Brevet FR2762653A1 — publié le 19981030

La présente invention concerne un disque de frein comprenant une partie de friction en matériau composite thermostructural en forme d'anneau et une partie métallique solidaire de l'anneau de friction et formant une couronne destinée à permettre le montage du disque. Il est bien connu de réaliser des disques de frein qui, au moins dans leurs parties d'usure, sont réalisés en matériau composite thermostructural. De tels disques sont aujourd'hui utilisés couramment pour des freins d'avions ou des freins de véhicules automobiles de compétition. Les matériaux composites thennostructuraux sont caractérisés par leurs bonnes propriétés mécaniques qui les rendent aptes à constituer des éléments de structure et par leur capacité à conserver ces propriétés jusqu'à des températures élevées. Des exemples typiques de matériaux composites thermostructuraux sont les matériaux composites carbonecarbone (C/C) comprenant un renfort en fibres de carbone densifié par une matrice de carbone et les matériaux composites à matrice céramique ou partiellement céramique comprenant un renfort en fibres réfractaires (carbone ou céramique) densifié par une matrice au moins partiellement en céramique. Pour permettre le montage des disques sur un organe rotatif, dans le cas de disques monoblocs en matériau composite, des encoches sont formées dans la face périphérique interne du disque. Afin d'éviter une détérioration du matériau composite sous l'effet des efforts de freinage transmis au niveau des encoches, celles-ci peuvent être munies de cavaliers métalliques qui doivent alors être fixés sur le disque. Il a aussi été proposé de réaliser un disque avec une âme métallique servant au montage du disque et des parties d'usure en matériau composite. L'assemblage d'une partie de disque en matériau composite avec une partie de disque en métal ne soulève pas trop de difficultés lorsque les matériaux composite et métallique présentent sensiblement le même coefficient de dilatation thermique ou, sinon, lorsque le disque est peu sollicité thermiquement. Dans les autres cas, il est nécessaire de tenir compte des variations dimensionnelles différentielles entre le matériau composite et le métal, et la présente invention a pour but de proposer un disque de frein dans lequel l'assemblage d'un anneau de friction en matériau composite avec une couronne métallique permet d'absorber de telles variations. Plus particulièrement, I'invention a pour but de proposer un mode d'assemblage qui requiert un nombre réduit de pièces et des usinages peu complexes afin de diminuer autant que possible le coût de fabrication des disques et d'élargir par là même leur domaine d'application à des véhicules ferroviaires ou des véhicules automobiles industriels (poids lourds, véhicules utilitaires, autocars) ou encore des véhicules automobiles de tourisme. Selon un aspect de l'invention, ces buts sont atteints grâce à un disque de frein dans lequel la partie métallique est une couronne à section sensiblement en forme de U formant un moyeu qui enserre le bord intérieur de l'anneau de friction en ménageant avec celui-ci un jeu radial, I'une au moins des deux faces latérales internes de la couronne métallique présente une surface tronconique en appui sur une surface tronconique correspondante formée sur une face latérale de l'anneau de friction, et les surfaces tronconiques ont leur sommet situé sensiblement sur l'axe du disque, de sorte qu'en cas de variations dimensionnelles différentielles, L'anneau de friction et la couronne métallique peuvent glisser l'un par rapport à l'autre le long de leurs surfaces tronconiques en contact sans qu'un jeu axial soit engendré. Selon un autre aspect de l'invention, la partie métallique est une couronne à section sensiblement en forme de U qui enserre le bord extérieur de l'anneau de friction en ménageant avec celui-ci un jeu radial, I'une au moins des deux faces latérales intemes de la couronne métallique présente une surface tronconique en appui sur une surface tronconique correspondante formée sur une face latérale de l'anneau de friction et les surfaces tronconiques ont leur sommet situé sur l'axe du disque, de sorte qu'en cas de variations dimensionnelles différentielles, L'anneau de friction et la couronne métallique peuvent glisser l'un par rapport à l'autre le long de leurs surfaces tronconiques en contact sans qu'un jeu axial soit engendré. Grâce à de tels montages, le guidage latéral et radial de l'anneau de friction est assuré en permanence et l'application de fortes contraintes dues aux variations dimensionnelles différentielles est évitée. La liaison en rotation entre l'anneau de friction et la couronne métallique peut etre assurée au moyen de crantages qui sont formés dans des faces en regard de l'anneau de friction et de la couronne métallique et qui sont en engagement mutuel. Avantageusement, les crantages sont formés parallèlement à l'axe du disque respectivement dans la face interne périphérique de la couronne métallique et dans le bord qui lui fait face de l'anneau de friction, ce qui ne requiert qu'un usinage réduit et simple à réaliser. En variante, les crantages pourraient être formés radialement dans les faces latérales en regard de la couronne métallique et de l'anneau de friction. Dans tous les cas, les crantages sont de préférence en engagement mutuel le long de surfaces situées dans des plans méridiens. La couronne métallique est avantageusement réalisée en deux parties venant en appui sur les faces latérales de l'anneau, de part et d'autre de celui-ci, et assemblées l'une à l'autre. Chaque partie de couronne métallique peut présenter une surface tronconique venant en appui sur une surface tronconique correspondante de l'anneau de friction, les deux parties de couronne métallique pouvant alors être symétriques l'une de l'autre par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe du disque. En variante, il peut être prévu que les surfaces en contact de l'une des parties de couronne métallique et de l'anneau de friction sont dans un plan perpendiculaire à l'axe du disque. Selon un mode particulier de réalisation d'un disque de frein conforme à l'invention, I'une des parties de couronne métallique s'étend sensiblement sur toute l'épaisseur du disque de frein, tandis que l'autre partie de couronne métallique forme une plaque annulaire disposée essentiellement d'un côté de l'anneau de friction. La plaque annulaire peut être formée de plusieurs secteurs juxtaposés dont aucun ne s'étend sur plus de 180". Cette réalisation permet un accès aisé pour remplacement de l'anneau de friction sans démonter le moyeu. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description faite ciaprès, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une demi-vue schématique en coupe méridienne d'un premier mode de réalisation d'un disque de frein selon l'invention à moyeu métallique; - les figures 2 et 3 sont des vues en perspective et en coupe montrant des parties constitutives d'un disque de frein selon le mode de réalisation de la figure 1, respectivement avant et après leur assemblage; - les figures 4 et 5 sont des demi-vues schématiques en coupe méridienne de disques de frein selon deux variantes de réalisation d'un disque de frein selon l'invention à moyeu métallique ; et - la figure 6 est une demi-vue schématique en coupe méridienne d'un autre mode de réalisation d'un disque de frein selon l'invention à couronne externe métallique. La figure 1 montre schématiquement un disque de frein 10 destiné à être solidarisé en rotation avec un organe rotatif 12 tel qu'un essieu de roue de véhicule terrestre ferroviaire ou automobile. Le disque 10 comporte un anneau de friction 20 en matériau composite thermostructural, par exemple en matériau composite C/C et un moyeu métallique 30, par exemple en acier. L'anneau de friction 20 présente deux faces frottantes opposées 201 20k destinées à coopérer avec des patins de frein (non représentés). Le moyeu métallique 30 a la forme d'une couronne à section sensiblement en U qui enserre le bord intérieur 24 de l'anneau de friction, dans une zone extérieure aux faces frottantes. Dans le mode de réalisation des figures 1 à 3, la couronne 30 a des surfaces latérales internes tronconiques 32, 32b. qui s'appuient sur des surfaces tronconiques respectives correspondantes 22%, 22k formées sur les côtés de l'anneau de friction, au voisinage de son bord intérieur 24. Les surfaces tronconiques 22%, 32 ont leur sommet situé sur l'axe 14 du disque, de même que les surfaces tronconiques 22k, 32b. Dans l'exemple illustré, les sommets S sont confondus et situés dans le plan diamétral médian P du disque 10. La couronne métallique 30 est formée de deux parties 30i 30h, qui, dans l'exemple illustré, sont symétriques l'une de l'autre par rapport au plan médian P du disque 10. Les parties 30a et 30k présentent des perçages 34ss, 34k parallèles à l'axe du disque pour permettre l'assemblage de la couronne 30 et son application sur les faces latérales de l'anneau de friction 20 au moyen de boulons ou visécrous. En variante, les parties 30 et 30b pourraient être serrées l'une contre l'autre entre deux bagues montées sur l'organe rotatif 12. Afin d'assurer la liaison en rotation entre l'anneau de friction 20 et la couronne 30, des crantages 26 s'étendant parallèlement à l'axe du disque sont formés dans le bord intérieur 24 de l'anneau de friction et coopèrent avec des crantages correspondants 361 36b formés dans le pourtour extérieur des parties de couronne 30a, 30k Les crantages 26 et les crantages 361 36b sont en engagement mutuel par des surfaces de contact s'étendant dans des plans méridiens. On notera qu'un jeu 16 est ménagé en direction radiale entre l'anneau de friction 20 et la couronne 30, c'est-à-dire entre les sommets des crantages 26 ou 36ss, 36b et les fonds des crantages 36L 36k et 26, respectivement. La liaison en rotation entre le moyeu 30 et l'organe rotatif 12 est par exemple réalisée au moyen d'encoches axiales (non représentées) formées dans la face interne des parties 30L 30b et coopérant avec des cannelures formées sur l'organe rotatif 12. Grâce au montage qui vient d'être décrit, des variations dimensionnelles différentielles entre la couronne métallique et l'anneau de friction sont absorbées par déplacement relatif entre ces deux pièces, en glissement le long de leurs surfaces en contact, sans engendrer de jeu axial, donc sans affecter le guidage radial et latéral de l'anneau de friction, et sans engendrer de contraintes inacceptables au sein de l'anneau de friction et de la couronne métallique. En outre, le nombre de pièces nécessaires pour la construction du disque de frein est réduit. Les parties constitutives de la couronne métallique peuvent être obtenues à faible coût, par exemple par forgeage. Quant aux crantages, ils peuvent être réalisés par simple enlèvement de matière, parallèlement à l'axe, ce qui représente une opération d'usinage simple et rapide. Enfin, I'assemblage des différentes pièces du disque est extrêmement simple. La figure 4 illustre un autre mode de réalisation qui diffère de celui des figures 1 à 3 en ce que la couronne 130 est formée de deux parties 130ss, 130k non symétriques l'une de l'autre par rapport au plan médian du disque 110. La partie 130â forme l'intégralité du moyeu proprement dit en s'étendant sur toute l'épaisseur de l'anneau de friction 120, tandis que la partie 130k présente une forme de plaque annulaire disposée latéralement par rapport à l'anneau de friction. Les parties de couronne 130I 130k s'appuient par l'intermédiaire de surfaces tronconiques 132%, 132b sur des surfaces tronconiques correspondantes 122%, 122k formées sur les faces latérales de l'anneau de friction, au voisinage du bord intérieur 124, en dehors des surfaces frottantes 120L 120k. Les surfaces tronconiques ont un même sommet S situé sur l'axe du disque, dans le plan médian de celui-ci. L'assemblage des parties de couronne métallique 130L 130k est réalisé comme décrit en relation avec le mode de réalisation des figures 1 et 3. La liaison en rotation entre l'anneau de friction et la couronne métallique est comme précédemment réalisée au moyen de crantages s'étendant en direction axiale, les crantages de la couronne métallique étant formés seulement sur la partie 130 et coopérant avec les crantages de l'anneau de friction en ménageant un jeu radial 116. La liaison en rotation entre le moyeu et l'organe rotatif 112 sur lequel le disque est monté est assurée par coopération entre des encoches formées en direction axiale à la surface interne de la partie de couronne 130a et des cannelures (non représentées) portées par l'organe rotatif 112. On notera que la partie de couronne 130k a un diamètre intérieur légèrement inférieur à celui de la partie 130 de manière à pouvoir être montée autour des cannelures de l'organe rotatif sans qu'il soit nécessaire de former des encoches. Le mode de réalisation de la figure 4 permet un accès plus aisé de l'anneau de friction, par exemple pour son remplacement, puisqu'il suffit de démonter la plaque 130ss. Cette dernière pourra même être réalisée en plusieurs secteurs juxtaposés, dont aucun ne s'étend sur plus de 180, afin de faciliter son démontage. La figure 5 illustre encore un autre mode de réalisation qui diffère de celui de la figure 4 en ce que la partie de forme annulaire 130'k de la couronne 130' est en appui sur l'anneau de friction par une surface plane 132'k en contact avec une surface plane 122'b de l'anneau de friction 120', dans le prolongement de la face frottante 120'b. Les surfaces 122'k et 132'b sont perpendiculaires à l'axe du disque 110'. Pour le reste, le mode de réalisation de la figure 5 est identiquc à celui de la figure 4, de sorte qu'il n'est pas nécessaire d'en donner une nouvelle description. En particulier le contact entre l'autre partie de couronne 130'a et la surface de l'anneau de friction située dans le prolongement de la face frottante 120,il se fait sur des surfaces tronconiques centrées sur l'axe du disque en un point S' situé dans le prolongement des surfaces 122'ta 132'b. Le mode de réalisation de la figure 5 convient plus particulièrement aux disques minces, un moindre rétrécissement étant imposé au niveau de la couronne métallique. La figure 6 montre schématiquement un disque de frein 210 destiné à être solidarisé avec un organe 212. Celui-ci est par exemple un manchon rotatif solidaire d'une pièce à freiner, ou une partie de châssis dans le cas d'un disque de frein stator faisant partie d'un ensemble de disques stators alternant avec des disques rotors. Le disque 210 comporte un anneau de friction 220 en matériau composite thermostructural, par exemple en matériau composite C/C ct une couronne métallique 230 externe, par exemple en acier. L'anneau de friction 220 présente deux faces frottantes 220I 220k destinées à coopérer avec des patins de frein ou des anneaux de friction adjacents (non représentés). La couronne 230 a une section sensiblement en U qui enserre le bord extérieur 228 de l'anneau de friction, dans une zone extérieure aux faces frottantes. La couronne 230 a des surfaces latérales internes tronconiques 232iL, 232k, qui s'appuient sur des surfaces tronconiques correspondantes 222%, 222k formées sur les côtés de l'anneau de friction, au voisinage de son bord extérieur 228. Les surfaces tronconiques 222%, 232 ont leur sommet situé sur l'axe 214 du disque, de même que les surfaces tronconiques 222h, 232L, les sommets étant de préférence confondus et situés dans le plan diamétral médian du disque 210. La couronne métallique 230 est formée de deux parties 230I 230b qui, dans l'exemple illustré, sont symétriques l'une de l'autre par rapport au plan médian du disque 210. Les parties 230L 230b présentent des perçages (non représentés) parallèles à l'axe du disque pour permettre l'assemblage de la couronne et son application sur les faces latérales de l'anneau de friction au moyen de boulons ou de vis-écrous. En variante, les parties 230L 230h, peuvent être serrées l'une contre l'autre entre deux pièces solidaires de l'organe 212. La liaison circonférentielle entre l'anneau de friction 220 et la couronne 230 est assurée au moyen de crantages formés parallèlement à l'axe du disque dans le bord extérieur 228 de l'anneau de friction et coopérant avec des crantages correspondants formés dans le pourtour intérieur des parties de couronne 230ss, 230k, Les crantages de l'anneau de friction sont en engagement mutuel avec ceux de la couronne par des surfaces de contact s'étendant dans des plans méridiens. Un jeu 216 est ménagé en direction radiale entre l'anneau de friction 220 et la couronne 230. La liaison entre la couronne 230 et l'organe 212 peut être assurée au moyen d'encoches formées dans la face externe de la couronne 230 et coopérant avec des cannelures formées sur l'organe 212. Grâce à ce montage, des variations dimensionnelles différentielles entre la couronne métallique et l'anneau de friction peuvent être absorbées par déplacement relatif entre ces deux pièces, le long de leurs surfaces en contact. Comme avec le mode de réalisation de la figure 1, ces variations dimensionnelles n'affectent pas le guidage radial et latéral de l'anneau de friction et n'engendrent pas de contraintes inacceptables. Comme dans le cas des figures 4 et 5, la couronne métallique externe du mode de réalisation de la figure 6 pourra être réalisée en deux parties non symétriques l'une de l'autre par rapport au plan médian du disque, ou avec des surfaces mutuelles en contact entre l'anneau de friction et la couronne métallique qui sont tronconiques d'un côté et planes de l'autre. REVENDICATIONS 1 - Disque de frein (10; 110; 110') comprenant une partie de friction (20; 120; 120') en matériau composite thermostructural en forme d'anneau et une partie métallique (30 ; 130 ; 130') solidaire en rotation de l'anneau de friction et formant un moyeu destiné à permettre le montage du disque, caractérisé en ce que la partie métallique (30 ; 130 ; 130') est une couronne à section sensiblement en forme de U qui enserre le bord intérieur (24; 124) de l'anneau de friction (20; 120; 120') en ménageant avec celui-ci un jeu radial (16; 116), l'une au moins des deux faces latérales internes (32%, 32b; 132%, 132k) de la couronne métallique présente une surface tronconique en appui sur une surface tronconique correspondante (22a,22b; 122%, 122k) formée sur une face latérale de l'anneau de friction, et les surfaces tronconiques ont leur sommet (S) situé sensiblement sur l'axe (14 ; 114) du disque, de sorte qu'en cas de variations dimensionnelles différentielles, l'anneau de friction ct la couronne métallique peuvent glisser l'un par rapport à l'autre le long de leurs surfaces tronconiques en contact sans qu'un jeu axial soit engendré. 2 - Disque de frein (210) comprenant une partie de friction (220) en matériau composite thermostructural en forme d'anneau et une partie métallique (230) solidaire de l'anneau de friction et destinée à permettre le montage du disque, caractérisé en ce que la partie métallique (230) est une couronne à section sensiblement en forme de U qui enserre le bord extérieur (218) de l'anneau de friction (220) en ménageant avec celui-ci un jeu radial (216), l'une au moins des deux faces latérales internes (2321 232k) de la couronne métallique (230) présente une surface tronconique en appui sur une surface tronconique correspondante (222in 2222) formée sur une face latérale de l'anneau de friction (220) et les surfaces tronconiques ont leur sommet situé sur l'axe (214) du disque de sorte qu'en cas de variations dimensionnelles différentielles, l'anneau de friction et la couronne métallique peuvent glisser l'un par rapport à l'autre le long de leurs surfaces tronconiques en contact sans qu'un jeu axial soit engendré. 3 - Disque de frein selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'anneau de friction (20; 120; 120'; 220) est lié cn rotation à la couronne métallique (30; 130; 130'; 230) au moyen de crantages (26, 36,,', 36k) qui sont formés dans des faces en regard de l'anneau de friction et de la couronne métallique et qui sont en engagement mutuel. 4 - Disque de frein selon la revendication 3, caractérisé en ce que les crantages (26 ; 36a; 36k) sont formés parallèlement à l'axe du disque respectivement dans la face interne périphérique de la couronne métallique et dans le bord intérieur qui lui fait face de l'anneau de friction. 5 - Disque de frein selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les crantages (26, 36a, 36k) sont en engagement mutuel le long de surfaces situées dans des plans méridiens. 6 - Disque de frein selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couronne métallique (30; 130; 130'; 230) comporte deux parties venant en appui sur les faces latérales de l'anneau (20; 120; 120'; 220), de part et d'autre de celui-ci, et assemblées l'une à l'autre. 7 - Disque de frein selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque partie de couronne métallique (30a, 30k ; 130a, 130k ; 230a, 230k) présente une surface tronconique venant en appui sur une surface tronconique correspondante de l'anneau de friction. 8 - Disque de frein selon la revendication 7, caractérisé en ce que les deux parties de couronne métallique sont symétriques l'une de l'autre par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe du disque. 9 - Disque de frein selon la revendication 6, caractérisé en ce que les surfaces (132'b, 122'b) en contact de l'une des parties de couronne métallique et de l'anneau de friction sont dans un plan perpendiculaire à l'axe du disque. 10 - Disque de frein selon l'une quelconque des revendications 7 et 9, caractérisé en ce que l'une des parties de couronne métallique (130a; 130'a) s'étend sensiblement sur toute l'épaisseur du disque de frein, tandis que l'autre partie de couronne métallique (130k, 130'b) forme une plaque annulaire disposée essentiellement d'un côté de l'anneau de friction. 11 - Disque de frein selon la revendication 10, caractérisé en ce que la plaque annulaire est formée de plusieurs secteurs juxtaposés.