Brevet FR2919368A1 — publié le 20090130

Patin à témoin d'usure multi-fonction Domaine de l'invention L'invention concerne les plaquettes de frein pour véhicules à moteur, et plus particulièrement les plaquettes de frein dotées de témoins d'usure de la garniture de frottement. Etat de la technique On sait que le fonctionnement des freins dépend de la présence ou non d'humidité, ainsi que de la température. Le coefficient de frottement des garnitures de frein sur les disques devient faible lorsque la température diminue, et que l'efficacité du freinage est donc diminuée par temps très froid. D'autre part, par temps froid, c'est-à-dire typiquement pour des températures extérieures inférieures à 0 C , il arrive que les garnitures de freins collent sur les disques en raison du gel de la couche d'eau éventuellement présente à l'interface entre la plaquette et le disque. De plus, pour des températures basses, typiquement lors du démarrage du véhicule, le frottement des garnitures sur les disques est parfois bruyant. On connaît déjà des plaquettes comportant des dispositifs de mesure et de contrôle de la température des plaquettes et/ou des disques lors du freinage. Ces dispositifs permettent en particulier de maintenir les plaquettes de frein à une température suffisante pour conserver une bonne efficacité de freinage par temps froid. Le chauffage des - 2 - plaquettes est réalisé grâce à un microprocesseur qui provoque le freinage du véhicule de manière très faible et imperceptible pour le conducteur. L'échauffement des plaquettes est obtenu par frottement des garnitures sur les disques. Cependant, à l'heure actuelle il n'existe pas de dispositif permettant de chauffer les plaquettes de frein d'un véhicule quand celui-ci est à l'arrêt. Objets de l'invention Selon l'invention, le problème est résolu par l'intégration d'un moyen de chauffage électrique dans une plaquette de frein. Ce moyen de chauffage est un conducteur électrique 15 qui, quand il est traversé par un courant électrique, chauffe la garniture par effet Joule. Un premier objet de l'invention est une plaquette de frein, notamment pour véhicule à moteur, ladite plaquette de frein comportant une garniture de frein et un support de 20 garniture, ladite garniture comportant une surface de frottement destinée à frotter contre la surface de frottement d'un disque de frein électriquement conducteur ou non, ladite plaquette étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre a) un conducteur électrique, éventuellement revêtu d'isolant, destiné à être connecté à une source d'alimentation électrique et à chauffer ladite garniture de frein par effet Joule, ledit conducteur électrique étant noyé dans ladite garniture de frein, et 25 30 - 3 - b) un dispositif de mesure de la température de ladite garniture de frein, de préférence noyé dans ladite garniture de frein. Dans un mode de réalisation préféré, ladite plaquette est caractérisée en outre en ce que le conducteur électrique est disposé dans un plan sensiblement parallèle à la surface de frottement de la garniture. La plaquette de frein multifonctions selon l'invention apporte plusieurs fonctions supplémentaires par rapport aux plaquettes de freins dotées de témoin d'usure de l'état de la technique. Notamment, ledit moyen de chauffage peut assumer également la fonction de témoin d'usure de la garniture de frottement. Plus particulièrement, ces fonctions supplémentaires permettent de mettre en oeuvre plusieurs nouveaux procédés qui font également partie des objets de la présente invention. Ainsi, un autre objet de l'invention est un procédé de détection de l'usure de la garniture de frein d'une plaquette de frein selon l'invention, ladite plaquette de frein étant destinée à coopérer avec un disque de frein électriquement conducteur, ledit procédé étant caractérisé en ce que . a) lorsque, par l'effet d'une abrasion progressive, l'épaisseur de la garniture de frein devient inférieure ou égale à la profondeur h, correspondant à la limite d'usure acceptable de ladite garniture de frein, le conducteur électrique entre en au moins un endroit en contact électrique avec ledit disque de frein et ferme ainsi un circuit électrique entre ledit conducteur électrique et ledit disque de frein, - 4 - b) la fermeture du circuit électrique génère un signal qui est envoyé au conducteur du véhicule ou exploité par un calculateur. Un autre objet de l'invention est un procédé de détection de l'usure de la garniture de frein d'une plaquette de frein selon l'invention, ladite plaquette de frein étant destinée à coopérer avec un disque de frein électriquement conducteur, ledit procédé étant caractérisé en ce que : a) lorsque, par l'effet d'une abrasion progressive, l'épaisseur de la garniture de frein devient inférieure ou égale à la profondeur h, correspondant à la limite d'usure acceptable de ladite garniture de frein, le conducteur électrique entre en au moins un endroit en contact électrique avec ledit disque de frein et ferme ainsi un circuit électrique entre ledit conducteur électrique et ledit disque de frein, b) la fermeture du circuit électrique génère un signal qui est envoyé au conducteur du véhicule ou exploité 20 par un calculateur. Encore un autre objet de l'invention est un procédé de détection de l'usure de la garniture de frein d'une plaquette de frein selon l'invention, ladite plaquette de 25 frein étant destinée à coopérer avec un disque de frein électriquement non-conducteur, ledit procédé étant caractérisé en ce que : a) lorsque, par l'effet d'une abrasion progressive, l'épaisseur de la garniture de frein devient 30 inférieure ou égale à la profondeur h, correspondant à la limite d'usure acceptable de ladite garniture de - 5 -frein, le conducteur électrique est rompu, ouvrant ainsi un circuit électrique, b) l'ouverture dudit circuit électrique génère un signal qui est envoyé au conducteur du véhicule ou exploité par un calculateur. Et un dernier objet de la présente invention est un procédé de régulation thermique de la plaquette selon l'invention dans un véhicule à moteur, caractérisé en ce que tant que le moteur du véhicule est en marche : a) le dispositif de mesure de température mesure la température de la garniture TG et transmet cette valeur TG à un dispositif de contrôle et de commande, b) le dispositif de contrôle compare la valeur de température reçue avec une valeur de référence Tref, et puis : cl) Si TG Tref et si le circuit électrique reliant ledit conducteur électrique et la source d'alimentation électrique est ouvert, le dispositif de contrôle n'envoie pas de commande, ou - 6 -c4) Si TG > Tref et si le circuit électrique reliant ledit conducteur électrique et la source d'alimentation électrique est fermé, le dispositif de contrôle envoie une commande d'ouverture dudit circuit, et dans lequel procédé la fermeture dudit circuit électrique reliant ledit conducteur électrique à ladite source électrique entraîne le passage d'un courant électrique à travers ledit conducteur électrique, qui chauffe, par effet Joule, ladite garniture de frein. Description des figures La figure 1 est une vue de dessus d'une plaquette de frein multifonctions selon l'invention. La figure 2 est une vue de face de la plaquette selon 15 l'invention Liste des repères 1/ Plaquette 2/ Garniture 3/ Support de garniture 20 4/ Fil conducteur/témoin d'usure 5/ Dispositif de mesure de la température de la garniture 6/ Zone de frottement de la garniture 7/ Plan correspondant à la limite d'usure de la garniture 8/ Disque de frein 25 - 7 Description détaillée de l'invention La plaquette de frein 1 selon l'invention comporte une garniture de frein 2, appelée aussi garniture de frottement, et un support de garniture 3. La plaquette 1 comporte en outre un conducteur électrique 4 noyé dans la garniture de frein 2 et un dispositif de mesure de la température 5 de la garniture, qui est de préférence également noyé dans la garniture de frein. Le matériau constituant la garniture de frein 2 peut être tout matériau connu de l'homme de métier, tel qu'un métal fritté, ou un composite carbone-carbone. Une température de frittage comprise entre 100 C et 200 C peut suffire dans ce dernier cas. Le conducteur électrique 4 peut prendre une forme quelconque, telle qu'une plaque, un ruban, un fil ayant une section de forme quelconque, le fil étant disposé en boucle ou en grille. Le conducteur électrique est destiné à être relié à une source d'alimentation électrique. Le conducteur électrique doit avoir une dimension suffisante par rapport à la taille de la garniture pour permettre le chauffage de la garniture. Il peut être revêtu d'un isolant ou non. Il peut être constitué de tout matériau conducteur électrique, tel que les métaux et alliages métalliques, et est préférentiellement constitué de cuivre ou d'aluminium. Cependant, le conducteur électrique 4 étant noyé dans la garniture de frein 2 au moment de la fabrication de la garniture, il doit posséder des caractéristiques physiques, et notamment un point de fusion suffisamment élevé, telles -8- que ledit conducteur (ni, le cas échéant, l'isolant) ne soit pas détérioré lors de la fabrication de la garniture. Dans un mode de réalisation préféré de la plaquette selon l'invention, le conducteur électrique 4 est un fil métallique (en pointillés sur les figures 1 et 2) qui forme une boucle, telle que représentée par exemple sur la figure 1. Les deux extrémités du fil sont connectées à une source d'alimentation électrique (non représentée sur les figures). La boucle de fil conducteur 4 peut avoir une forme quelconque, elle doit avoir une dimension suffisante par rapport à la taille de la garniture pour permettre le chauffage de la garniture. Lorsque la température mesurée par la sonde de température 5 est inférieure à une certaine valeur Tref, un courant électrique est envoyé dans le fil conducteur électrique 4 par la source d'alimentation électrique. Le fil s'échauffe alors par effet Joule, et la chaleur est transmise à l'ensemble de la garniture de frein 2, permettant ainsi à la garniture d'atteindre une température suffisante d'une part pour que le freinage devienne plus efficace et d'autre part pour éviter le bruit lors du freinage. Lorsque cette température est atteinte, le chauffage du fil et donc de la garniture s'arrête. Dans un mode de réalisation de l'invention, la plaquette de frein selon l'invention fait partie d'un système de contrôle de la température de la garniture de frein, qui comprend en outre une alimentation électrique reliée au conducteur électrique noyé dans la garniture de frein, et un dispositif de contrôle et de commande relié à la fois au - 9 - dispositif de mesure de la température 5 de la garniture et à une source d'alimentation électrique. Dans ce mode de réalisation, le chauffage du fil et le contrôle de la température de la garniture sont pilotés par un dispositif de contrôle et de commande, comportant un microprocesseur ou un microcontrôleur, qui peut adapter la température du chauffage à la température de la plaquette, sachant que la plaquette s'échauffe par ailleurs à chaque freinage provoqué par le conducteur du véhicule. Dans un mode de réalisation typique, la température optimale de fonctionnement des plaquettes, à savoir la température qui permet d'obtenir une efficacité de freinage maximale, est comprise entre 60 C et 125 C, et préférentiellement entre 75 C et 125 C, compte tenu du choix des matériaux pour le disque et la garniture. Dans une réalisation typique de l'invention, pour élever la température de chaque plaquette (deux par roue) de -15 C jusqu'à 75 C, une puissance électrique comprise entre 100 et 300 W, et préférentiellement entre 150 et 250 W, par plaquette est nécessaire. Pour une roue équipée de deux plaquettes, cela correspond à une puissance totale comprise entre 200 et 600 W, pour une durée qui est de l'ordre de 10 à 60 secondes, et préférentiellement entre 15 et 45 secondes. Dans un exemple de réalisation, la masse d'une plaquette est d'environ 100 g, la chaleur spécifique moyenne des matériaux utilisés est d'environ 0,6 kJ/kg K, et le rendement de la transformation d'énergie électrique vers l'énergie thermique est de l'ordre de 80%. Ainsi, la durée nécessaire pour réchauffer les plaquettes de -15 C jusqu'à 75 C est de l'ordre de 30 secondes. La durée nécessaire - 10 - pour réchauffer les plaquettes doit être inférieure à 1 minute. Dans une réalisation typique, la tension de la source d'alimentation électrique à laquelle est connecté le fil conducteur électrique 4 est classiquement de 12 V dans un véhicule de tourisme, ou 24 V dans des véhicules utilitaires, mais toute autre tension peut être utilisée. Les inventeurs ont découvert que le dispositif chauffant selon l'invention peut être utilisé aussi comme témoin d'usure de la garniture de frottement. En effet, aucun dispositif existant ne permet de combiner de manière satisfaisante la fonction de témoin d'usure des plaquettes de frein et la fonction de contrôle de la température des plaquettes de frein. Selon ce mode de réalisation, le conducteur électrique 4 de la plaquette selon l'invention exerce également une fonction de témoin d'usure de la garniture 2 : Pour ce mode de réalisation, la profondeur minimale du conducteur électrique 4 à partir de la surface de frottement de la garniture de frein 2 (profondeur appelée h) est choisie de manière à ce qu'elle corresponde à la limite d'usure acceptable de la garniture de frein 2. Lorsque par l'effet d'une abrasion progressive, le niveau d'usure de la garniture 2 atteint le plan 7 dans lequel est situé le fil conducteur électrique 4, la plaquette de frein selon l'invention peut être utilisée de deux manières différentes pour détecter la limite d'usure de la garniture : - Soit le frottement et l'abrasion de la garniture 2 sur 30 le disque provoquent la rupture du conducteur électrique 4 et la coupure du circuit électrique dont fait partie - 11 - le fil 4, ce qui génère l'envoi d'une information au conducteur, par exemple par l'allumage d'un voyant au tableau de bord du véhicule. Ce mode de réalisation convient en particulier lorsque le disque de frein est en matériau non conducteur. -Soit le conducteur électrique 4, qui débouche sur la surface de frottement de la garniture de frein suite à l'abrasion progressive de cette dernière, entre en contact avec le disque de frein, lui-même conducteur électrique, provoquant la fermeture d'un circuit électrique, ce qui génère l'envoi d'une information au conducteur, par exemple par l'allumage d'un voyant au tableau de bord du véhicule. Cette seconde solution suppose que le disque de frein soit conducteur de l'électricité. Le plan 7 est situé à une distance h de la surface du support de garniture 3. La hauteur h (figure 2) entre le plan 7 et la surface du support de garniture 3 correspond à l'épaisseur minimale acceptable pour la garniture de frottement 2 (c'est-à-dire à l'usure maximale acceptable de la garniture). De plus, du fait que le conducteur électrique 4 est placé dans un plan 7 sensiblement parallèle à la surface de frottement de la garniture, le témoin d'usure selon l'invention est un témoin d'usure surfacique de la garniture de frottement. De plus le conducteur électrique de la plaquette selon l'invention possède également une fonction d'indicateur d'usure en biais des plaquettes. Dans la plaquette selon l'invention, il est nécessaire que le dispositif de mesure de la température 5 soit positionné - 12 - de manière à ne pas être détérioré lors de l'usure de la garniture de frottement. Par conséquent la sonde de température 5 doit être positionnée entre le support de garniture 3 et le plan 7 dans lequel est placée le conducteur électrique 4 (figure 2). Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif de mesure de la température est un thermocouple. Toutefois, tout autre dispositif de mesure de température approprié connu de l'homme de métier peut être utilisé dans la plaquette selon l'invention. La plaquette selon l'invention peut également être utilisée pour mettre en oeuvre un procédé de compensation de l'affaiblissement de l'efficacité du freinage (phénomène appelé aussi évanouissement du frein , et brake fade compensation en anglais). On sait que lors de l'utilisation intensive des freins, les garnitures et les disques peuvent s'échauffer au-delà de la température optimale de freinage, et qu'ainsi, l'efficacité du freinage diminue. Dans ce mode de réalisation, la plaquette selon l'invention est dotée d'un dispositif de mesure de la température 5, qui envoie une information, typiquement à un calculateur, de température. Ce calculateur commande à son tour le système hydraulique, qui augmente la pression fournie par le servomoteur d'assistance au freinage ou l'unité hydraulique (la pression hydraulique dans le circuit de freinage par rapport à la force exercée sur la pédale de frein par l'utilisateur) et/ou donne une instruction à la boîte de vitesse automatique la conduisant à sélectionner un rapport de transmission inférieure, et/ou actionne un signal avertisseur perceptible par le conducteur du véhicule. - 13 - Un autre mode d'utilisation de la plaquette de freins selon l'invention est le préchauffage des garnitures avant le démarrage du véhicule par temps de gel, pour éviter le collage des freins, qui est dû à la formation de glace sur la surface de frottement de la garniture et / ou du disque. Dans le procédé de dégel de la plaquette ce mode de réalisation, (a) le conducteur du véhicule à moteur actionne un signal dit signal de commande, (b) ledit dispositif de mesure de la température mesure la température TG de ladite garniture de frein, (c) un système de commande compare ladite température TG à une température TRéf, (d) si TG Le signal de commande émis par le conducteur peut être par exemple lié à l'actionnement de la clef de contact, ou d'une commande spécifique (bouton à presser), ou le procédé peut s'exécuter automatiquement lorsque le conducteur, muni de son émetteur (qui peut avoir la forme d'une carte en -14 - plastique) qui tient lieu de clef de contact, s'approche au véhicule. Pour les voitures de tourisme, la puissance w est typiquement comprise entre 100 et 300 W par plaquette de frein (sachant que normalement, une roue est équipée de deux plaquettes de frein), et préférentiellement entre 150 et 250 W, et la durée d se situe entre 10 et 60 secondes, et préférentiellement entre 15 et 45 secondes. Ce temps ne doit pas être trop long, pour ne pas impatienter le conducteur avant le départ du véhicule, et, dans le cas où le moteur n'est pas en marche, afin de ne pas consommer trop d'énergie fournie par la batterie de démarrage. Le temps doit cependant être suffisamment long pour obtenir l'effet recherché, à savoir le dégel des garnitures de frein. REVENDICATIONS 1. Plaquette de frein (1), notamment pour véhicule à moteur, ladite plaquette de frein (1) comportant une garniture de frein (2) et un support de garniture (3), ladite garniture (2) comportant une surface de frottement (6) destinée à frotter contre la surface de frottement d'un disque de frein électriquement conducteur ou non, ladite plaquette (1) étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre c) un conducteur électrique (4), éventuellement revêtu d'isolant, destiné à être connecté à une source d'alimentation électrique et à chauffer ladite garniture de frein (2) par effet Joule, ledit conducteur électrique (4) étant noyé dans ladite garniture de frein (2), et d) un dispositif de mesure de la température (5) de ladite garniture de frein (2), de préférence noyé dans ladite garniture de frein (2). 2. Plaquette selon la revendication 1 caractérisée en ce que le conducteur électrique (4) est choisi dans le groupe constitué par un fil métallique disposé en boucle ou en grille, une plaque métallique, un ruban métallique. 3. Plaquette selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en que ledit conducteur électrique (4) est disposé dans un plan (7) sensiblement parallèle à la surface de frottement (6) de ladite garniture de frein (2). 25- 16 - 4. Plaquette selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la profondeur minimale dudit conducteur électrique (4) à partir de ladite surface de frottement (profondeur appelée h) correspond à la limite d'usure acceptable de ladite garniture de frottement. 5. Système de contrôle de la température d'une garniture de frein, comprenant : a) une plaquette de frein selon une quelconque des revendications 1 à 4, b) une source d'alimentation électrique reliée au conducteur électrique (4) noyé dans ladite garniture de frein (2), c) un dispositif de contrôle et de commande relié à la source d'alimentation électrique et au dispositif de mesure de la température (5) de la garniture. 6. Procédé de détection de l'usure de la garniture de frein (2) d'une plaquette de frein (1) selon la revendication 4, ladite plaquette de frein étant destinée à coopérer avec un disque de frein électriquement conducteur, ledit procédé étant caractérisé en ce que : a) Lorsque, par l'effet d'une abrasion progressive, l'épaisseur de la garniture de frein (2) devient inférieure ou égale à la profondeur h, correspondant à la limite d'usure acceptable de ladite garniture de frein, le conducteur électrique (4) entre en au moins un endroit en contact électrique avec ledit disque de frein et ferme ainsi un circuit électrique entre ledit- 17 - conducteur électrique (4) et ledit disque de frein, b) la fermeture du circuit électrique génère un signal qui est envoyé au conducteur du véhicule ou exploité par un microprocesseur. 7. Procédé de détection de l'usure de la garniture de frein (2) d'une plaquette de frein (1) selon la revendication 4, ladite plaquette de frein étant destinée à coopérer avec un disque de frein électriquement non-conducteur, ledit procédé étant caractérisé en ce que : a) Lorsque, par l'effet d'une abrasion progressive, l'épaisseur de la garniture de frein (2) devient inférieure ou égale à la profondeur h, correspondant à la limite d'usure acceptable de ladite garniture de frein, le conducteur électrique (4) est rompu, ouvrant ainsi un circuit électrique, b) l'ouverture dudit circuit électrique génère un signal qui est envoyé au conducteur du véhicule ou exploité par un microprocesseur. 8. Procédé de régulation thermique de la plaquette selon les revendications 1 à 4 dans un véhicule à moteur, 25 caractérisé en ce que tant que le moteur du véhicule est en marche : a) le dispositif de mesure de température (5) mesure la température de la garniture (2) TG et transmet cette valeur TG à un dispositif de contrôle et de 30 commande, 20- 18 - b) Le dispositif de contrôle compare la valeur de température reçue avec une valeur de référence Tref cl) Si TG Tref et si le circuit électrique reliant ledit conducteur électrique (4) et la source d'alimentation électrique est ouvert, le dispositif de contrôle n'envoie pas de commande, ou c4) Si TG > Tref et si le circuit électrique reliant ledit conducteur électrique (4) et la source d'alimentation électrique est fermé, le dispositif de contrôle envoie une commande d'ouverture dudit circuit, et dans lequel procédé la fermeture dudit circuit électrique reliant ledit conducteur électrique (4) à ladite source électrique entraîne le passage d'un courant électrique à travers ledit conducteur électrique (4), qui chauffe, par effet Joule, ladite garniture de frein (2).30- 19 - 9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que la valeur de la température Tref est comprise entre 60 C et 125 C, et de préférence entre 75 C et 125 C. 10. Procédé de compensation de l'évanouissement d'un frein dans un véhicule à moteur éventuellement équipé d'une boîte de vitesses automatique, ledit frein étant équipé d'au moins une plaquette de frein (1) selon une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel procédé a) la sonde de température (5) mesure la température TG de la garniture de frein (2), b) la sonde de température (5) envoie la valeur de TGà un système de contrôle, c) si la température TG est supérieure à une 15 certaine valeur de référence TRef, le dispositif de contrôle : - augmente l'assistance fournie par le servomoteur d'assistance au freinage, et/ou -donne une instruction à la boîte de vitesse 20 automatique la conduisant à sélectionner un rapport de transmission inférieur, et/ou - actionne un signal avertisseur perceptible par le conducteur du véhicule. 25 11. Procédé de dégel de la plaquette de frein selon une quelconque des revendications 1 à 4 dans un véhicule à moteur équipé d'un système de contrôle selon la revendication 5 , dans lequel procédé :- 20 - a) le conducteur du véhicule à moteur actionne un signal dit signal de commande, b) ledit dispositif de mesure de la température mesure la température TG de ladite garniture de frein (2), c) un système de contrôle et de commande compare ladite température TG à une température TRéf, d) si TG 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel ladite puissance w est comprise entre 100 et 300 W, et préférentiellement entre 150 et 250 W. 13. Procédé selon la revendication 11 ou 12, dans lequel ladite durée d est comprise entre 10 et 60 secondes, et préférentiellement entre 15 et 45 secondes.