Brevet FR3034831A1 — publié le 20161014

La présente invention concerne le domaine des freins de véhicules routiers ou ferroviaires. Plus précisément, l'invention concerne en particulier un système de frein à disque apte à capter et emprisonner des particules résultant 5 de l'abrasion de patins de friction couramment appelés « plaquettes de freins ». Plusieurs études environnementales et sanitaires ont démontré, d'une part, que ces particules constituent une part importante de la pollution atmosphérique due aux véhicules à moteur et, d'autre part, 10 qu'elles sont extrêmement nocives pour la santé. Il a déjà été proposé des dispositifs pour capter ces particules polluantes mais ces dispositifs présentent plusieurs inconvénients : - certains, en mettant en oeuvre un carter autour de l'étrier de frein (voir, par exemple, le brevet FR 2815099), pénalisent à la 15 fois le refroidissement du système de frein et la masse non suspendue de la roue. - D'autres, constitués de mécanismes mettant en oeuvre des pièces mobiles (voir, par exemple, le brevet FR 2 997 743), sont susceptibles d'être affligés, au fil du temps, de nombreux 20 dysfonctionnements, les poussières de frein étant de nature à gripper les mécanismes qu'elles rencontrent. - Tous, de par leur relative complexité, s'avèrent pénalisants pour le coût du frein à disque. La présente invention a pour but de capter ces particules polluantes 25 à moindre coût et sans poser de problème de masse, de refroidissement ni de fiabilité tout en étant visuellement discrets. Le dispositif selon l'invention est essentiellement un système de circulation d'air : Un flux d'air frais circulant dans une tubulure y crée une 30 dépression qui aspire les particules de poussière de frein directement dans le patin de friction, via un conduit dédié. Pour ressortir de la tubulure, le flux passe par un filtre qui piège les particules. Le tout fonctionne grâce à des principes aérodynamiques de base sans 35 faire appel à quelque mécanisme animé, pièce mobile ou source extérieure de dépression que ce soit. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui en est faite ci-après, à titre 3034831 2 indicatif et nullement limitatif en référence aux dessins joints parmi lesquels : La figure 1 est une vue en coupe d'un système de frein à disque classique. La figure 2 est une vue en coupe du même système de frein montrant la circulation du flux d'air généré par la conjonction de l'avancement du véhicule et de l'effet de ventilation provoqué par la rotation de la jante. La figure 3 est une vue en coupe du patin de friction selon 10 l'invention. La figure 4 est une vue de dessous du patin de friction selon l'invention. La figure 5 est une perspective du patin de friction selon l'invention. 15 La figure 6 est une vue en coupe frontale du dispositif selon l'invention. La figure 7 est une vue en coupe latérale du dispositif selon, l'invention. La figure 8 est un schéma de principe qui illustre l'effet dit de 20 Venturi. La figure 9 est une vue en coupe du duo de tubulures da rétention dans une version réalisée avec une pièce rapportée en polymère. La figure 10 est une vue en coupe du duo de tubulures de rétention dans une version intégrée directement dans l'étrier. 25 Les figures 11 et 12 sont des perspectives du patin de friction selon l'invention dans le cas où la largeur du patin de friction nécessite la percée soit segmentée en plusieurs parties. Le système de frein à disque habituel est bien connu de l'homme de l'art. 30 Le dispositif selon l'invention s'y conforme en ce sens qu'il comporte une roue constituée au moins d'une jante (1), un disque (2) solidaire de ladite roue, un étrier (3) chevauchant ce disque et muni d'au moins un piston (4) ainsi que des patins de friction (5), communément appelés « plaquettes », destinés à freiner le disque 35 lorsque le piston les plaque contre le disque. 3034831 3 Ces patins sont constitués d'une plaque support (7) en métal à laquelle est fixée une semelle (6) composée d'un matériau de friction. Cette semelle subit une abrasion lors de Chaque freinage et, de ce 5 fait, disperse dans l'atmosphère des particules du matériau de friction. Ces particules, arrachées par le passage du disque, sont « poussées » par celui-ci jusqu'au bord extrême, appelé « bord de fuite »(28), du patin de friction d'où elles s'échappent. Le dispositif selon l'invention se distingue des systèmes de frein à disque habituels en ce sens qu'il comporte : - un canal d'extraction des particules, - une tubulure de rétention (12), - un filtre collecteur de particules (15). Le dispositif selon l'invention est un circuit à deux entrées qui ne fait appel à aucun mécanisme animé ni pièce mobile ni source extérieure de dépression. La première entrée du circuit est constituée par une percée (9) réalisée au sein même du patin de friction (5), directement dans la masse sans adjonction de quelque pièce additionnelle que ce soit, et qui traverse de part en part à la fois la semelle (6) de matériau de friction et sa plaque support (7). Cette percée (9), qui dans sa partie basse « capture » les particules issues de l'abrasion du patin, débouche, dans sa partie haute, sur un conduit(10) aménagé dans l'étrier (2) [directement dans le cas du patin situé du côté opposé au piston, via une pièce de liaison (30) dans le cas du patin situé du côté du piston]. Ce conduit (10) débouche à son tour, via une buse (11), dans la tubulure de rétention (12). La continuité « percée-conduit-buse » constitue le canal d'extraction. La seconde entrée du circuit, appelée « bouche d'admission d'air»(13), se trouve à une extrémité de la tubulure de rétention (12). L'autre extrémité de la tubulure, appelée « bouche d'échappement d'air» (14), fermée par un filtre (15) perméable à l'air mais étanche aux particules, constitue l'unique sortie du circuit. 3034831 4 La bouche d'admission (13) est orientée, en biais, vers l'avant et vers l'intérieur du véhicule alors que la bouche d'échappement (14) est orientée vers l'extérieur du véhicule de sorte que la tubulure de rétention (12) soit naturellement alimentée en air frais par le 5 flux dynamique (24) généré par les actions concomitantes de l'avancement du véhicule et de la ventilation provoquée par la rotation de la jante (1). En outre, la section de la tubulure de rétention (12) varie sur sa longueur de façon à créer une dépression (16) au niveau de la buse 10 (11) du canal d'extraction. le théorème de Bernoulli permet de comprendre le phénomène qui génère cette dépression : si l'énergie cinétique d'un fluide en mouvement augmente alors cette augmentation se traduit par une diminution équivalente de son énergie élastique. 15 Le dispositif selon l'invention exploite l'une des applications les plus connues de ce théorème, appelée effet de Venturi : en réduisant la section d'une conduite (ici la tubulure de rétention) on accélère_ l'écoulement du fluide qui la parcourt (augmentation da l'énergie cinétique) ce qui génère une dépression (diminution de l'énergie 20 élastique). Lors du freinage, le patin (5) est plaqué par l'action du piston (4) contre le disque (2) tandis que la percée (9) communique avec le conduit (10), de telle sorte que le canal d'extraction ne soit plus ouvert que dans sa partie finale, constituée par la buse (11). 25 Ainsi, la dépression (16) créée dans la tubulure de rétention (12) aspire le contenu du canal d'extraction. Il est à noter que le contenu du canal d'extraction, dont la température initialement élevée pourrait endommager le filtre, est alors refroidi par sa rencontre avec un flux d'air frais (24). 30 Ensuite, le flux d'air (24), désormais chargé des particules polluantes, continue son trajet jusqu'à la bouche d'échappement (14) de la tubulure de rétention (12). Lorsque le flux (24) passe à travers le filtre (15), ce dernier piège les particules. 35 Certaines caractéristiques du dispositif selon l'invention permettent d'optimiser l'efficacité de son fonctionnement : - La percée (9), orientée parallèlement au bord de fuite (28) du patin de friction (5) et dont la longueur (25) est légèrement 3034831 5 inférieure à la largeur (27) dudit patin, présente une largeur comprise entre 1 millimètre et 1 centimètre. Elle traverse la totalité de l'épaisseur (18) du patin de friction (5). 5 Cette percée est située le plus proche possible du bord de fuite (28) de sorte que l'essentiel de la surface de friction se situe avant la percée(9). Cette percée est réalisée directement dans le matériau de friction lors du moulage de celui-ci ainsi que dans la plaque 10 support (7) lors de la découpe de celle-ci, sans adjonction de pièce additionnelle. Afin que la portion (32) de la semelle (6) qui se situe après la percée (9) ne s'arrache pas de la plaque support (7) sous l'action de la force de friction, ladite portion (32) est 15 taillée en biseau (19) à partir du bord de fuite (28), de sorte que sa partie supérieure présente une importante surface d'adhérence (34) avec la plaque support (7) tandis que sa partie inférieure présente une faible surface de frottement (35) avec le disque (2) lorsque le patin de friction est neuf. -20 Ensuite, l'accroissement de ladite surface de frottement (35) sous l'effet de l'usure est sans conséquences sur l'arrachement de cette portion (32) de la semelle : en effet, l'épaisseur (8) de ladite semelle (6) diminue simultanément et proportionnellement, or c'est cette épaisseur qui détermine la 25 force exercée au point d'adhérence de la semelle (6) sur la plaque support (7). Pour certains types de véhicules (véhicules lourds et/ou puissants), le patin (5) de friction présente de grandes dimensions. Dans ce cas, la percée (9) peut être séparée en 30 plusieurs segments (leur nombre dépend de la largeur du patin de friction) de sorte que des pontets (22a et 22b) assurent la cohésion mécanique de la plaque support (7) ainsi que celle de la semelle (6). Afin de limiter des phénomènes tourbillonnaires susceptibles de 35 nuire à l'efficacité de l'effet Venturi, des ailettes (20), peuvent être positionnées dans la tubulure (12) entre la bouche d'admission (13) et l'étranglement (17), pour guider le flux (24) et le maintenir dans un état laminaire. 6 3034831 L'étranglement (17) est suivi d'un évasement qui mène au filtre (15). Au fil de cet évasement le flux d'air (24) ralentit ce qui génère une remontée de la pression. 5 La conjonction de cette remontée de pression et de la présence de l'obstacle (certes relatif car poreux) constitué par le filtre (15) est susceptible de provoquer un « effet de retour » du flux (24) vers la zone de dépression (16). Afin de contrer cet éventuel reflux, des ailettes creuses en 10 forme de « V » (21) aménagées dans l'évasement opposent d'imperméables surfaces d'appui au flux qui ne peut, dès lors, s'évacuer qu'en passant à travers le filtre (15), lequel, à contrario, ne lui présente que des surfaces perméables. Le dispositif peut être constitué soit par une tubulure unique 15 (12) qui aspire le contenu des percées des deux patins de friction (5a et 5b)situés de part et d'autre d'un même disque (2), soit par deux tubulures (12a et 12b), chacune attribuée à-un de ces deux patins. Dans ce second cas de figure, les deux tubulures se réunissent en un seul conduit après leurs zones de 20 dépression respectives (16a et 16b), au niveau du filtre (15), afin que le dispositif ne nécessite qu'un seul filtre (15) pour les deux patins de friction (5a et 5b) d'un même disque (2). Dans un mode particulier de réalisation industrielle du dispositif selon l'invention, la tubulure est par exemple totalement intégrée 25 dans l'étrier et issue directement de fonderie. C'est ce mode particulier de réalisation qui est illustré sur la figure 6. Dans un autre mode de réalisation industrielle du dispositif selon l'invention, la tubulure résulte de l'association de formes moulées 30 ou usinées dans la masse de l'étrier avec une pièce rapportée sur ledit étrier par exemple en tôle d'acier emboutie. C'est ce mode de réalisation particulier qui est illustré sur la figure 10. Dans un autre mode de réalisation industrielle du dispositif selon 35 l'invention, la tubulure est entièrement réalisée dans une pièce fabriquée indépendamment de l'étrier, par exemple en injection de polymère à haute résistance thermique, puis rapportée sur ledit étrier. 7 3034831 C'est ce troisième mode de réalisation qui est illustré sur la figure 9. Le dispositif selon l'invention peut être appliqué à tout frein à disque de véhicule routier ou ferroviaire afin de limiter la 5 quantité de particules nocives émises dans l'atmosphère par ledit frein. REVENDICATIONS1) Dispositif de frein à disque non polluant pour véhicules motorisés comprenant un disque (2), un étrier (3) chevauchant le disque et doté d'au moins un piston (4), ainsi que des patins de friction (5) dont l'abrasion libère des particules lors de chaque freinage et un dispositif de rétention desdites particules caractérisé en ce qu'il comprend : - au moins un canal d'extraction de particules traversant toute l'épaisseur (18) du patin de friction (5) ainsi qu'une partie de l'étrier (3) et débouchant dans une tubulure (12) de rétention, - une tubulure (12) de rétention de particules munie à sa sortie d'un filtre (15) à poussières, ladite tubulure (12) de rétention est alimentée en air frais par une conjonction de l'avancement du véhicule et d'un effet de ventilation provoqué par la rotation de la jante (1) du véhicule et crée en son sein une dépression (16) par la seule variation dimensionnelle d'une section de ladite tubulure (12) de rétention. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canal d'extraction de particules est composé des trois segments suivants : - une percée (9) de capture de particules, traversant toute l'épaisseur (18) du patin de friction (5), plaque support (7) comprise, de telle sorte que lorsque le patin de friction (5) est plaqué contre le disque (2), la percée (9) ne débouche que dans sa partie supérieure, communiquant ainsi avec un conduit intermédiaire (10), - le conduit intermédiaire (10) traversant l'étrier (3) depuis la percée (9) jusqu'à une buse (11), - la buse (11) débouchant dans la tubulure (12) de rétention à un endroit précis où une dépression (16) est créée dans ladite tubulure (12) de rétention de telle sorte que cette dépression (16) aspire les particules contenues dans ledit canal d'extraction de particules. 3) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la percée (9) ayant une profondeur égale à l'épaisseur totale 3034831 9 (18) du patin de friction (5), une longueur (25) légèrement inférieure à la largeur (27) dudit patin de friction (5), une largeur comprise entre 1 millimètre et 1 cm, et positionnée au plus proche d'un bord de fuite (28) dudit patin de friction (5), 5 est réalisée directement dans un matériau de friction lors du moulage dudit matériau de friction ainsi que dans la plaque support (7) lors de la découpe de ladite plaque support (7). 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une 10 portion (32) de semelle de friction postérieure à la percée d'extraction (9), est taillée en biseau (19) de sorte que : - la surface d'adhérence (34) entre ladite portion (32) de semelle et la plaque support (7) est supérieure à la surface de 15 frottement (35) de ladite portion de semelle; - la diminution de l'épaisseur de la semelle de friction sous l'effet de l'usure, est aussi rapide ou plus rapide que l'augmentation simultanée de la surface de frottement entre la 20 portion (32) de semelle et le disque (2). 5) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que, lorsque la largeur du patin de friction (5) est supérieure ou égale à 4 cm, la percée (9) est segmentée dans le sens de la sa longueur 25 afin de créer des pontets (22a et 22b) qui relient la portion (32) de semelle postérieure du patin de friction (5) à un corps principal (31) dudit patin de friction (5). 6) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la 30 tubulure (12) de rétention est dotée d'une bouche d'admission (13) d'air, orientée en biais à la fois vers l'avant du véhicule et vers l'intérieur du passage de roue, ainsi que d'une bouche d'échappement (14) d'air, orientée vers l'extérieur du passage de roue, de sorte qu'un flux d'air dynamique (24), généré par une 35 conjonction de l'avancement du véhicule et d'un effet de ventilation provoqué par la rotation de la jante (1), parcourt la tubulure (12) depuis la bouche d'admission (13) vers la bouche d'échappement (14). 3034831 10 7) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la section de la tubulure (12) varie de façon à créer, dans une portion de ladite section précédant immédiatement la buse (11), un 5 étranglement progressif qui provoque une augmentation de l'énergie cinétique du flux d'air dynamique (24), et qui provoque donc une baisse équivalente de l'énergie élastique du dit flux d'air dynamique (24) de telle sorte qu'une dépression (16) est générée en sortie de cet étranglement progressif et précisément au niveau de 10 la buse (11) du canal d'extraction de particules, de façon à aspirer les particules contenues dans ledit canal d'extraction. 8) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que des ailettes creuses (21), en forme de « V » ouverts vers le filtre 15 (15), sont disposées entre la zone de dépression (16) et le filtre (15) de façon à laisser s'écouler le flux d'air dynamique (24), tout en s'opposant à un reflux d'air dans les sens inverse, depuis la zone précédant ledit filtre (15) vers la zone dé dépression (16). 20 9) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une tubulure (12a) attribuée à un patin de friction (5a) se trouvant d'un côté du disque (2) et une tubulure (12b) attribuée à un patin de friction (5b) se trouvant de l'autre côté dudit disque (2), se 25 réunissent en un seul conduit au niveau du filtre (15) après des zones de dépression (16a et 16b) respectives desdites tubulures (12a et 12b), de telle sorte que le dispositif ne nécessite qu'un seul filtre (15) pour les deux patins de friction (5a et 5b) d'un même disque (2). 30 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tubulure (12) de rétention de particules est moulée, en partie ou en totalité, directement dans l'étrier (2) de frein ou est une pièce réalisée indépendamment, par 35 exemple en injection de polymère, puis rapportée sur ledit étrier (2) de frein.