque pour chemins de fer, que, malgré la relativement faible pression d'application à laquelle elle est soumise, la garniture de friction épouse au mieux le disque, en s'appliquant à celui-ci sur la totalité de sa surface. Il apparaît donc souhaitable, de ce point de vue, que le matériau de frottement constitutif de cette garniture de friction soit relativement élastique, ou, autrement dit, que, perpendiculairement à l'interface de frottement, ce matériau de frottement présente un module d'élasticité en compression relativement bas. Un module d'élasticité en compression de l'ordre de 6800 da N/cm 2 est en général jugé convenable à cet égard dans le chemin de fer. Mais il s'avère qu'avec un matériau de frottement présentant un tel module d'élasticité en compression, une baisse d'efficacité très importante est observée au freinage lorsque ce freinage intervient en atmosphère humide, tel que cela peut être le cas par temps de pluie ou par temps de neige. Couramment de l'ordre de 30 à 40 %, cette baisse d'efficacité, appréciée en distance d'arrêt, peut atteindre %. Le phénomène correspondant, encore mal connu, est en général attribué à la présence d'un film d'eau se formant alors aux vitesses moyennes entre la garniture de friction et le disque. Pour pallier cet inconvénient, il a été proposé de mettre en oeuvre, pour la constitution de la garniture de friction, un matériau de frottement relativement dur, comme cela est déjà connu dans l'automobile. En pratique, pour conserver un coefficient de frottement suffisant en atmosphère humide, il est en général admis que ce matériau de frottement doit présenter un module d'élasticité en compression supérieur à 11000 da N/cm 2. Les garnitures de friction réalisées en un tel matériau de frottement sont présumées casser le film d'eau lorsqu'un tel film d'eau a tendance à se former. Mais elles ont pour inconvénient de ne s'appliquer que très imparfaitement au disque. Il en résulte, au freinage, un échauffement irrégulier de celui-ci, avec le risque que, venant localement à être trop important, cet échauffement conduise, comme indiqué précédemment, à la formation de criques. Ainsi donc, pour un frein à disque pour chemin de fer, deux exigences incompatibles et contradictoires sont normalement à satisfaire pour le matériau de frottement constitutif de la garniture de friction des plaquettes de frein, ce matériau de frottement devant à la fois être relativement élastique et relativement dur. La présente invention a d'une manière générale pour objet une disposition permettant de surmonter de manière simple cette difficulté. De manière plus précise, elle a pour objet une plaquette de frein à disque pour chemin de fer du genre comportant une garniture de friction portée par une semelle et caractérisée d'une manière générale en ce que, conjointement, d'une part, la garniture de friction est en matériau de frottement à haut module d'élasticité en compression, et en ce que, d'autre part, il est interposé entre elle et la semelle une sous-couche en matériau à bas module d'élasticité en compression. En pratique, le module d'élasticité en compression du matériau de frottement constitutif de la garniture de friction est choisi supérieur à 11000 da N/cm 2, et le matériau constitutif de la sous-couche est choisi de manière à ce que, les conditions étant égales par ailleurs, la déformation absolue de l'ensemble formé par la garniture de friction et cette sous-couche soit équivalente à celle d'une garniture de friction de même épaisseur que celle de cet ensemble et réalisée en un matériau de frottement dont le module d'élasticité en compression est inférieur à 7000 da N/cm 2, en étant préférentiellement de l'ordre de 6800 da N/cm 2. Ainsi, la plaquette de frein à disque suivant l'invention présente en surface une garniture de friction dont le matériau de frottement est suffisamment dur pour éviter une baisse sensible d'efficacité en atmosphère humide, et, conjointement, elle comporte en son sein, sous cette garniture de friction, une sous-couche dont le propre matériau constitutif est suffisamment élastique pour que cette garniture de friction épouse au mieux le disque en toute circonstance. En pratique, avec la plaquette de frein à disque suivant l'invention, la baisse d'efficacité en atmosphère humide est inférieure à 20 %, en restant le plus souvent en dessous de 15 %. Certes, il est déjà connu, notamment par le brevet américain No 3 751 330, de mettre en oeuvre une sous-couche en matériau relativement élastique dans un organe de frein. Mais, dans ce brevet américain, il s'agit d'un sabot pour frein à bandage. En outre, et surtout, la sous-couche y a essentiellement pour objet de conduire à une résistance au cisaillement relativement élevée tangentiellement par rapport à l'interface de frottement, ce que confirme la présence de fils dans sa charge. Il s'agit, en effet, et pour l'essentiel, d'éviter une désolidarisation de la garniture de friction vis-à-vis de la semelle qui la porte sous la sollicitation dynamique de vibrations. Il n'y a rien de tel dans la plaquette de frein à disque pour chemin de fer suivant l'invention, dans laquelle, au contraire, il est recherché une certaine élasticité perpendiculairement à l'interface de frottement pour une bonne adaptation l'une à l'autre des surfaces définissant celle-ci. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence aux dessins schématiques annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en élévation d'une plaquette de frein à disque suivant l'invention; la figure 2 en est une vue en coupe transversale suivant la ligne II-II de la figure 1; la figure 3 est une vue en coupe transversale analogue à celle de la figure 2 pour une variante de réalisation. Tel qu'illustré sur ces figures, et de manière connue en soi, la plaquette de frein à disque 10 suivant l'invention, qui est destinée à l'équipement de matériel ferroviaire, comporte, globalement, une garniture de friction il portée par une semelle 12. Par exemple, et tel que représenté, la semelle 12 ne s'étend que sur une fraction de la surface de la garniture de friction 11, au dos de celleci, et, pour permettre à l'ensemble d'être rapporté sur un quelconque support 13, partiellement schématisé en traits interrompus sur les figures 2 et 3, elle présente elle-même à son dos une rainure 14 propre à un montage du type à queue d'aronde sur ce support 13. Les dispositions correspondantes étant bien connues par elles-mêmes et ne relevant pas de la présente invention, elles ne seront pas décrites plus en détail ici. -De manière également connue en soi, et tel que schématisé en traits interrompus sur la figure 1, la plaquette de frein à disque 10 suivant l'invention est usuellement jumelée bout à bout avec une autre suivant une circonférence du disque concerné. Suivant l'invention, et conjointement, la garniture de friction 11 est en matériau de frottement à haut module d'élasticité en compression, perpendiculairement à la surface par laquelle elle est destinée à être appliquée à un disque, non représenté, et il est interposé, entre cette garniture de friction il et la semelle 12 qui la porte, une sous-couche 16 en matériau à bas module d'élasticité en compression. Préférentiellement, le module d'élasticité en compression du matériau de frottement constitutif de la garniture de friction il est choisi supérieur à 11000 da N/cm 2, et le matériau constitutif de la sous-couche 16 est choisi de manière à ce que, les conditions étant égales par ailleurs, la déformation absolue de l'ensemble formé par cette garniture de friction il et cette sous-couche 16 perpendiculairement à la surface 15 de la garniture de friction il soit équivalente à celle d'une garniture de friction de même épaisseur e que celle de cet ensemble et réalisée en un matériau de frottement dont le module d'élasticité en compression E est inférieur à 7000 da N/cm 2, en étant préférentiellement de l'ordre de 6800 da N/cm 2. Soit e' l'épaisseur de la garniture de friction 11 et E' le module d'élasticité en compression du matériau de frottement qui la constitue. Soit, conjointement, e" l'épaisseur de la sous-couche 16 et E" le module d'élasticité en compression du matériau qui la constitue. Il y a, entre les divers paramètres en cause, la relation suivante: El/= e e et Compte tenu des valeurs numériques données précédemment pour les modules d'élasticité en compression E, E", cette relation permet de connaître l'ordre de grandeur du module d'élasticité en compression E" que doit présenter le matériau constitutif de la sous-couche 16 en fonction des épaisseurs conjointement en jeu. Par exemple, l'épaisseur e' de la garniture de friction 11 peut être double de celle e" de la sous-couche 16, tel que représenté à la figure 2. En variante, figure 3, elle peut être du même ordre que celle-ci. Mais, globalement, le module d'élasticité en compression E" que doit présenter le matériau constitutif de la sous-couche 16 est en pratique toujours inférieur à 1000 da N/cm 2, en étant le plus souvent de l'ordre de 800 à 900 da N/cm 2. Quoi qu'il en soit, il est préférentiellement déterminé de façon à ce que, à usure totale de la garniture de friction 11, la déformation soit encore suffisante. Préférentiellement, également, la sous-couche 16 contient du caoutchouc ou un matériau composite à matrice élastomère. Mesurée en poids, et appréciée en caoutchouc pur, sa teneur en caoutchouc est alors comprise entre 10 % et 30 %, en étant préférentiellement de l'ordre de 15 %. Préférentiellement, également, lorsque la sous-couche 16 contient une charge, cette charge est dépourvue de fils. On donnera ci-après à titre d'exemple non limitatif une composition possible pour le matériau de frottement constitutif de la garniture de friction il et une composition possible pour le matériau constitutif de la sous-couche 16. A Garniture de friction 11: t en poids Laine d'acier 23,3 Laine de roche 10 Caoutchouc nitrile 3,95 Soufre 1,05 Résine formo-phénolique 10,95 Hexaméthylènetétramine 0,85 Tournure de laiton 19,15 Oxyde de fer 12 Coke de houille 10,7 Magnésie 7,5 Carbure de silicium 0,55 100 B sous-couche 16: % en poids Laine d'acier 40 Laine de roche 15 Caoutchouc butadiène-styrène 15 Soufre 0,5 Oxyde de zinc 3,5 Magnésie 3 Résine formo-phénolique 1 Baryte 16 Oxyde de fer 3 Graphite 3 Avec une telle composition, le matériau constitutif de la sous-couche 16 conserve avantageusement ses propriétés élastiques dynamiques jusqu'à environ 1000 C, ce qui est suffisant pour la plupart des applications. Pour des applications particulières correspondant à des conditions extrêmes, comme cela peut être le cas pour le freinage de trains à grande vitesse, un caoutchouc plus résistant, tel que nitrile, éthylène acrylique, élastomère fluoré par exemple, est préférentiellement choisi, et ce caoutchouc est préférentiellement renforcé, en étant par exemple allié à des fibres aramides. Dans ce dernier cas, le matériau constitutif de la sous-couche 16 conserve ses propriétés jusqu'à environ 250 OC. Quoi qu'il en soit, les fibres présentes tant dans la garniture de friction 11 que dans la sous-couche 16 du fait de la composition de celles-ci ont une longueur au plus égale à 1 ou 2 cm. Il ne s'agit donc en rien de fils. Si désiré, la garniture de friction il et la sous-couche 16 peuvent être moulées et vulcanisées ensemble, directement sur la semelle 12. Dans ce cas, les températures de transformation de leurs matériaux constitutifs respectifs doivent préférentiellement être très proches. Par exemple, il peut être procédé comme suit. Il est tout d'abord procédé à l'obtention d'un mélange A correspondant au matériau recherché pour la garniture de friction il et à celle d'un mélange B correspondant au matériau recherché pour la sous-couche 16. Par exemple, le mélange A est passé dans un mélangeur à socs et couteaux pendant environ 16 mn, et le mélange B est passé dans un mélangeur interne pendant 13 mn. En variante, le mélange B est passé dans un malaxeur, dans lequel est versé un solvant pour obtenir une dissolution du caoutchouc et, alors pâteux, il est ensuite séché, puis broyé. Quoi qu'il en soit, il est ensuite procédé au déversement, dans un moule dans lequel a été préalablement placée la semelle 12, d'abord du mélange B, suivant une couche d'épaisseur aussi constante que possible, puis du mélange A. Ces mélanges A et B sont ensuite comprimés par un piston sous une pression de 500 da N/cm 2 à température ambiante ou à chaud. Il est enfin procédé à une cuisson de l'ensemble, en étuve, à 2000 C pendant 5 h, pour la polymérisation des résines et la vulcanisation des caoutchoucs. L'interface obtenue entre la garniture de friction 11 et la sous-couche 16 au terme de ce processus de mise en oeuvre est alors relativement irrégulière et approximative, la garniture de friction il et la souscouche 16 s'imbriquant mutuellement l'une dans l'autre le long de cette interface, ce qui est favorable à la résistance au cisaillement. Mais, en variante de ce processus de mise en oeuvre, la garniture de friction il et la sous-couche 16 peuvent également être moulées et vulcanisées séparément avant d'être rapportées l'une sur l'autre, en étant alors convenablement solidarisées l'une à l'autre, par exemple par collage. Quoi qu'il en soit, il est fait en sorte que la garniture de friction 11 présente préférentiellement en creux, sur sa surface 15, un réseau quadrillé de rainures 18. Suivant l'invention, ces rainures 18 ont une profondeur suffisante pour entailler également la sous-couche 16. La garniture de friction il se trouve ainsi subdivisée en blocs 20 indépendants les uns des autres, ce qui favorise l'obtention d'un bon contact individuel de chacun de ces blocs sur le disque associé. En effet, ces blocs 20 peuvent alors jouer indépendamment les uns des autres sous l'effet de ressort de la sous-couche 16 élastique sous-jacente. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à la forme de réalisation décrite et représentée, mais englobe toute variante d'exécution. REVENDICATIONS 1 Plaquette de frein à disque pour chemin de fer, du genre comportant une garniture de friction ( 11) portée par une semelle ( 12), caractérisée en ce que, conjointement, la garniture de friction ( 11) est en matériau de frottement à haut module d'élasticité en compression, et il est interposé entre elle et la semelle ( 12) une sous-couche ( 16) en matériau à bas module d'élasticité en compression. 2 Plaquette de frein à disque suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le module d'élasticité en compression du matériau de frottement constitutif de la garniture de friction ( 11) est supérieur à 11000 da N/cm 2, et le matériau constitutif de la sous- couche est choisi de manière à ce que, les conditions étant égales par ailleurs, la déformation absolue de l'ensemble formé par la garniture de friction ( 11) et cette sous-couche ( 16) soit équivalente à celle d'une garniture de friction ( 11) de même épaisseur que celle dudit ensemble et réalisée en un matériau de frottement dont le module d'élasticité en compression est inférieur à 7000 da N/cm 2, en étant préférentiellement de l'ordre de 6800 da N/cm 2. 3 Plaquette de frein à disque suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, caractérisée en ce que le module d'élasticité en compression du matériau constitutif de la sous-couche ( 16) est inférieur à 1000 da N/cm 2 en étant préférentiellement de l'ordre de 800 à 900 da N/cm 2. 4 Plaquette de frein à disque suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la sous-couche ( 16) contient du caoutchouc. 5 Plaquette de frein à disque suivant la revendication 4, caractérisée en ce que, mesurée en poids, et appréciée en caoutchouc pur, la teneur en caoutchouc de la sous-couche ( 16) est comprise entre 10 % et 30 %, en étant préférentiellement de l'ordre de 15 %. 6 Plaquette de frein à disque suivant l'une quelconque des revendications 4, 5, caractérisée en ce que la charge que contient la sous-couche ( 16) conjointement avec du caoutchouc est dépourvue de fils. 7 Plaquette de frein à disque suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le matériau de frottement constitutif de la garniture de friction ( 11) a5 une composition du type de la suivante: Laine d'acier Laine de roche Caoutchouc nitrile Soufre Résine formo-phénolique Hexaméthylènetétramine Tournure de laiton Oxyde de fer Coke de houille Magnésie Carbure de silicium % en poids 23,3 3,95 1,05 ,95 0,85 19,15 ,7 7,5 0,55 8 Plaquette de frein à disque suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le matériau constitutif de la sous-couche ( 16) a une composition du type de la suivante: % en poids Laine d'acier Laine de roche Caoutchouc butadiènestyrène Soufre Oxyde de zinc Magnésie Résine formo-phénolique Baryte Oxyde de fer Graphite 0,5 3,5 9 Plaquette de frein à disque suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la garniture de friction ( 11) et la sous-couche ( 16) sont moulées et vulcanisées ensemble. 10 Plaquette de frein à disque suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la garniture de friction ( 11) et la sous-couche ( 16) sont moulées et vulcanisées séparément avant d'être rapportées l'une sur l'autre. 11 Plaquette de frein à disque suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que, la garniture de friction ( 11) présentant en creux à sa surface ( 15) un réseau de rainures ( 18), lesdites rainures ( 18) entaillent également sa sous-couche ( 16).