Brevet FR2696219A1 — publié le 19940401

Disque de frein en matériau composite au carbone et empilement de disques de frein comportant ce disque La présente invention concerne, d'une manière générale, des disques de freins en matériau composite, et en particulier des disques en matériau composite au carbone destinés à être utilisés notamment dans des ensembles de freins pour avions. Les ensembles de freins pour avions ont une forme et une structure bien connues et se composent habituellement d'un empilement de disques comprenant plusieurs disques de stator annulaires non rotatifs intercalés avec un nombre associé de disques de rotor annulaires rotatifs, et de moyens applicateurs de poussée conçus pour déplacer l'empilement de disques afin d'amener les disques de stator et de rotor en contact à frottement D'une manière caractéristique, les moyens applicateurs de poussée comportent un tube de poussée qui passe à travers les disques annulaires et possède un bord de réaction qui s'étend radialement depuis l'une de ses extrémités et contre lequel les disques sont poussés, et une couronne de cylindres de "frein" hydrauliques déplacée radialement depuis l'autre extrémité du tube et reliée d'une manière rigide à celle-ci. Les disques de l'empilement doivent pouvoir engendrer des forces de frottement et résister à des charges de couple, à la chaleur produite et à la charge de "poussée" axiale qui leur est appliquée, directement ou indirectement, par les cylindres de frein et le bord de réaction Des disques en matériau composite au carbone sont habituellement utilisés parce qu'ils peuvent résister à des températures de service supérieures à 1000 C tout en maintenant la valeur de coefficient de frottement requise. Ces matériaux composites sont bien connus et sont habituellement du type carbone-carbone, dans lequel le carbone est renforcé par du carbone filamentaire éventuellement sous la forme d'une étoffe ou d'une bande au carbone Toutefois, bien que capables de résister à la charge axiale requise, si celle-ci est répartie d'une manière uniforme sur une surface large, ces matériaux mis en oeuvre sous la forme de disques sont incapables de résister à des charges localisées importantes, sans détérioration Dans le cas extrême, une empreinte en creux due à une déformation plastique ou à une usure des disques peut provoquer une fracture et/ou une rupture d'un disque. Les charges axiales localisées ne se trouvent habituellement pas dans le corps de l'empilement o une "face de frottement" vient en butée contre une "face de frottement", mais aux extrémités de l'empilement o les disques de stator d'extrémité présentent respectivement une face de frottement tournée vers l'intérieur et une face de transmission de charge tournée vers l'extérieur Les faces de transmission de charge des disques de stator d'extrémité sont soumises à des charges axiales respectives de la part soit du bord de réaction soit des cylindres de frein Pour répartir la charge provenant du bord de réaction, on utilise un plateau de réaction annulaire qui joue le rôle d'un répartiteur de charge Ce plateau est fait d'un métal approprié et est disposé entre le bord de réaction et son disque de stator d'extrémité adjacent De la même manière, un ou plusieurs plateaux répartiteurs annulaires sont disposés entre les cylindres de frein et leur disque de stator d'extrémité adjacent. Normalement, en raison de la taille relative du plateau répartiteur ou du plateau de réaction qui vient en butée, par rapport à celle du disque de stator d'extrémité correspondant, environ 50 % seulement de chaque face de poussée de disque sont soumis à une charge axiale Par conséquent, il est probable qu'un voilement du disque va se produire du fait de cette charge non uniforme ou peut être du refroidissement différentiel que cette venue en butée va précipiter Ceci peut se traduire par une usure non uniforme et une éventuelle défaillance des disques. Dans la pratique, les disques en matériau composite au carbone peuvent facilement résister à des cycles de températures de fonctionnement élevées, ce qui n'est toutefois pas le cas des plateaux de réaction ou des plateaux répartiteurs Une déformation thermique permanente peut apparaître dans ces plateaux, d'o l'application non uniforme de la charge aux disques de stator d'extrémité, ce qui peut, en premier lieu, annuler l'avantage que représente l'utilisation de ces plateaux Pour remédier à cet inconvénient, il a été suggéré dans le brevet américain 4 878 563 de construire un disque de stator d'extrémité et un plateau répartiteur reliés entre eux, qui sont assemblés par une liaison mécanique permettant une dilatation thermique. Cependant, cet ensemble ne parvient pas à remédier à un autre inconvénient qui est que les plaques métalliques conduisent facilement la chaleur de l'empilement de disques aux ensembles formant cylindres et pistons de freins hydrauliques, ce qui risque d'entraîner leur défaillance prématurée. S'il était possible de construire un disque fait d'un matériau composite au carbone prédominant, qui soit d'une seule pièce et qui présente une élasticité suffisante à une déformation ou une résistance suffisante à une fracture due à des charges localisées, les plateaux de réaction ou les plateaux répartiteurs existants ne seraient alors plus nécessaires, ce qui permettrait de remédier à certains, sinon à la totalité, des inconvénients susmentionnés La présente invention a pour but de proposer un disque de ce type. Selon un premier aspect de la présente invention, il est proposé un disque, à double fonction en matériau composite au carbone destiné à être fixé à l'extrémité d'un empilement de disques de frein, comportant une face de frottement carbone-carbone non durcie et une surface de transmission de charge opposée, caractérisé en ce qu'une partie au moins de ladite surface est durcie pour offrir une plus grande résistance à une déformation, à une fracture et/ou à une usure. Conformément à un second aspect de la présente invention, il est proposé un disque annulaire en matériau composite au carbone pour un empilement de disques de frein, comportant des surfaces de bord périphériques extérieure et intérieure, caractérisé en ce qu'une partie au moins de l'une au moins des surfaces est durcie pour offrir une plus grande résistance à une déformation, à une fracture et/ou à une usure. De préférence, ladite partie représente la totalité de ladite surface, et un durcissement approprié est réalisé par un aiguilletage et/ou un procédé de traitement chimique. L'un des traitements de ce type est un procédé chimique capable d'effectuer une conversion localisée du carbone en une substance plus dure ou plus rigide Le traitement peut consister en un traitement thermochimique, tel qu'un traitement au silicium ou un traitement au chrome, en une imprégnation par un liquide comme par exemple une résine qui peut ensuite être carbonisée, ou en une imprégnation par un métal ou un métalloïde, ou encore par un dépôt de matériau après infiltration par une phase gazeuse. A la suite du traitement, ladite partie peut être pourvue d'un revêtement résultant dudit traitement Un durcissement approprié peut être réalisé pendant un procédé de manipulation de fibres avant la formation du matériau composite au carbone. L'invention concerne également un empilement de disques de frein comportant un disque de ce type. Ce qui précède ainsi que d'autres buts, avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront plus clairement de la lecture de la description détaillée suivante d'un mode de réalisation préféré de l'invention, donnée à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe partielle d'un ensemble de disques de frein comportant des disques de stator d'extrémité conformes à un mode de réalisation préféré de la présente invention; et la figure 2 est une vue en coupe partielle d'un disque de stator d'extrémité de la figure 1. En référence aux figures, un ensemble de disques de frein 1 comporte un empilement de disques annulaires désigné dans son ensemble par le numéro de référence 2, qui comprend plusieurs disques de stator 3 et disques de rotor 4 doubles, intercalés, lesdits disques étant fabriqués à partir d'un matériau composite au carbone Il comprend également un tube de poussée non rotatif 5 s'étendant axialement à travers l'empilement de disques 2 et comportant un bord de réaction 6 qui s'étend radialement depuis son extrémité intérieure axialement Il est prévu, reliée à l'extrémité extérieure du tube de poussée 5 et s'étendant radialement depuis celle-ci, une couronne de cylindres de frein 7 qui possèdent chacun un ensemble formant piston 8 correspondant En face de chacun de ces ensembles formant pistons 8, il est prévu un organe de réaction de forme tronconique 9 correspondant relié, au niveau de son extrémité extérieure axialement, au bord de réaction 6, l'empilement de disques 2 étant disposé entre les ensembles formant pistons 8 et les organes-de réaction 9. Au niveau de l'une des extrémités de l'empilement de disques 2, un disque à double fonction de stator d'extrémité ou de poussée 10 présente une face de frottement carbone- carbone 11 et une surface de transmission de charge extérieure durcie 12 qui vient en butée contre les organes de réaction 9 Au niveau de l'autre extrémité de l'empilement de disques 2, il est prévu un disque à double fonction de stator d'extrémité ou de pression 13 qui présente une face de frottement carbone-carbone 14 et une surface de transmission de charge extérieure durcie 15 qui vient en contact avec un disque d'isolation thermique annulaire 16 disposé entre ladite couronne d'ensembles formant pistons 8 et le disque de stator d'extrémité 13 Un écran thermique 17 est relié à la surface extérieure axialement du disque d'isolation 16 Les disques 10, 13 susmentionnés servent à la fois de disques de frottement au niveau de leurs faces de frottement non durcies et d'organes destinés à recevoir une charge extérieure appliquée axialement à l'empilement de disques 2, et sont par conséquent décrits ici comme étant à double fonction A titre de variante, dans certaines structures, le disque d'isolation 16 peut être supprimé, la surface de transmission 15 venant directement en contact avec l'écran thermique 17. La périphérie intérieure des disques de stator 3 s'étend radialement vers l'intérieur à partir de la périphérie correspondante des disques de rotor 4 et vient en contact avec des rainures de clavettes de transmission de couple définies dans le tube de poussée 5 Par conséquent, les disques de stator 3 sont fixes en rotation par rapport au tube de poussée Les disques de rotor 4 sont libres de tourner autour du tube de poussée 5, mais sont clavetés, au niveau de leur périphérie extérieure, sur une jante de roue associée (non représentée) de manière à être relativement non rotatifs Par conséquent, un déplacement relatif des ensembles formant pistons 8 en direction des organes de réaction 9 amène les disques de l'empilement 2 en contact de freinage à frottement pour ainsi stopper tout mouvement de rotation de la jante de la -roue par rapport au tube de poussée 5 On peut se rendre compte que, dans le mode de réalisation préféré de l'invention représenté sur la figure 1, des disques de stator d'extrémité 10 et 13 identiques sont utilisés, et que lesdites surfaces de transmission de charge 12 et 15 des disques de stator d'extrémité 10 et 13 respectivement, sont entièrement durcies La figure 2 est une vue en coupe d'une partie du disque 10 dans laquelle la densité d'un "effet d'ombre" de la zone située sous la surface représente la variation progressive de la structure du matériau dans la direction axiale de la surface 12 à la surface 11 On comprendra qu'il est possible, si on le souhaite, de ne prévoir qu'un durcissement localisé d'une partie de chacun des disques 10 et 13 dans la zone annulaire qui vient directement en butée contre les organes de réaction 9 et le disque d'isolation 16, respectivement. Dans les structures des ensembles de freins en matériau composite au carbone de l'art antérieur, les disques d'extrémité ont une composition chimique et des propriétés physiques identiques à celles des autres disques de stator de l'empilement Il était donc jusqu'à présent nécessaire de prévoir des plateaux de poussée ou des plateaux répartiteurs en métal supplémentaires au niveau des deux extrémités de l'empilement de disques. La suppression des plateaux répartiteurs et de bords de poussée permet par conséquent, si on le souhaite, d'utiliser des disques de stator d'extrémité conformes à la présente invention, qui sont axialement plus épais que ceux qu'ils remplacent Ceci donne lieu à un perfectionnement utile en matière d'isolation thermique, car le matériau de stator possède normalement une conductivité thermique inférieure à celle du matériau des plateaux et/ou des bords qu'il a remplacé Par conséquent, les ensembles de frein construits de cette façon vont fonctionner plus longtemps avant d'être sujets à un échauffement des cylindres de frein Si on le préfère, les disques intermédiaires de l'empilement peuvent avoir une plus grande épaisseur A titre de variante, comme dans le mode de réalisation -préféré, l'augmentation de la "résistance" des disques d'extrémité permet d'utiliser des disques plus minces axialement que ceux qu'ils remplacent. Dans ce cas, le fait d'utiliser en plus un disque d'isolation, tel que le disque 16, permet de remédier à l'inconvénient thermique que constitue l'utilisation d'un disque d'extrémité plus mince à proximité des ensembles formant cylindres et pistons. On aura compris que non seulement les stators d'extrémité, mais également des périphéries intérieure et extérieure 18 et 19 des disques de stator 3 et des disques de rotor 4 sont respectivement soumis à une charge sans frottement Ces périphéries présentent des encoches pour venir en prise avec des rainures de clavettes 20 respectives définies dans le tube de poussée 5 et avec des rainures de clavettes définies dans la jante de roue (non représentée). Les faces radiales de ces encoches transmettent les forces de freinage à la roue et peuvent, de ce fait, subir une déformation De même, les périphéries se déplacent axialement par rapport au tube 5 ou à la jante, et peuvent subir une déformation plastique, une fracture ou une usure Par conséquent, dans un autre mode de réalisation de l'invention, ces surfaces périphériques des disques de frein en matériau composite au carbone sont durcies pour diminuer une usure, une déformation et l'apparition d'une fracture normalement rencontrées dans les disques carbone-carbone. Il est clair que la totalité de la surface de la face de poussée des disques de stator d'extrémité, ou des surfaces périphériques des disques de stator et de rotor venant en prise avec des rainures de clavettes, n'est pas soumise à une charge ou à une usure Par conséquent, pour obtenir l'amélioration des caractéristiques de matériau requise, il peut être souhaitable de ne durcir qu'une partie de ces surfaces. Dans tous les modes de réalisation de la présente invention, les disques de frein en matériau composite au carbone de forme appropriée peuvent avoir une partie de leurs surfaces périphériques ou de leurs surfaces de face durcie suivant une ou plusieurs des méthodes décrites ci-après En particulier, la partie peut être durcie par un procédé d'aiguilletage ou par un procédé de traitement chimique. Pour qu'il ne subsiste aucun doute, il faut bien comprendre que ce durcissement peut être réalisé pendant un procédé de manipulation de fibres avant la formation des matériaux composites au carbone, ou une fois que la structure composite a été formée Il faut se rendre compte que l'expression durcissement est censée comprendre un renforcement, un raidissement, ou les deux, et que durcir une surface signifie que le matériau sous-jacent à la surface est durci L'expression "non durci" indique qu'un durcissement tel qu'il est décrit ici n'a pas été réalisé d'une manière intentionnelle. Une forme préférée de durcissement consiste en un aiguilletage réalisé pendant un procédé de manipulation de fibres avant la formation du matériau composite au carbone. D'autres matériaux durcis dotés d'une structure variant progressivement peuvent être produits pendant la formation du matériau composite par incorporation de particules ou de fibres céramiques, de particules ou de fibres de carbone dur, ou d'une fraction de volume plus importante de fibres de carbone ou de fibres de carbones orientées suivant des directions différentes. A titre de variante, une fois que la structure composite au carbone a été formée, la conversion localisée de la structure du carbone en une substance plus dure ou plus rigide peut être réalisée par un traitement chimique, éventuellement par un traitement thermochimique Pour illustrer ceci à l'aide d'un exemple, on considère qu'un traitement au silicium ou un traitement au chrome peut donner de bons résultats. Un traitement de la partie de surface par une imprégnation par un liquide à l'aide d'une résine polymère, suivie par un procédé de carbonisation, constitue une autre possibilité, de même qu'une imprégnation par un métal ou un métalloïde Un autre traitement comporte le dépôt d'un matériau après infiltration par une phase gazeuse. On comprendra que certains des procédés de durcissement peuvent se traduire par un revêtement à l'extérieur du matériau composite au carbone, pour donner lieu à une structure de matériau qui, en section transversale, va du carbone-carbone à un autre matériau plus dur entre lesquels la structure du matériau varie. Bien que la description précédente ait porté sur un mode de réalisation préféré de la présente invention, il est bien entendu que celle-ci n'est pas limitée aux exemples particuliers décrits et illustrés ici, et l'homme de l'art comprendra aisément qu'il est possible d'y apporter de nombreuses modifications et variantes sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Disque à double fonction en matériau composite au carbone ( 10, 13) destiné à être fixé au niveau de l'extrémité d'un empilement de disques de frein, comportant une face de frottement carbone-carbone non durcie ( 11, 14), et une surface de transmission de charge opposée ( 12, 15), caractérisé en ce qu'une partie au moins de ladite surface ( 12, 15) est durcie pour offrir une plus grande résistance à une déformation, à une fracture et/ou à une usure. 2 Disque annulaire en matériau composite au carbone ( 3) pour un empilement de disques de frein ( 2), comportant des surfaces de bords périphériques extérieure et intérieure ( 18, 19), caractérisé en ce qu'une partie au moins de l'une au moins desdites surfaces est durcie pour offrir une plus grande résistance à une déformation, à une fracture et/ou à une usure. 3 Disque selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite partie représente la totalité de ladite surface. 4 Disque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite partie est durcie par un aiguilletage. Disque selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite partie est durcie par un procédé de traitement chimique. 6 Disque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite partie est traitée chimiquement pour réaliser une conversion localisée du carbone en une substance plus dure ou plus rigide. 7 Disque selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite partie est soumise à un traitement thermochimique. 8 Disque selon la revendication 7, caractérisé en ce que le traitement thermochimique est un traitement au silicium ou un traitement au chrome. 9 Disque selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite partie est traitée par imprégnation par un liquide. il Disque selon la revendication 9, caractérisé en ce que le liquide est une résine polymère qui a été carbonisée après imprégnation. 11 Disque selon la revendication 9, caractérisé en ce que le liquide est un métal ou un métalloïde. 12 Disque selon la revendication 5, caractérisé en ce que le traitement comporte un dépôt de matériau après infiltration par une phase gazeuse. 13 Disque selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, caractérisé en ce que ladite partie est pourvue d'un revêtement résultant du traitement. 14 Disque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite partie est durcie pendant un procédé de manipulation de fibres avant la formation du matériau composite au carbone. Disque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il possède une structure de matériau qui varie axialement. 16 Empilement de disques de frein, caractérisé en ce qu'il comporte un disque de stator de poussée ( 10) et/ou un disque de stator de pression ( 13) selon l'une quelconque des revendications précédentes.