Brevet FR2711200A1 — publié le 19950421

FREIN A DISQUE La présente invention concerne un frein à disque utilisable notamment pour le freinage de véhicules lourds. Les freins à disque sont largement utilisés pour le freinage des véhicules automobiles en raison notamment de leur rapidité d'action, de leur bonne progressivité d'action et de leur bonne tenue en température par rapport aux freins à tambour. Toutefois leur utilisation pour des véhicules lourds entraînant une augmentation de la surface de friction (pour accroître le couple de freinage) pose de délicats problèmes de refroidissement des parties constitutives du frein notamment du disque. Ces problèmes de refroidissement sont particulièrement aigus dans le cas des freins à disque à couronnes de friction continues, par exemple les freins à disque en U. L'invention a pour but de proposer un frein à disque bien adapté aux véhicules lourds à grande surface de friction et à refroidissement amélioré. Selon l'invention, le frein à disque, comportant un disque rotatif présentant à sa périphérie une forme en U portant sur les faces internes des branches du U deux surfaces de friction en vis-à-vis mobiles en rotation, un ensemble fixe en rotation présentant deux couronnes munies sur leurs faces avant de garnitures de friction, de préférence en matériau métallique, disposées à l'intérieur du U et susceptibles d'établir un contact de friction avec les deux surfaces de friction lorsque sollicitées en écartement axial sous l'action de moyens d'actionnement, est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de refroidissement à circulation de liquide associés auxdites couronnes. Comme il apparaîtra en détails dans la description ciaprès la présence d'un circuit de refroidissement à fluide liquide directement associé aux couronnes porteuses des garnitures de friction permet de contrôler et d'abaisser la température de l'interface de friction, de dissiper en permanence une puissance suffisante au maintien du véhicule à vitesse constante dans une déclivité et de rétablir rapidement une température modérée pour les constituants du frein après un freinage d'arrêt. Ainsi donc la structure du frein selon l'invention permet de diriger de façon préférentielle le flux thermique dû au freinage vers l'ensemble fixe du frein et ensuite de l'évacuer par échange avec le liquide de refroidissement en circulation. Selon une variante avantageuse les surfaces de friction mobiles en rotation sont prévues sur des plaques d'acier annulaires rapportées sur les branches du U du disque avec interposition en face arrière d'un revêtement à faible conductivité thermique. De plus la ventilation du disque est améliorée par la présence d'ailettes de refroidissement sur les faces externes des branches du U du disque. Selon un mode de réalisation préférentiel du frein à disque selon l'invention, les moyens de refroidissement comportent des récepteurs thermiques à circulation de liquide appliqués sur les faces arrière des couronnes. Avantageusement chaque récepteur thermique comporte un collecteur d'entrée de liquide disposé de préférence en position basse du frein et un collecteur de sortie de liquide disposé de préférence en position haute. Cette disposition permet d'améliorer la circulation du liquide de refroidissement dans le récepteur thermique au voisinage immédiat de la paroi de la face arrière de la couronne. Avantageusement les récepteurs thermiques sont associés à un circuit de circulation forcée du liquide de refroidissement qui peut être soit un circuit indépendant soit le circuit de refroidissement du véhicule diminuant ainsi le coût de mise en oeuvre de l'invention. Selon une variante avantageuse, pour augmenter les surfaces d'échange entre la couronne et son récepteur thermique (de préférence de forme annulaire aplatie) le dispositif d'écartement axial des couronnes est disposé à l'extérieur du U pour coopérer avec des projections périphériques des couronnes. Selon un agencement particulièrement efficace et compact, le frein à disque présente une couronne fixe et une couronne mobile axialement guidée axialement par la couronne fixe par des créneaux radiaux à flancs parallèles, le dispositif d'écartement axial étant du type à billes déplaçables dans des rampes en creux ou alvéoles en hélice prévues sur la couronne mobile et sur un plateau rotatif de commande disposé entre les deux couronnes avec interposition d'un roulement de butée entre le plateau de commande et la couronne fixe. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre prise en référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: - la figure 1 représente une vue en coupe transversale selon l'axe XX' de rotation du disque d'un frein à disque selon l'invention; - et la figure 2 représente une vue en coupe transversale d'un des récepteurs thermiques illustrés à la figure 1. Si l'on considère la figure 1, le frein à disque selon l'invention, présenté à titre d'exemple non limitatif, comporte un disque en métal 12 d'axe de rotation XX' et solidaire en rotation d'un arbre 14 (représenté en tirets) destiné à être convenablement relié à une roue d'un véhicule ou à tout autre ensemble tournant susceptible de recevoir un couple de freinage. Pour des raisons de fonctionnement de frein (notamment de l'usure des garnitures de friction), le disque est susceptible de coulissement axial de course limitée grâce à une liaison par cannelures (non représentées) entre son alésage central 13 et l'arbre 14. La périphérie du disque 12 présente une forme en U s'ouvrant radialement vers l'extérieur. Les branches 16 et 18 du U du disque 12 présentent sur leurs faces internes deux surfaces de friction mobiles en rotation 32 et 34 (ou pistes de friction) prévues sur des plaques d'acier annulaires 36, 38 rapportées sur le disque 12. Comme représentées sur la figure 1, les branches 16 et 18 du U présentent une épaisseur progressivement diminuée de la base du U vers leurs extrémités libres périphériques et portent sur leurs faces externes des ailettes de refroidissement 24 et 26 régulièrement réparties en couronne sur chaque face externe du disque 12. Pour des raisons de facilité de fabrication et de montage, le disque 12 est réalisé à partir de deux parties en couronne jumelles 12a et 12b (portant respectivement les branches 16 et 18 du U et sur lesquelles sont fixées les plaques annulaires 36 et 38) obtenues par fonderie, puis convenablement usinées et solidarisées selon le plan médian YY' du disque 12 perpendiculaire à l'axe XX' pour former l'ensemble unitaire du disque 12. Le frein à disque comporte également un ensemble fixe en rotation destiné à supporter le couple de freinage et comportant deux couronnes en métal 28 et 30 disposées à l'intérieur du U et dont les faces avant (les plus proches du disque 12) portent des garnitures de friction 40 et 42 réalisées de préférence en matériau métallique ou céramo-métallique, par exemple en matériau obtenu par frittage, et offrant une bonne conductivité thermique. Dans le mode de réalisation de l'invention ici décrit, la couronne 30 est fixe solidarisée à un support fixe 44 par l'intermédiaire de pattes 46 et de fixations de type vis-écrou 48 tandis que la couronne 28 est mobile axialement et guidée par la couronne fixe 30 par des créneaux radiaux à flancs parallèles 50 situés aux extrémités d'épaulements annulaires axiaux 52, 54 en vis-à-vis prévus sur les bords intérieurs des couronnes 28 et 30. Le frein à disque illustré à la figure 1 comporte des moyens d'actionnement essentiellement constitués d'un dispositif d'écartement axial 56 et de son dispositif d'actionnement (non représenté) d'un quelconque type connu, mécanique, hydraulique, pneumatique ou électrique. Le dispositif d'écartement axial 56 est disposé à l'extérieur du U du disque 12 en position périphérique entre deux projections annulaires périphériques 58 et 60 respectivement solidaires des couronnes 28 et 30. Le dispositif d'écartement 56 comporte un plateau de commande annulaire 62 susceptible d'être entraîné en rotation autour de l'axe XX' par le dispositif d'actionnement agissant sur la patte externe 64. La projection 60 associée à la couronne fixe 30 et la face du plateau annulaire 62 en vis-à-vis portent chacune une piste de roulement continue destinée à recevoir des billes de petit diamètre 66 de façon à réaliser un roulement de butée continu à billes. L'autre face du plateau annulaire 62 porte des rampes en creux 63 ou alvéoles en hélice (sous la forme de rainures courbes à profondeur variable) appariées à des rampes en creux 65 correspondantes réalisées dans des semelles d'acier 68 fixées à la projection 58. Entre les rampes appariées 63 et 65, uniformément réparties en couronne, sont disposées des billes d'actionnement 70 réalisant ainsi un dispositif d'actionnement à billes connu en soi dans la technique du freinage. Dans la position illustrée sur la figure 1, le frein est desserré (et présente un jeu fonctionnel non représenté sur la figure) et les billes 70 occupent la partie la plus profonde des rampes en creux 63 et 65. Lors du freinage, une rotation limitée du plateau annulaire 62 (sous l'action du dispositif d'actionnement) sollicite les billes 70 à se déplacer sur les rampes 63 et 65 en hélice pour créer un effort axial d'écartement transmis aux deux couronnes 28 et 30 et un couple de freinage par contact de friction entre les garnitures 40 et 42 et les surfaces de friction mobiles correspondantes 32 et 34 prévues sur les plaques annulaires 36, 38 montées sur le disque 12 en rotation. Des ressorts de rappel de compression 74 sont disposés entre la projection 60 et des étriers 72 solidarisés à la projection 58. Les ressorts 74 maintiennent le contact entre les éléments du dispositif d'écartement axial 56 et participent au rappel de desserrage du frein. A l'intérieur du U dans l'espace disponible entre les deux couronnes 28 et 30 sont disposés des récepteurs thermiques 76 et 78, éléments constitutifs de moyens de refroidissement à circulation de liquide refroidissement. Comme illustré sur les figures 1 et 2, le récepteur 78 (décrit ici à titre d'exemple) est constitué par un anneau creux 80 à grande surface de contact, de préférence à section rectangulaire aplatie pour définir sur la face avant de l'anneau (la face la plus proche du disque) une paroi latérale de contact 94. L'anneau creux 80, réalisé en matériau soudé bon conducteur, présente un collecteur tubulaire d'entrée 82 (situé de préférence en partie inférieure du frein) et un collecteur tubulaire de sortie 84 (situé de préférence en partie supérieure du frein), chaque collecteur 82 (84) étant ouvert sur l'intérieur de l'anneau 80 par l'intermédiaire d'une grille 83 (85) montée dans la face latérale 93 arrière de l'anneau 80. Les récepteurs 76 et 78 disposés dos à dos sont de structure semblable (à anneau creux métallique à section rectangulaire), étant précisé que les collecteurs du récepteur 76 (associé à la couronne 28) sont masqués par ceux du récepteur 78 sur la figure 1, les sorties hautes et basses des collecteurs étant parallèles. Comme illustré sur la figure 1, chaque récepteur 76, 78 est appliqué par tout moyen ou procédé approprié, par exemple soudage, sur la face arrière des couronnes 28, 30 (la face arrière étant la face la plus éloignée du disque) de façon à obtenir par contact la plus grande surface d'échange thermique possible, par exemple entre la face arrière 92 de la couronne 30 et la paroi latérale de contact 94 du récepteur 78. Chaque récepteur 78 (76) est intégré dans un circuit de refroidissement à boucle fermée rempli d'un liquide de refroidissement, par exemple à base d'eau ou d'un mélange à propriétés d'ébullition analogues à l'eau. Par exemple le récepteur 78 est associé par les collecteurs tubulaires 82 et 84 au circuit à boucle fermée 86 à circulation de liquide de refroidissement selon le sens indiqué par les flèches sur la figure 1, la disposition basse et haute des collecteurs d'entrée 82 et de sortie 84 facilitant la circulation par convection du liquide dans l'anneau 80. D'autre part pour augmenter l'efficacité du refroidissement le circuit 86 est équipé d'un échangeurradiateur 88 et d'une pompe de circulation forcée 90. Sans sortir du cadre de l'invention les récepteurs thermiques sont soit associés à des circuits de refroidissement indépendants ou montés en parallèle sur un même circuit de refroidissement qui dans une variante avantageuse de l'invention est branché sur le circuit de refroidissement du moteur du véhicule équipé de façon classique d'un ventilateur et d'une régulation à vanne thermostatique. En fonctionnement, le circuit de refroidissement est agencé de façon à permettre une ébullition contrôlée de l'eau circulant au voisinage immédiat de l'interface d'échange entre la face arrière de la couronne, par exemple la face 92 de la couronne 30, et la paroi latérale de contact 94 du récepteur thermique 78. Pour améliorer le transfert de flux thermique dû au freinage à partir des surfaces de contact de friction 32 et 34 vers les récepteurs thermiques au travers des couronnes 28 et 30, les fixations des récepteurs 76, 78 aux couronnes 28, 30 sont réalisées de façon à assurer un bon contact thermique entre les pièces, et les garnitures de friction 40 et 42 de type métallique ou céramo-métallique sont choisies avec un coefficient élevé de conductivité thermique. De plus, pour diriger le flux thermique vers les couronnes 28 et 30 et créer une protection thermique pour le disque 12, les plaques annulaires 36 et 38, aux interfaces 20 et 22 avec les branches 16 et 18 du U du disque, sont revêtues sur leurs faces arrières (les faces opposées aux surfaces de frictions 32, 34) d'une couche thermiquement isolante ou tout du moins à faible conductivité thermique. On peut enfin remarquer que les épaulements 52 et 54 sont également refroidis par contact avec le bord intérieur, par exemple le bord 96, de chaque récepteur thermique annulaire. Parmi les autres avantages apportés par la structure particulière du frein à disque à dispositif d'écartement axial à billes, décrit à titre d'exemple non limitatif de l'invention, on peut noter sa grande compacité. De plus le fait de réaliser le disque en U par une liaison sur un rayon intérieur et de placer l'effort d'écartement axial sur un rayon extérieur facilite le calcul des pièces en regard pour que leurs déformations sous charge soient en coïncidence et que les surfaces de contact de friction restent bien parallèles au plan médian du disque YY', évitant ainsi les risques d'usure différentielle ou d'usure en biais des garnitures de friction. Enfin, il est possible par le calcul de faire varier les pressions de contact sur les garnitures de façon décroissante du rayon intérieur vers le rayon extérieur pour obtenir un flux thermique régulier vers l'extérieur du frein. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation du frein à disque décrit ci-avant et concerne également diverses variantes, notamment du point de vue de la structure et de la disposition spatiale du dispositif d'actionnement axial, du point de vue des récepteurs thermiques, par exemple de leur forme et de leur nombre, et du point de vue de l'agencement général du frein, par exemple les deux couronnes portant les garnitures de friction sont rendues mobiles axialement pour coopérer avec un disque rotatif dont la position axiale est fixe. REVENDICATIONS: 1. Frein à disque comportant un disque rotatif (12) présentant à sa périphérie une forme en U portant sur les faces internes des branches du U (16, 18) deux surfaces de friction (32, 34) en vis-à-vis mobiles en rotation, un ensemble fixe en rotation présentant deux couronnes (28, 30) munies sur leurs faces avant de garnitures de friction (40, 42), de préférence en matériau métallique, disposées à l'intérieur du U et susceptibles d'établir un contact de friction avec les deux surfaces de friction (32, 34) lorsque sollicitées en écartement axial sous l'action de moyens d'actionnement (56), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de refroidissement (76, 78) à circulation de liquide associés auxdites couronnes (28, 30). 2. Frein à disque selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de refroidissement comportent des récepteurs thermiques (76, 78) à circulation de liquide appliqués sur les faces arrière desdites couronnes (28, 30). 3. Frein à disque selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque récepteur thermique (76, 78) comporte un collecteur d'entrée de liquide (82) disposé de préférence en position basse du frein et un collecteur de sortie de liquide (84) disposé de préférence en position haute. 4. Frein à disque selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que lesdits récepteurs thermiques (76, 78) présentent la forme d'un anneau creux, de préférence à section rectangulaire aplatie. 5. Frein à disque selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que lesdits récepteurs thermiques (76, 78) sont associés à un circuit (86) de circulation forcée de liquide de refroidissement. 6. Frein à disque pour véhicule selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit circuit de circulation forcée de liquide de refroidissement est branché sur le circuit de refroidissement du moteur du véhicule. 7. Frein à disque selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faces externes des branches du U (16, 18) du disque (12) portent des ailettes de refroidissement (24, 26). 8. Frein à disque selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites surfaces de friction (32, 34) mobiles en rotation sont prévues sur des plaques d'acier annulaires (36, 38) rapportées sur les branches du U (16, 18) du disque (12) et revêtues sur leurs faces arrière d'un revêtement à faible conductivité thermique. 9. Frein à disque selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites couronnes (28, 30) comportent chacune une projection périphérique (58, 60) externe au U, un dispositif d'écartement axial (56) appartenant auxdits moyens d'actionnement étant monté à l'extérieur du U entre lesdites projections (58, 60). 10. Frein à disque selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit dispositif d'écartement axial (56) est du type à billes d'écartement (70) déplaçables dans des rampes en creux (63, 65) ou alvéoles prévues sur la projection périphérique (58) d'une (28) desdites couronnes et sur un plateau rotatif de commande (62). 11. Frein à disque selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'une (30) desdites couronnes est fixée à un support fixe (44) et en ce que l'autre (28) desdites couronnes est mobile axialement et guidée par ladite couronne fixe (28) par l'intermédiaire de créneaux radiaux à flancs parallèles (50) prévus sur les bords interieurs des couronnes (28, 30). 12. Frein à disque selon les revendications 10 et 11 prises en combinaison, caractérisé en ce que ledit plateau de commande (62) est disposé entre les deux projections périphériques (58, 60) desdites couronnes (28, 30), les billes d'écartement (70) étant placées entre la couronne mobile axialement (28) et ledit plateau de commande (62), un roulement de butée à billes (66) étant prévu entre ledit plateau de commande (62) et ladite couronne fixe (30).