Brevet FR2781852A1 — publié le 20000204

La présente invention concerne un élément de friction, tel qu'un anneau de friction, en particulier pour un disque de frein, destiné notamment à des véhicules à déplacement sur rails, comportant une première structure, qui forme un corps de support, ainsi qu'une seconde structure, qui représente une région d'usure. Les véhicules à déplacement sur rails constituent le domaine d'utilisation préféré du frein conforme à l'invention. A l'heure actuelle, se trouvent en développement, en particulier pour le trafic ferroviaire à grande vitesse, des éléments de friction, à savoir des 0o anneaux de friction, que l'on parvient à utiliser dans des disques de frein d'essieu et dans des disques de frein de roue et qui sont réalisés à partir de ce que l'on appelle des matériaux composites à matrice céramique, également dénommés matériaux CMC. Les anneaux de friction pour de tels freins à friction sont, pour la majorité d'entre eux, constitués d'une structure en fibres homogène et d'une matrice céramique. De tels "anneaux de friction homogènes" peuvent être composés de l'une des structures présentées ci- apres: - des étages de tissu en fibres de carbone - des fibres découpées courtes ou longues - des pièces de feutre - des tissus tridimensionnels, de préférence en fibres de carbone - des tresses de fibres longues Des anneaux de friction ou des disques, formés d'étages de tissu et de tresses de fibres longues, possèdent une résistance mécanique relativement élevée et sont, par conséquent, adaptés pour supporter de fortes contraintes mécaniques. Un inconvénient de couches de friction formées de ces matériaux réside dans la forte usure et la tendance à l'oxydation, ainsi que dans la mauvaise conduction thermique dans une direction perpendiculaire au plan du tissu. Des disques en fibres découpées courtes manifestent certes une supériorité en ce qui concerne leurs propriétés tribologiques, car ils présentent une usure moindre, un degré de friction plus uniforme ainsi qu'une bonne résistance à l'oxydation, mais ils possèdent des résistances mécaniques nettement amoindries. Ceci est critique plus particulièrement avec des vitesses de rotation élevées et des couples de freinage intenses. La conduction thermique de couches en fibres découpées courtes est uniformément bonne dans toutes les directions de l'espace. D'après le brevet américain US 5 242 746, on connaît un élément de friction, en particulier pour des freins de forte puissance en matériau composite à base de carbone, qui est d'une conception multicouche. La structure de chaque couche est caractérisée par la texture de cette dernière. On distingue des textures dites grossières, comprenant des segments de tissu, 0o et des textures dites fines, comprenant des segments de fibres. Dans le cas des éléments de friction connus d'après le brevet américain US 5 242 746, les propriétés mécaniques et tribologiques des éléments de friction ou des anneaux de friction sont ajustées par le biais de la formation en plusieurs couches, chaque couche présentant alors une texture t5 différente, la couche de friction ayant de préférence une structure fine et la couche de support ayant de préférence une structure grossière. D'après le brevet allemand DE 44 38 456, on connaît une unité de friction comprenant un corps central ainsi qu'un corps de friction, le corps central aussi bien que le corps de friction étant, dans ce cas, constitués de matériaux en fibres de carbone, dans lesquels du silicium liquide est introduit par infiltration. L'unité de friction connue d'après le brevet allemand DE 44 38 456 présente également diverses couches, et ce que l'on veut, dans ce brevet, est que les différentes couches soient réunies avec une couche de jonction hautement résistante. Les propriétés des éléments de friction, qui sont connus d'après le brevet allemand DE 44 38 456, sont fixées essentiellement par la proportion de silicium introduite. Le but de la présente invention est dès lors de procurer une forme de réalisation d'un anneau de friction ou d'un disque de frein, notamment pour des véhicules à déplacement sur rails, qui soit un perfectionnement de l'état de la technique précédemment mentionné. Outre le fait de présenter des niveaux élevés de résistance mécanique, les éléments de friction conformes à l'invention doivent se distinguer également par de bonnes propriétés de friction, pour une faible usure, ainsi que par une bonne conductibilité thermique en direction axiale, c'est-à-dire perpendiculairement à la surface de friction. La conductibilité thermique est en particulier importante pour évacuer la chaleur des disques car, sinon, il se produit une accumulation de chaleur dans la zone de friction. Pour atteindre ce but, la présente invention propose un élément de friction, tel qu'un anneau de friction, du type spécifié en introduction, dont la première structure, formant le corps de support, comprend plusieurs étages de tissu, de préférence en fibres de carbone, et dont la seconde structure, formant la région d'usure, comprend des fibres découpées courtes, de préférence en carbone. Dans une forme de conception particulièrement avantageuse de l'invention, il est prévu que l'élément de friction ou l'anneau de friction présente une structure en couches, qui comprend au moins trois couches. Dans ce cas, les première et troisième couches comportent des fibres découpées courtes de carbone et la deuxième couche comporte, au moins en partie, du tissu en fibres de carbone de la première structure. Des propriétés de conduction thermique particulièrement bonnes sont obtenues lorsque la première structure formant le corps de support est traversée par des parties de la seconde structure. Dans un premier mode de réalisation, il est prévu que la première structure formant le corps de support soit réalisée en une seule pièce. En variante à cela, le corps de support peut être constitué de plusieurs éléments. Par exemple, les couches de tissu de la première structure peuvent être formées d'éléments en segment, qui sont déposés en chevauchement mutuel. Pour des corps de support constitués d'éléments en segment, il existe plusieurs variantes de réalisation. Il peut être ainsi prévu que les éléments en segment ou secteurs soient disposés en chevauchement mutuel dans la direction circonférentielle. En variante à cela, les secteurs peuvent se chevaucher en direction radiale et suivant une configuration circulaire. Des combinaisons des deux variantes décrites ci-dessus sont possibles. Pour améliorer la liaison mutuelle des structures de couche individuelles, il est prévu que la première structure, qui forme le corps de support et qui comprend plusieurs étages de tissu, soit pourvue d'évidements, dans lesquels des structures formant la région d'usure et comprenant des fibres découpées courtes viennent en prise et réalisent un assemblage par complémentarité de formes. En variante à un aménagement du corps de support avec des évidements, il peut être prévu que les étages de tissu de la première structure forment un treillis à grosses mailles et que des parties de la seconde structure, comprenant des fibres découpées courtes de carbone, soient insérées dans les espaces vides de ce treillis. Une dissipation particulièrement bonne de la chaleur est alors obtenue lorsque les parties, insérées dans le corps de support, de la seconde structure, comprenant des fibres découpées courtes, sont dans une relation de liaison conductrice avec les première et troisième couches. De façon o0 particulièrement préférée, les liaisons conductrices sont disposées au voisinage de moyens de refroidissement, comme par exemple des fentes de refroidissement. L'élément de friction ou l'anneau de friction, conforme à l'invention, peut, selon une première forme de conception de l'invention, être un disque de frein d'essieu qui, dans un mode de réalisation particulier, est conçu sous forme d'un disque ventilé de frein d'essieu. Dans le cas des disques ventilés dc frein d'essieu, il est avantageusement prévu que leurs barrettes de refroidissement contiennent des fibres découpées courtes. En variante au mode de réalisation précédemment décrit, il peut être prévu que l'élément de friction ou l'anneau de friction soit un disque de frein de roue, de préférence un disque ventilé de frein de roue. En plus des éléments de friction ou des anneaux de friction qui en font l'objet, la présente invention met aussi à disposition un procédé pour la fabrication d'un tel élément de friction ou anneau de friction. Le procédé de fabrication comprend au moins les trois étapes décrites ci- après. L'anneau de friction est, de préférence, fabriqué couché et comprend, sur sa face inférieure, une première couche qui comporte des fibres découpées courtes. Pour produire la première couche, on mélange les fibres découpées courtes à une pâte de matière plastique et on coule le mélange dans un moule. Sur la première couche, on dépose plusieurs étages de tissu, qui sont imprégnés d'une matière plastique (résine) liquide. Sur cette couche formant le corps de support, on applique à nouveau un mélange de fibres découpées courtes, comme décrit dans la première étape. L'aménagement complémentaire des disques de frein s'effectue ensuite de la même façon que dans le cas des disques classiques de frein d'essieu ou de frein de roue. L'invention va, dans ce qui suit, être décrite plus en détail, mais uniquement à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure la montre un disque de frein d'essieu conforme à l'invention; la figure lb montre un disque de frein de roue conforme à l'invention; la figure 2a représente le détail d'une couche de support, qui est composée de secteurs se chevauchant mutuellement; la figure 2b représente le détail d'une couche de support à structures se chevauchant mutuellement, conforme à une variante de réalisation; la figure 2c est une vue de dessus d'un disque de frein, dont la couche de support comporte des structures se chevauchant mutuellement; la figure 3a montre un disque de frein d'essieu, non refroidi, présentant, dans la couche de support, des évidements dans lesquels un matériau formé de fibres découpées courtes est enchâssé; la figure 3b est une vue de côté d'un disque de frein conforme à la figure 3a; la figure 4a montre un disque de frein d'essieu, refroidi, dans lequel des barrettes de refroidissement sont constituées d'un matériau formé de fibres découpées courtes; et la figure 4b montre un disque de frein de roue ventilé. Sur la figure la, on a représenté un élément de friction conforme à l'invention, en l'occurrence un disque de frein d'essieu, qui est constitué de trois couches, dont une est une couche de support 1, constituée, pour l'essentiel, de plusieurs étages de tissu et/ou d'un matériau formé de fibres longues, par exemple d'un matériau à base de carbone. La couche de support à structure formée d'étages de tissu confère une résistance mécanique très élevée aux disques, si bien que ceux-ci supportent de fortes contraintes mécaniques et sont donc adaptés pour l'application de couples de freinage intenses. En raison de l'usure très forte, il est appliqué, sur le corps de support formé d'étages de tissus, une première et une troisième couche 3, 5, qui se composent essentiellement de fibres découpées courtes. Les couches d'usure ont des propriétés tribologiques supérieures à celles de la couche formant le corps de support. Elles présentent une usure moindre, un degré de friction plus uniforme ainsi qu'une bonne résistance à l'oxydation. La conductibilité thermique de ces couches est uniformément bonne dans les trois directions de l'espace, au contraire de celle de la couche de support, qui ne se manifeste essentiellement que dans une direction parallèle au plan des fibres de tissu. Leur moins bonne résistance mécanique est compensée par la couche de support 1. On peut procéder à la fabrication d'un tel disque de frein d'essieu, montré sur la figure la, en façonnant tout d'abord la partie faciale inférieure de ce disque de frein d'essieu par coulée dans un moule, de courtes fibres découpées de carbone étant dans ce cas introduites en mélange to dans une pâte de matière plastique. Sur cette première couche 3, est confectionnée la couche de support 1, constituée de plusieurs étages de tissu, qui sont imprégnés de matière plastique liquide. Sur le corps de support ou la couche de support 1, vient ensuite une troisième couche, à savoir la seconde couche d'usure 5, qui contient essentiellement, là encore, un mélange de courtes fibres découpées. Au lieu d'être utilisé pour confectionner un disque de frein d'essieu, l'élément de friction conforme à l'invention peut également être employé pour confectionner un disque de frein de roue, comme représenté sur la figure lb. Ce disque de frein comporte également un corps de support 1, qui est essentiellement constitué de fibres de carbone de grande longueur, formant des étages de tissu, ainsi que des couches d'usure 3, 5, qui sont situées sur les deux faces du corps de support 1 et qui se composent cssentiellement de fibres découpées courtes. Sur les figures 2a à 2c, sont représentées des variantes de réalisation de la couche 1 formant le corps de support. C'est ainsi que la couche 1 formant le corps de support, tout comme aussi, dans un mode de réalisation particulier, les couches d'usure, peut ne pas être réalisée en une seule pièce sous forme d'un anneau de friction, et peut, au contraire, être composée de plusieurs segments. La figure 2a montre la vue de côté d'un anneau de friction composé de divers segments. Les secteurs individuels d'anneau de support 10.1, 10.2, 10.3, qui comprennent essentiellement des pièces de tissu, se chevauchent mutuellement en direction circonférentielle dans les régions 12.1, 12.2 et 12.3. Au lieu d'avoir une structure formée de segments déposés de manière à se chevaucher en direction circonférentielle comme cela est représenté sur la figure 2a, on peut doter les secteurs 10.1, 10.2, 10.3 de dimensions encore plus petites, comme cela est représenté sur la figure 2b. Les secteurs individuels de tissu se chevauchent alors aussi bien en direction radiale que dans une direction circulaire et forment conjointement l'anneau de support. Une vue de dessus d'un élément de friction selon la présente invention, muni d'un corps de support conforme à l'une des figures 2a et 2b, est montrée à la figure 2c. On distingue nettement les couches d'usure 3, 5 ainsi que la couche de support 1 composée de segments individuels 10.1, 10.2, 10.3. Pour améliorer la qualité du refroidissement des disques de frein io produits à partir des éléments de friction conformes à l'invention, l'ensemble constitué des étages de tissu 1, qui forme le corps de support, peut, comme cela est représenté sur les figures 3a et 3b, comprendre des évidements 20, dans lesquels viennent en prise, de préférence par co.mplémentarité de formes, des régions de fibres découpées courtes appartenant, par exemple, à la couche d'usure 3, 5. Il est plus particulièrement préférable que les évidements traversent le corps de support 1 en totalité, afin qu'une liaison conductrice, en particulier une liaison conductrice de la chaleur, soit établie entre les deux couches d'usure 3, 5 au moyen des fibres découpées courtes insérées dans les évidements 20. Les couches d'usure 3, 5 couvrent de préférence 50%, ou plus, de l'épaisseur totale du disque de frein d'essieu non ventilé, constitué dans le cas présent de trois couches. Au lieu d'être constituées de fibres découpées courtes, les parties présentes dans les évidements 20, qui jouent le rôle de barrettes de refroidissement ou de barrettes de conduction de chaleur, peuvent être également réalisées à partir d'une natte ou d'un feutre. De cette manière, on peut prévenir toute accumulation de chaleur dans la zone de friction, car la chaleur peut être convenablement transférée à travers la couche de support 1 et évacuée dans la région, par exemple, de la couche d'usure extérieure 3. Par ailleurs, grâce à une telle conception, l'anneau de support 1 peut être produit pour un coût modéré, car une partie seulement de l'anneau de support est réalisée en un matériau cher, à savoir celui qui constitue les étages de tissu. De plus, par un choix approprié du nombre et de la disposition des évidements, on peut moduler, d'une manière extrêmement simple, une configuration déterminée de la répartition des barrettes de refroidissement et obtenir ainsi un schéma extrêmement régulier de lignes de conduction de chaleur. Dans le cas du disque de frein représenté sur les figures 3a et 3b, on est en présence d'un disque de frein plein, qui n'est pas ventilé. Au lieu d'aménager des évidements 20 dans la couche de support, on peut en variante prévoir, dans un mode de réalisation qui n'est pas représenté, que les étages de tissu du corps de support 1 ne forment qu'une ossature à très grosses mailles. Dans les espaces vides intercalaires de l'ossature, on peut alors insérer des faisceaux de fibres découpées courtes ou des pièces de feutre, etc. Les espaces vides intercalaires garantissent alors, tout comme les 1o évidements, une conductibilité thermique suffisamment bonne. Il est possible d'employer l'élément de friction conforme à l'invention non seulement pour la réalisation de disques non ventilés de frein d'essieu et de disques non ventilés de frein de roue, mais aussi, comme sur les figures 4a et 4b, pour la réalisation de disques ventilés de frein d'essieu ou de disques ventilés de frein de roue. La figure 4a montre un disque de frein d'essieu 100 ainsi ventilé. Le disque ventilé de frein d'essieu 100 comporte un corps de support central 102, comprenant plusieurs étages de tissu, ainsi que deux couches de support 104, 106 se raccordant à ce dernier, qui comprennent également plusieurs étages de tissu. Sur les corps de support 104, 106, sont appliquées des couches d'usure 108, 110, qui comprennent essentiellement des fibres découpées courtes. Les barrettes de refroidissement 112 sont, comme dans le cas des évidements 20 du disque non ventilé de frein d'essieu, constituées de fibres découpées courtes et possèdent, dès lors, une bonne conductibilité thermique. En variante, des pièces de feutre pourraient être prévues. De plus, dans un mode de réalisation particulièrement préféré, les couches de support 104 et 106 peuvent encore comporter par ailleurs des évidements, en particulier dans la région des barrettes de refroidissement 112, évidements dans lesquels des fibres découpées courtes seront insérées, afin qu'une liaison conductrice soit réalisée entre les couches d'usure 110 et 108. La chaleur peut être cédée par les barrettes de refroidissement 112 aux movens de refroidissement voisins, dans le cas présent aux fentes de refroidissement 114. De façon particulièrement préférée, le disque de frein d'essieu est conçu de telle sorte que la largeur D d'une partie de côté du disque de frein d'essieu soit formée par 50% de la couche de support respective 104, 106 et par 50% de la couche d'usure respective 108, 110. Un disque ventilé de frein de roue, conforme à l'invention, est représenté sur la figure 4b, sur laquelle la roue 200 se trouve placée en appui contre la couche d'usure 202 du frein à friction, comprenant essentiellement des fibres découpées courtes. Le corps de support 204 du disque de frein de roue comporte essentiellement, là encore, des étages de tissu en fibres découpées longues. Une couche 206, constituée de fibres découpées courtes, est à nouveau disposée sur la couche de support 204, sur sa face opposée à la 1o couche d'usure 202. Des variantes à la couche de support ainsi qu'aux évidements ménagés dans cette dernière peuvent être imaginées de façon analogue aux exemples précédemment décrits, sans que l'on ait à y faire explicitement référence une nouvelle fois. Avec la présente invention, on dispose en définitive, pour la première fois, d'un élément de friction d'un nouveau type, qui se distingue par une fabrication simplifiée, par une grande stabilité mécanique, ainsi que par une faible usure et une bonne conductibilité thermique en direction axiale. L'élément de friction conforme à l'invention peut être mis en oeuvre, par exemple, dans des disques de frein d'essieu ou des disques de frein de roue, mais aussi dans des transmissions rapides pour le freinage. REVENDICATIONS 1. Elément de friction pour un frein à friction, en particulier pour un disque de frein, comportant une première structure, qui forme un corps de support (1, 102, 204), ainsi qu'une seconde structure, qui forme une région d'usure (3, 5, 108, 110, 202, 206), caractérisé en ce que la première structure, formant le corps de support (1, 102, 204), comprend plusieurs étages de tissu, de préférence en fibres de carbone, et la seconde structure, formant la région d'usure (3, 5, 108, 110, 202, 206), comprend des fibres découpées courtes, de io préférence en carbone. 2. Elément de friction selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une structure en couches comportant au moins trois couches, les première et troisième couches étant des couches d'usure contenant des fibres découpées courtes de carbone de la seconde structure, et la deuxième couche étant une couche de support contenant, au moins en partie, du tissu en fibres de carbone de la première structure. 3. Elément de friction selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la première structure formant le corps de support est traversée par des parties de la seconde structure. 4. Elément de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première structure formant le corps de support est réalisée en une seule pièce. 5. Elément de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 3. caractérisé en ce que la première structure formant le corps de support 2s est constituée de plusieurs éléments. 6. Elément de friction selon la revendication 5, caractérisé en ce que la première structure formant le corps de support est formée d'éléments en segment (10.1, 10.2, 10.3) se chevauchant mutuellement. 7. Elément de friction selon la revendication 6, caractérisé en ce que les éléments en segment ou secteurs (10.1, 10.2, 10.3) se chevauchent en direction circonférentielle. 8. Elément de friction selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les éléments en segment ou secteurs (10.1, 10. 2, 10.3) se chevauchent en direction radiale et suivant une configuration circulaire. 9. Elément de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, pour améliorer la liaison mutuelle des structures individuelles, l'ensemble d'étages de tissu, qui forme la première structure, est pourvu d'évidements (20) qui sont tels, que la première structure et la seconde structure, qui forme la région d'usure, réalisent, par leur intermédiaire, un assemblage par complémentarité de formes. 10. Elément de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les étages de tissu de la première structure forment un treillis à grosses mailles et en ce que des parties de la seconde structure, o0 comprenant des fibres découpées courtes de carbone, sont insérées dans les espaces vides de ce treillis. 1 1. Elément de friction selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que les parties de la seconde structure comprenant des fibres découpées courtes, qui sont insérées dans la deuxième couche formant 1s le corps de support, sont dans une relation de liaison conductrice avec les première et troisième couches. 12. Elément de friction selon la revendication 11, caractérisé en ce que la liaison conductrice est formée au voisinage de moyens de refroidissement (112). 13. Elément de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il constitue un disque de frein d'essieu. 14. Elément de friction selon la revendication 13, caractérisé en ce que le disque de frein d'essieu est un disque ventilé de frein d'essieu, qui comprend des fibres découpées courtes au niveau des barrettes de refroidissement. 15. Elément de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il constitue un disque de frein de roue. 16. Procédé pour la fabrication d'un élément de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, comprenant au moins les étapes suivantes: 16.1 de courtes fibres découpées sont mélangées à une pâte de matière plastique et le mélange ainsi obtenu est coulé dans un moule; 16. 2 sur la couche formée à l'étape 16.1, des étages de tissu imprégnés de matière plastique liquide sont appliqués; et 16.3 sur la couche formée à l'étape 16.2, de courtes fibres découpées sont à nouveau appliquées d'une manière conforme à l'étape 16.1.