Brevet FR2894638A1 — publié le 20070615

La présente invention concerne généralement des patins de frein pour véhicules ferroviaires, et plus particulièrement un patin de frein composé de couches qui présente des caractéristiques de réduction vis-à-vis des bruits, un procédé pour fixer un patin de frein sur un sabot de frein. Un certain type de véhicules ferroviaires qui utilisent un système de suspension à pneumatiques en association avec des roues de sécurité secondaires en acier pour le freinage, est équipé d'un patin de frein du type en bois, qui est monté typiquement sur un sabot de frein de support au moyen de vis qui se projettent à travers la face du sabot de frein et qui sont noyées dans le corps du patin de frein. De tels patins de frein de type en bois ont été utilisés sur ces véhicules parce que, jusqu'ici, d'autres types de patins de freins composites entraînent des crissements excessifs du frein lorsque celui-ci est appliqué sur les roues de sécurité en acier de tels véhicules. La tendance à produire des bruits est en relation avec la forme unique de la roue et avec la suspension de la roue sur le même essieu qui est supporté par le système de suspension à pneumatiques du véhicule. Dans ce système, la roue de sécurité en acier est utilisée principalement pour la fonction de freinage, sans venir en contact avec un rail ou une surface routière pendant le fonctionnement du véhicule. Il est connu que des patins de frein de type en bois résistent au mieux à la génération de bruits et que l'agencement de montage existant sur de tels véhicules est fiable pour des patins de frein de type en bois. Les techniques antérieures pour attacher des patins de frein impliquent de visser des vis en laiton directement dans la structure des patins de frein en bois. Dans le cas de freins composites, le développement d'un matériau composite capable de remplacer le bois avec succès a été entravé par l'incapacité des matériaux de friction composites de garder un bon contact avec le filetage des vis en laiton de la même manière que le bois naturel, tout en conservant les qualités appropriées vis-à-vis de la friction et de la réduction des bruits. Spécifiquement, le bois naturel est tel que ses fibres sont alignées de façon prédominante et renforcées par une structure à grains, alors que les particules des fibres quelconques contenues dans un matériau composite sont typiquement alignées de façon aléatoire, ce qui provoque l'apparition d'une multiplicité de lignes de défaillance autour des moyens de fixation (par exemple une connexion vissée avec les vis en laiton). Par conséquent, l'attachement du patin de frein est susceptible d'entraîner une rupture du matériau et un arrachement des vis. Cela est dû aux forces qui sont exercées dans les zones de concentration de contraintes en contact avec les filetages des vis lorsque les vis sont introduites, ou bien lorsque l'ensemble réagit â des charges dynamiques pendant l'utilisation du système de freinage. 10 Une technique antérieure pour attacher des patins de frein consiste â incorporer une plaque dorsale en métal avec des pattes en extension, sous forme d'une unité intégralement moulée, comme cela est divulgué dans le brevet US 6,302,247 aux noms de Kahr et autres. D'autres 15 formes de patins de frein sont connues de la demande de brevet aux Etats-Unis publiée sous le numéro 2003/0155193 aux noms de Hays, Jr., et autres, du brevet US 5,595,266 au nom de Cecere, du brevet US 5,255,762 au nom de Beri, et du brevet US 6,474,452 au nom de Velayutha. Le document aux noms de Hays et autres divulgue un 20 assemblage de patin de frein qui inclut un coussinet â friction attaché sur une plaque dorsale non métallique qui est réalisée en un matériau non métallique. Le brevet au nom de Cecere divulgue un frein â friction ayant un élément formant garniture de frein en matériau de friction assemblé de façon intégrale par adhésion sur une plaque dorsale en 25 utilisant une résine époxy intégrée au niveau de l'interface. Le document au nom de Beri divulgue un ensemble formant patin de frein dans lequel un matériau de friction est moulé de manière intégrale autour de divers écrous de retenue, avec pour résultat une surface extérieure continue. Le matériau de friction peut être monté en 30 affleurement contre une plaque support et des boulons sont alors passés â travers des trous pour engager les écrous de retenue. Le document au nom de Velayutha divulgue une plaque dorsale légère â base de polymère destinée â être utilisée avec un patin de frein pour véhicules ferroviaires ou un patin de frein â disque qui peut être formé in situ 35 pendant le moulage du matériau de friction composite. Aucune de ces formes antérieures n'est aussi efficace que le processus d'attachement avec des vis en laiton dans le but de réduire les bruits, de faciliter l'assemblage et de le rendre fiable, et de conférer une intégrité structurelle au produit moulé. Au vu de ce qui précède, il existe un besoin pour un patin de frein qui présente des qualités visant à réduire les bruits, et qui puisse remplacer les patins de frein traditionnels du type en bois qui sont actuellement communément utilisés dans le domaine des véhicules ferroviaires. Un tel patin de frein peut être réalisé avec des matériaux de friction composites intégralement moulés qui sont adaptés conjointement à remplir leur fonction dans le sabot de frein, et un matériau assurant les caractéristiques désirées quant à la friction, aux bruits et à l'usure, dans la portion destinée à l'usure, un autre matériau composite dans la couche non destinée à l'usure présentant des caractéristiques élastiques pour assurer un attachement direct sur un sabot de frein. Le patin de frein permet un attachement mécanique fiable d'un matériau de friction composite sur un sabot le frein ou une mâchoire de frein dans des véhicules ferroviaires et autres véhicules similaires. Une caractéristique spécifique du patin de frein, c'est sa capacité à assurer une protection à l'encontre d'une rupture du matériau de friction composite à proximité de l'interface d'attachement du matériau de friction composite avec les éléments d'attache mécanique. Dans un mode de réalisation, le patin de frein inclut une couche d'un matériau composite élastique qui est compatible avec la portion du patin de frein en matériau de friction composite. Cette couche est formée d'une mince couche en matériau composite élastique qui est simultanément moulée avec le matériau de friction composite. Quand le moulage est terminé, le matériau élastique a pour effet d'encapsuler le matériau de friction plus friable et de réaliser une couche ou "peau" d'un matériau qui applique une force de compression circonférentielle sur les surfaces extérieures des moyens de fixation, comme des vis, qui pénètrent la partie dorsale du corps du patin de frein dans le but d'attacher celui-ci sur le sabot de frein. En plus de la force de compression exercée sur les surfaces des moyens de fixation qui la pénètrent, la couche élastique a pour effet de prévenir des ruptures localisées du matériau de friction de base autour du périmètre de contact des moyens de fixation, maintenant grâce d cela la capacité de maintien de l'interface avec les moyens de fixation. Dans un autre mode de réalisation, le patin de frein pour véhicules ferroviaires comprend une première couche réalisée en un matériau de friction composite et une seconde couche réalisée en un matériau composite élastique, la seconde couche étant attachée sur une surface de la première couche, et adaptée d recevoir au moins un moyen de fixation dans son épaisseur. La seconde couche peut être adaptée à. être fixée de façon amovible sur un sabot de frein avec ledit au moins un moyen de fixation. La seconde couche peut être adaptée d recevoir le moyen de fixation qui s'étend d travers elle-même, et la première couche peut être adaptée d recevoir une portion prédéterminée de l'élément de fixation en elle-même. 5 Le matériau composite élastique de la seconde couche est typiquement capable d'appliquer une force de compression circonférentielle sur une surface extérieure du moyen de fixation. Le matériau composite élastique de la seconde couche est typiquement capable de prévenir des 20 ruptures localisées du matériau de friction composite de la première couche autour d'un périmètre de contact de la première couche avec le moyen de fixation et avec la seconde couche. La seconde couche peut être intégralement moulée avec la première 25 couche. Le moyen de fixation peut comprendre une pluralité de moyens de fixation, et cette pluralité de moyens de fixation peut comprendre par exemple des vis. Dans un autre mode de réalisation, le patin de frein pour véhicules 30 ferroviaires comprend une première couche réalisée en matériau de friction composite, une seconde couche réalisée en un matériau composite élastique, et au moins une ouverture qui s'étend dans le matériau de la seconde couche. La première couche présente une première surface et une seconde surface, la première surface étant 35 capable de venir en contact avec une roue pendant une opération de freinage. La seconde couche comporte une première surface et une seconde surface, la première surface étant attachée sur la seconde surface de la première couche. Ladite au moins une ouverture est adaptée à recevoir à l'intérieur au moins un moyen de fixation mécanique pour attacher la seconde surface de la seconde couche de façon amovible sur le sabot de frein. L'ouverture peut s'étendre à travers la seconde couche. La première couche peut inclure au moins une ouverture qui s'étend en elle-même sur une distance prédéterminée, cette ouverture qui s'étend dans la première couche étant positionnée en alignement avec l'ouverture s'étendant à travers la seconde couche, et étant adaptée à recevoir une portion prédéterminée du moyen de fixation mécanique qui s'étend à travers la seconde couche. Le matériau composite élastique de la seconde couche est typiquement capable d'appliquer une force de compression circonférentielle sur une surface extérieure du moyen de fixation mécanique. Le matériau composite élastique de la seconde couche est typiquement capable de prévenir une rupture localisée du matériau de friction composite de la première couche autour d'un périmètre de contact de la première couche avec le moyen de fixation mécanique et avec la seconde couche. La seconde couche peut être intégralement moulée avec la première couche. Le moyen de fixation mécanique peut comprendre une vis. La première surface de la première couche de matériau de friction composite est compatible, de façon désirable, pour l'utilisation avec une roue de sécurité d'un véhicule ferroviaire. Un autre aspect de l'invention concerne un procédé pour fixer un patin de frein sur un sabot de frein destiné à être utilisé avec un véhicule ferroviaire. Généralement, le procédé comprend de fournir un patin de frein qui comprend une première couche réalisée en un matériau de friction composite et une seconde couche réalisée en un matériau composite élastique, attachée sur une surface de la première couche ; de réaliser au moins une première ouverture s'étendant à travers la seconde couche ; de réaliser au moins une seconde ouverture en alignement avec la première ouverture, la seconde ouverture s'étendant sur une distance prédéterminée dans la première couche du patin de frein ; et d'attacher le patin de frein sur un sabot de frein à l'aide d'au moins un moyen de fixation mécanique qui s'étend dans la première et dans la seconde ouverture. L'étape consistant à réaliser la première et la seconde ouverture peut comprendre de former une pluralité de premières et de secondes ouvertures dans la première et la seconde couche, et l'étape consistant à attacher le patin de frein sur le sabot de frein peut comprendre d'utiliser une pluralité de vis. D'autres détails et avantages seront compris à la lecture de la description qui va suivre des modes de réalisation préférés, considérée avec les dessins qui l'accompagnent, dans lesquels les mêmes numéros de référence représentent les mêmes éléments dans toutes les figures. La figure 1 est une vue en coupe et en perspective d'un patin de frein ; la figure 2 est une vue latérale du patin de frein de la figure 1 ; et la figure 3 est une vue en perspective éclatée du patin de frein de la figure 1 monté sur un sabot de frein. Pour les besoins de la description qui va suivre, les expressions concernant l'orientation spatiale ou les directions vont se rapporter à l'invention telle qu'elle est orientée dans les figures des dessins. Cependant, on comprendra que l'invention peut adopter diverses autres variantes, sauf si la description se réfère expressément au contraire. On comprendra également que les composants spécifiques illustrés dans les dessins ci-joints et décrits dans la description qui va suivre, sont simplement des modes de réalisation exemplaires de l'invention. Par conséquent, les dimensions spécifiques et autres caractéristiques physiques concernant les modes de réalisation divulgués ne doivent pas être considérées comme des limitations.35 La figure 1 illustre un patin de frein, indiqué généralement par 10, comprenant une première couche 12 qui présente une première surface 12A et une seconde surface 12B, et une seconde couche 14 qui présente une première surface 14A et une seconde surface 14B. De façon désirable est comme montré dans la figure 2, la première couche 12 est en matériau de friction composite et la seconde couche 14 est en matériau composite élastique. Le matériau de friction composite est compatible avec le matériau élastique de telle façon que la première surface 14A de la seconde couche 14 peut être jointe à la seconde surface 12B de la première couche 12 par un quelconque moyen bien connu. De préférence, la seconde couche 14 est moulée simultanément et intégralement avec la première couche 12. Un exemple de la relation des épaisseurs de la couche de matériau élastique et de la couche de matériau de friction du patin de frein 10 est également illustré dans la figure 2. La composition du matériau de friction de la première couche 12 comprend généralement un liant à base de résine, une charge inorganique, des fibres de cellulose et/ou de coton, et un lubrifiant. On pourra utiliser dans la composition du matériau de friction tous les types bien connus de liants, de charges, de fibres et de lubrifiants. La composition du matériau élastique de la seconde couche 14 comprend généralement un caoutchouc synthétique, des agents de durcissement, des charges inorganiques et/ou organiques, et un liant à base de résine. On pourra utiliser dans la composition de la couche élastique tous les types bien connus de caoutchoucs synthétiques, d'agents de durcissement, de charges et de liants. Toujours en se référant aux figures 1 et 2, la figure 3 montre le patin de frein 10 utilisé en association avec un sabot de frein 16. Le brevet US 6,302,247 aux noms de Kahr et autres divulgue un exemple de sabot de frein destiné à être utilisé avec le patin de frein de la présente invention. Cependant, il s'agit de comprendre que l'on pourra utiliser d'autres sabots de frein ou mâchoires de frein appropriés en association avec la présente invention. Le sabot de frein 16 est adapté à recevoir des vis de montage 18 ou d'autres moyens de fixation à travers lui-même. Ainsi, le processus d'assemblage du sabot de frein 16 de la mâchoire du système de freinage est accompli en positionnant le sabot de frein 16 contre le dos du patin de frein 10. Des trous de guidage ou des premières ouvertures 20 sont alors percés aux emplacements appropriés sur la surface dorsale du patin de frein 10. Ces premières ouvertures s'étendent à travers la seconde couche 14. Des secondes ouvertures 22 sont percées dans la première couche 12 en alignement avec les premières ouvertures 20. Ces secondes ouvertures s'étendent sur une distance prédéterminée dans la première couche 12. Ainsi, la seconde couche 14 inclut les premières ouvertures 20 adaptées à recevoir les vis de montage 18 qui s'étendent à travers elle-même et qui pénètrent dans les secondes ouvertures 22 pour s'étendre sur une distance prédéterminée dans la première couche 12. Ensuite, les vis de montage 18 sont vissées dans le patin de frein 10 pour attacher la seconde surface 14B du patin de frein 10 contre le sabot de frein 16. La première surface 12A de la première couche 12 de friction composite est adaptée à venir en contact avec la surface d'une roue du véhicule ferroviaire pendant une opération de freinage. Dans une utilisation spécifique, la première couche 12 de friction composite est compatible pour être utilisée avec une roue de sécurité d'un véhicule ferroviaire. Des tests de cisaillement aux normes ASTM pour un matériau de friction typique par rapport au matériau à deux couches qui inclut la seconde couche élastique 14 du patin de frein 10 ont été exécutés. Les résultats du matériau de friction sont caractérisés par une région de déformation plastique, ou déformation permanente, à proximité du point de déflexion maximum auquel se produit une fracture. La résistance ultime est dans une région supérieure à 30.000 lbf (13.600 kgf). Des calculs basés sur ces résultats indiquent un module d'élasticité dans la plage de 400 à 470 ksi (2.750 à 3.240 MPa) (une plage moyenne serait de 435.000 lbs/in2, soit 3.000 MPa). Le matériau élastique prévu à titre de seconde couche élastique 14 associée au patin de frein 10 est caractérisé par un module d'élasticité beaucoup plus faible, qui ne présente pas de déformation plastique appréciable avant d'atteindre la limite de déflexion maximum de l'équipement de test. La résistance ultime est dans une région inférieure à 12.000 lbf (5.400 kgf). Des calculs basés sur ces résultats indiquent un module d'élasticité dans la plage de 50 à 75 ksi (345 à 517 MPa) (la plage moyenne serait de 62 500 lbs/in2, soit 430 MPa). Les résultats de ces essais montrent que les matériaux de friction caractéristiques ou typiques utilisés dans des applications à des patins de frein de l'art antérieur sont trop rigides (un module d'élasticité relativement élevé et une résistance finale élevée signifient que le matériau ne se "déforme" pas beaucoup avant de rompre, tandis que le matériau élastique cède, c'est-à-dire se déforme, de manière élastique de telle façon qu'il conserve sa forme et son intégrité en s'étirant et non pas en rompant). Dans un patin de frein dépourvu de plaque dorsale, l'utilisation du matériau élastique à titre de seconde couche élastique 14 dans le patin de frein 10 évite l'apparition de ruptures (ou de fractures) au niveau des surfaces en engagement qui coopèrent avec les filetages des vis de montage. Ainsi, le matériau élastique de la seconde couche 14 a pour effet d'encapsuler le matériau de friction plus friable de la première couche 12. Le matériau élastique constitue une couche de matériau analogue à une peau tenace et élastique, qui applique une force de compression circonférentielle sur les surfaces extérieures des moyens de fixation ou vis de montage 18 qui pénètrent le dos du patin de frein 10. En plus de la force de compression sur les surfaces des moyens de fixation qui la pénètrent, la seconde couche 14 empêche des ruptures localisées du matériau autour du périmètre de contact sur les vis de montage 18, maintenant ainsi la puissance de maintien de l'interface du moyen de fixation. La couche élastique remplit des fonctions additionnelles. En premier lieu, l'épaisseur et la ténacité du matériau élastique sont suffisantes pour coopérer avec les vis de montage 18 à la manière du corps ou de la portion hôte d'un joint vissé. En second lieu, les propriétés du matériau élastique procurent une résistance à la rupture de la connexion vissée sous l'effet des vibrations et des impacts latéraux. Comme cela est connu dans cette technique, des vibrations et des impacts latéraux agrandissent les périmètres des trous percés dans des patins de frein en bois ou des patins de frein présentant d'autres types de compositions. On comprendra que le processus de fabrication employé pour la fabrication des patins de frein de la présente invention peut requérir l'addition d'une seconde formule pour le mélange et le broyage avant le processus de moulage, de même que la mise en place d'un matériau en couche dans le moule avant de charger le moule avec le matériau de friction composite. En outre, en raison des propriétés élastiques du patin de frein de la présente invention, l'enlèvement des bavures après le processus de moulage peut exiger d'utiliser des outils additionnels et/ou de déployer des efforts additionnels pour satisfaire les standards concernant l'aspect. L'invention a été décrite en se référant à des modes de réalisation désirables. Des modifications et des variations apparaîtront aux hommes de métier à la lecture et à la compréhension de la description détaillée qui précède. Il est entendu que l'invention sera comprise comme incluant toutes ces modifications et variations qui tomberont sous la portée de la présente invention et de ses équivalents. Revendications 1. Patin de frein (10) pour véhicules ferroviaires, caractérisé en ce qu'il comprend : (a) une première couche (12) réalisée en un matériau de friction composite et (b) une seconde couche (14) réalisée en un matériau composite élastique, ladite seconde couche étant attachée à une surface (12B) de ladite première couche (12), ladite seconde couche (14) étant adaptée à recevoir au moins un moyen de fixation (18) dans son épaisseur. 2. Patin de frein (10) pour véhicules ferroviaires selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde couche (14) est adaptée à être attachée de manière amovible sur un sabot de frein (16) avec ledit au moins un moyen de fixation (18). 3. Patin de frein (10) pour véhicules ferroviaires selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite seconde couche (14) est adaptée à recevoir ledit au moins un moyen de fixation (18) qui s'étend à travers celle-ci, et dans lequel ladite première couche (12) est adaptée à recevoir une portion prédéterminée dudit au moins un moyen de fixation (18) dans son épaisseur. 4. Patin de frein (10) pour véhicules ferroviaires selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit matériau composite élastique de ladite seconde couche (14) est capable d'appliquer une force de compression circonférentielle sur une surface extérieure dudit au moins un moyen de fixation (18). 5. Patin de frein (10) pour véhicules ferroviaires selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit matériau composite élastique de ladite seconde couche (14) est capable d'empêcher une rupture localisée dudit matériau de friction composite de ladite première couche (12) autour d'un périmètre de contact de la première couche (12) avec ledit au moins un moyen de fixation (18) et ladite seconde couche (14). 6. Patin de frein (10) pour véhicules ferroviaires selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite seconde couche (14) est intégralement moulée avec ladite première couche (12). 7. Patin de frein (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit au moins un moyen de fixation mécanique (18) comprend une vis (18). 8. Patin de frein (10) pour véhicules ferroviaires selon l'une quelconque 0 des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit au moins un moyen de fixation (18) comprend une pluralité de moyens de fixation (18). 9. Patin de frein (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que : 15 (a) ladite première couche (12) comporte une première surface (12A) et une seconde surface (12B), ladite première surface (12A) étant capable de venir en contact avec une roue du véhicule pendant une opération de freinage ; (b) ladite seconde couche (14) comporte une première surface (14A) et 20 une seconde surface (14B), ladite première surface (14A) étant attachée â ladite seconde surface (12B) de ladite première couche (12) ; et (c) au moins une ouverture (20) s'étendant jusque dans ladite seconde couche (14), ladite au moins une ouverture (20) étant adaptée à recevoir ledit au moins un moyen de fixation mécanique (18) dans son 25 épaisseur pour attacher de façon amovible ladite seconde surface (14B) de ladite seconde couche (14) audit sabot de frein (16). O. Patin de frein (10) selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite au moins une ouverture (20) traverse ladite seconde couche (14). 30 11. Patin de frein (10) selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite première couche (12) inclut au moins une ouverture (22) s'étendant à l'intérieur de celle-ci sur une distance prédéterminée, ladite au moins une ouverture (22) s'étendant dans ladite première couche 5 (12) dans une position en alignement avec ladite au moins une ouverture (20) s'étendant à travers ladite seconde couche (14), et étant adaptée à recevoir une portion prédéterminée dudit au moins un moyende fixation mécanique (18) qui s'étend à travers ladite seconde couche (14). 12. Patin de frein selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite première surface (12A) de ladite première couche (12) en matériau de friction composite est compatible à l'utilisation avec une roue de sécurité d'un véhicule ferroviaire. 13. Procédé pour fixer un patin de frein (10) sur un sabot de frein (16) 10 destiné à être utilisé avec un véhicule ferroviaire, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : (a) fournir un patin de frein (10) comprenant : (i) une première couche (12) réalisée en un matériau de friction composite ; et 15 (ii) une seconde couche (14) réalisée en un matériau composite élastique, attachée sur une surface (12 B) de ladite première couche (12) , (b) réaliser au moins une première ouverture (20) s'étendant à travers ladite seconde couche (14) ; 20 (c) réaliser au moins une seconde ouverture (22) en alignement avec ladite première ouverture (20), ladite seconde ouverture s'étendant sur une distance prédéterminée jusque dans ladite première couche (12) dudit patin de frein (10) ; et (d) attacher ledit patin de frein (10) sur ledit sabot de frein (16) à l'aide 25 d'au moins un moyen de fixation mécanique (18) qui s'étend jusque dans lesdites première et seconde ouvertures (20, 22). 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit patin de frein fourni à l'étape (a) est un patin selon l'une quelconque des 30 revendications 1 à 6. 15. Procédé selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que lesdites étapes (b) et (c) qui prévoient de réaliser au moins une première et une deuxième ouvertures, comprennent de réaliser une 35 pluralité de premières et deuxièmes ouvertures dans lesdites première et deuxième couches.16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que ladite étape consistant à attacher ledit patin de frein (10) sur ledit sabot de frein (16) consiste à utiliser une pluralité de vis (18).5