Brevet FR3031153A1 — publié le 20160701

- 1 - « Procédé de réduction de bruit dans un boîtier d'étrier de frein à disque, et boîtier d'étrier correspondant » L'invention se rapporte à un boîtier d'étrier de frein à disque pour montage flottant, ainsi qu'à un frein ou un véhicule incluant un tel boîtier, et un procédé de fabrication d'un tel boîtier ou frein. Selon l'invention, ce boîtier d'étrier comprend au moins un élément raidisseur 21 formé par une pièce rapportée qui est fixée de façon solidaire sur chacun des doigts, de façon à présenter dans leur ensemble une rigidité et possiblement un amortissement déterminés pour modifier le comportement vibratoire dudit boîtier d'étrier 1, de façon suffisante pour supprimer ou modifier au moins un mode de résonance excité lors du freinage. L'invention propose en outre un procédé d'industrialisation d'un tel boîtier d'étrier, qui comprend : analyse vibratoire d'un boîtier d'étrier à doigts séparés et non reliés, pour identifier au moins un mode de résonance vibratoire, détermination ou choix d'au moins un élément raidisseur 21 à fixer sur ledit boîtier pour présenter ainsi une suppression ou une modification dudit mode de résonance vibratoire, notamment par déplacement de fréquence ou en phase entre deux parties données ou en position ou amplitude de la déformation. Etat de la technique Les freins à disque sont un type de frein très utilisé dans les véhicules routiers, et notamment à quatre roues, en particulier les automobiles et les véhicules utilitaires légers. Dans un frein à disque, un étrier enjambe un secteur du disque et maintient en ses deux jambes ou branches une paire de garnitures de frottement ou plaquettes, une de chaque côté du disque. Ces garnitures sont serrées contre le disque par l'action d'un ou plusieurs pistons de frein, actionnés en général par une pression hydraulique. L'étrier est solidaire en rotation du véhicule, par exemple du porte-fusée formant le moyeu de la roue. Ce serrage crée ainsi un frottement entre les garnitures et le disque, 3031153 - 2 - qui dissipe sous forme de chaleur l'énergie cinétique de la roue et réalise le freinage. Dans un type de montage très répandu, appelé montage « flottant », dont un exemple de boîtier 1 est illustré en FIGURE 1, seule l'une B1 des 5 branches de l'étrier contient un piston de frein qui appuie sur l'une des garnitures, et l'autre branche B2 reçoit directement l'appui de l'autre plaquette appelée extérieure. L'appui du piston sur l'une des garnitures diminue ainsi l'écart disponible entre les deux branches de l'étrier, en agissant d'un seul côté du disque. Pour compenser cette diminution 10 unilatérale, l'étrier dans son ensemble se déplace en translation parallèlement à la direction A5 de déplacement du piston, par exemple par des alésages 12 qui coulissent sur des colonnettes solidaires du train roulant. La fabrication d'un tel boîtier d'étrier est le plus souvent réalisée en 15 fonderie, et nécessite une étape ultérieure d'usinage pour réaliser les finitions, en particulier l'intérieur du logement de piston 15 qui doit être étanche à la pression hydraulique. Pour laisser le passage à l'outil d'usinage qui va usiner l'intérieur de ce logement, la branche opposée est réalisée sous la forme de deux parties allongées 8, 9 s'étendant vers l'axe de la 20 roue, appelés doigts d'étrier. L'écart E89 libre entre ces doigts est situé juste en face de l'axe A5 du logement de piston, et permet ainsi le passage de l'outil d'usinage. Les boîtiers comprenant un seul piston présentent en général deux doigts laissant entre eux un espace vide en face du logement de piston. Les 25 boîtiers à deux pistons juxtaposés dans la même branche présentent en général trois doigts laissant entre eux deux espaces vides situés chacun en face de l'un des logements de piston. De façon générale, un problème récurrent dans les systèmes de freinage est l'apparition de bruits dans le mécanisme au moment du 30 freinage, en général de haute à moyenne fréquence, d'une façon qui est difficile à prévoir et à éviter, parfois même de façons différentes pour un même modèle de frein. 3031153 - 3 - Un but de l'invention est de permettre de diminuer les bruits de freinage créés par le mécanisme de frein et qui sont audibles et/ou gênants pour l'oreille humaine. Cet objectif est recherché conjointement avec des avantages en 5 matière de simplicité, coût et fiabilité, de fabrication et d'entretien. Exposé de l'invention Les inventeurs ont étudié de façon approfondie les types de bruits se produisant, et tenté d'analyse leurs causes. 10 Un bruit fréquemment émis par ce type de frein à disque est une sorte de grincement ou crissement appelé « squeal » en terminologie anglo-saxonne. Il se situe dans une plage de fréquence allant de 1kHz à 15 ou 16kHz se produisant à basse pression de freinage, par exemple entre 5bars et 30bars. 15 Les inventeurs ont déterminé qu'il est souvent le produit complexe d'une déformation vibratoire des doigts d'étriers à certains modes de résonance. Cette vibration des doigts excite la garniture extérieure, qui elle-même transmet sa vibration au disque qui l'amplifie. L'ensemble formé par les doigts avec la garniture et le disque crée un système vibratoire 20 complexe qui est susceptible de produire plusieurs de résonance ou modes propres. Pour atteindre tout ou partie de ces objectifs, l'invention propose un boîtier d'étrier de frein à disque, notamment pour montage flottant. Ce type de boîtier d'étrier forme deux branches enjambant un secteur 25 d'un disque de frein pour l'enserrer entre au moins deux garnitures de frottement, de façon monopièce ou possiblement en deux pièces assemblées entre elles et formant chacune l'une des branches. Dans ce type de boîtier, une première branche inclut un logement dans lequel un piston est déplacé en translation pour appliquer un effort de serrage en appuyant 30 sur le dos d'une première garniture de frottement d'un côté du disque, et une deuxième branche présente au moins deux doigts séparés, au sens où ils ne sont pas reliés par une continuité de leur matériau. Ces doigts s'étendant vers l'axe du disque et viennent appuyer sur le dos d'au moins 3031153 - 4 - une deuxième garniture de frottement, située sur le côté opposé du disque, lorsqu'un effort de serrage est appliqué par le piston. Selon l'invention, ce boîtier d'étrier comprend en outre au moins un élément raidisseur formé par une pièce rapportée qui est fixée de façon 5 solidaire par des moyens de fixation sur chacun desdits doigts en une partie de fixation déterminée de façon à ce que lesdites parties de fixation soient séparées entre elles par au moins une partie de l'espace séparant les doigts l'un de l'autre, par exemple des parties de fixation situées éloignées de la base des doigts de plus de la moitié de leur longueur dépassante, voire à 10 leurs extrémités. En outre, ledit au moins un élément raidisseur et ses moyens de fixation présentent dans leur ensemble une rigidité déterminée pour modifier le comportement vibratoire dudit boîtier d'étrier de façon suffisante pour supprimer ou modifier au moins un mode de résonance excité lors du freinage. 15 De façon surprenante, un tel raidisseur solidaire des doigts apporte une modification qui peut être substantielle dans le comportement en vibration des doigts mais aussi dans leur interaction avec la garniture extérieure. Un tel raidisseur intégré dans l'ensemble vibratoire apporte une 20 certaine raideur supplémentaire entre les doigts. Même lorsque sa masse est trop faible pour influer sur le comportement, il a été noté que la nature même de sa fixation sur les doigts apportait un facteur d'amortissement qui influait de façon surprenante sur le comportement de l'ensemble. Selon les caractéristiques de ce raidisseur et de ses fixations, on 25 obtient ainsi une modification des modes propres du boîtier et en particulier de ses doigts. Cette modification porte en particulier sur un ou plusieurs des aspects suivants : - modification de la déformée, qui se produit par exemple dans une autre partie ou dans un sens inversé en phase, 30 décalage de la fréquence propre ("shift" » en Anglais), suppression de certains modes propres. L'invention apporte aussi les avantages suivants : 3031153 - 5 - un meilleur amortissement pour l'ensemble de l'assemblage du frein à disque, en particulier par le raidissement combiné avec le mode de fixation vissé - une amplitude réduite de vibration des différents doigts 5 - un plus grand alignement des centres de pression en relation avec les doigts L'invention permet ainsi d'améliorer la situation sur le plan des bruits du mécanisme de freinage, en particulier lorsque la génération de "squeal" est liée à un mode propre couplant les doigts d'étrier et la garniture 10 extérieure. L'invention propose en outre un frein à disque comprenant un boîtier d'étrier tel qu'exposé ici, ainsi qu'un véhicule ou sous-ensemble de véhicule comprenant au moins un tel boîtier d'étrier. 15 Selon un autre aspect, l'invention propose en outre un tel procédé de fabrication d'un boîtier d'étrier, comprenant les étapes suivantes : fourniture d'un boîtier d'étrier présentant au moins deux doigts séparés (et non reliés entre eux), et fixation d'au moins un élément raidisseur entre lesdits doigts. 20 Par exemple, les doigts sont usinés localement pour y préparer une surface d'appui par exemple un méplat ou un embrèvement, et un mécanisme de fixation par exemple un alésage débouchant pour le passage d'un boulon ou un trou taraudé pour l'implantation d'une vis de serrage. 25 Selon encore un autre aspect, l'invention propose en outre un procédé d'industrialisation d'un boîtier d'étrier tel qu'exposé ici, qui comprend les étapes suivantes : analyse vibratoire, matérielle ou par simulation numérique, d'un boîtier d'étrier à au moins deux doigts séparés et non reliés pour identifier au 30 moins un mode de résonance vibratoire, détermination ou choix d'au moins un élément raidisseur à fixer sur ledit boîtier d'étrier pour obtenir un tel boîtier d'étrier présentant ainsi une suppression ou une modification dudit mode de résonance vibratoire, notamment en fréquence (apportant un déplacement en fréquence du 3031153 - 6 - mode vibratoire) ou en phase (apportant par exemple une synchronisation ou désynchronisation des doigts entre eux) ou amplitude (apportant par exemple une diminution de l'amplitude de déformation pour un mode subsistant ou un déplacement de cette déformation dans 5 une autre partie du boîtier). Optionnellement, ces étapes sont répétées de façon incrémentale jusqu'à obtenir une amélioration suffisante sur un ou plusieurs bruits que l'on vise à réduire ou supprimer. 10 Selon plusieurs particularités combinables entre elles à volonté, l'invention propose différents modes de contrôle des modifications vibratoires apportées par l'adjonction d'un tel raidisseur. Un tel contrôle est effectué en particulier par le choix des dimensions du raidisseur, par exemple en largeur et épaisseur, et/ou par le choix du 15 nombre de raidisseurs montés sur plusieurs doigts, par exemple plusieurs juxtaposés ou superposés. Selon l'un de ces modes de contrôle, la détermination ou le choix de l'élément raidisseur comprend un choix de matériau de constitution dudit élément raidisseur. 20 Ainsi, l'élément raidisseur peut être réalisé en différents matériaux en fonction du résultat visé, par exemple sous la forme d'une barrette allongée ou d'une plaque plus ou moins large, et par exemple : un matériau métallique, par exemple de l'acier. un matériau plastique 25 un matériau composite, par exemple des fibres au sein d'une matrice plastique ou élastomère un matériau sandwich ou feuilleté à base de différentes épaisseurs de matériaux différents, une pluralité de plaques indépendantes entre elles sur tout ou partie de leur longueur, possiblement en matériaux différents 30 et par exemple des matériaux cités plus haut Selon un autre de ces modes de contrôle, la détermination ou le choix de l'élément raidisseur comprend un choix d'au moins un traitement de modification du matériau à appliquer audit élément raidisseur. 3031153 - 7 - Un même matériau se voit alors appliquer un ou plusieurs traitements par exemple physicochimiques, par exemple une trempe ou une nitruration ou un écrouissage mécanique. Selon encore un autre de ces modes de contrôle, la détermination ou 5 le choix de l'élément raidisseur comprend un choix d'au moins un type de moyen de fixation dudit élément raidisseur sur les doigts d'étrier. Le choix des modes de fixation porte sur différents facteurs, et entre autres le matériau des éléments de la fixation et/ou le traitement de ce matériau. 10 Ce choix porte aussi sur l'architecture des éléments de fixation. Par exemple les moyens de fixation de l'élément raidisseur sont ainsi réalisés par au moins un boulon traversant et enserrant ensemble une extrémité dudit élément raidisseur avec la partie de fixation du doigt qui lui correspond. 15 Alternativement, ces fixations sont réalisées par rivetage, de préférence par rivets en acier. Optionnellement, le raidisseur peut être fixé de façon différente sur les différents doigts. Tous les moyens de fixation connus de l'homme du métier pour la 20 solidarisation de tels éléments sont envisagés, par une vis dans un trou fileté, et/ou une adjonction de différents éléments intercalaires tels que des rondelles en différents matériaux plus ou moins souples. Lorsque l'étrier comporte plus de deux doigts, par exemple trois, un 25 raidisseur est monté sur deux doigts ou plus, par exemple sur les trois doigts. Différentes variantes sont prévues selon les différentes combinaisons possibles, par exemple un même raidisseur sur trois doigts fixé à chaque doigt, ou seulement à deux d'entre eux, ou deux raidisseurs différents 30 montés chacun devant l'un des espaces libres entre deux doigts. Des modes de réalisation variés de l'invention sont prévus, intégrant selon l'ensemble de leurs combinaisons possibles les différentes caractéristiques optionnelles exposées ici. 3031153 _8 Liste des figures D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et des 5 dessins annexés sur lesquels : la FIGURE 1 est une vue en perspective à l'échelle qui illustre un boîtier d'étrier à montage flottant selon l'art antérieur, pouvant être utilisé pour réaliser un boîtier selon l'invention ; la FIGURE 2 est une vue en perspective à l'échelle qui illustre un 10 boîtier d'étrier à montage flottant dans un exemple de mode de réalisation de l'invention ; les FIGURE 3a à c sont des représentations graphiques maillées de simulation numérique représentant par des variations de couleurs les déformations d'un modèle numérique de boîtier d'étrier à doigts 15 indépendants tel que celui de la FIGURE 1, pour trois fréquences différentes ; les FIGURE 4a à c sont des représentations graphiques maillées de simulation numérique représentant par des variations de couleurs les déformations d'un modèle numérique du même boîtier d'étrier après 20 fixation d'un raidisseur selon l'invention comme illustré en FIGURE 2. Description d'un exemple de mode de réalisation La FIGURE 2 illustre un exemple de mode de réalisation de l'invention portant sur un boîtier d'étrier 2 à montage flottant et un seul logement de 25 piston. Cet exemple peut être obtenu à partir d'un boîtier 1 tel qu'illustré en FIGURE 1, et les éléments inchangés portent les mêmes références. Dans cet exemple de mode de réalisation, les doigts 28, 29 du boîtier 2 sont reliés par un raidisseur 21 formés par une barrette plate en arc de cercle sensiblement concentrique au disque de frein. Ce raidisseur est ici 30 inséré dans des embrèvements ménagés à la surface des doigts, et y est fixé par des boulons 218 et 219. Les FIGURE 3a à c représentent les déformations d'un modèle numérique de boîtier d'étrier à doigts indépendants tel que celui de la 3031153 - 9 - FIGURE 1, pour trois fréquences différentes produisant les modes propres de plus forte amplitude. Sur ces graphiques, les déformations sont illustrées de façon amplifiées dans leur géométrie. En outre, les parties peu déformées sont 5 représentées en bleu à l'origine sur le graphique, et les déformations les plus importantes sont représentées à l'origine en jaune et culminant en rouge sur le graphique, et sont ici entourées par une ellipse en pointillés. En FIGURE 3a, à 3973Hz, en plus de l'une des pattes portant les alésages de fixation 12, on voit que l'un 18 des doigts et un seul présente 10 une déformation et présente donc un mode propre de forte amplitude pour cette fréquence. En FIGURE 3b, à 4030Hz, en plus d'un mode propre de moyenne amplitude pour le côté du logement de piston 15 et l'une des pattes de fixation, on voit que les deux doigts 18, 19 ont tous deux un mode propre 15 de forte amplitude pour l'un 19 et de moyenne amplitude pour l'autre 18, et se déforment en opposition de phase l'un par rapport à l'autre. En FIGURE 3c, à 4986Hz, les deux pattes de fixation 12 présentent un mode propre de forte amplitude en synchronisation de phase, et les deux doigts 18, 19 présentent tous deux un mode propre de forte amplitude en 20 synchronisation de phase. En comparaison, les FIGURE 4a à c représentent les déformations d'un modèle numérique de boîtier d'étrier à doigts indépendants tel que celui de la FIGURE 2, pour trois fréquences différentes produisant les modes propres de plus forte amplitude. 25 En FIGURE 4a, à 3790Hz, le logement de piston présente deux régions déformées et les deux doigts 28, 29 présentent des modes propres de forte amplitude en opposition de phase. En FIGURE 4b, à 3997Hz, seul le raidisseur 21 présente un mode propre significatif, ici d'amplitude moyenne à forte. 30 En FIGURE 4c, à 4198Hz, seuls le raidisseur 21 présente un mode propre significatif, ici d'amplitude moyenne à forte, et les pattes de fixation 12 présentent un mode propre d'amplitude faible. 3031153 - 10 - Ainsi, on constate que l'adjonction du raidisseur a permis de déplacer les modes propres principaux de façon significative dans leurs fréquences, globalement dans le sens de la baisse. En outre, on constate aussi que leur amplitude a nettement diminué, 5 puisque seul l'un des trois modes propres du boîtier 2 selon l'invention, celui de la FIGURE 4a, présente encore une amplitude comparable à celles des trois modes principaux du boîtier 1. De plus, certains modes ont été déplacés dans leur localisation, ceux des FIGURE 4b et c, puisque c'est le raidisseur 21 qui déforme et non plus 10 les parties fonctionnelles du boîtier. Ainsi, on constate que l'adjonction du raidisseur 21 a bien permis de modifier et atténuer les modes propres du boîtier et en particulier des doigts, et ainsi est susceptible fournir un moyen de contrôle permettant de réduire les bruits de freinage se produisant effectivement à l'utilisation. 15 Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. 20 Nomenclature 1 boîtier d'étrier à doigts indépendants 12 alésages et pattes de fixation du boîtier B1, B2 première et deuxième branches du boîtier 15 logement de piston 25 17 entrée hydraulique 18, 19 doigts d'étrier indépendants E89 écart entre les doigts d'étrier 2 boîtier avec raidisseur 21 raidisseur 30 28, 29 doigts d'étrier avec raidisseur 218, 219 éléments de fixation du raidisseur REVENDICATIONS1. Boîtier d'étrier (2) de frein à disque à disque, formant deux branches enjambant un secteur d'un disque de frein pour l'enserrer entre au moins deux garnitures de frottement, dans lequel une première branche (B1) inclut un logement (15) dans lequel un piston est déplacé en translation pour appliquer un effort de serrage en appuyant sur le dos d'une première garniture de frottement d'un côté du disque, et une deuxième branche (B2) présente au moins deux doigts (28, 29) séparés s'étendant vers l'axe du disque et qui viennent appuyer sur le dos d'au moins une deuxième garniture de frottement située sur le côté opposé du disque lorsqu'un effort de serrage est appliqué par le piston, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un élément raidisseur (21) formé par une pièce rapportée qui est fixée de façon solidaire par des moyens de fixation (218, 219) sur chacun desdits doigts en une partie de fixation déterminée de façon à ce que lesdites parties de fixation soient séparées entre elles par au moins une partie de l'espace (E89) séparant les doigts l'un de l'autre, et en ce que ledit au moins un élément raidisseur (21) et ses moyens de fixation (218, 219) sont d'une rigidité déterminée pour modifier le comportement vibratoire dudit boîtier d'étrier (1) de façon suffisante pour supprimer ou modifier au moins un mode de résonance excité lors du freinage. 2. Boîtier d'étrier selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'élément raidisseur (21) est réalisé en un matériau métallique. 3. Boitier d'étrier selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de fixation (218, 219) de l'élément raidisseur (21) sont réalisés par au moins un boulon traversant et enserrant ensemble une extrémité dudit élément raidisseur avec la partie de fixation du doigt (28, 29) qui lui correspond. 3031153 - 12 - 4. Frein à disque comprenant un boîtier d'étrier (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes 5 5. Véhicule ou sous-ensemble de véhicule comprenant au moins un boîtier d'étrier (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 ou au moins un frein selon la revendication 4. 6. Procédé de fabrication d'un boîtier d'étrier (2) selon l'une quelconque 10 des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : fourniture d'un boîtier d'étrier présentant au moins deux doigts (28, 29) séparés, et fixation d'au moins un élément raidisseur (21) entre lesdits doigts. 15 7. Procédé d'industrialisation d'un boîtier d'étrier selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 ou d'un frein selon la revendication 4, comprenant les étapes suivantes : analyse vibratoire, matérielle ou par simulation numérique, d'un boîtier 20 d'étrier initial (1) à au moins deux doigts (18, 19) séparés et non reliés pour identifier au moins un mode de résonance vibratoire, détermination ou choix d'au moins un élément raidisseur (21) à fixer sur ledit boîtier d'étrier initial (1) pour obtenir un boîtier d'étrier modifié (2) présentant une suppression ou une modification dudit mode de 25 résonance vibratoire, notamment en fréquence ou en phase ou amplitude. 8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la détermination ou le choix de l'élément raidisseur (21) comprend un choix de 30 matériau de constitution dudit élément raidisseur. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 8 caractérisé en ce que la détermination ou le choix de l'élément raidisseur (21) 3031153 - 13 - comprend un choix d'au moins un traitement de modification du matériau à appliquer audit élément raidisseur. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9 caractérisé 5 en ce que la détermination ou le choix de l'élément raidisseur (21) comprend un choix d'au moins un type de moyen de fixation (218, 219) dudit élément raidisseur sur les doigts d'étrier.