Brevet FR2783028A1 — publié le 20000310

Domaine de l'invention L'invention concerne les pièces de friction en matériau composite thermostructural, notamment en matériau composite carbone/carbone, en particulier les plaquettes et les disques de freins ou d'embrayages. Arrière-plan de l'invention Les matériaux composites thermostructuraux sont remarquables par leurs propriétés mécaniques, qui les rendent aptes à constituer des pièces de structures, et par leur capacité à conserver ces propriétés aux températures élevées. Ils sont généralement constitués par un renfort fibreux en fibres réfractaires, typiquement en carbone ou en céramique, densifié par une matrice également réfractaire, elle aussi typiquement en carbone ou en céramique. Les matériaux composites thermostructuraux sont utilisés couramment pour des freins d'avions ou de véhicules automobiles de compétition en Fl. Il s'agit généralement de matériaux composites carbone/carbone, ou C/C, constitués d'un renfort en fibres de carbone densifié par une matrice en carbone. Les techniques de réalisation de pièces en composite C/C par élaboration d'une préforme fibreuse et densification de celle-ci par une matrice carbone par voie gazeuse - infiltration chimique en phase vapeur - ou par voie liquide - imprégnation par un précurseur de carbone à l'état liquide, par exemple une résine, et transformation du précurseur en carbone par traitement thermique - sont bien connues. Il a aussi été envisagé d'utiliser des matériaux composites de type C/SiC (renfort en fibres de carbone densifié par une matrice en carbure de silicium), de type C/C-SiC (matrice mixte comprenant une phase SiC ajoutée ou obtenue par siliciuration partielle d'un composite C/C), voire même de type SiC/SiC (renfort en fibres essentiellement en carbure de silicium densifié par une matrice SiC). Les avantages de ces matériaux, en particulier faible masse et performances élevées, ont conduit à envisager d'étendre leur utilisation en freinage à d'autres types de véhicules, tels que des véhicules ferroviaires ou des véhicules routiers, notamment poids lourds et automobiles de tourisme. Les essais réalisés ont montré que ces matériaux peuvent parfaitement convenir pour ces autres applications, en ce qui concerne les performances de freinage, mais engendrent, en service, un bruit, ou crissement, de niveau audible relativement élevé. Un tel bruit, qui peut être toléré pour des freins d'avions ou de véhicules automobiles de compétition, devient inacceptable pour les véhicules automobiles de tourisme, en particulier des véhicules haut de gamme qui doivent offrir un niveau confort très élevé à leurs utilisateurs. Le problème de l'atténuation des bruits indésirables produits par des freins est bien connu. Dans le cas de freins de véhicules automobiles à disque et plaquettes traditionnels, une solution habituelle consiste à associer aux plaquettes un matériau visco-élastique ayant une fonction d'amortissement des fréquences vibratoires dans le domaine audible. Le matériau visco-élastique est généralement pris en sandwich entre deux plaques métalliques, l'ensemble étant fixé en face arrière des plaquettes. La transposition de cette solution aux plaquettes en matériau composite thermostructural, notamment aux plaquettes en matériau composite C/C, est impossible du fait que les matériaux visco-élastiques généralement utilisés sont des polymères qui ne résistent pas à des températures supérieures à 250 C, alors que les matériaux thermostructuraux atteignent des températures bien supérieures lorsqu'ils sont sollicités en frottement. Objets et résumé de l'invention L'invention a pour objet de proposer une solution efficace pour éliminer, ou au moins atténuer fortement le bruit, notamment le crissement, engendré en frottement par une pièce de friction en matériau composite thermostructural. L'invention a aussi pour objet de proposer une telle solution qui reste efficace lorsque la température du matériau composite thermostructural atteint un niveau élevé du fait de sa sollicitation en frottement, c'est- à-dire une température pouvant atteindre environ 1 000 C, voire même dépasser ce seuil. L'invention a encore pour objet de proposer une telle solution qui n'alourdit pas de façon trop sensible le processus de fabrication et le coût, qui est déjà relativement élevé, des pièces de friction en matériau composite thermostructural. Conformément à l'invention, ces objets sont atteints du fait que la pièce de friction présente au moins une cavité qui est remplie de grains compactés en un matériau incompressible, non friable, et résistant aux températures élevées. Par températures élevées, on entend ici les températures qui sont susceptibles d'être atteintes par des pièces de friction en matériau composite thermostructural lorsqu'elles sont en service, c'est-à-dire, comme indiqué plus haut, des températures pouvant atteindre, voir même dépasser, 1000 C environ. Des matériaux granulaires pouvant convenir sont notamment les matériaux réfractaires durs qui peuvent se présenter sous forme de grains, par exemple des oxydes. carbures. nitrures, borures ou autres matériaux de type céramique réfractaire, ainsi que leurs mélanges. Avantageusement, le matériau granulaire utilisé est du sable. La ou chaque cavité est formée dans une partie de la pièce de friction distincte de la partie d'usure. Ainsi, dans une plaquette ou un disque ayant une face avant frottante et une face arrière opposée non frottante, la ou chaque cavité est formée dans la face arrière ou au voisinage de celle-ci. Dans un disque de frein à deux faces frottantes, la ou chaque cavité est formée dans la partie centrale du disque. La ou chaque cavité remplie de matériau granulaire peut être obturée par une pièce de fermeture en forme de plaque ou de bouchon. La ou chaque pièce de fermeture est fixée à la pièce de friction par des éléments de liaison mécanique, tels que vis ou rivets, ou par une liaison par la forme ou par collage ou par brasage. Le volume occupé par le matériau granulaire dans la ou chaque cavité est tel que l'épaisseur de matériau granulaire, mesurée en direction normale à une face frottante de la pièce de friction, est au moins égale à environ 0,1 cm. Brève description des dessins. Dans la description détaillée faite ci-après, il est fait référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'une plaquette de frein conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe transversale selon le plan II-II de la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe selon le plan III-III de la figure 2; - la figure 4 est une vue en coupe transversale illustrant un deuxième mode de réalisation d'une plaquette de frein conforme à l'invention; - la figure 5 est une vue en coupe transversale illustrant un troisième mode de réalisation d'une plaquette de frein conforme à l'invention; - la figure 6 est une vue analogue à celle de la figure 3 montrant une variante de réalisation des plaquettes des figures 1 à 5; - la figure 7 est une vue en coupe transversale selon les plans VII-VII de la figure 8 illustrant un quatrième mode de réalisation d'une plaquette de frein conforme à l'invention; - la figure 8 est une vue en coupe longitudinale selon le plan VIII-VIII de la figure 7; - la figure 9 est une vue en coupe transversale selon le plan IX-IX de la figure 10 illustrant un cinquième mode de réalisation d'une plaquette de frein conforme à l'invention: - la figure 10 est une vue en coupe selon le plan X-X de la figure 9; - la figure 11 est une vue en coupe transversale illustrant une variante de réalisation d'une plaquette de frein du type de celle des figures 9 et 10; - la figure 12 est une vue en coupe transversale selon le plan XII-XII de la figure 13 illustrant un disque de frein à une seule face frottante conforme à l'invention; - la figure 13 est une vue en coupe selon le plan XIII-XIII de la figure 12; - la figure 14 est une vue en coupe transversale selon le plan XIV-XIV de la figure 15 illustrant un disque de frein conforme à l'invention à deux faces frottantes opposées; - la figure 15 est une vue en coupe selon le plan XV-XV de la figure 14; - la figure 16 montre des courbes illustrant la variation du niveau de bruit enregistré lors d'un freinage, respectivement avec des plaquettes conformes à l'invention et avec des plaquettes de l'art antérieur; et - la figure 17 montre des courbes illustrant le spectre de fréquence enregistré lors d'un freinage, respectivement avec des plaquettes conformes à l'invention et avec des plaquettes selon l'art antérieur. Description détaillée de modes de réalisation préférée Dans ce qui suit, le matériau de friction des pièces de friction décrites est un matériau composite C/C. Toutefois, l'invention n'est pas limitée à l'utilisation d'un tel matériau et englobe les autres matériaux composites thermostructuraux utilisables pour des pièces de friction, comme par exemple les matériaux composites C/SiC, C/C-SiC ou SiC/SiC déjà mentionnés. Egalement dans ce qui suit, le matériau granulaire amortisseur de bruit décrit est du sable. L'invention n'est pas limitée à ce matériau granulaire particulier mais englobe tous matériaux granulaires incompressibles, non friables et résistants à la chaleur ayant des propriétés équivalentes, tels que les matériaux réfractaires, notamment céramiques, pouvant se présenter sous forme de grains, par exemple du type oxyde, carbure, nitrure, borure ou analogue et leurs mélanges. En outre, bien que la description qui suit fasse référence à des pièces de friction pour freins, l'invention englobe aussi les pièces de friction pour d'autres applications, notamment embrayages et ralentisseurs. Les figures 1 à 3 montrent une plaquette 10 du type de celle utilisée dans un frein à disque rotatif et plaquettes pour véhicule automobile. La plaquette 10 comprend un talon 12 par lequel elle est montée de façon classique dans un étrier (non représenté) et une partie d'usure 14 présentant une face frottante 16. L'ensemble formé par le talon et la partie d'usure et en une seule pièce réalisée en matériau composite C/C. Une cavité 20 est formée dans la plaquette 10, à partir de sa face arrière 18 opposée à la face frottante et sur une profondeur de préférence au plus égale à l'épaisseur de la partie 12 formant talon. La cavité 20 est formée dans la partie centrale de la face arrière 18. Dans l'exemple illustré, le contour de la cavité 20 suit celui du talon 12, et en est espacé d'une distance sensiblement constante. La cavité 20 est remplie de sable sec compacté 22 et est fermée par une contre-plaque 24. Celle-ci est maintenue appliquée contre la face arrière 18 de la plaquette autour de la cavité 20, au moyen de vis 26 dont les têtes sont logées dans des trous formés dans la plaquette 10 à partir de la face frottante 16. La contre- plaque 24 est métallique, par exemple en acier, ou est en matériau composite thermostructural. Son contour correspond à celui du talon 12. L'épaisseur de la couche de sable 22 est choisie pour réaliser un amortissement efficace dans le domaine des audio-fréquences. Elle est typiquement comprise entre 0,1 cm et 1 cm, de préférence sans excéder l'épaisseur du talon 12. Le sable utilisé est un sable disponible de façon courante dans le commerce tel qu'un sable de grains grossiers de tailles aléatoires et de formes irrégulières, par exemple un sable pour mortier ou béton. Pour la réalisation d'un frein de roue, deux plaquettes telles que celle décrite ci-avant sont montées dans un étrier, de part et d'autre d'un disque en matériau composite C/C solidaire en rotation de la roue à freiner. Lors du freinage, les plaquettes sont appliquées contre les faces frottantes opposées du disque au moyen de pistons agissant sur les faces externes des contre-plaques 24, un ou plusieurs pistons étant associés à chaque plaquette. Dans ce qui précède, il est envisagé une fixation de la contre-plaque 24 par vis. Celles-ci pourraient être remplacées par des rivets. D'autres mode de fixation sont envisageables, tels que par la forme ou par brasage ou par collage. La figure 4 montre une contre-plaque 24 dont le pourtour présente un profil en queue d'aronde complémentaire de celui du pourtour du talon 12 de la plaquettelO. La contre-plaque scelle la cavité 20 formée dans le talon et remplie de sable 22 sec et compacté. La contre-plaque 24 est moulée in situ. Elle est par exemple en fonte grise. Le mode de réalisation de la figure 5 se distingue de celui des figures 1 à 3 en ce que la liaison entre la contre-plaque 24 et le talon 12 de la plaquette 10 est réalisée par brasage. La brasure 28 utilisée est choisie parmi celles connues permettant de réaliser une liaison par brasage entre matériau composite C/C et métal, par exemple les brasures commercialisées sous les dénominations TiCuSil et "Cu-ABA" par la société des Etats-Unis d'Amérique Wesgo, Inc. En variante, la liaison peut être réalisée non pas par brasage, mais par collage, la contreplaque étant alors de préférence en matériau composite C/C. Des adhésifs appropriés sont par exemple la colle "C34" commercialisée par la Société allemande SIGRI. Dans le cas des figures 1 à 3, la cavité 20 est unique. En variante, plusieurs cavités pourront être formées. Ainsi, la figure 6 montre trois cavités 201, 202, 203 chacune remplie de sable sec et compacté. Les cavités sont fermées par une contre-plaque unique (non représentée) fixées à la plaquette 10 en composite C/C par vis 26, tout autre mode de fixation pouvant être adopté. Dans le mode de réalisation des figures 1 à 3, l'appui du ou des pistons lors du freinage se fait sur la face externe de la contre-plaque en des emplacements (flèche F de la figure 2) situés au niveau de la cavité 20. Afin, pour le conducteur du véhicule, de conserver au freinage une sensation semblable à celle perçue lorsque l'appui se fait sur le matériau composite C/C, la cavité 20 peut être formée en conservant le talon 12 dans toute son épaisseur au niveau du ou des appuis du ou des pistons d'actionnement. Ainsi, comme le montrent les figures 7 et 8, dans le cas o deux pistons sont associés à une même plaquette, la cavité 20 est formée en ménageant deux îlots 12, et 122 du talon 12, au droit des zones d'application des pistons sur la contre-plaque 24. Pour le reste, le mode de réalisation des figures 7 et 8 est semblable à celui des figures 1 à 3. Les figures 9 et 10 illustrent encore un autre mode de réalisation selon laquelle la plaquette 110 présente, dans son talon 112, un évidement 120 à section sensiblement rectangulaire s'étendant sur toute la longueur de la plaquette et débouchant à ses deux extrémités. L'évidement 120 peut être formé par exemple par usinage au jet d'eau sous pression. Il s'étend au sein du talon en étant espacé de la face externe de celui-ci et de la partie d'usure 114. L'évidement 120 est rempli de sable 122 sec et compacté et est obturé à ses extrémités par deux bouchons 24 qui peuvent être métalliques, par exemple en acier ou en matériau composite thermostructural. Les bouchons 124 sont fixés sur les bords de la plaquette entourant les orifices de l'évidement 120, par exemple par brasage 128 ou par collage. L'épaisseur de la couche de sable 122, déterminée par la dimension de l'évidement 120 en direction perpendiculaire à la face arrière du talon 112, est, comme précédemment, choisie pour apporter l'atténuation de bruit souhaitée. On notera que l'évidement 120 pourra être formé sur une partie seulement de la longueur de la plaquette et être obturé par un bouchon à sa seule extrémité débouchante. La figure 11 illustre une variante de réalisation qui se distingue de celle des figures 9 et 10 en ce que deux évidements parallèles 120,, 1202 sont formés le long du talon 112 et au sein de celui-ci, remplis de sable 122", 1222 sec et compacté. Les évidements sont obturés à chaque extrémité par un bouchon commun ou deux bouchons respectifs brasés ou collés sur les bords de la plaquette 110. Cette disposition permet de conserver l'épaisseur intégrale de la plaquette dans sa zone médiane longitudinale au regard, au moins partiellement, de la zone d'appui du ou des pistons d'actionnement. Dans ce qui précède, il est envisagé le cas d'une plaquette de frein. L'invention est toutefois également applicable aux disques de frein, en particulier aux disques stators faisant partie d'un empilement de disques stators et rotors dans un frein multidisque. Des freins multidisques en matériau composite C/C sont couramment utilisés sur des avions. Leur utilisation pour des véhicules ferroviaires ou des véhicules routiers (frein SRS, pour stator/rotor/stator) a aussi été envisagée. Ainsi, les figures 12 et 13 montrent un disque stator annulaire 130 muni à sa périphérie d'une série d'encoches 131 qui permettent sa liaison avec une structure fixe. Dans cet exemple, le disque 130 est un disque stator d'extrémité ayant une partie de talon 132. dans laquelle sont formées les encoches 131, et une partie d'usure 134 avec une face frottante 136. Le talon 132 et la partie d'usure 134 sont en une seule pièce en matériau composite C/C. Un évidement annulaire 140 est formé dans l'épaisseur du talon 132 à partir de sa face arrière et est rempli de sable 142 sec et compacté. La profondeur de l'évidement est choisie pour que la couche de sable 142 ait l'épaisseur souhaitée, c'est-à-dire, comme déjà indiqué, de préférence comprise entre 1 mm et mm. L'évidement 140 est formé à distance des couronnes interne et externe de la plaquette 110. Une contre-plaque 144 obture l'évidement 140 en étant fixée à la face arrière du talon 132. La fixation est réalisée au moyen de vis 146. Les têtes des vis sont logées dans des trous formés dans le talon 132 au niveau des créneaux 133 situés entre les encoches 131. Les figures 14 et 15 montrent un autre mode de réalisation dans lequel le disque stator 150 est un disque à deux faces frottantes opposées 156,, 1562 et est destiné à être intercalé entre deux disques rotors. Le disque 150 comprend deux parties ou demi-disques. 1501, 1502 comprenant chacune une partie d'âme 152", 1522 et une partie d'usure 154j, 1542. Un évidement annulaire 1601, 1602 est formé dans chaque partie d'âme 1521, 1522 à partir de sa face arrière. Les demi-disques sont assemblés par des faces arrière des parties d'âme, après remplissage des évidements 160", 1602 par du sable sec et compacté 162. La liaison des demi-disques entre eux peut être réalisée de la même façon que les liaisons composites C/C-métal envisagées plus haut, par exemple, comme dans l'exemple illustré, par brasage. La profondeur des évidements 160", 160, est déterminée pour obtenir l'épaisseur désirée de la couche de sable 162. Les deux parties d'âme réunies forment une âme 152 dont la couronne extérieure présente des encoches 151 pour la liaison du disque avec une structure fixe. Bien que les modes de réalisation des figures 12 à 15 montrent une couche de sable 142, 162 annulaire unique, il est possible de répartir celle-ci dans plusieurs évidements annulaires concentriques. En outre, dans le cas, en particulier, du disque stator 130 qui reçoit un effort d'actionnement dans une zone annulaire de la face externe de la contre-plaque 144, on pourra prévoir que cette zone se situe en regard d'une partie du disque dépourvue de sable. Cela pourra être facilité en répartissant la couche de sable dans plusieurs évidements concentriques. EXEMPLE Des plaquettes de freins telles que celle illustrée par les figures 1 à 3 ont été réalisées. Chaque plaquette avait un talon 12 de contour sensiblement rectangulaire de 152 mm x 66 mm. Les épaisseurs du talon 12 et de la partie d'usure 14 étaient égales respectivement à 8 mm et 7 mm. La cavité 20, réalisée sur une profondeur de 6 mm et à une distance d'environ 14 mm du bord du talon a été remplie de sable sec compacté. Le sable utilisé était un sable pour mortier ou béton passé au tamis de 10. La cavité 20 a été fermée par une contre-plaque 24 en acier d'épaisseur égale à 3 mm Les plaquettes ont été essayées en friction contre un disque en matériau composite C/C, dans une configuration de frein de véhicule automobile haut de gamme. A titre comparatif, un essai similaire a été réalisé avec des plaquettes réalisées de la même façon à l'exception de la présence d'une cavité remplie de sable. Des cycles de freinage ont été réalisés consistant chacun en un freinage de 100 km/h à 0 km/h. La figure 16 montre la variation du niveau de bruit recueilli au moyen d'un microphone, lors du 20e cycle de freinage, avec les plaquettes conformes à l'invention (courbe A) et avec les plaquettes dépourvues de matériau granulaire d'atténuation de bruit (courbe B). La figure 17 montre le spectre moyen recueilli avec des plaquettes respectivement conformes à l'invention (courbe A') et dépourvues de matériau d'atténuation de bruit (courbe B'). On constate que la présence du matériau amortisseur apporte une réduction très importante du niveau de bruit global instantané (la valeur moyenne passe de 116,8 dB à 84,1 dB) et une forte atténuation du spectre de fréquences dans le domaine audible (figure 7). REVENDICATIONS 1. Pièce de friction en matériau composite thermostructural, caractérisée en ce qu'elle présente au moins une cavité (20; 120; 140; 160) remplie de grains compactés en un matériau incompressible, non friable et résistant aux températures élevées. 2. Pièce de friction selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits grains sont en un matériau de type céramique réfractaire. 3. Pièce de friction selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits grains sont en sable. 4. Pièce de friction selon l'une quelconque des revendications l à 3, caractérisée en ce que lesdits grains compactés forment au moins une couche (22, 122; 142; 162) ayant une épaisseur comprise entre 0,1 cm et 1 cm. 5. Pièce de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant une partie formant talon (12; 112; 132) ayant une face arrière et une partie d'usure (14; 114; 134) ayant une face frottante opposée à la face arrière, caractérisée en ce que la ou chaque cavité (20; 120; 140) est ménagée dans la partie formant talon. 6. Pièce de friction selon la revendication 5, caractérisée en ce que la ou chaque cavité (20; 140) est formée à partir de la face arrière de la partie formant talon (12; 132) et est obturée par une pièce de fermeture (24; 144) reliée par des moyens de liaison à ladite partie formant talon. 7. Pièce de friction selon la revendication 5, caractérisée en ce que la ou chaque cavité (120) est formée à travers la partie formant talon (112) et est obturée à sa ou chaque extrémité par une pièce de fermeture (124) reliée par des moyens de liaison à la partie formant talon. 8. Pièce de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comportant une partie formant âme (152) et deux parties d'usure (154", 1542) situées de part et d'autre de l'âme, caractérisée en ce que la ou chaque cavité (150, 1502) est ménagée dans la partie formant âme. 9. Pièce de friction selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend deux parties comprenant chacune une partie d'âme (152t, 1522) et une partie d'usure (1541, 1542) reliées l'une à l'autre par leurs parties d'âme par des moyens de liaison, la ou chaque cavité étant formée par réunion de cavités (150", 1502) ménagées dans lesdites parties d'âme. 10. Pièce de friction selon l'une quelconque des revendications 6, 7 et 9, caractérisée en ce que lesdits moyens de liaison sont des moyens de liaison mécanique. 11. Pièce de friction selon l'une quelconque des revendications 6, 7 et 9, caractérisée en ce que lesdits moyens de liaison sont des moyens de liaison par la forme. 12. Pièce de friction selon l'une quelconque des revendications 6, 7 et 9, caractérisée en ce que lesdits moyens de liaison consistent en un brasage. 13. Pièce de friction selon l'une quelconque des revendications 6, 7 et 9, caractérisée en ce que lesdits moyens de liaison consistent en un collage. 14. Pièce de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce qu'elle est dépourvue de cavité au regard de la ou chaque zone destinée à recevoir un effort d'actionnement. 15. Pièce de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce qu'elle constitue une plaquette de frein. 16. Pièce de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce qu'elle constitue un disque de frein.