Brevet FR2717820A1 — publié le 19950929

La présente' invention a pour objet un matériau de frottement destiné 3 équiper un dispositif mettant en oeuvre un frottement en milieu liquide, ainsi que le procédé de réalisation d'un tel matériau de frottement et du dispositif qui en est équipé. Plus particulièrement un tel matériau de frottement se présente sous la forme d'un anneau plat ou d'un tronc de cône et le dispositif qui en est équipé est un disque d'embrayage ou de frein, notamment de bosse de vitesses automatique ou y associé, fonctionnant dans l'huile, ou un anneau ou cône de synchronisation de boite de vitesses à commande manuelle fonctionnant également dans l'huile, un tel dispositif étant installé dans un véhicule. Les matériaux de frottement utilisés à ce jour pour les applications précitées sont de trois types : les matériaux de type papier, les matériaux frittés et les matériaux moulés graphités. Les matériaux de type papier sont constitués essentiellement de fibres de cellulose imprégnées de résine. Ils sont obtenus par voie humide selon un procédé usuel de fabrication de papier, c'est-à-dire en procédant à une dispersion de fibres cellulosiques dans une solution aqueuse contenant une résine puis à un essorage et à un séchage. Un tel procédé implique nécessairement dtutiliser des fibres courtes, d'une longueur moyenne inférieure à un millimètre. Les matériaux de ce type présentent l'inconvénient de se dégrader très rapidement dès que leur température atteint 150 C, ce qui est le cas lorsque le dispositif qui est équipé du matériau de frottement doit, sous un faible volume, transmettre ou absorber des couples élevés sous des vitesses qui, en pratique, sont de plus en plus élevées. Cette situation se présente maintenant du fait, d'une part de l'augmentation de la puissance des moteurs thermiques des véhicules et, d'autre part, de la réduction de la taille des organes de transmission du couple moteur qui nécessitent d'augmenter la pression de serrage des organes de frottement. Les matériaux frittés ne présentent pas cet inconvénient mais, contrairement aux matériaux du type papier, les coefficients de frottement obtenus sont faibles. En outre, ces matériaux engendrent des vibrations et bruits nuisibles. Les matériaux du type moulés graphités sont d'un prix de revient élevé et ne permettent pas une transmission stable d'un couple. L'invention a pour but de pallier les inconvénients précités en proposant un matériau de frottement en milieu liquide qui présente en particulier un coefficient de frottement important et stable, une résistance importante à l'échauffement sous des pressions de travail élevées, et une bonne résistance à l'usure. Un matériau de frottement en milieu liquide, selon l'invention, est caractérisé en ce qu'il est constitué par un mat de fibres imprégné d'une résine thermodurcissable. Selon d'autres caractéristiques prises séparément ou en combinaison - les fibres sont des fibres longues - la longueur moyenne des fibres est au moins égale à 15 mm - la longueur moyenne des fibres est au plus égale à 120 mm - les fibres sont choisies parmi le groupe des fibres de verre, de coton, de céramique, de polyacrylonitrile, de polyacrylonitrile préoxydées - des charges poudreuses sont incorporées au mat, elles comprennent tout ou partie des éléments ou composés suivants : cuivre, laine de roche, carbone - la résine de type thermodurcissable comporte un solvant polaire de préférence aqueux - la résine thermodurcissable est à base de résol - la résine thermodurcissable est additionnée de latex. Le procédé de réalisation du matériau de frottement, selon l'invention, est caractérisé par les étapes suivantes a) un mélange de fibres de même nature ou de matière différente telles que définies ci-dessus, est réalisé dans un mélangeur b) le mélange est cardé pour former un voile de carde c) le voile de carde est nappé d) la nappe ainsi formée est aiguilletée e) le mat aiguilleté est imprégné d'une résine thermodurcissable f) le mat imprégné est séché. Selon d'autres caractéristiques prises indépendamment ou en combinaison - entre les étapes b) et c) ci-dessus, des charges pulvérulentes sont saupoudrées sur le voile de carde - le cardage est effectué au moyen d'une carde type laine - lXopération d'aiguilletage est précédée d'une opération de pré-aiguilletage - l'imprégnation de résine est effectuée par trempage dans un bac contenant la résine en solution ou dispersée dans de l'eau - le séchage est précédé par une opération d'exprimage ou essorage - après, ou en cours de, séchage le mat est = enroulé. De manière à réaliser un dispositif revêtu du matériau de frottement il est ensuite procédé, selon l'invention, comme suit g) un anneau, en variante une pluralité de secteurs formant un anneau, est découpé dans le mat réalisé comme indiqué ci-dessus i) l'anneau ou la pluralité de secteurs formant un anneau, est placé dans le fond d'un moule j) un support métallique est placé dans le moule sur l'anneau ou sur la pluralité de secteurs formant un anneau k) le cas échéant, un deuxième anneau ou une pluralité de secteurs formant un anneau est placé sur le support métallique, à l'opposé dudit anneau ou de ladite pluralité de secteurs formant un anneau 1) le moule est refermé, des cales d'épaisseur étant disposées de manière à contrôler et limiter le déplacement d'un piston de fermeture du moule m) une cuisson sous pression est réalisée dans le moule, qui assure en outre l'adhésion dudit anneau, et le cas échéant dudit second anneau, au support métallique n) le moule est ouvert et le dispositif revêtu du matériau de frottement est refoidi. En variante, l'étape g) est remplacée par une étape h) identique à celle-ci, mais conduite entre les étapes d) et e) ci-dessus. Selon d'autres caractéristiques de l'invention prises indépendamment ou en combinaison - le moule et le piston présentent un fond plat - le fond du moule est rainuré - le moule et le piston présentent une forme en tronc de cône - les cales d'épaisseur limitant le déplacement du piston sont dimensionnées de telle sorte que la porosité du matériau de frottement soit comprise entre 20 % et 60 t ; - la température de cuisson est comprise entre 1500 C et 2000 C. D'autres caractéristiques et avantages du produit et du procédé apparaitront à la lecture de la description qui suit, d'exemples de réalisation et de mise en oeuvre de l'invention, en regard des dessins annexés qui représentent - à la figure 1, le schéma de principe d'une première partie de l'installation destinée à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention - à la figure 2, le schéma de principe d'une seconde partie de cette installation ; - à la figure 3, un schéma illustrant la découpe de couronnes et de secteurs de frottement - à la figure 4, une série de graphiques synthétisant des résultats de tests comparatifs. Quatre mat de fibres (exemples A, B, C, D) sont réalisées à partir des compositions pondérales de fibres suivantes : FIBRES EXEMPLES A B C D VERRE - Parties 20 - 20 ZA COTON - Parties - 30 - CRAMIQUE - Parties 10 10 10 PAN (polyacrylonitrile ou PAN préoxydées - Parties 10 - 10 20 La longueur moyenne des fibres utilisées est la suivante : - fibres de verre : 50 mm - fibres de coton : 18 mm - fibres de céramique : 12 mm - fibres de PAN : 42 mm. Les fibres ou mélanges de fibres ci-dessus, réalisés dans un mélangeur, sont introduits dans la chargeuse 1 (figure 1) d'un dispositif d'alimentation 2 d'une carde 3 de type laine qui comporte une cheminée d'alimentation 4. Des charges pulvérulentes sont saupoudrées en sortie de la carde 3, sur le voile de carde formé, au moyen d'un dispositif de saupoudrage 5 (exemples C et D). Les charges pulvérulentes présentent la composition suivante (composition pondérale rapportée aux parties pondérales de fibres ci-dessus) CHARGES PULVERULENTES A B C D EXEMPLES CUIVRE - - - 10 LAINE DE ROCHE PULVERISEE - - - 10 GRAPHITE - - 10 COKE - - 10 Le voile de carde est ensuite nappé au moyen d'un nappeur 6, la nappe ainsi formée subit un traitement d'aiguilletage en deux phases : pré-aiguilletage par une pré-aiguilleteuse à rouleaux 7 et aiguilletage par un aiguilleteuse 8. Le mat de non tissé aiguilleté ainsi réalisé est, dans l'exemple représenté, enroulé en un rouleau 9 en sortie de première partie de l'installation. Le rouleau 9 est porté dans une seconde partie d'installation et est dévidé pour la suite du procédé d'élaboration du matériau de frottement (figure 2). En variante non représentée, la seconde partie d'installation suit immédiatement la première partie et le mat de non tissé aiguilleté n'est pas enroulé. Le mat aiguilleté est conduit dans une station de découpe 10 où il est procédé à la découpe d'anneaux il ou de secteur 12 tels que représentés à la figure 3 ou de toute autre forme que doit présenter le matériau de frottement. La partie non découpée du mat, ou squelette, est dirigée vers une enrouleuse 13 pour être ensuite récupérée. Les formes découpées 11 ou 12 sont convoyées dans un bain d'imprégnation 14 contenant une ou des résines de type thermodurcissable en solution ou dispersées dans de 1' veau. Le bain d'imprégnation présente la composition pondérale suivante, exprimées en parties, de manière cohérente avec les proportions indiquées précédemment pour les fibres et les charges. BAIN DIMPREGKATION A B C D zxK?lpLZS RESINE A BASE D'EAU 60 60 RESINE A BASE DE RESOL ~ - 40 60 D'une manière générale, les types de résines suivants sont utilisables - les résines phénoplastes (résol ou novolaque) ; - les résines aminoplastes (urée-formol, mélamine-formol ou combinaisons de celles-ci) - les résines époxyde (éthoxyline) - les résines polyimides. En fin d'imprégnation il est procédé à un exprimage en premier lieu dans le bain (convoyeur 16) et hors du bain (rouleaux 17). En variante, non représentée, les formes découpées 11,12 subissent, après trempage dans le bain d'imprégnation, une opération d'essorage. Les formes découpées 11,12 sont ensuite introduites dans un tunnel de séchage à infra-rouges 18 puis conditionnées. En variante, l'opération de découpe des formes est réalisée après imprégnation, exprimage et/ou essorage et séchage. Dans ce dernier cas, le mat imprégné peut être enroulé pour être transporté sur un poste de découpe comme montré à la figure 3. Chaque forme découpée, anneau ou pluralité de secteurs formant un anneau, est placée dans un moule qui présente, selon l'équipement auquel est destiné le matériau de frottement, un fond plat ou en tronc de cône ou toute autre forme, rainuré ou non. Un support métallique est placé dans le moule sur l'anneau ou la pluralité de secteurs. Le cas échéant, un deuxième anneau est placé sur le support métallique, à l'opposé dudit anneau ou de ladite pluralité de secteurs formant un anneau. Un support métallique est placé dans le moule sur l'anneau ou sur la pluralité de secteurs formant un anneau. Le cas échéant, un deuxième anneau ou une pluralité de secteurs formant un anneau est placé sur le support métallique, à l'opposé dudit anneau ou de ladite pluralité de secteurs formant un anneau. Le moule est refermé, des cales d'épaisseur étant disposées de manière à contrôler et limiter le déplacement d'un piston de fermeture du moule. Une cuisson sous pression est réalisée dans le moule, qui assure en outre l'adhésion dudit anneau, et le cas échéant dudit second anneau, au support métallique. Le moule est ouvert et le dispositif revêtu du matériau de frottement est refoidi. Avantageusement, les cales d'épaisseur limitant le déplacement du piston sont dimensionnées de telle sorte que la porosité du matériau de frottement soit comprise entre 20 % et 60 k et la température de cuisson est comprise entre 1500C et 2000C. De manière à effectuer des tests comparatifs avec un matériau de frottement connu du type papier, on réalise deux échantillons de matériau de frottement (disque d'embrayage) ayant la composition pondérale suivante - fibres de cellulose : 30 k (longueur : 2 à 20 mm) - résine phénolique : 31 t - diatomées : 23 k - fibres aramides : 10 k (longueur : 6 à 20 mm) - quartz : 5 k - sulfate de sodium : 1 k Quatre séries de trois disques de friction d'embrayage réalisés conformément à l'invention à partir des compositions des exemples A, B, C, D précédents et deux séries de trois disques de friction d'embrayage de type papier ayant les compositions ci-dessus ont subi des tests d'endurance dans les conditions indiquées ci-après Trois disques d'une même série, correspondant à un même exemple de réalisation, sont placés dans une machine d'essais du type défini par la norme SAE II (norme des Etats-Unis d'Amérique). L'essai est effectué dans un bain d'huile portée à 1140C. Une circulation d'huile étant par ailleurs prévue avec un débit compris entre 2 et 3 litres par minute. L'essai comporte trois séries de cycles. Chaque cycle consiste à freiner jusqu'à arrêt, une masse d'inertie préalablement lancée à une vitesse de rotation de 3600 tours par minute. Après chaque cycle la masse d'inertie est relancée à la vitesse indiquée ci-dessus. Un intervalle de temps de 30 secondes est prévu entre chaque début de cycle. La première série comprend 50 cycles où la pression spécifique de serrage des disques est de 0,5 Mpa, l'inertie étant de 0,213 m2.kg. La deuxième série comprend 2400 cycles où la pression spécifique de serrage des disques est de 1,5 Mpa, l'inertie étant de 0,501 m2.kg. La troisième série est identique à la première. Les graphiques de la figure 4 représentent l'évolution du coefficient de friction dynamique de chacun des six échantillons au cours des cycles d'endurance définis précédemment. On constate qu'entre 500 et 800 cycles, une garniture papier est détruite alors que le matériau de frottement, selon l'invention, conserve son intégrité après 2500 cycles (arrêt des tests). De plus on constate une stabilité remarquable du coefficient de friction du matériau, selon l'invention, au cours des cycles, à un niveau très proche de celui d'un matériau de type papier. REVENDICATIONS 1) Matériau de frottement destiné à équiper un dispositif mettant en oeuvre un frottement en milieu liquide tel que, plus particulièrement, un disque d'embrayage ou de frein, notamment de boite de vitesses automatique ou y associé, un anneau ou cône de synchronisation de boite de vitesses à commande manuelle, caractérisé en ce qu'il est constitué par un mat de fibres imprégné d'une résine de type thermodurcissable. 2) Matériau de frottement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres sont des fibres longues. 3) Matériau de frottement selon la revendication 2, caractérisé en ce que la longueur moyenne des fibres est au moins égale à 15 mm. 4) Matériau de frottement selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la longueur moyenne des fibres est au plus égale à 120 mm. 5) Matériau de frottement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fibres sont choisies parmi le groupe des fibres de verre, de coton, de céramique, de polyacrylonitrile, de polyacrylonitrile préoxydées. 6) Matériau de frottement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des charges poudreuses sont incorporées au mat. 7) Matériau de frottement selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites charges poudreuses comprennent tout ou partie des éléments ou composés suivants : cuivre, laine de roche, carbone (coke etZou fibres de carbones réduites en poudre, graphite), silicate de zirconium, sulfure de fer, alumine, latex. 8) Matériau de frottement selon 1'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la résine de type thermodurcissable comporte un solvant polaire, de préférence aqueux. 9) Matériau de frottement selon l1une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la résine thermodurcissable est à base de résol. 10) Matériau de frottement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la résine thermodurcissable est additionnée de latex. 11) Procédé de réalisation d'un matériau de frottement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par les étapes suivantes a) un mélange de fibres de même nature ou de matière différente, est réalisé dans un mélangeur b) le mélange est cardé pour former un voile de carde c) le voile de carde est nappé d) la nappe ainsi formée est aiguilletée e) le mat aiguilleté est imprégné d'une résine thermodurcissable f) le mat imprégné est séché. 12) Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'entre les étapes b) et c), des charges pulvérulentes sont saupoudrées sur le voile de carde. 13) Procédé selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que le cardage est effectué au moyen d'une carde type laine. 14) Procédé selon l'une des revendications il à 13, caractérisé en ce que l'opération d'aiguilletage est précédée d'une opération de pré-aiguilletage. 15) Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que l'imprégnation de résine est effectuée par trempage dans un bac contenant la résine en solution ou dispersée dans de l'eau. 16) Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 15, caractérisé en ce que le séchage est précédé par une opération d'exprimage ou essorage. 17) Procédé selon l'une quelconque des revendications il à 15, caractérisé en ce que apures, ou en cours de, séchage le mat est enroulé. 18) Procédé selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que, entre les étapes d) et e) - h) un anneau, en variante une pluralité de secteurs formant un anneau, est découpé dans le mat. 19) Procédé de réalisation d'un dispositif revêtu d'un matériau de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, obtenu par le procédé selon 1'une quelconque des revendications Il à 18, caractérisé par les étapes suivantes i) l'anneau ou la pluralité de secteurs formant un anneau, est placé dans le fond d'un moule ; j) un support métallique est placé dans le moule sur l'anneau ou sur la pluralité de secteurs formant un anneau ; k) le cas échéant, un deuxième anneau ou une pluralité de secteurs formant un anneau est placé sur le support métallique, à l'opposé dudit anneau ou de ladite pluralité de secteurs formant un anneau 1) le moule est refermé, des cales d'épaisseur étant disposées de manière à contrôler et limiter le déplacement d'un piston de fermeture du moule m) une cuisson sous pression est réalisée dans le moule, qui assure en outre l'adhésion dudit anneau, et le cas échéant dudit second anneau, au support métallique n) le moule est ouvert et le dispositif revêtu du matériau de frottement est refoidi. 20) Procédé selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que, après l'étape f), - g) un anneau, en variante une pluralité de secteurs formant un anneau, est découpé dans le mat. 21) Procédé de réalisation d'un dispositif revêtu d'un matériau de friction selon la revendication 19, caractérisé en ce que les cales d'épaisseur limitant le déplacement du piston sont dimensionnées de telle sorte que la porosité du matériau de frottement soit comprise entre 20 a et 60 t.