Brevet FR2903748A1 — publié le 20080118

On connaît les freins à disques et à tambours assez généralement utilisés dans les véhicules automobiles et dans l'industrie. Ils sont constitués schématiquement par un élément métallique (le plus souvent en fonte spéciale) en rotation sous la forme d'un disque à deux faces ou d'un tambour creux contre lesquels viennent s'appliquer des garnitures en matériaux composites à fort coefficient de frottement. Ces dispositifs commandés hydrauliquement donnent satisfaction, mais sont quelquefois le siège d'instabilités vibratoires qui se traduisent par des grincements ou sifflements stridents de fréquences comprises le plus souvent entre 500 et 2 500 Hertz, ce qui est assez désagréable, surtout dans l'automobile. Bien que de nombreuses études théoriques et pratiques aient permis d'améliorer ce défaut, celui-ci est encore présent de façon aléatoire dans des cas assez nombreux. Par exemple, sur de grandes séries de freins identiques montés sur des véhicules identiques, certains demeurent silencieux tandis que d'autres, sont sujets à ces instabilités vibratoires. On ne connaît pas à l'heure actuelle de solution parfaitement efficace pour éliminer totalement ce défaut. La présente invention a pour objet de solutionner ce problème des grincements ou sifflements dans les freins et particulièrement dans ceux qui ont un sens de rotation privilégié comme cela est le cas dans les véhicules automobiles. Le point de départ de l'invention résulte d'une étude théorique et expérimentale commencée il y a un certain nombre d'années au CNRS de Meudon Bellevue et à l'ISMCM de Saint Ouen sous la direction du Professeur Robert COURTEL. Un mémoire écrit par l'inventeur et paru en 1970 sous le titre Frottement et Vibrations décrivait les éléments originaux de cette recherche. Cette étude porte essentiellement (Planche 1 / 5 - Figure 1) sur le comportement vibratoire d'une tige 1 dont une extrémité arrondie 2 frotte contre un échantillon plan 3 qui se déplace à vitesse constante en dessous d'elle. Cette tige est maintenue dans un pot électrodynamique orientable dans le plan constitué par celle-ci et la direction de frottement. II est apparu qu'il était possible, avec ce dispositif, au dessus d'une charge et d'une vitesse de frottement minimum, de produire des grincements ou sifflements de frottement (ou de ne pas les produire) 2903748 2 de façon systématique. Ceci, contrairement à ce qui se passe dans les dispositifs frottants conventionnels où la production de vibrations de frottement est difficilement reproductible et aléatoire. Ainsi, à partir d'une charge minimum appliquée sur la tige maintenue légèrement 5 inclinée et au dessus d'une certaine vitesse de déplacement de l'échantillon métallique, dans un sens les vibrations se produisent systématiquement (sens 2) et dans le sens opposé aucune vibration n'apparaît (sens 1). On voit que dans le cas (sens 2), sous l'effet de la force de frottement, l'extrémité de la tige recule légèrement, ce qui entraîne un effet de coincement. Cet effet 10 produit une augmentation momentanée de la force de frottement, ce qui excite un partiel vibratoire transversal de la tige. Celle-ci entre en vibrations si ses deux partiels vibratoires tangentiel et normal sont relativement proches. Il y a alors confusion des deux fréquences propres du système sur une fréquence unique. La fréquence de ces vibrations sonores est tout à fait similaire a celles observées 15 dans les freins ou autres dispositifs frottants. Dans l'autre sens (sens 1), ce coincement n'existe pas et aucune vibration n'apparaît. Considérons maintenant le schéma (Planche 1 / 5 - Figure 2a) d'un frein à disque 20 conventionnel dont le mécanisme est représenté en coupe dans la direction de frottement. Le disque de frein 9 est représenté en vue de côté. Ce disque est coiffé de façon classique par un étrier 4 assujetti à se déplacer suivant un seul degré de liberté dans l'axe du disque de frein. Cet étrier supporte de chaque côté une plaquette de frein constituée la première par un patin frottant 5 à fort 25 coefficient de frottement solidaire d'une plaque support métallique 7 et la seconde identique mais de sens opposé, comprenant un patin 6 solidaire d'une plaque support métallique 8. Lorsque le piston hydraulique 10 est actionné, il induit une force F10, ce qui entraîne une compression des deux plaquettes 5-7 et 6-8 de chaque côté du 30 disque 9. Ce dernier tournant, par exemple dans le sens f-15, il est aisé de constater, que l'on se trouve dans une configuration de coincement similaire à celui de la tige 1 contre l'échantillon 3. 2903748 3 En effet, la force de réaction F11 avec la force de frottement F13, de même que la réaction F12 avec la force de frottement F14, forment deux couples qui tendent à appliquer plus fortement contre le disque 9 les côtés des plaquettes situés en 5 et 6, ce qui détermine un certain coincement de celles-ci. 5 Considérons maintenant la Figure 2b qui représente l'une des plaquettes (par exemple 5-7) sous forme schématique et appelons C le couple de basculement formé par la force de frottement F13 et sa réaction F11 séparés par le bras de levier y. Nous avons : F13 = F11 10 C = F13 . y La force de frottement F13 peut être calculée par la relation : F13=p(F10+Sa.p0) avec : p = coefficient de frottement vrai 15 Sa = surface de contact apparente du patin sur le disque p0 = pression due à l'attraction moléculaire entre les deux surfaces de frottement. Ce qui nous donne : C=p.y(F10+Sa.p0) 20 et en appelant x le décalage introduit par le couple C sur la force d'application du patin 5 contre le disque 9, nous avons x = p . y tel que représenté sur la Figure 2b, ce qui définit bien le coincement considéré. Le calcul ci-dessus est simplifié, car il faudrait aussi tenir compte du frottement entre le champ de la plaque métallique 7 contre l'étrier 4, ce qui accroît encore 25 l'effet de basculement-coincement considéré. La réalité matérielle du coincement décrit ci-dessus est confirmée par le fait qu'au démontage de plaquettes de freins usagées, l'usure est toujours plus forte sur le coté entrant du disque, c'est à dire sur les cotés situés en 5 et 6 de la Figure 2a 30 considérée plus haut. 5 10 15 20 25 30 2903748 4 Nous avons relevé par exemple, à partir des deux cotés avant d'une berline après 105 000 Km parcourus, les épaisseurs totales suivantes (garniture + plaquette métallique d'épaisseur 6,5 mm) sur les plaquettes de freins à disque après démontage : Coté AV gauche voiture Coté AV droit voiture Plaquette coté Plaquette coté Plaquette coté Plaquette coté piston étrier piston étrier Coté Coté Coté Coté Coté Coté Coté Coté entrant sortant entrant sortant entrant sortant entrant sortant 11,61 12,55 9,67 10,84 12,3 12,6 9,35 10,35 On constate bien sur toutes les plaquettes démontées que, systématiquement, le coté entrant du patin par rapport à la direction f15 de rotation du disque de frein est le siège d'une usure nettement plus forte que celle du coté sortant et ceci malgré l'effet de redressement procuré par le piston. On constate également en général, que les bruits de sifflements se produisent plus volontiers sur les petites voitures que sur les grandes. On peut attribuer, en partie, cette différence au fait que les plaquettes de freins sont plus courtes sur les premières (l'effet de coincement est alors plus grand) que sur les secondes. La présente invention présente en premier des solutions qui permettent d'éviter ce type de coincements et par là même fournit un moyen d'éviter les instabilités vibratoires des freins susceptibles d'en résulter. La vue 3a (Planche 2 / 5 - Figure 3) présente une configuration suivant l'invention comprenant un étrier 34 coiffant un disque de frein 9 vu de coté. L'étrier 34 supporte de chaque côté du disque 9 deux plaquettes de frein formées la première d'un patin frottant 35 à fort coefficient de frottement solidaire d'une plaque support métallique 37 et la seconde identique mais de sens opposé d'un patin frottant 36 solidaire d'une plaque support métallique 38. Pour simplifier, l'étrier 34 est figuré d'une seule partie, mais il peut être, comme c'est souvent le 2903748 -5-cas en plusieurs parties solidaires les unes des autres. Chacune des plaques support métallique 37 et 38 se prolonge par deux rabats à angle droit 371 et 372 pour la première et 381 et 382 pour la seconde. Une coupe B montre sur les vues 3b et 3c que les rabats 371 et 372 sont reliés par un rabat de même hauteur 373. 5 Cette configuration est propre à rigidifier l'ensemble considéré de la plaque métallique 37. Un rabat 383 de même forme relie les rabats 381 et 382 de l'autre plaque 38. Lorsque le disque 9 tourne dans le sens indiqué par la flèche f-15 et que la force 10 F10 est appliquée, on voit sur les vues 3a et 3b (figure 3) que le maintien en position dans le sens du frottement est assuré par le rabat 371 de la plaquette de frein 35-37, ce qui engendre la réaction de butée F31 contre la surface plane antagoniste de l'étrier 34. Considérons maintenant la vue 3b qui représente l'une des plaquettes de frein 15 (par exemple 35-37) sous forme schématique et appelons C le couple formé par la force de frottement F13 et sa réaction F31 séparés par le bras de levier y1. Nous avons : F13 = F31 C = F13 . yl 20 Comme indiqué plus haut la force de frottement F13 peut être calculée par la relation : F13=p(F10+Sa.pO) avec : p = coefficient de frottement vrai 25 Sa = surface de contact apparente du patin sur le disque p0 = pression due à l'attraction moléculaire entre les deux surfaces de frottement. Ce qui nous donne : 30 C=p.yl (F10+Sa.pO) 2903748 6 et en appelant x le décalage introduit par le couple C sur la force d'application du patin 35 contre le disque 9, nous avons x = p . yl tel que représenté sur la figure 3b. Dans ces conditions la force d'application étant décalée vers la partie fuyante du patin 35, il n'y a plus d'effet de coincement. 5 Comme indiqué plus haut, il faudrait aussi tenir compte du frottement entre la partie 371 de la plaque métallique 37 contre l'étrier 34, du fait que ce frottement contrarie tout effet de coincement du patin 35 contre le disque 9. On retrouve ainsi la configuration (Planche 1 / 5) du sens 1 de la figure 1 dans laquelle les vibrations ne se produisent pas. 10 La vue 4a (Planche 3 / 5 - figure 4) montre une autre disposition de l'invention dans laquelle l'étrier 44 comporte des prolongements 441 et 442 du côté piston 10 et 443 et 444 de l'autre coté du disque 9. Chacun de ces prolongements s'insère dans une ouverture rectangulaire pratiquée dans chacune des plaques 15 métalliques 47 et 48 solidaires respectivement du patin 45 et du patin 46. Lorsque le disque 9 tourne dans le sens indiqué par la flèche f-15 et que la force F10 est appliquée (Planche 3 / 5 - Figure 4, vues 4a et 4b), on voit sur la vue 4b que le maintien en position dans le sens du frottement de la plaquette de frein 45- 20 47 est assuré par la partie 471 en butée (Face a) contre le prolongement 441 de l'étrier 44. La force de frottement F13 qui s'exerce sur le patin 45 se transmet sur la butée considérée sous la forme de la réaction F41 sensiblement de même valeur. De la même façon que dans la configuration de la figure 3 précédente, la 25 disposition considérée permet d'éviter tout coincement entre les plaquettes de frein et le disque. Afin que les caractéristiques mentionnées soient fonctionnelles il faut que les jeux dans le sens du frottement entre les prolongements 441 et 442 d'un côté et 443 et 444 de l'autre côté avec les plaques métalliques respectivement 47 et 48 30 respectent les conditions (Planche 3 / 5 - Figure 4, vue 4b) : • H1 =H2 et • H3=H1+H2 2903748 7 Les deux exemples ci-dessus montrent des configurations propres à éviter un coincement de frottement entre les plaquettes de frein de chaque côté d'un disque de frein, mais d'autres dispositions similaires entreraient, bien entendu, dans le cadre de la présente invention. 5 II peut se trouver dans certains cas, du fait que deux partiels vibratoires du dispositif de frein, l'un dans le sens tangentiel et l'autre dans le sens normal à la surface de frottement, se trouvent très proches, que les configurations décrites ci-dessus, même si elles sont de nature à diminuer de façon significative la tendance 10 à l'instabilité vibratoire, soient insuffisantes pour éviter tout grincements ou sifflement, notamment dans les fabrications de grandes séries. Dans le cadre de la présente invention cette difficulté est surmontée en appliquant une technologie analogue à celle de la tige contre la surface de la figure 1 au patin de frein lui-même. 15 Dans ce sens, on peut voir sur les figures 3 (Planche 2 / 5) et 4 (Planche 3 / 5) des exemples de réalisation dont les patins de freins comportent des rainures inclinées dans le sens du frottement f-15 du disque 9. Suivant les cas, il est possible de réaliser des formes et des dispositions de 20 rainures inclinées de diverses formes comme précisé ci-après. Les vues 5a et 5b de la figure 5 (Planche 4 / 5) montrent une plaquette de frein 56-58 qui comprend un patin de frottement 56 solidaire d'une plaque métallique 58. Le patin 56 comporte des rainures 561 inclinées par rapport à la direction de frottement f-15 d'un angle Al (d'un ordre de grandeur le plus réduit possible en 25 fonction du résultat à obtenir, par exemple compris entre 0,3 et 5 degrés) dans le sens figuré sur la vue 5a (l'angle d'inclinaison étant volontairement figuré plus important sur l'ensemble des figures). La largeur L1 des rainures 561 peut être de l'ordre de 1 à 5 mm. Elles peuvent être égales entre elles ou inégales. Un rayon de fond de rainure sera 30 préférablement prévu afin d'éviter toute amorce de rupture à la base des parties frottantes 562. 2903748 8 En ce qui concerne les parties frottantes 562, celles-ci auront une largeur L2 la plus grande possible en fonction du résultat à obtenir, par exemple entre 5 et 20 mm ou plus. Elles peuvent être également égales ou inégales de façon à pouvoir être démoulées facilement. Dans ces configurations de plaquettes de freins, celles-ci doivent être miroir de chaque coté du disque de frein 9 comme représenté sur les figures 3 (Planche 2 / 5) et 4 (Planche 3 / 5). 10 Suivant l'invention, la vue 5c de la figure 5 (Planche 4 / 5) montre une forme de rainures dont seul le coté situé dans le sens f-15 est incliné, l'autre coté étant perpendiculaire à la surface de frottement. Dans cette configuration, l'aire Sa de la surface frottante aura tendance à augmenter légèrement en fonction de l'usure du patin 56. 15 Les vues 6a et 6b de la figure 6 (Planche 4 / 5) montrent un autre exemple de réalisation de l'invention représentant une plaquette de frein 66-68 dont les rainures inclinées 661 sont concourantes vers l'axe de rotation du disque de frein 9 au lieu d'être parallèles, de façon à ce qu'elles soient perpendiculaires à la 20 direction de frottement f-15. Mis à part la disposition de la plaquette de frein qui correspond à celle de la figure 4, les autres caractéristiques sont semblables à celles de la figure 5 en ce qui concerne l'angle d'inclinaison Al et la largeur moyenne L1 des rainures 661. La vue 6b montre l'élargissement des parties frottantes 662 de l'intérieur de la 25 plaquette vers l'extérieur de celle-ci. La largeur moyenne des parties frottantes 662 qui pourra être variable, est du même ordre que celle considérée plus haut pour la figure 5 sans que cela constitue des limites absolues. De même, les rainures pourront être de largeur variable de l'intérieur de la plaquette vers l'extérieur de celle-ci 5 30 2903748 -9 La figure 7 (Planche 5 / 5) représente une autre forme de l'invention dans laquelle le patin de frein 76-78 comporte des rainures 763 dont les deux cotés ont une inclinaison Al et A2 de part et d'autre des parties frottantes 764. Cette disposition peut être intéressante dans le cas ou le frein est destiné à 5 fonctionner dans les deux sens de rotation. Dans cette configuration, l'aire Sa de la surface frottante aura tendance à augmenter en fonction de l'usure du patin 76. Selon l'invention, il est possible de réaliser des rainures inclinées traversantes ou non traversantes, continues ou non continues dont l'inclinaison et la disposition se 10 trouvent semblables à l'une de celles représentées sur les figures 5 et 6. La figure 8 (Planche 5 / 5) montre un exemple de réalisation de rainures inclinées 863 discontinues et non traversantes. Suivant l'invention, le flanc des rainures représenté sous la forme d'une surface 15 plane sur les figures, peut être bombé ou creux dans le sens de la base vers la surface de frottement suivant que l'on cherche à diminuer ou augmenter l'angle d'inclinaison en fonction de l'usure du patin. La figure 9 (Planche 5) représente une autre forme de l'invention dans laquelle le 20 patin de frein est formé d'éléments lamellaires 961 identiques et contiguës qui sont adhérisés dans leur extrémité opposée au frottement par l'intermédiaire d'une couche d'élastomère 962 sur la plaque métallique 98. Des butées 985 de chaque coté déterminent une inclinaison maximum des parties frottantes 961 sous l'effet de la force de frottement engendrée dans les deux directions de frottement. 25 Dans cette réalisation, l'inclinaison des parties frottantes se réalise par élasticité dans les deux sens de frottement. Les exemples de réalisations ci-dessus relatifs aux freins à disques peuvent s'appliquer également aux freins à tambours. 30 REVENDICATIONS : 1) Dispositif de frein suivant la figure 3 (Planche 2 / 5) constitué d'un étrier 34, supportant de chaque côté du disque de frein 9 deux plaquettes de sens opposé formées chacune d'un patin 35 (ou 36) à fort coefficient de frottement solidaire d'une plaque support métallique 37 (ou 38) caractérisées en ce que les plaques support 37 (ou 38) comportent deux rabats 371 et 372 (ou 381 et 382) reliés entre eux qui agissent en tant que butée contre une surface correspondante de l'étrier 34, dans un sens de rotation et dans l'autre du disque de frein 9, permettant ainsi d'éviter l'effet de coincement des patins en frottement contre ledit disque de frein. 2 ) Dispositif de frein suivant la figure 4 (Planche 3 / 5) constitué d'un étrier 44 supportant de chaque côté du disque de frein 9 deux plaquettes de sens opposé formées chacune d'un patin 45 (ou 46) à fort coefficient de frottement solidaire d'une plaque support métallique 47 (ou 48) caractérisé en ce que la plaque métallique support 47 (ou 48) comporte à chacune de ses extrémités deux ouvertures rectangulaires 471 et 472 dans lesquelles s'insèrent deux prolongements 441 et 442 (ou 443 et 444) de même forme solidaires de l'étrier 44 dont la fonction est d'assurer un rôle de butée à l'intérieur des deux ouvertures rectangulaires 471 et 472 dans un sens de rotation et dans l'autre du disque de frein 9, évitant ainsi tout effet de coincement des patins en frottement contre ledit disque de frein. 3) Ensemble de frein à disque suivant les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les patins de freins comportent des rainures inclinées telles que représentées sur les figures 3 (Planche 2 / 5), 4 (Planche 3 / 5) et sur la figure 5 (Planche 4 / 5) qui montre la plaquette de frein 56-58 dont les rainures transversales 561 sont inclinées d'un angle Al compris entre 0,3 et 5 degrés par rapport à la direction de frottement f-15 et sont d'une largeur moyenne L1 comprise entre 1 et 5 mm, ce qui délimite des parties frottantes 562 de largeur moyenne L2 comprise entre 5 et 20 mm ou plus. 2903748 -11- 4) Ensemble de frein à disque suivant les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que l'un des deux cotés des rainures 563 sur la figure 5c (Planche 4 / 5) possède une inclinaison d'angle Al dans le sens du frottement f-15, l'autre coté étant à angle droit. 5 5) Ensemble de frein à disque suivant les revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les rainures 661 inclinées dans le sens du frottement (Planche 4 / 5 - figure 6) sont radiales vers le centre du disque de frein 9 et perpendiculaires à la direction de frottement f-15 délimitant des parties frottantes 662 également radiales et de 10 largeurs variables. 6) Ensemble de frein à disque suivant les revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les rainures 763 (Planche 5 / 5 - figure 7) possèdent une inclinaison de part et d'autre de ladite rainure suivant des angles Al et A2 délimitant des parties 15 frottantes 764. 7 ) Ensemble de frein à disque suivant les revendication 1 à 6 caractérisé en ce que les rainures inclinées 863 du patin sur la figure 7 (Planche 5 / 5) sont discontinues et de forme oblongue. 8) Ensemble de frein à disque suivant les revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le flanc des rainures inclinées est incurvé de la base vers la surface frottante. 9) Ensemble de frein à disque suivant les revendications 1 et 2 caractérisé en ce 25 que des éléments lamellaires identiques et contiguës 961 (figure 9) constituent le patin frottant et sont adhérisés sur la plaque support 98 dans leur extrémité opposée au frottement par l'intermédiaire d'une couche d'élastomère 962. Deux butées d'extrémité 985 déterminent l'angle d'inclinaison des éléments 961 en fonction de la direction du frottement. 2030