Brevet FR2924775A1 — publié le 20090612

FREIN A DISQUE COMPORTANT UN REFROIDISSEMENT LIQUIDE La présente invention concerne un frein à disque, en particulier pour véhicule automobile. Dans un frein à disque conventionnel de véhicule automobile, deux patins maintenus dans un étrier et portant chacun une garniture de frottement, sont disposés de part et d'autre d'un disque tournant solidaire d'une roue d'un véhicule. Une commande prenant appui sur l'étrier, exerce un effort axial sur les patins pour serrer les garnitures chacune sur une face du disque, et créer un couple de freinage s'opposant à la rotation du disque. Les patins comportent généralement une plaque métallique recevant au dos l'effort axial, qu'elle transmet à une garniture collée sur sa face avant. L'effort axial peut être fourni par un piston placé d'un côté de l'étrier, qui est alors monté axialement flottant pour répartir également l'effort sur les deux patins, ou par deux pistons placés de chaque côté et montés en opposition. La puissance de freinage est transformée en calories qui sont en grande partie absorbées par les masses en contact, essentiellement par la masse de la couronne du disque en fonte agissant comme une capacité thermique, l'autre surface de frottement étant la garniture faiblement conductrice de chaleur. Ensuite après le freinage, l'évacuation des calories se fait lentement, en petite partie par conduction sur les matériaux en contact comme le moyeu du disque, et en grande partie par convection avec l'air ambiant. Pour améliorer la surface d'échange avec l'air et le mouvement de cet air, des canaux radiaux peuvent être percés dans l'épaisseur du disque, pour créer une ventilation interne de la masse de la couronne du disque. Par ailleurs, on cherche à améliorer l'aérodynamisme des véhicules, ce qui réduit les mouvements d'air et donc la convection autour du frein, et on cherche aussi à réduire la masse du véhicule et donc du disque de frein, ce qui réduit sa capacité d'absorption instantanée d'énergie calorifique. Dans le cas de freinages prolongés, par exemple lors de descentes de montagne avec une forte dénivellation, en particulier avec une charge du véhicule élevée, le disque peut atteindre une température importante, de l'ordre de 700°C, qu'il ne faut pas dépasser avec la fonte. Il y a alors une modification de la matière du disque, de type transformation métallurgique ; la matière n'étant plus la même, le frein n'est plus dimensionné pour absorbé de l'énergie supplémentaire, celle-ci devant être entièrement dissipée. Par ailleurs on a avec des températures élevées, des risques comme une baisse du coefficient de frottement et donc de l'efficacité du freinage, une mise en ébullition du liquide de commande des freins, ou parfois un risque d'incendie. De plus un travail fréquent à des températures élevées n'est pas souhaitable, car il provoque un vieillissement plus rapide d'éléments comme les garnitures, les joints en caoutchouc, la graisse ou les capteurs pour l'ABS. Un inconvénient principal de ce type de frein, est que sa capacité d'échange thermique est limitée, ce qui peut poser des problèmes de sécurité, notamment avec des véhicules modernes comportant des masses élevées et des moteurs puissants permettant de relancer rapidement le véhicule entre deux freinages. Un autre type de frein à disque est décrit notamment dans le document US-B1-6491139. Il présente un frein à disque comportant un disque central recevant des garnitures de frottements circulaires sur ses deux faces, encadrés axialement par deux plateaux de pression. Trois étriers répartis autour peuvent exercer simultanément une force de serrage, pour plaquer les plateaux de pression sur le disque et exercer un couple de frottement. Avantageusement, les plateaux de pression peuvent comprendre des canaux internes de circulation d'eau, pour dissiper rapidement l'énergie calorifique générée au freinage. Cependant, ces moyens de serrage comprenant des plateaux circulaires, sont fort différents de ceux couramment utilisés dans un véhicule, et constituent un volume difficile à implanter dans le véhicule. La présente invention a notamment pour but d'apporter une solution simple et efficace à la réalisation d'un frein à disque, pouvant dissiper rapidement des énergies importantes, tout en restant compact. Elle propose à cet effet un frein à disque en particulier pour véhicule automobile, comprenant un disque de frottement comportant deux faces annulaires parallèles sur lesquelles sont fixés solidairement des garnitures de frottement, et un moyen de serrage de ces faces de frottement, caractérisé en ce que le moyen de serrage comporte deux patins disposés en regard l'un de l'autre, couvrant chacun une fraction des faces annulaires du disque de frottement, et en ce que ces patins comportent un dispositif de circulation d'un liquide de refroidissement. Un avantage essentiel du disque de frein selon l'invention est que le patin ne couvrant qu'une fraction angulaire du disque, l'architecture de l'étrier de frein peut rester similaire à celle d'un frein à disque conventionnel ce qui facilite son implantation dans le véhicule. Le frein à disque selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Selon un mode préféré de l'invention, les patins de frottement comportent une plaque avant destinée à venir en contact avec la garniture du disque de frein, et une boîte arrière dans laquelle circule un liquide de refroidissement. Avantageusement, la boîte arrière comporte des formes internes augmentant les surfaces d'échange thermique entre le liquide et la boîte. La boîte peut ainsi comporter des plots s'étendant à l'intérieur de ladite boîte. Ces plots peuvent avantageusement s'étendre selon une direction normale aux faces annulaires du disque de frottement, afin d'éviter l'effondrement du boîtier lors des efforts de compression sur ce dernier Avantageusement, la boîte arrière est obtenue par surmoulage d'un alliage léger sur la plaque avant. La boîte comporte un tube d'entrée et un tube de sortie du liquide permettant de raccorder cette boîte à un circuit extérieur de refroidissement. Le tube d'entrée est avantageusement situé à l'entrée du couple de freinage, correspondant au coté qui chauffera le plus lors d'un freinage. Les boîtes arrière des deux patins d'un même étrier de frein, peuvent être raccordées en parallèle sur le circuit de refroidissement. Selon une première variante, le circuit extérieur de refroidissement est celui du moteur thermique du véhicule. Selon une deuxième variante, le circuit extérieur de refroidissement est un circuit indépendant, comportant une pompe de circulation et un échangeur thermique. La pompe de circulation peut être activée par un contact actionné par une mise en oeuvre des freins. Avantageusement, les garnitures de frottement sont collées sur le disque de frein. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, le disque de frottement est une tôle métallique. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une demi-vue en coupe axiale, d'un frein à disque selon l'art antérieur ; - la figure 2 est une demi-vue en coupe axiale, d'un frein à disque selon l'invention ; - la figure 3 est une vue écorchée d'un patin comportant une boîte arrière ; et - la figure 4 est un schéma d'un circuit de liquide de refroidissement. La figure 1 représente un boitier hydraulique d'étrier de freinage 1 lié par une liaison axialement coulissante 4, à un pivot de roue 2 relié par des bras de suspension au châssis d'un véhicule. Le pivot de roue 2 supporte par l'intermédiaire d'un roulement à billes, un moyeu 6 d'une roue 8 et un disque de frein 20 pincé entre ces deux derniers éléments 6 et 8. Le boitier de l'étrier de freinage 1 comporte une partie extérieure par rapport à l'axe transversal du véhicule, qui supporte un patin extérieur 14, et de l'autre côté du disque 20, une partie intérieure contenant une chambre hydraulique circulaire, qui reçoit un piston 10 coulissant axialement. L'alimentation de la chambre en liquide de freinage est assurée par un conduit non représenté, l'étanchéité du piston 10 est assurée par un joint circulaire 12 qui l'entoure. Le piston 10 presse directement sur le dos du patin intérieur 14. Le boîtier de l'étrier de freinage 1 étant monté coulissant sur le pivot de roue 2, par réaction une charge sur un patin 14 provoque un coulissement du boîtier de l'étrier 1 sur la liaison coulissante 4, ce qui répartit le serrage des patins de manière symétrique sur les deux faces du disque de frein 20. Le rôle du boitier 1 est de presser les patins 14 sur le disque 20 selon une direction normale à celui-ci. Le coulissement du boitier de l'étrier 1 permet aussi de le décaler progressivement en fonction de l'usure des garnitures, tout en gardant un équilibrage des pressions de serrage s'exerçant dessus. Lors d'un freinage, le joint d'étanchéité du piston 22 est entraîné par adhérence sur le piston 10, et subit une petite déformation axiale élastique. Après le freinage quand la pression dans la chambre hydraulique chute, le joint 12 revient en position ce qui provoque un léger recul du piston 12 et donc des deux patins 14, pour libérer le disque 20. Le disque 20 comporte de plus des canaux radiaux 22, axialement centrés dans l'épaisseur de la couronne de frottement, et réalisés lors du moulage de la fonte. Ces canaux 22 débouchant radialement à l'intérieur et à l'extérieur de la couronne de frottement augmentent la surface d'échange et créent un flux d'air interne activé par la rotation du disque agissant comme une pompe centrifuge ; ce flux pouvant s'ajouter ou en se retrancher au flux d'air généré par l'avancement du véhicule, et améliorer le cas échéant les échanges thermiques. Toutefois, le refroidissement du disque reste limité principalement à des échanges thermiques avec l'air qui n'est pas un bon conducteur. La figure 2 représente un boîtier d'étrier de freinage 1 similaire à celui de la figure 1, lié aussi par une liaison axialement coulissante 4 au pivot de roue 2. Ce boîtier d'étrier de freinage 1 supporte de la même manière des patins 30, qui sont sans garniture, ces patins 30 pouvant posséder un contour similaire à ceux avec garniture. Le patin intérieur est directement pressé par le piston 10, le patin extérieur est au contact du boîtier d'étrier 1. Un disque de frottement 40 comprenant une tôle métallique, par exemple en acier ou en aluminium, est maintenu radialement à l'intérieur entre le moyeu 6 et la roue 8. Ce disque de frottement 40 comporte en partant radialement du moyeu 6, une partie globalement cylindrique assurant un déport axial vers l'intérieur, puis une partie radiale comportant d'abord un profil ondulé, puis un profil droit. La partie radiale avec un profil droit du disque 40, comporte de chaque côté une garniture de frottement 42 formant une couronne annulaire. Les garnitures 42 sont fixées solidairement sur le disque de frottement 40, elles peuvent ainsi être collées ou rivetées sur la tôle du disque 40, suivant des technologies notamment utilisées pour la réalisation des disques d'embrayage. Un collage des garnitures 42 a pour avantage de répartir la contrainte liée à la transmission du couple de freinage, sur toute la surface de ces garnitures. Les faces extérieures de ces garnitures annulaires 42, sont parallèles, elles peuvent éventuellement être rectifiées après assemblage, pour assurer une planéité. Le profil radial ondulé du disque de frottement 40, donne un peu de souplesse entre la partie annulaire extérieure et le moyeu 6, permettant de légères déformations pour compenser par exemple des dilations. Les patins de frottement 30 comportent une plaque avant 34, formée dans un matériau adapté au flux de chaleur généré par le freinage, déborde radialement de part et d'autre de la garniture annulaire de frottement 42. Ces patins 30 comportent de plus une boîte arrière 36 recevant un liquide, formée de préférence par surmoulage d'un alliage léger sur la plaque avant 34, constituant un volume allongé d'épaisseur sensiblement constante, avec une face arrière plane. La boîte arrière 36 est reliée de manière étanche à la plaque avant 34, en suivant sensiblement son contour. Le fonctionnement du frein suivant l'invention est le suivant. Les garnitures annulaires 42 tournent avec la roue 8 du véhicule. Lors d'un freinage, le piston 10 applique un effort de serrage sur la face arrière des boîtes arrière 36, constituant le dos des patins de frottement 30. Cette force est transmise aux plaques avant 34, qui serrent à leur tour les garnitures annulaires de frottement 42 du disque de frein 40, en créant le couple de freinage. Les matériaux employés pour les plaques avant 34 et les garnitures 42 sont choisis selon les contraintes thermiques, d'efficacité de freinage, d'émission de bruits du type crissement de freinage etc .... En outre, un alliage léger est avantageusement choisi pour les boîtes arrière 36, afin d'assurer une bonne conductibilité thermique ainsi qu'une facilité de moulage. La figure 3 détaille le circuit de refroidissement des patins de frottement 30. La chambre à eau 36 comporte des plots intérieurs 38 obtenus notamment par moulage, qui favorisent un mouvement d'agitation d'un liquide de refroidissement circulant dedans, et augmentent la surface d'échange de ce liquide avec le métal. Les plots 38 transmettent également l'effort de compression du piston, afin d'éviter un effondrement du boitier 36 sous cette poussée. Les boîtes arrière 36 comportent à leurs extrémités, un tube d'entrée 50 situé d'un côté du boîtier 36 et un autre de sortie 51 de l'autre coté, obtenus par exemple par moulage, et qui sont raccordés à des tuyaux souples 52. Le tube d'entrée 50 est avantageusement situé à l'entrée du couple de freinage, c'est-à-dire du coté où un élément de surface du disque 40 entre dans le boîtier d'étrier 1 correspondant au coté qui chauffera le plus et qui doit donc être au contact du liquide d'entrée le plus froid. Les deux tubes d'entrée 50 des deux patins de frottement 30 d'un même étrier 1, ainsi que les deux tubes de sortie 51, sont raccordés ensemble pour former deux circulations de liquide raccordées en parallèle. Cette circulation du liquide de refroidissement peut se raccorder à celle du moteur thermique, en utilisant sa pompe de circulation, son échangeur de refroidissement de l'eau vers l'air, ainsi que ses systèmes de régulation, ce qui est économique. La température du liquide de refroidissement du moteur thermique étant habituellement proche de 80°, on a avec ce montage peu de possibilité d'augmentation de cette température, mais par contre la capacité de refroidissement est importante. Par ailleurs quand le freinage est activé, le moteur thermique n'est plus sollicité, son circuit de refroidissement aux inerties thermiques près, est d'autant plus disponible pour évacuer les calories du freinage. Le liquide de refroidissement des freins peut aussi utiliser un circuit propre présenté figure 4, comportant une pompe de circulation 60 entraînée par un moteur électrique 62, et un échangeur de refroidissement 68. Ce circuit comporte des départs 64 et des retours 66 vers d'autres étriers de frein, pour distribuer le liquide en parallèle vers les différents freins. La mise en fonctionnement de la pompe 60 peut être commandée par exemple, par le contact des feux stop s'allumant lors d'un appui sur la pédale de frein. Puis cette pompe 60 s'arrête ensuite quand la température du liquide est suffisamment redescendue. Un avantage de ce circuit de refroidissement indépendant est qu'on peut partir d'un liquide à température ambiante, ce qui permet un fort écart de température avant le point d'ébullition, et donc une capacité d'absorption thermique plus élevée pour une même masse de liquide. On obtient avec l'invention un dispositif de freinage comprenant un disque de frein comportant une faible masse, une inertie et un volume réduit, tout en gardant une très forte capacité de conduction thermique. Le frein travaille à des températures peu élevées, de l'ordre de 100°C, ce qui est favorable pour la durée de vie des différents composants proches. De plus, les déformations dues aux dilations sont limitées, et la puissance du freinage reste constante. REVENDICATIONS 1 ù Frein à disque en particulier pour véhicule automobile, comprenant un disque de frottement (40) comportant deux faces annulaires parallèles sur lesquelles sont fixés solidairement des garnitures de frottement (42), et un moyen de serrage de ces faces de frottement, caractérisé en ce que le moyen de serrage comporte deux patins (30) disposés en regard l'un de l'autre, couvrant chacun une fraction des faces annulaires du disque de frottement, et en ce que ces patins comportent un dispositif de circulation (36) d'un liquide de refroidissement. 2 ù Frein à disque selon la revendication 1, caractérisé en ce que les patins de frottement (30) comportent une plaque avant (34) destinée à venir en contact avec la garniture (42) du disque de frein (40), et une boîte arrière (36) dans laquelle circule un liquide de refroidissement. 3 ù Frein à disque selon la revendication 2, caractérisé en ce que la boîte arrière (36) comporte des formes internes (38) augmentant les surfaces d'échanges thermique entre le liquide et la boîte. 4 ù Frein à disque selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la boîte arrière (36) comporte des plots (38) s'étendant à l'intérieur de ladite boîte (36) selon une direction normale aux faces annulaires du disque de frottement (40). 5 ù Frein à disque selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la boîte arrière (36) est obtenue par surmoulage d'un alliage léger sur la plaque avant (34). 6 ù Frein à disque selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la boîte arrière (36) comporte un tube d'entrée (50) et un tube de sortie (51) du liquide permettant de raccorder cette boîte (36) à un circuit extérieur de refroidissement. 7 ù Frein à disque selon la revendication 6, caractérisé en ce que le tube d'entrée (50) est situé à l'entrée du couple de freinage, correspondant au coté qui chauffera le plus lors d'un freinage.8 ù Frein à disque selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que les boîtes arrière (36) des deux patins (30) d'un même étrier de frein (1), sont raccordées en parallèle sur un circuit de refroidissement. 9 ù Frein à disque selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le circuit extérieur de refroidissement est celui du moteur thermique du véhicule. ù Frein à disque selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le circuit extérieur de refroidissement est un circuit indépendant, comportant une pompe de circulation (60) et un échangeur 10 thermique (68). 11 ù Frein à disque selon la revendication 10, caractérisé en ce que la pompe de circulation (60), est activée par un contact actionné par une mise en oeuvre des freins. 12 ù Frein à disque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les garnitures de frottement (42) sont collées sur le disque de frein (40). 13 ù Frein à disque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le disque de frottement (40) est une tôle métallique.20