Brevet FR2710118A1 — publié le 19950324

STRUCTURE ADDITIONNELLE DESTINEE A AMELIORER LA REPARTITION DE PRESSION SUR LES DISQUES D'UN FREIN D'AVION. DESCRIPTION L'invention concerne une structure métalli- que flottante additionnelle, destinée à améliorer la répartition de pression sur les disques d'un frein d'avion. Un frein d'avion classique comprend un empilement coaxial de disques de friction qui sont appelés rotors et stators. Les rotors sont entraînés en rotation par la jante de la roue, par l'intermédiaire d'un ensemble de clavettes disposées sur l'intérieur de la jante et parallèlement à son axe. Ils peuvent donc coulisser par rapport à la jante. Par un principe identique, les stators sont liés en rotation à l'essieu de la roue, tout en pouvant coulisser par rapport à cet essieu. Les rotors et stators sont empilés alterna- tivement et il suffit de comprimer axialement l'ensem- ble pour que le freinage ait lieu. Cette compression est assurée par un ensem- ble de vérins hydrauliques axialement disposés sur une circonférence ayant un diamètre voisin du diamètre moyen des faces frottantes des disques. Cet ensemble de vérins est fixé sur le moyeu de la roue. A l'opposé de la pile de disques, par rapport aux vérins sont également fixés sur le moyeu de la roue un certain nombre de points d'appui centrés sur le diamètre moyen des faces frottantes des disques. Pour commander le freinage, on n'utilise que la moitié du nombre des vérins, l'autre moitié étant une sécurité. Cependant, rien ne distingue les deux groupes de vérins, qui par ailleurs, sont disposés alternativement sur la circonférence. Dans l'art antérieur, les vérins appuient directement sur la face du premier disque de l'empile- ment, qui est toujours un stator puisqu'il ne doit pas glisser par rapport aux vérins. Cette configuration a pour but de gagner du poids. Pour cette même raison, le nombre des vérins disposés circonférentiellement est limité le plus pos- sible. Pour un avion de ligne on trouve généralement de 10 à 14 vérins par exemple, soit 5 à 7 vérins actifs simultanément. Compte tenu du diamètre des disques, la distance entre vérins actifs est donc d'environ 20 cm. Cette distance est élevée par rapport à l'épaisseur des disques, de sorte qu'il s'en suit une très grande variation de pression entre les disques en fonction de la distance aux vérins. Lorsque les disques sont en carbone et, plus particulièrement, en carbone bon conducteur de la chaleur, donc peu durs, cet hétérogénéité de pression est responsable d'un accroissement de l'usure. Par ailleurs, cette hétérogénéité de pres- sion conduit à des hétérogénéités de températures et notamment à des zones très chaudes en prolongement de l'axe des vérins. Comme le coefficient de frottement du carbone et de beaucoup de matériaux de friction diminue fortement avec la température, il en résulte une dimi- nution très sensible de la performance d'arrêt, parti- culièrement en cas de décollage avorté. Le but de l'invention est de diminuer très sensiblement l'hétérogénéité de pression en ne rajou- tant qu'une masse relativement faible à l'ensemble d'un frein déjà réalisé. Dans une première forme de réalisation de l'invention, il est proposé une structure métallique flottante interposable entre l'ensemble des extrémités des vérins d'un frein d'avion et le disque le plus proche des vérins, destinée à améliorer la répartition de pression exercée sur ce disque et sur les suivants, caractérisée en ce que sa forme générale est circulaire et coaxiale avec les disques et en ce que sa section radiale est un U à fond plat dans lequel viennent s'en- foncer avec un jeu suffisant et s'appuyer les extrémi- tés de tous les vérins, les extrémités des flancs du U étant prolongées vers l'extérieur du U de manière à former deux couronnes concentriques de profil sensible- ment parallèle au fond du U. On réalise ainsi une structure métallique flottante légère mais très raide. Cette solution peut s'appliquer sans autres changements à des freins existants et elle est origi- nale en ce sens qu'elle possède la forme la plus per- formante en raideur et en masse compte tenu des espaces disponibles sur tous les freins actuels de part et d'autre de l'extrémité des vérins. La structure circu- laire peut notamment être réalisée en tôle métallique ou en métal usiné dans la masse. Sa section tout le long de sa circonférence est celle d'un U à fond plat et présentant à droite et à gauche en haut du U un segment parallèle au fond. La somme de ces segments est sensiblement égale à la longueur du fond plat. Cepen- dant, cette disposition de longueurs n'est pas impéra- tive et des variantes peuvent être envisagées, notam- ment compte tenu des épaisseurs des diverses zones. La hauteur du U est égale à la distance qui sépare la plaque de fixation des vérins de la surface du disque, lorsque la longueur des vérins est minimale. Les flancs du U sont destinés à venir entourer avec un certain jeu de fonctionnement la base de tous les vérins. L'extrémité des vérins n'est séparée du premier disque que par l'épaisseur de la structure, ce qui est négligeable pour la géométrie du frein. A titre indicatif, une structure circulaire en acier selon l'invention, pesant environ 2 kg, amé- liore beaucoup la répartition de pression sur un frein car sa raideur équivaut à celle de deux des disques les plus épais pour un ensemble de 9 disques en carbone pesant 50 kg. Lors de l'emploi de cette solution, il est préférable que les patins d'appui vissés à l'extrémité des vérins soient carrés ou rectangulaires ou, dans le meilleurs cas, en forme de secteur radial de couronne afin d'améliorer la transmission des efforts à la structure métallique. Dans une deuxième forme de réalisation de l'invention, il est proposé une structure métallique flottante interposable entre l'ensemble des extrémités des vérins d'un frein d'avion et le disque le plus proche des vérins, destinée à améliorer la répartition de pression exercée sur ce disque et sur les suivants, caractérisée en ce que sa face destinée à venir en contact avec le disque le plus proche des vérins est munie d'un nombre de cales identique au nombre total de vérins, les cales étant centrées sur la bissectrice de l'angle au centre entre deux vérins grâce à des moyens de repérage angulaire entre la structure métallique et au moins un des vérins. Cette solution est un complément à la solu- tion ci-dessus mais elle peut éventuellement, selon l'invention, concerner une structure initiale sensible- ment différente de celle décrite ci-dessus. Elle consiste à fixer, par soudure ou bra- sage par exemple, des cales minces sous le fond du U, c'est-à-dire entre ce fond et le premier disque du frein. Ces cales sont disposées en quinconce par rap- port aux vérins actifs et non actifs. Si un frein possède un total de 10 vérins actifs et non actifs il y a donc 10 cales sous le fond du U et chacune d'elles est positionnée entre 2 vérins. Dans ce cas, la structure en U est équipée d'un repère angulaire permettant de la positionner angulairement par rapport à au moins un vérin. On voit donc qu'avec ces cales, le nombre de points d'appui est égal à la somme des nombres de vérins actifs et non actifs, c'est-à-dire qu'il est le double de la situa- tion de l'art antérieur. Le comportement du frein est inchangé si l'on passe des vérins actifs aux vérins inactifs. L'intérêt de cette solution réside dans le fait que la flèche f des disques, responsable des hété- rogénéités de pression est de la forme suivante: f pK xL3 f =K- E:rl P = charge par vérin L = distance entre vérins E = module d'élasticité dans le plan I = moment d'inertie K est un coefficient qui dépend des encastrements aux appuis et du type de répartition de charge. Il est difficile à déterminer avec exactitude mais il reste valable comparativement. On voit donc qu'avec deux fois plus de vé- rins la flèche tend à être huit fois plus faible. Ce facteur est un minimum car, compte tenu du diamètre des vérins, la réduction de portée libre est effectuée dans un facteur supérieur à deux. L'avantage de cette seconde solution par rapport à la première est donc, d'une part d'être beau- coup plus efficace à masse égale, d'autre part d'être plus indépendante de la raideur de la structure en U, ce qui permet d'alléger celle-ci. Les flèches atteintes sous charge dans le cas de l'exemple chiffré précédent étant très faibles, on peut prévoir selon l'invention, des cales très min- ces. Leur épaisseur doit être comprise de préférence entre la flèche correspondant à la limite élastique du métal composant la structure en U et la flèche corres- pondant à l'effort maximal appliqué en pratique addi- tionné à la flèche du premier disque. Une autre possibilité selon l'invention consiste à observer que l'application en pratique de la charge maximale est extrêmement rare, donc sans consé- quence sur l'usure. On peut donc dimensionner l'épais- seur des cales de telle sorte qu'elles assurent la répartition la plus régulière possible de la pression lors des freinages fréquents à pression moyenne et que, lorsque dans les cas exceptionnels la pression aug- mente, le jeu dans l'axe des pistons actifs s'annule entre le fond plat de la structure en U et le premier disque de l'empilement. Ainsi, la structure en U est protégée contre la possibilité de subir des flèches importantes pouvant lui laisser une déformation permanente si sa température s'élève beaucoup à ce moment. Les dimensions des cales selon l'invention, autres que leur épaisseur, peuvent varier assez forte- ment. Toutefois, il est logique que leur largeur radialement mesurée par rapport aux disques soit iden- tique à celle de la base du U. Leur longueur dans la direction circonfé- rentielle peut évoluer dans les conditions suivantes: - si elle est courte, le principe de l'invention est parfaitement respecté d'un point de vue théorique car les points d'appui sur le premier disque sont bien équidistants; - si elle augmente, la zone d'appui tend à se rappro- cher des vérins actifs à cause de la flèche prise par la structure en U. Cependant, si la structure en U est relati- vement rigide, il peut y avoir intérêt à augmenter la longueur circonférentielle des cales pour cumuler les avantages des première et deuxième solutions selon l'invention. La structure en U, selon l'invention a aussi pour avantage d'assurer la protection thermique des vérins, grâce au fait qu'il ne sont plus directe- ment en contact des disques qui chauffent. Dans cet esprit, il est possible d'employer des cales d'appui en matériaux isolants et suffisamment réfractaires. Pour cela, les épaisseurs des cales étant très faibles (0,05 à 1 mm environ) on peut envisager diverses solutions telles que par exemple: - dépôts de céramiques peu conductrices ou frittées à faible densité; - utilisation de métaux relativement peu conducteurs (acier inox, etc.); - utilisation de métaux frittés poreux. La structure métallique en U peut également être réalisée en acier faiblement conducteur. Dans le cas o l'on n'emploie pas de cales, le contact thermique est bon entre le premier disque et la structure métallique en U. Cette structure peut alors, au contraire, servir de radiateur de chaleur pendant la ventilation des freins après un atterris- sage. La forme de la structure en U lui donne en effet une grande surface d'échange avec l'air ambiant et peut donc servir à extraire plus vite la chaleur des disques qui, eux, sont très compacts. Dans le cas o on retient cet usage annexe de la structure en U il est possible, selon l'invention, d'augmenter encore son efficacité en y soudant des ailettes métalliques, de masse négligea- ble. On voit donc que l'on peut utiliser la structure en U comme isolant ou échangeur thermique. Cependant, dans tous les cas, cette structure protège thermique- ment les vérins. L'invention sera mieux comprise d'après les exemples suivants, faisant appel aux figures décrites ci-dessous: - Figure 1: coupe schématique d'un frein à disques d'avion. - Figure 2: vue en coupe diamétrale illustrant une première forme de réalisation de la structure métal- lique selon l'invention. - Figure 3: vue axiale de la structure métallique de la figure 2, montrant l'appui d'un des vérins. - Figure 4: vue en coupe radiale de la structure mé- tallique des figures 2 et 3, par l'axe d'un des vérins. - Figure 5: vue développée d'une pluralité de vérins, appuyant sur le fond d'une structure métallique re- présentée en coupe, illustrant une deuxième forme de réalisation, dans laquelle des cales d'appui et un système de positionnement angulaire par rapport aux vérins sont implantés sur la structure. - Figure 6: vue en coupe radiale, par l'axe d'un vé- rin, illustrant une variante de la structure métalli- que, dans laquelle des ailettes de refroidissement en forme de couronnes concentriques sont implantées sur la structure. On distingue sur la figure 1 les disques rotors 1 d'un frein d'avion, entraînés en rotation par des clavettes 2 solidaires de la jante 3 de la roue. Le pneu n'est pas représenté. On voit aussi les disques stators 4 du frein, bloqués en rotation par des clavet- tes 5 solidaires du moyeu 6 de la roue. Les disques rotors 1 et stators 2 sont disposés alternativement pour former un empilement de disques. Une pluralité de vérins 7 est fixée sur une couronne 8 solidaire du moyeu 6 en face d'une extrémité de l'empilement. De plus, les disques sont retenus axialement à l'autre extrémité de l'empilement par une couronne de retenue 9 comportant généralement une plu- ralité de points d'appui 10. Conformément à l'invention, une structure métallique circulaire 11, représentée sur les figures 2 et 3, est interposée entre les pistons des vérins 7 et le disque stator 4 adjacent. Cette structure métallique circulaire 11 a en section la forme d'un U à fond plat 13. Les flancs 12a et 12b (figure 4) du U formé en section par la structure métallique 11 se prolongent vers l'extérieur du U, parallèlement au fond plat 13, sous la forme de segments 14 et 15 dont la somme des longueurs est sensiblement égale à celle présentée en section par le fond plat 13. Par ailleurs, chacun des segments 14 et 15 a sensiblement la même longueur. On voit sur la figure 3 que les segments 14 et 15 sont en fait des couronnes concentriques inté- rieure 14 et extérieure 15. On voit sur la figure 4 la position de la structure métallique 11 par rapport à chacun des vérins 7. On constate que la largeur du U formé en section par la structure 11, c'est-à-dire la distance entre les flancs 12a et 12b sensiblement parallèles, est légèrement supérieure au diamètre du cylindre des vérins 7. Par conséquent, ces derniers sont placés entre les flancs 12a et 12b de telle sorte que la structure métallique 11 peut coulisser librement autour du cylindre des vérins 7. Les extrémités des pistons 16 des vérins 7 sont équipés de patins d'appui 17 venant au contact du fond 13 de la structure 11. Ces patins d'appui 17 pénè- trent librement dans ladite structure. Ils ont notam- ment pour rôle de centrer la structure 11 par rapport à l'axe du frein. Ils servent également à transmettre l'effort à la structure 11 de manière optimale et, pour cela, il est préférable de remplacer les habituels patins d'appui circulaires par des patins 17 ayant la forme de secteurs de couronnes tels que celui qui est représenté sur la figure 5; La hauteur du U formé en section par la structure 11, c'est-à-dire la hauteur des flancs 12a et 12b, est égale à la distance qui sépare la couronne 8 portant les vérins 7 de la surface du premier disque stator 4, lorsque les vérins sont totalement rétractés. La structure métallique 11 est réalisée dans un métal léger, réfractaire et à haut module d'élasticité, le meilleur étant de très loin le béryl- lium. D'autres métaux tels que l'acier peuvent aussi être utilisés. La mise en forme de la structure 11 s'ef- fectue sans difficulté par matriçage ou usinage ou assemblage d'éléments soudés ou rivetés par exemple. La forme représentée de la structure métallique 11 peut subir selon l'invention de nombreuses modifications notamment en ce qui concerne les épaisseurs locales, les angles et les proportions entre les longueurs des divers segments. Sur la figure 5 apparaît la seconde forme de réalisation de l'invention, dans laquelle des cales d'appui 18 sont situées entre le premier disque stator 4 du frein et la structure métallique 11 et fixées sur celle-ci. On distingue une pluralité de vérins 7 situés sur une même circonférence qui est représentée en développé sur la figure 5, ainsi que la coupe de la structure 11 passant par l'axe de tous les vérins 7. On voit que les cales 18 sont situées à égale distance entre les vérins 7 adjacents. Il est à noter que ce principe de cales 18 est inséparable d'une structure métallique addition- nelle 11, mais que celle-ci peut éventuellement avoir, selon l'invention, une forme beaucoup moins bien opti- misée mécaniquement que celle qui est l'objet de la première forme de réalisation. On voit également sur la figure 5 deux ta- quets 19 et 20 servant à repérer angulairement lors du montage la structure métallique 11 par rapport à l'en- semble des vérins 7, de façon à ce que les cales 18 se trouvent bien situées à mi distance des vérins. Les taquets 19 et 20 sont formés sur la face intérieure du fond plat 13 de la structure 11 et séparés d'une dis- tance légèrement supérieure à la longueur circonféren- tielle des patins 17, de façon à venir se placer de part et d'autre de l'un d'entre eux. Il est à noter que les taquets 19 et 20 ne sont pas limitatifs de l'invention et de nombreux au- tres procédés peuvent être utilisés pour permettre le positionnement angulaire de la structure métallique 11. Sur la figure 6, on a illustré une variante dans laquelle la structure métallique 11 est équipée d'un échangeur de chaleur constitué d'ailettes 19 qui sont des couronnes concentriques superposées et espa- cées fixées sur les flancs 12a et 12b par tout moyen assurant un bon contact thermique par exemple par sou- dage. En variante, tout en occupant globalement le même emplacement que les ailettes en couronnes 19, sur la figure 6, les ailettes peuvent également se trouver dans des plans passant par l'axe de la struc- ture 11, ou sous la forme de cylindres coaxiaux fixés sur les couronnes intérieure 14 et extérieure 15. REVENDICATIONS 1. Structure métallique flottante (11) in- terposable entre l'ensemble des extrémités des vérins (7) d'un frein d'avion et le disque (4) le plus proche des vérins, destinée à améliorer la répartition de pression exercée sur ce disque et sur les suivants, caractérisée en ce que sa forme générale est circulaire et coaxiale avec les disques et en ce que sa section radiale est un U (12) à fond plat (13) dans lequel viennent s'enfoncer avec un jeu suffisant et s'appuyer les extrémités (17) de tous les vérins (7), les extré- mités des flancs (12a,12b) du U (12) étant prolongées vers l'extérieur du U de manière à former deux couron- nes concentriques (14,15) de profil sensiblement paral- lèle au fond (13) du U (12). 2. Structure métallique flottante (11) in- terposable entre l'ensemble des extrémités des vérins (7) d'un frein d'avion et le disque (4) le plus proche des vérins, destinée à améliorer la répartition de pression exercée sur ce disque et sur les suivants, caractérisée en ce que sa face (13) destinée à venir en contact avec le disque (4) le plus proche des vérins est munie d'un nombre de cales (18) identique au nombre total de vérins (7), les cales (18) étant centrées sur la bissectrice de l'angle au centre entre deux vérins (7) grâce à des moyens de repérage angulaire (19,20) entre la structure métallique et au moins un des vérins (7). 3. Structure métallique selon la revendica- tion 2, caractérisée en ce que l'épaisseur des cales (18) est dimensionnée pour qu'un contact direct s'éta- blisse, dans l'axe des vérins actifs, entre ladite structure et le premier disque (4) le plus proche des vérins dès que la pression des vérins (7) atteint une valeur correspondant à un freinage important donc rare, de manière à préserver la structure de tout effort très élevé. 4. Structure métallique (11) selon la re- vendication 2, caractérisée en ce que les cales (18) sont composées d'un matériau relativement isolant et suffisamment réfractaire tel que des céramiques peu conductrices ou frittées à faible densité ou métaux frittés poreux, etc.. 5. Structure métallique (11) selon la re- vendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un échangeur thermique à ailettes (19), celles-ci pouvant être des couronnes superposées et espacées, concentri- ques à la structure ou des plaques radiales ou des cylindres concentriques.