Brevet FR2760503A1 — publié le 19980911

La présente invention a pour objet une garniture de frottement destinée à équiper un dispositif mettant en oeuvre un frottement sec, de forme générale annulaire plate et du type comportant un corps annulaire plat en matériau de frottement délimité par des surfaces cylindriques intérieure et extérieure. L'invention concerne aussi un procédé de réalisation d'une telle garniture de frottement ainsi qu'un disque de friction d'embrayage tournant mettant en oeuvre un frottement à sec et comportant au moins une garniture de frottement conforme aux enseignements de l'invention. On connaît de nombreux exemples de telles garnitures annulaires de frottement se présentant sous la forme d'un anneau plat et qui sont utilisées pour équiper un disque d'embrayage, ou un disque de frein, mettant en oeuvre un frottement à sec. Chaque garniture de frottement se présentant sous la forme d'un anneau plat est réalisée sous la forme d'une ébauche qui subit une opération finale de cuisson afin d'obtenir une polymérisation de certains de ces composants, éventuellement suivie d'une opération de post-cuisson. L'ébauche annulaire plate peut, selon différentes techniques connues, être par exemple constituée de fils imprégnés d'une résine thermodurcissable et qui sont coupés à des longueurs variables comprises entre 5 et 30 mm, l'ébauche étant préformée dans un moule. Elle peut aussi être constituée à base de fils imprégnés et tressés, la longueur de la tresse correspondant au diamètre extérieur de l'ébauche. L'ébauche peut être constituée par des fils imprégnés et tissés pour obtenir une bande de tissu dont la longueur correspond au diamètre extérieur de l'ébauche. L'ébauche peut être réalisée à partir de fils imprégnés qui sont enroulés sur un mandrin au diamètre intérieur de l'ébauche, le tube ainsi obtenu par enroulement étant ensuite découpé en tranches pour réaliser autant d'ébauches annulaires plates que de tranches découpées. Enfin, l'ébauche peut être réalisée à partir de fils imprégnés qui sont enroulés en superposant des lobes correspondant au diamètre extérieur de l'ébauche. Toutes ces méthodes de fabrication d'ébauches qui viennent d'être mentionnées ont pour principal inconvénient qu'elles aboutissent à la production de garnitures annulaires de frottement qui présentent une résistance insuffisante au phénomène de centrifugation, et notamment à chaud. Le phénomène de rupture en centrifugation est en général dû au fait que la contrainte tangentielle maximale au niveau du bord cylindrique intérieur de la garniture en forme de couronne dépasse la contrainte de rupture en traction du matériau de frottement qui la constitue. L'invention a pour objet de proposer une nouvelle conception d'une garniture de frottement du type mentionné précédemment dont la résistance au phénomène de centrifugation est améliorée et dont le prix de revient est réduit. Dans ce but, I'invention propose une garniture de frottement caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une zone annulaire de renfort. Selon d'autres caractéristiques de l'invention prises indépendamment ou dans toutes leurs combinaisons techniquement possibles: - la zone annulaire de renfort est agencée au voisinage de la surface cylindrique intérieure de la garniture; - elle comporte plusieurs zones annulaires de renfort agencées sensiblement concentriquement; - les zones annulaires de renfort sont agencées sensiblement concentriquement à partir du voisinage de la surface cylindrique intérieure de la garniture; - elle comporte plusieurs zones annulaires de renfort agencées sensiblement concentriquement et réparties sur la totalité de la garniture entre les surfaces cylindriques intérieure et extérieure de cette dernière; - les zones annulaires de renfort sont réalisées dans un matériau de même densité; - les zones annulaires de renfort sont réalisées dans des matériaux de densités différentes; - les zones annulaires de renfort sont réalisées dans des matériaux de densités différentes et décroissantes à partir du voisinage de la surface cylindrique intérieure de la garniture; - chaque zone annulaire de renfort est un anneau de renfort formé d'une couche cylindrique sensiblement annulaire insérée dans le corps annulaire plat; - chaque zone annulaire de renfort comporte un matériau de renfort de nature organique, minérale et/ou métallique; - chaque zone annulaire de renfort comporte un matériau de renfort constitué sous la forme de fils continus, de fils discontinus, de fibres, d'un tissu, d'une tresse ou d'un ruban; - la garniture de frottement est réalisée à partir d'un mat de fibres sur lequel a été saupoudrée une résine thermodurcissable; lesdites fibres présentent une longueur comprise entre mm et 120 mm; - les fibres sont choisies parmi le groupe des fibres de coton, de viscose, de lin, de polyacrylonitrile, de polyacrylonitrile préoxydées, de para- l1 aramide, de méta-aramide, des fibres minérales: verre E-C-R, laine de roche, céramique; - du verre est incorporé au mat sous forme de silionne, et/ou de roving, et/ou texturisé ou voluminisé; - les diamètres de fibres de verre sont compris entre 6 et 21 micromètres; - les fibres de verre ont subi un adhérisage, une imprégnation de résine phénolique, une imprégnation de caoutchouc; - des charges poudreuses sont incorporées au mat, elles comprennent tout ou partie des éléments ou composés suivants: cuivre, laine 2o de roche, caoutchouc nitrile en poudre, noir de carbone, hexaméthylène tétramine, gilsonite, litharge, résine mélamine, résine phénolique, soufre, cardolite, silicate de zirconium, sulfure de fer, alumine, latex, garnitures d'embrayages usagées réduites en poudre, poussières de rectification de garnitures de frottement, oxyde de zinc. L'invention propose aussi un procédé de fabrication d'une garniture de frottement, destinée à équiper un dispositif mettant en oeuvre un frottement sec, de forme générale annulaire plate et du type comportant un corps annulaire plat en matériau de frottement, dans lequel une ébauche du corps annulaire plat est réalisée par enroulement sur un mandrin d'une longueur déterminée d'une bande d'un mat d'un matériau de frottement, caractérisé en ce que, au cours de l'étape d'enroulement, on insère au moins un tronçon d'une bande de matériau de renfort d'une longueur suffisante pour constituer au moins une zone annulaire de renfort pour l'obtention ultérieure d'une garniture de frottement conforme aux enseignements de l'invention. Selon d'autres caractéristiques du procédé, le matériau constituant la garniture de frottement est réalisé de la manière suivante: a) un mélange de fibres de même nature ou de natures différentes 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) du verre est incorporé au voile de carde au moment du nappage; - 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; e) le mat est mis à une épaisseur comprise entre 3 mm et 10 mm 1o entre des plateaux chauffants; - la température est comprise entre 50 C et 1000C; la pression est comprise entre 1 bar et 10 bars; g) le mat est découpé en bandes, de préférence dans le sens de la longueur; - la largeur des bandes est comprise entre 8 et 25 mm; h) les bandes ainsi découpées sont soudées par lames chauffantes; - la température des lames est comprise entre 50 C et 150 C; - le recouvrement des bandes ainsi soudées est compris entre 3 mm et 20 mm; i) la bande soudée est enroulée sur un enrouleur, avec introduction du matériau de renfort, pour former un anneau. De manière à réaliser un dispositif revêtu du matériau de frottement il est procédé, selon l'invention, comme suit: j) un anneau, en variante une pluralité de secteurs formant un anneau, est découpé dans le mat réalisé comme indiqué ci-dessus; k) I'anneau ou la pluralité de secteurs formant un anneau, est placé dans le fond d'un moule; I) une cuisson sous pression est réalisée dans le moule. L'invention propose aussi un disque de friction d'embrayage tournant mettant en oeuvre un frottement à sec, comportant au moins une garniture de frottement, caractérisé en ce que ladite garniture de frottement est conforme aux enseignements de l'invention. Le disque d'embrayage tournant selon l'invention est aussi caractérisé en ce que la garniture de frottement a été obtenue selon le procédé conforme aux enseignements de l'invention. Conformément à l'invention, on obtient une garniture de frottement qui présente de bonnes caractéristiques de frottement, de résistance à l'usure ainsi qu'aux effets de la force centrifuge. L'invention permet avantageusement de réaliser des garnitures de frottement dont les caractéristiques de frottement de résistance à l'usure d'une part, et les caractéristiques de résistance mécanique aux effets de la force centrifuge peuvent être choisies et réglées séparément. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle l1 on se reportera aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1A est une vue schématique qui illustre une garniture annulaire de frottement selon l'état de la technique; - la figure lB est une vue similaire à celle de la figure 1A qui illustre un premier exemple de réalisation d'une garniture de frottement conforme aux is enseignements de l'invention; - la figure lC est une vue similaire à celle de la figure 1A qui illustre un deuxième exemple de réalisation de garniture de frottement conforme aux enseignements de l'invention; et - la figure 2 est un schéma qui illustre une partie d'une installation 2 0 pour la mise en oeuvre d'un procédé de fabrication d'une garniture de frottement conforme aux enseignements de l'invention. On a représenté sur la figure 1A une garniture de frottement 10, selon l'état de la technique, de forme générale annulaire plate qui est délimitée par une surface cylindrique intérieure 12 et par une surface cylindrique extérieure 14. Selon une conception connue, la garniture de frottement annulaire plate 10, ou tout au moins son ébauche avant les opérations finales de cuisson, est par exemple réalisée par enroulement sur un mandrin à diamètre réglable d'une bande d'un matériau de friction 16, puis par découpe de tranches du tube de matériau ainsi réalisé par enroulement. C'est ainsi que la garniture de frottement se présente sous la forme d'une succession de couches adjacentes du mat de matériau de frottement. Pour la constitution du matériau de frottement et sa fabrication, on pourra se reporter à ce qui est décrit ci-dessus ainsi qu'au contenu et aux exemples de la demande de brevet français No. 9507544 du 21 juin 1995. Conformément aux enseignements de l'invention, et comme cela est illustré aux figures 1 B et 1 C, il est proposé d'améliorer la résistance à la rupture en centrifugation d'une telle garniture de frottement au moins au voisinage de sa surface cylindrique interne 12 par au moins une zone annulaire de renfort. A cet effet, et comme on peut le voir par exemple à la figure 1 B, il est prévu plusieurs zones annulaires 18 de renfort qui sont agencées concentriquement et intercalées entre des zones annulaires correspondantes réalisées dans le matériau de frottement de base constitutif du corps annulaire plat 16 selon l'état de la technique. Dans l'autre exemple de réalisation illustré à la figure 1C, c'est la totalité de la garniture annulaire de frottement 10 qui est renforcée, c'est-à-dire que des zones annulaires de renfort sont présentes depuis le voisinage de la surface cylindrique interne 12 jusqu'au voisinage de la surface cylindrique externe 14. La structure et la composition d'une garniture renforcée telle que celle illustrée aux figures 1 B et 1 C est, à titre d'exemple, la suivante. A titre d'exemples, le mat de fibres constituant le matériau de frottement peut être réalisé à partir des six compositions pondérales de fibres suivantes exprimées en parties: FIBRES EXEMPLES A B C D E F PAN (polyacrylonitrile) ou 15 13,6 12,4 9,3 8,5 7,7 PAN préoxydées VERRE E 5 4,6 4,2 9,3 8,5 7,7 La longueur moyenne des fibres utilisées est la suivante: - fibres PAN:42 mm; - fibres de verre: 50 mm. Les fibres ou mélanges de fibres ci-dessus, réalisés dans un mélangeur, sont introduits dans la chargeuse d'un dispositif d'alimentation d'une carde de type laine qui comporte une cheminée d'alimentation. Des charges pulvérulentes sont saupoudrées en sortie de la carde, sur le voile de carde formé, au moyen d'un dispositif de saupoudrage. Les charges pulvérulentes présentent la composition suivante (composition pondérale rapportée aux parties de fibres ci-dessus): CHARGES PULVERULENTES EXEMPLES A B C D E F Poussières de rectification de rectification de garnitures de 38,1 34, 6 31,7 8,2 7,5 6,7 frottement Résine phénolique 37,4 34,7 31,1 19,6 17,8 16,0 Cardolite 4,5 4,1 3,8 Caoutchouc nitrile 16, 2 14,7 13,2 Soufre 3, 2 2,9 2,6 Sulfate de baryte 12,9 11,7 10,5 Magnésie 3,3 3,0 2,7 Résine mélamine 18,0 16,6 15,2 Chaque zone annulaire de renfort 18 est un anneau d'une bande de tissu de verre qui est insérée à la bande de mat enroulé, lors de l'enroulement, l0 comme cela sera expliqué par la suite. Le tissu de renfort est par exemple un tissu unidirectionnel sens chaîne. Le diamètre des filaments de verre qui le constituent est sensiblement égal à 17 micromètres. s15 Le tissu de renfort présente la composition suivante (composition pondérale rapportée aux parties pondérables de fibres et de charges pulvérulentes mentionnées précédemment): TISSU EXEMPLES A B C D E F TISSU 0 8,4 16,8 0 8,8 17,7 UNIDIRECTIONNEL VERRE On comprend, à la lecture des trois tableaux de structure et de composition qui précèdent, que les exemples A et D sont des exemples sans tissu de renfort, c'est-a-dire des exemples correspondant à l'état de la technique illustré à la figure 1A, tandis que les exemples B, C, E et F sont des exemples de garnitures renforcées conformément aux enseignements de l'invention. Les échantillons de garnitures réalisées à partir des six exemples qui précèdent ont été soumis à un test de centrifugation à froid et à chaud. Le test a été réalisé sur une centrifugeuse pouvant atteindre 20.000 tours par minute qui est équipée d'un variateur automatique de vitesse réglable, d'un tachymètre de contrôle et d'un système de chauffage de la chambre d'essai. Les conditions d'essai ont été les suivantes. Pour le test de centrifugation à froid, au démarrage de 0 à 4.500- 5.000 tours par minute en 7 à 10 secondes, puis au-delà de 4.500-5.000 tours par minute, accélération constante de 5.000 tours par minute en 25 secondes, soit 3,33 tours par seconde2. Pour le test d'accélération à chaud, on a procédé à une accélération constante de 5.000 tours par minute en 25 secondes, soit 3,33 tours par seconde2. Lors de l'essai à chaud, le thermocouple de mesure de la température est placé dans le même plan que la couronne à tester. Le résultat des essais est résumé dans le tableau ci-dessous: RESISTANCE EXEMPLES A LA CENTRIFUGATION EN tr/mn A B C D E F Afroid - 25 C 15000 16500 17700 11400 13500 16300 A chaud- 200 C 10800 13200 16500 8900 10900 12900 Dans ce tableau, les valeurs maximales du régime de rotation correspondent au début des phénomènes de rupture en centrifugation. Dans le cas des trois premiers exemples A, B et C appartenant à une même famille de composition et de structure, on constate que la présence du tissu de renfort accroît de manière importante la résistance à la rupture en 1o centrifugation tant à froid qu'à chaud. Il en est de même dans le cas des trois autres exemples D, E et F appartenant à une autre famille de structure et de composition de la garniture. On décrira maintenant schématiquement un procédé de réalisation d'une garniture conforme aux enseignements de l'invention en se référant à la s15 figure 2. On a représenté sur cette figure un rouleau 20 de la bande de mat de matériau de frottement destiné à constituer les couches 16 et un rouleau 22 de dévidage de la bande de tissu de renfort destiné à constituer les couches annulaires de renfort 18. Les deux bandes 16 et 18 sont rendues adjacentes par leur passage sur un rouleau fou intermédiaire 24, puis la vitesse et la longueur de défilement sont contrôlés par un capteur 26. Les deux bandes sont associées entre elles en passant entre une paire de cylindres chauffant 28 pour être enroulées concentriquement sur un mandrin de diamètre réglable 30 pour constituer un tube 32 qui est ensuite découpé en tranches annulaires plates par des couteaux de refente 34. Si les bandes 16 et 18 dévidées à partir des rouleaux 20 et 22 sont associées en continu, c'est-à-dire pendant l'enroulement d'un tube complet, on aboutit à la fabrication de garnitures de friction du type de celle illustrée à la o10 figure 1C, c'est-à-dire une garniture qui comporte des couches annulaires de renfort sur toute sa surface, c'est-àdire radialement depuis l'intérieur vers l'extérieur. Si l'on veut obtenir une garniture renforcée seulement au voisinage de sa surface cylindrique intérieure 12, il faut interrompre l'alimentation en bande de tissu de renfort 18 à partir du rouleau 22 au bout d'un temps déterminé et poursuivre l'enroulement de la seule bande 16 pour la réalisation d'un tube 32. Selon un procédé connu, les diamètres intérieur et extérieur du tube l1 32, c'est-à-dire des garnitures 10 ensuite découpées, résultent du choix des diamètres du mandrin réglable et de la longueur de(s) bande(s) enroulée(s) sur le mandrin. REVENDICATIONS 1. Garniture (10) de frottement, destinée à équiper un dispositif mettant en oeuvre un frottement sec, de forme générale annulaire plate (10) et du type comportant un corps annulaire plat en matériau de frottement (16) délimité par des surfaces cylindriques intérieure (12) et extérieure (14), caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une zone annulaire de renfort (18). 2. Garniture selon la revendication 1, caractérisée en ce que la zone 1o annulaire de renfort (18) est agencée au voisinage de la surface cylindrique intérieure (12) de la garniture (10). 3. Garniture selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs zones annulaires (18) de renfort agencées sensiblement concentriquement. 4. Garniture selon la revendication 3, caractérisée en ce que les zones annulaires de renfort (18) sont agencées sensiblement concentriquement à partir du voisinage de la surface cylindrique intérieure (12) de la garniture (10). 5. Garniture selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs zones annulaires de renfort (18) agencées sensiblement concentriquement et réparties sur la totalité de la garniture (10) entre les surfaces cylindriques intérieure (12) et extérieure (14) de cette dernière. 6. Garniture selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que les zones annulaires de renfort (18) sont réalisées dans un matériau de même densité. 7. Garniture selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que les zones annulaires de renfort (18) sont réalisées dans des matériaux de densités différentes. 8. Garniture selon la revendication 7 prise en combinaison avec la revendication 4, caractérisée en ce que les zones annulaires de renfort (18) sont réalisées dans des matériaux de densités différentes et décroissantes à partir du voisinage de la surface cylindrique intérieure (12) de la garniture. 9. Garniture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque zone annulaire de renfort (18) est un anneau de renfort formé d'une couche cylindrique sensiblement annulaire insérée dans le corps annulaire plat. 10. Garniture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque zone annulaire de renfort (18) comporte un matériau de renfort de nature organique, minérale et/ou métallique. 11. Garniture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque zone annulaire de renfort (18) comporte un matériau de renfort constitué sous la forme d'un fil continu, d'un fil discontinu, de fibres, d'un tissu, d'une tresse ou d'un ruban. 12. Garniture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'elle comprend un matériau de frottement constitué par un mat de fibres imprégné d'une résine thermodurcissable. 13. Garniture selon la revendication 12, caractérisé en ce que is lesdites fibres présentent une longueur comprise entre 40 mm et 120 mm. 14. Procédé de fabrication d'une garniture de frottement (10), destinée à équiper un dispositif mettant en oeuvre un frottement sec, de forme générale annulaire plate et du type comportant un corps annulaire plat en matériau de frottement, dans lequel une ébauche du corps annulaire plat est réalisée par enroulement sur un mandrin (30) d'une longueur déterminée d'une bande d'un mat de matériau de frottement (16), caractérisé en ce que, au cours de l'étape d'enroulement, on insère au moins un tronçon d'une bande (18) de matériau de renfort d'une longueur suffisante pour constituer au moins une zone annulaire de renfort pour l'obtention ultérieure d'une garniture de frottement conforme à l'une quelconque des revendications précédentes. 15. Disque de friction d'embrayage tournant mettant en oeuvre un frottement à sec, comportant au moins une garniture de frottement (10), caractérisé en ce que ladite garniture de frottement est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 13. 16. Disque de friction d'embrayage tournant selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la garniture de frottement (10) a été obtenue selon le procédé conforme à la revendication 14.