Brevet FR2997743A1 — publié le 20140509

Ensemble de frein à captation de particules Domaine Technique La présente invention est relative aux ensembles de 5 frein non polluants, destinés notamment à être utilisés sur des véhicules routiers ou ferroviaires. L'invention concerne en particulier des ensembles de frein aptes à capter par aspiration des particules et poussières, résultant de l'abrasion, émises par le freinage à friction. 10 Il est connu que ces particules dispersées dans le milieu ambiant sont nocives pour la santé des individus. Art Antérieur Il a déjà été proposé des systèmes ou dispositifs pour capter les particules et poussières résultant de l'abrasion 15 du freinage à friction, notamment dans les documents FR2815099 et US8191691. Les solutions ainsi connues sont, d'une part complexes à mettre en oeuvre, et d'autre part elles ont une influence négative sur le bon refroidissement du disque de frein et donc sur sa performance de freinage. 20 Il est donc apparu un besoin d'améliorer les solutions pour capter les particules et poussières résultant du freinage en vue de supprimer tout ou partie des inconvénients susmentionnés. Résumé de l'invention 25 A cet effet, selon la présente invention, il est proposé un ensemble de frein non polluant comprenant : - un rotor, - un patin mobile destiné à venir en appui sur ledit rotor pour le freiner, le patin comprenant du matériau de 30 friction susceptible de relâcher des particules résultant de l'abrasion, - un dispositif d'aspiration desdites particules, le dispositif d'aspiration comprenant : . une bouche d'aspiration, 35 un réservoir collecteur pour collecter les particules, une conduite menant de la bouche d'aspiration jusqu'au réservoir collecteur, . une turbine entraînée par le rotor grâce à un galet en appui sur le rotor, pour aspirer les particules et les 5 propulser dans le réservoir collecteur, la bouche d'aspiration étant agencée à proximité immédiate du patin et du rotor, moyennant quoi les particules sont captées au plus près de leur émission. Grâce à ces dispositions, le dispositif d'aspiration 10 capte les particules au plus près de leur émission et on évite ainsi d'avoir à envelopper le rotor pour capter les particules ; ainsi selon l'invention, les performances de refroidissement du rotor ne sont pas diminuées sensiblement par la présence du dispositif d'aspiration ; et par 15 conséquent, la performance de freinage n'est pas affectée par la présence du dispositif d'aspiration. De plus le dispositif d'aspiration présente des dimensions réduites permettant une bonne intégration dans l'environnement du rotor. 20 En outre, la construction du dispositif d'aspiration est particulièrement simple : l'entrainement de la turbine ne nécessite aucune source d'énergie extérieure et aucune maintenance. Dans divers modes de réalisation de l'invention, on 25 peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - la hauteur de la bouche d'aspiration par rapport à la surface du rotor peut être comprise entre 0,5 mm et 2 mm, et de préférence au voisinage de 1 mm ; moyennant quoi la 30 quantité de particules captées est maximisée ; - la dimension circonférentielle de la bouche d'aspiration peut être inférieure à 10 mm, de préférence voisine de 4mm; de sorte que l'influence sur la performance de freinage est minimisée ; 35 - le galet peut être en appui sur le rotor en dehors de la zone balayée par le patin ; moyennant quoi le galet d'entraînement n'a pas d'influence sur la surface du rotor balayée par le patin et ne dégrade pas la performance de freinage; - le dispositif peut comporter en outre une valve antiretour pour éviter un reflux des particules depuis le réservoir collecteur ; de sorte que l'on évite un fonctionnement inverse non désiré lors d'un déplacement en marche arrière ; - le galet et turbine peuvent être agencés coaxialement; de sorte que les dimensions et le coût de fabrication sont minimisés ; - le réservoir collecteur peut comprendre un filtre en média fibreux non tissé; de sorte que toutes les particules 15 sont piégées dans le filtre ; - le dispositif de collecte relié à un étrier au moyen d'une patte support ; moyennant quoi l'installation du dispositif est facile ; - le dispositif de collecte est relié à l'étrier avec un 20 rappel élastique vers le rotor ; de sorte que la pression d'appui du galet sur le rotor est bien maîtrisée ; - le dispositif peut comporter en outre une bouche d'aspiration auxiliaire, disposée de manière symétrique et agencée sur le côté opposé du disque rotor ; moyennant quoi 25 une seule turbine est nécessaire pour traiter les deux côtés du disque. Brève description des dessins D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de 30 deux de ses modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs. L'invention sera également mieux comprise en regard des dessins joints sur lesquels : - la figure 1 est une vue de côté d'un ensemble de frein selon un premier mode de réalisation de l'invention 35 équipé d'un dispositif d'aspiration, - la figure 2 est une vue en perspective schématique de l'ensemble de frein de la figure 1, - la figure 3 est une vue partielle en coupe verticale du dispositif d'aspiration de la figure 1, - la figure 4 montre un détail en coupe de la zone d'aspiration, - la figure 5 est une vue de côté d'un ensemble de frein selon un deuxième mode de réalisation de l'invention équipé d'un dispositif d'aspiration, - la figure 6 est une vue en perspective schématique 10 d'un ensemble de frein selon une variante du premier mode de réalisation de l'invention. Description détaillée de l'invention Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. 15 La figure 1 montre un ensemble de frein 2 selon un premier mode de réalisation de l'invention qui concerne une configuration de frein à disque. Une telle configuration de frein à disque est très courante dans les automobiles, les véhicules utilitaires, les véhicules poids lourds, les 20 autobus ainsi que dans le matériel roulant ferroviaire, et aussi sur les deux-roues. Dans cette configuration, l'action de freinage s'opère sur un rotor appelé 'disque' solidaire de la jante de la roue mais distinct de celle-ci. Toutefois, l'invention vise aussi une configuration de 25 freinage avec freinage directement opéré sur la jante de roue, comme utilisé par exemple dans le matériel roulant ferroviaire de type tramway, métro ou train classique. Il n'est pas exclu d'appliquer l'invention à d'autres configurations comme par exemple un frein à tambour. 30 Les particules émises par les systèmes de freinage sont de plus en plus nombreuses en raison de l'augmentation de la circulation des véhicules notamment des les zones urbaines. Des études médicales confirment la nocivité de ces particules pour le système respiratoire des individus 35 et pour la santé en général. Il apparaît donc important de réduire fortement l'émission de ces particules dans le milieu ambiant, ce à quoi s'attache la présente invention. Même si on s'efforce d'utiliser, quand c'est possible, des systèmes de freinage sans friction, comme un freinage 5 électrique récupératif ou à courants de Foucault, il s'avère que l'on ne peut pas se passer des systèmes de freinage à friction, car ils sont efficaces à toutes les vitesses, et ils permettent de maintenir le véhicule à l'arrêt. 10 S'agissant d'un freinage à friction, celui-ci est basé sur un rotor tournant autour d'une axe de roue X sur lequel un patin agit par friction pour diminuer sa vitesse en transformant de l'énergie cinétique en chaleur. Le rotor en question peut être la jante de roue elle-même ou un disque 15 spécifique dédié à la fonction freinage, comme ceci a déjà été mentionné plus haut. Dans l'exemple illustré aux figures 1 à 4, l'ensemble de frein 2 comprend un rotor 6 sous forme de disque d'épaisseur constante solidaire de la roue à freiner (ou 20 des roues de l'essieu à freiner), et un patin 5 destiné à venir en appui selon la direction axiale X sur ledit rotor pour le freiner, le patin 5 étant monté mobile par rapport à un étrier de frein 4. Dans la configuration classique présentée, il y a en fait deux patins 5 qui peuvent être 25 sollicités l'un en direction de l'autre pour prendre le rotor en sandwich sous l'effet de pistons 7, en produisant ainsi un effort dirigé parallèlement à la direction axiale de roue X. Sur la figure 2, seuls les éléments situés au-dessus du disque sont présentés, le second patin n'est pas 30 représenté. Chaque patin 5 (aussi appelé 'plaquette de frein') comporte une embase métallique 50 et un corps d'appui 51 comprenant du matériau de friction 3 susceptible de relâcher des particules 30 résultant de l'abrasion dû à la friction. Dans d'autres configurations non représentées aux figures, il peut y avoir un seul patin exerçant un effort radial en direction de l'axe de roue X, comme par exemple sur le matériel ferroviaire traditionnel, dans lequel le freinage s'effectue sur la zone annulaire périphérique de la jante de roue. Dans ce cas, il n'y a pas d'étrier à proprement dit mais un support de patin 4'. Plus particulièrement, l'ensemble de frein 2 comprend un dispositif d'aspiration 1 apte à capter des particules et poussières constituant les résidus de l'abrasion résultant du freinage. Le dispositif d'aspiration 1 présente des dimensions réduites qui facilitent sont intégration dans l'environnement immédiat de l'étrier 4. Le dispositif d'aspiration 1 comprend plus précisément : - une bouche d'aspiration 11, agencée à proximité immédiate du patin 5 et du rotor 6, - un réservoir collecteur 13 pour collecter les 20 particules du matériau de friction 3, ce réservoir comprenant un filtre, - une conduite 12 menant de la bouche d'aspiration 11 jusqu'au réservoir collecteur 13, la conduite pouvant aussi être appelée 'carter', 25 - une turbine 14 entraînée par le rotor grâce à un galet 15 en appui sur le rotor, pour aspirer les particules par la bouche d'aspiration 11 et les propulser dans le réservoir collecteur, la turbine étant agencée à l'intérieur de la conduite 12. 30 La bouche d'aspiration 11 se présente comme une ouverture 21 disposée dans un plan parallèle à la surface 60 du rotor, donc perpendiculaire à l'axe X du rotor. Cette ouverture 21 est de préférence située à moins de 5 mm de la surface du rotor, de manière encore plus préférée à moins de 2 mm de la surface du rotor. Comme illustré à la figure 4, la hauteur H de l'ouverture 21 de la bouche d'aspiration 11 par rapport à la surface du rotor pourra être choisie comme comprise entre 0,5 mm et 2 mm, et en particulier on pourra choisir 1 mm pour optimiser l'aspiration des particules tout en évitant un contact avec le disque et éviter une dégradation du matériau plastique de la bouche au contact du disque qui peut être très chaud. L'ouverture 21 de la bouche d'aspiration 11 se présente sensiblement comme une forme de rectangle qui s'étend selon la direction radiale sur toute la distance radiale D du rotor balayée par le patin, par exemple typiquement pouvant aller de de 3cm à 6cm, et s'étend selon la direction circonférentielle sur une distance E inférieure à 10mm, de préférence inférieure à 5mm. On pourra choisir en particulier une dimension selon la direction circonférentielle de voisine de 4mm. Il faut noter que l'épaisseur de la paroi reste petite par rapport à cette 20 dimension circonférentielle E. La bouche d'aspiration 11 est positionnée à une distance circonférentielle K en aval du corps d'appui 51 du patin 5 (cf. Fig. 4) de préférence comprise entre 2 mm et 10 mm ; on pourra choisir une distance K optimale voisine 25 de 5 mm. Si la bouche d'aspiration 11 est positionnée de manière parallèle au bord aval du corps d'appui 51 du patin 5, alors la distance K est constante ; toutefois, il pourrait en être autrement, en particulier si la bouche d'aspiration 11 est alignée sur un rayon ou si la bordure 30 aval du corps d'appui 51 du patin 5 n'est pas orientée strictement radialement. Compte tenu des dimensions indiquées ci-dessus, l'aire de l'ouverture 21 de la bouche d'aspiration 11 pourra être inférieure à 5cm2, sera de préférence inférieure à 2cm2. De la sorte, l'influence de la présence de cette bouche d'aspiration sur le refroidissement du rotor est négligeable. Le fait d'aspirer les particules 30 directement à l'endroit de leur sortie à l'interface entre le patin 5 et la surface 60 du rotor permet d'éviter d'installer un quelconque élément additionnel qui enveloppe une partie du rotor, et donc de préserver les performances de refroidissement. Il est ainsi possible d'aspirer quasiment toutes les particules 30 dues à l'abrasion du freinage, en particulier plus de 95 % de l'ensemble des particules, qu'elles soient magnétiques ou amagnétiques. Les particules ou poussières de toute taille sont captées y compris celles ayant des dimensions micrométriques et même nanométriques. Selon un aspect avantageux, l'appui du galet 15 se produit sur une zone annulaire 66 située en dehors de la zone 65 balayée par le patin (Fig. 3), ce qui permet de ne pas perturber la surface du rotor 60 balayée par le patin et donc de minimiser l'influence de la présence du galet 15 sur la performance de freinage. Selon un aspect avantageux, la turbine 14 et le galet 15 sont disposés coaxialement, sur un axe de turbine Y perpendiculaire à l'axe de roue X. La turbine 14 est dans l'exemple illustré montée tournante sur un palier 16 aménagé dans le carter de turbine 17. La turbine comporte une pluralité de pales 24 pour générer un mouvement centrifuge ayant tendance à expulser l'air vers le réservoir collecteur 13, et un arbre central 18 reçu dans le palier 16, qui de plus présente une extrémité de liaison 19 avec le galet. Dans l'exemple illustré, le diamètre de la turbine est de 5 cm, toutefois ce diamètre pourra être ajusté en fonction de l'espace disponible entre le disque et la jante de roue, aussi en fonction dela longueur axiale de la turbine et des besoins d'aspiration liés à la taille du patin 5 et à l'application de freinage considérée. Le galet d'entraînement 15 est monté sur extrémité de 5 liaison 19 de l'arbre 18, de manière solidaire en rotation autour de l'axe Y avec la turbine. Le bord périphérique du galet 66 vient en appui sur la surface du rotor. Le galet d'entraînement 15 est par exemple réalisé en aluminium, toutefois une matière plastique haute performance pourra 10 aussi être choisie. Il à noter que l'axe Y passe par l'axe X, ceci afin d'obtenir un roulement du galet à tramée minimisée. Selon un aspect avantageux, la turbine 14 et le galet 15 pourraient aussi ne former qu'une seule et même pièce, 15 par exemple réalisée en matériau plastique haute température. Le conduit 12 et le carter 17 peuvent être réalisés en plastique PVC (polychlorure de vinyle); la bouche d'aspiration 11 est réalisée par exemple en plastique PVC 20 haute température ou en polyvinylidène de fluorure ou encore en PEEK (polyétherethércetone), avec une tenue en température jusqu'à 250 °C, voire plus de 300°C. Le fonctionnement de l'ensemble d'articulation va maintenant être explicité. Lorsque le rotor tourne, en 25 particulier dans le sens de rotation 'F' correspondant au mouvement du véhicule vers l'avant, le galet 15 est entrainé en rotation et entraine à son tour la turbine. La turbine centrifuge provoque alors une dépression au niveau de la bouche d'aspiration. 30 On peut prévoir d'ajuster le diamètre du galet et le volume de la turbine pour obtenir une vitesse d'aspiration qui corresponde avec la vitesse d'éjection des particules, c'est-à-dire sensiblement la vitesse linéaire de la surface du rotor. La demanderesse a en effet constaté que cette vitesse d'aspiration correspond à un optimum qui permet d'aspirer quasiment toutes les particules, sans toutefois provoquer une usure prématuré du matériau de friction ; une vitesse trop élevée serait en effet néfaste car cela provoquerait une aspiration forcée des particules instables se trouvant entre le patin et la surface du rotor et donc une usure prématurée du patin. Selon un exemple particulier parmi une pluralité de choix possibles, la vitesse de la turbine peut être de 10 17000 tours/min pour une vitesse véhicule de 50 Km/h pour un diamètre de disque usuel dans un véhicule automobile. Il est à noter que la majorité des particules 30 émises par le dispositif de freinage est générée pour des freinages à des vitesses modérées ou élevées ; la quantité 15 de particules éjectées pour des freinages à des vitesses faibles ne s'avère pas significative. Selon un aspect avantageux optionnel, le dispositif d'aspiration 1 comprend en outre un clapet anti-retour 9 disposé sur la conduite, par exemple entre la bouche 20 d'aspiration 11 et la turbine 14 ou comme illustré entre la turbine et le réservoir collecteur. Ainsi, lorsque la roue et le rotor (et donc la turbine) tournent dans une direction 'R' correspondant au mouvement du véhicule vers l'arrière, cette disposition permet d'éviter que les 25 particules soient aspirées à partir du réservoir collecteur. On peut bien sûr prévoir de placer de chaque côté du disque un dispositif d'aspiration 1, c'est-à-dire deux dispositifs d'aspiration similaires agencés de façon 30 symétrique de part et d'autre disque. Toutefois, selon un aspect avantageux optionnel, comme ceci est illustré à la figure 6, le dispositif d'aspiration 1 peut comprendre une bouche d'aspiration auxiliaire 110, disposée de manière symétrique et agencée sur le coté 35 opposé au disque rotor. De cette manière, une seule turbine permet d'aspirer les particules des deux patins 5,5' qui prennent le disque en sandwich. Un conduit auxiliaire 120 fait communiquer la bouche auxiliaire 110 avec le conduit principal 12, en passant la zone extérieure radiale du disque. Concernant le montage du dispositif d'aspiration 1 celui-ci peut être fixé à l'étrier ou être fixé directement au patin. Dans l'exemple illustré, le dispositif d'aspiration 1 est fixé à l'étrier grâce à une patte support 8 (cf Fig. 2). Il peut être prévu que cette patte support 8 présente une certaine élasticité pour rappeler le dispositif d'aspiration en direction du rotor selon la direction axiale X. Avantageusement un tel rappel élastique 'P' vers le 15 rotor contribue à ce que la pression du galet 15 sur la surface du rotor soit sensiblement constante quelque soient les tolérances de fabrication et de montage. L'effet de rappel peut toutefois être obtenu par un montage avec un ressort plus conventionnel (non 20 représenté). Selon un aspect avantageux, le poids du dispositif d'aspiration 1 ne dépasse pas, en fonction des matériaux employés, 50 grammes, voire même ne dépasse pas 30 grammes, ce qui permet de limiter l'influence de la présence de ce 25 dispositif sur le comportement dynamique de l'ensemble de roue et du véhicule. Sur la figure 5, le patin de freinage exerce une pression orientée radialement vers l'intérieur en direction de l'axe de roue. Tout comme dans la configuration 30 précédente, le dispositif d'aspiration 1 est agencé en aval du patin 5, dans le sens de marche normale 'F', il peut être fixé, de façon analogue à ce qui a été exposé plus haut, au support 4' de patin. Pour des matériels pouvant circuler indifféremment dans les deux sens de circulation comme les matériels urbains ferroviaires, on peut disposer un dispositif d'aspiration de chaque côté du patin pourvu qu'ils soient équipés du clapet anti retour 9 susmentionné. Il est à noter que plusieurs variantes sont considérées dans le cadre de la présente invention. Par exemple, le galet entraîneur 15 pourrait porter sur une surface annulaire située à l'intérieur de la zone balayée par le patin 5. Selon un autre exemple, le galet pourrait porter sur la tranche du disque. Par ailleurs il pourrait être prévu un engrenage de renvoi entre le galet et la turbine, par exemple pour ajuster la vitesse de rotation optimale ou pour disposer l'axe de turbine indépendamment de l'axe de rotation du galet. La forme de la conduite et du carter pourraient être adaptées aux contraintes d'espace disponible à proximité du patin, l'ouverture de la bouche d'aspiration pourrait être légèrement inclinée par rapport à la surface du disque, et la zone adjacente de la bouche d'aspiration pourrait avoir toute forme adéquate. Le réservoir collecteur pourrait aussi être placé à tout endroit adéquat différent de celui représenté aux figures. Le corps de friction 51 pourrait avoir toute forme, et 25 peut comprendre des éléments discontinus. S'agissant de la maintenance du système, on pourra prévoir, a chaque changement de patin, de vider le réservoir collecteur ou même de remplacer le dispositif d'aspiration. 30 REVENDICATIONS1. Ensemble de frein non polluant, comprenant : - un rotor (6), - un patin (5) mobile destiné à venir en appui sur ledit rotor pour le freiner, le patin comprenant du matériau de friction susceptible de relâcher des particules résultant de l'abrasion, - un dispositif d'aspiration (1) desdites particules, le dispositif d'aspiration (1) comprenant : - une bouche d'aspiration (11), - un réservoir collecteur (13) pour collecter les particules, - une conduite (12) menant de la bouche d'aspiration jusqu'au réservoir collecteur, - une turbine (14) entraînée par le rotor grâce à un galet (15) en appui sur le rotor, pour aspirer les particules par la bouche et les propulser dans le réservoir collecteur, caractérisé en ce que la bouche d'aspiration est agencée à proximité immédiate du patin et du rotor, de préférence à moins de 5 mm de la surface du rotor, moyennant quoi les particules sont captées au plus près de leur émission. 2. Ensemble de frein selon la revendication 1, dans lequel la hauteur (H) de la bouche d'aspiration par rapport à la surface du rotor est comprise entre 0,5 mm et 2 mm, et de préférence au voisinage de 1 mm. 3. Ensemble de frein selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel la dimension circonférentielle (E) est inférieure à 10 mm, de préférence voisine de 4mm. 4. Ensemble de frein selon l'une des revendications 1 à 3, 35 dans lequel le galet est en appui sur le rotor en dehors dela zone balayée par le patin. 5. Ensemble de frein selon l'une des revendications 1 à 4, comportant en outre une valve anti-retour (9) pour éviter 5 un reflux des particules depuis le réservoir collecteur. 6. Ensemble de frein selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le galet et turbine sont agencés coaxialement. 10 7. Ensemble de frein selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le réservoir collecteur comprend un filtre en média fibreux non tissé. 8. Ensemble de frein selon l'une des revendications 1 à 7, 15 dans lequel le dispositif de collecte relié à un étrier au moyen d'une patte support (8). 9. Ensemble de frein selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le dispositif de collecte est relié à l'étrier 20 avec un rappel élastique vers le rotor. 10. Ensemble de frein selon l'une des revendications 1 à 9, comportant en outre une bouche d'aspiration auxiliaire (110), disposée de manière symétrique et agencée sur le 25 côté opposé du disque rotor.