Brevet FR3031152A1 — publié le 20160701

- 1 - « Procédé de réduction de bruit basse fréquence dans un frein à disque, et garniture ou boîtier d'étrier correspondant » L'invention se rapporte à un frein à disque du type à montage flottant, qui est agencé pour que doigts d'étrier viennent en contact avec le dos de la garniture extérieure par l'intermédiaire d'une surépaisseur présente dans une partie dite basse de la région d'appui située du côté le plus proche de l'axe du disque. Cette surépaisseur est formée par exemple d'une feuille de "shim" partielle. Elle est fixée par exemple sur le dos de la garniture extérieure 3, et/ou sur la surface de contact des doigts d'étrier. L'invention propose ainsi en outre une garniture 3 ainsi réalisée. L'invention se rapporte aussi à un procédé d'industrialisation comprenant une modification d'un frein ou d'une plaquette existante, par exemple à la conception voire en deuxième monte ou en maintenance. 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, 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 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 3031152 - 2 - 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 unilatérale, l'étrier dans son ensemble se déplace en translation 5 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 fonderie, et nécessite une étape ultérieure d'usinage pour réaliser les 10 finitions, en particulier l'intérieur du logement de piston 15 qui doit être étanche à la pression hydraulique amenée par l'orifice 17. 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 roue, appelés doigts d'étrier. L'écart E89 libre 15 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 boîtiers à deux pistons juxtaposés dans la même branche présentent en 20 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 freinage, d'une façon qui est difficile à prévoir et à éviter, parfois même de 25 façons différentes pour un même modèle de frein. Un type de bruit a été identifié, se produisant sur certains freins en particulier à l'avant, présente une basse fréquence de l'ordre de 500Hz. Ce bruit particulier, comparable à un gémissement ou un grognement ou 30 "Moan" en terminologie anglo-saxonne, est appelé "Abnormal Dynamic Noise" (ADN) chez certains constructeurs automobiles. Il a été proposé d'insérer entre la garniture et les doigts d'étrier une feuille ou "shim" recouvrant le dos de la garniture. Une telle feuille est par exemple réalisée par un élastomère d'une épaisseur approximative allant de 3031152 - 3 - 0,8mm à 1,3mm, et incluant une feuille d'acier d'environ 0,4mm. La réduction de bruit n'est cependant pas toujours obtenue de façon fiable et satisfaisante. 5 Un but de l'invention est de permettre de diminuer les bruits de freinage de basse fréquence créés par le mécanisme de frein, et en particulier ce type de bruit. Cet objectif est recherché conjointement avec des avantages en matière de simplicité, coût et fiabilité, de fabrication et d'entretien. 10 Exposé de l'invention Les inventeurs ont étudié de façon approfondie ce type de bruits, et tenté d'analyser ses causes. Pour cela, selon un premier aspect, l'invention propose un frein à 15 disque, notamment du type à montage flottant. Un tel frein comporte un boîtier d'étrier formant deux branches enjambant un secteur du disque de frein pour l'enserrer entre au moins deux garnitures de frottement. Dans ce boîtier, une première branche inclut un logement dans lequel au moins un piston est déplacé en translation pour appliquer un effort de serrage en 20 appuyant sur le dos d'une première garniture de frottement d'un côté du disque, et une deuxième branche présente une partie d'appui en une ou plusieurs parties d'appui venant appuyer en une région d'appui sur le dos d'au moins une deuxième garniture de frottement dite extérieure située sur le côté opposé du disque lorsqu'un effort de serrage est appliqué par le 25 piston. Selon l'invention, ce frein est agencé pour que la partie d'appui du boîtier d'étrier vienne en contact avec le dos de la garniture extérieure par l'intermédiaire d'une surépaisseur présente dans une partie dite basse de la région d'appui située du côté le plus proche de l'axe du disque. 30 Cette notion de surépaisseur s'entend pour la partie basse par rapport à la partie "haute", c'est-à-dire située du côté opposé à l'axe du disque. Elle est définie comme une variation d'épaisseur, de préférence brusque et par exemple par une pente locale à plus de 30°, typiquement entre des surfaces qui sont par ailleurs parallèles entre elles. Il est à noter 3031152 - 4 - que les surfaces du dos de garniture et de la partie d'appui du boîtier d'étrier sont normalement parallèles entre elles et parallèles à la surface de la piste de frottement du disque. Cette surépaisseur est par exemple de la même épaisseur qu'une 5 feuille de "shim" d'un type connu, ou possiblement d'une épaisseur allant par exemple de 0,5mm à 2mm. A titre de comparaison, la planéité des doigts d'étrier est en générale d'environ plus ou moins 0,1mm. Ainsi, contrairement à une feuille de "shim" classique ou "complète", 10 l'effort d'appui entre l'étrier et la garniture extérieure est transmis par une région d'appui plus restreinte, principalement voire exclusivement constituée par la zone de contact entre l'étrier et la surépaisseur ainsi intercalée. Cette région d'appui restreinte est positionnée différemment, et située plus près de l'axe de disque. 15 L'invention permet ainsi de modifier aussi la distribution de la pression de contact de la garniture extérieure sur le disque, et ainsi la cinématique de cette même garniture lors du freinage. Elle permet de positionner les centre de poussées de l'étrier, par exemple de ses doigts, bien en dessous du barycentre de la garniture c'est- 20 à-dire plus près de l'axe de disque. Elle permet aussi de maintenir ces centres de poussées proches de la ligne d'effort, c'est-à-dire de la direction des efforts transmis entre la garniture et l'étrier ou sa chape de support, et ce quelle que soit la pression de freinage. 25 De façon surprenante, il s'avère que ces changements de distribution et de cinématique permettent d'obtenir des résultats intéressant dans la suppression de ce type de bruit. En outre, ces différentes modifications et avantages de comportement sont obtenus au prix d'opérations réduites, simples et peu 30 couteuses, utilisant des matériaux connus. Celles-ci peuvent être aisément mises en oeuvre à la conception sur un frein d'un modèle existant avec peu ou pas de modifications substantielles, voire même en maintenance sur un frein existant lors d'un changement de garniture ou simplement par adjonction sur une garniture existante. 3031152 -5 Typiquement, un tel frein est du type où la deuxième branche du boîtier d'étrier présente une partie d'appui formant au moins deux doigts d'étrier séparés s'étendant en direction de l'axe de la roue et qui laissent 5 entre eux au moins un espace libre traversé par l'axe du logement de piston, réalisant ainsi une région d'appui en plusieurs zones discontinues recevant chacune l'appui d'un desdits doigts d'étrier. Il est proposé ici des caractéristiques formant d'autres aspects de 10 l'invention, possiblement conformes au premier aspect mais prévus chacun pour être aussi mis en oeuvre de façon indépendante du premier aspect. Selon ces autres aspects : la surépaisseur est déterminée pour que la partie basse de la région d'appui soit entièrement située plus près de l'axe du disque que le 15 barycentre géométrique de la région de frottement de la garniture extérieure sur le disque. la hauteur de la surépaisseur représente moins de 40% de la hauteur de la région de frottement de la garniture extérieure sur le disque. la position et la hauteur de la surépaisseur sont déterminées pour que 20 son barycentre géométrique soit situé plus près de l'axe du disque que la direction de l'effort tangentiel transmis entre la garniture et l'étrier ou la chape qui le maintien en rotation, sous l'effet des forces de frottement lors du freinage, ou au même niveau que ladite direction d'effort tangentiel. 25 Selon une particularité de l'invention, la surépaisseur est réalisée par une couche d'un matériau compressible ou composite incluant matériau compressible appliquée entre la partie d'appui du boîtier d'étrier et le dos de la garniture extérieure. 30 Il peut s'agir par exemple d'une feuille simple ou composite du type de celles connues et utilisées pour réaliser une couche de "shim" dans l'état de la technique. 3031152 - 6 - Dans certains modes de réalisation, la surépaisseur est formée par ou appliquée sur la surface de contact de la partie d'appui du boîtier d'étrier. Elle est formée par exemple par la forme même de la surface d'appui des doigts, par exemple dans le moule de fonderie ou par usinage ultérieur. 5 Alternativement ou en combinaison, elle est aussi réalisée par application d'une couche d'un matériau, par exemple compressible et/ou d'une feuille de "shim". Dans d'autres modes de réalisation, pouvant être combinés avec les 10 précédents, l'invention propose une garniture de frein à disque comprenant une épaisseur uniforme de matériau d'usure fixée sur une plaque métallique formant un dos de garniture. Selon l'invention, cette garniture comprend une surépaisseur partielle appliquée sur la partie de son dos destinée à être située du côté de l'axe du disque de façon à former la surépaisseur d'un 15 frein tel qu'exposé ici. Cette surépaisseur est par exemple une couche de matériau compressible, et/ou une feuille par exemple du type de celui utilisé pour réaliser une languette de "shim" couvrant la totalité de la garniture. 20 Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de fabrication d'une garniture de frein à disque, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'application sur une plaque métallique formant le dos de ladite garniture d'une couche d'un matériau formant une surépaisseur partielle disposée pour réaliser une garniture telle qu'exposée ici. 25 Selon encore un autre aspect, l'invention propose en outre un procédé d'industrialisation d'une garniture de frein à disque ou d'un frein à disque tels qu'exposés ici. Ce procédé comprend une ou plusieurs itérations des étapes suivantes : 30 mesure ou analyse vibratoire, matérielle ou par simulation numérique, d'un frein à disque pour identifier ou caractériser un bruit de freinage de basse fréquence, notamment inférieur à 1000Hz et par exemple entre 300 et 800Hz et plus particulièrement autour de 500Hz ; 3031152 - 7 - détermination ou choix d'au moins une surépaisseur partielle à appliquer entre la garniture extérieure et la partie d'appui extérieur du boîtier d'étrier pour réaliser un frein tel qu'exposé ici présentant une diminution dudit bruit de freinage ; 5 fabrication d'une garniture ou d'un frein tels qu'exposés ici comprenant ladite surépaisseur partielle. Optionnellement, ces étapes sont répétées de façon incrémentale jusqu'à obtenir une amélioration suffisante sur le bruit que l'on vise à réduire ou supprimer. 10 Plus particulièrement, la détermination ou le choix de la surépaisseur partielle comprend un choix de l'épaisseur et du ou des matériaux utilisés pour réaliser ladite surépaisseur partielle. Des modes de réalisation variés de l'invention sont prévus, intégrant 15 selon l'ensemble de leurs combinaisons possibles les différentes caractéristiques optionnelles exposées ici. Liste des figures D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la 20 description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels : la FIGURE 1 est une vue en perspective à l'échelle qui illustre un boîtier d'étrier à montage flottant classique, pouvant être utilisé pour réaliser un frein selon l'invention ; 25 la FIGURE 2 est une vue de face à l'échelle qui illustre le dos d'une garniture munie d'une surépaisseur partielle selon l'invention. la FIGURE 3 est une vue en perspective à l'échelle qui illustre un frein selon l'invention dans un exemple mode de réalisation utilisant la garniture de la FIGURE 2 comme garniture extérieure. 30 Description en référence aux figures Exemple de mode de réalisation à garniture modifiée La FIGURE 2 illustre le dos d'une garniture 3 munie d'une surépaisseur partielle 32 recouvrant la partie "basse" de son dos 31, c'est- 3031152 - 8 - à-dire la partie située du côté de l'axe de disque Al. A titre d'exemple, cette garniture est montrée en position de fonctionnement dans un frein à étrier 10 flottant monté sur une chape 21 fixe. Comme on le voit en traits blancs en FIGURE 2, la forme des doigts 5 18, 19 d'étrier délimite sur le dos 31 deux régions d'appui 38, 39 sur tout la hauteur H de la garniture. Le barycentre géométrique CDG de la surface de frottement serait celui de la force de frottement en l'absence de la surépaisseur 32. Du fait de cette surépaisseur en partie basse de la garniture, 10 l'intersection de cette partie basse avec le profil 38, 39 des doigts délimite une région d'appui restreinte ou "basse" 328, 329 représentée par les deux contours en traits pointillés, avec un barycentre géométrique C32 situé plus près de l'axe de disque Al. La surface de contact de cette région d'appui restreinte 328, 329 est 15 ici réduite d'environ 70% par rapport à la région d'appui initiale 38, 39, c'est-à-dire qu'elle vaut environ 30% de la surface de cette dernière. Comme on le voit sur la figure, la direction D32 des efforts transmis entre la garniture et l'étrier 10 ou sa chape 21, qui est tangentielle par rapport à l'axe de disque Al, passe ainsi au-dessus du barycentre C32 de 20 cette région d'appui restreinte. A titre indicatif, des essais ont donné une réduction voire une suppression de ce type de bruit à 500Hz avec une hauteur H32 de la surépaisseur 32 valant 17mm, au lieu d'une hauteur H de la région d'appui initiale 38, 39 valant 48mm. 25 Autres modes de réalisation Bien que non visible sur les figures, il est aussi prévu des modes de réalisation avec une surépaisseur partielle fixée sur les doigts d'étrier 18, 19, en remplacement ou en plus de celle 32 fixée ici sur la garniture 3. 30 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. 3031152 - 9 - Nomenclature 1 boîtier d'étrier à doigts indépendants 12 alésages et pattes de fixation du boîtier B1, B2 première et deuxième branches du boîtier 5 15 logement de piston 17 entrée hydraulique 18, 19 doigts d'étrier indépendants E89 écart entre les doigts d'étrier 2 frein avec surépaisseur 10 21 chape de support de l'étrier 3 garniture extérieure 31 dos de la garniture extérieure 32 surépaisseur de partie basse du frein/de la garniture extérieure 328, 329 parties basses de la région d'appui 15 38, 39 zones discontinues de la région d'appui correspondant aux doigts d'étrier Al axe du disque CDG barycentre de la région de frottement de la garniture extérieure C32 barycentre de la surépaisseur 20 F32 effort tangentiel de freinage H3 hauteur de frottement de la garniture extérieure H32 hauteur de la surépaisseur 25 REVENDICATIONS1. Frein à disque (2) du type comportant un boîtier d'étrier (2) formant deux branches enjambant un secteur du disque de frein pour l'enserrer 5 entre au moins deux garnitures de frottement, dans lequel une première branche (B1) inclut un logement (15) dans lequel au moins 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 une 10 partie d'appui en une ou plusieurs parties d'appui (18, 19) venant appuyer en une région d'appui (38, 39) sur le dos d'au moins une deuxième garniture de frottement dite extérieure (3) située sur le côté opposé du disque lorsqu'un effort de serrage est appliqué par le piston, caractérisé en ce que qu'il est agencé pour que la partie d'appui (18, 15 19) du boîtier d'étrier (10) vienne en contact avec le dos (31) de la garniture extérieure (3) par l'intermédiaire d'une surépaisseur (32) présente dans une partie dite basse (328, 329) de la région d'appui située du côté le plus proche de l'axe (A1) du disque. 20 2. Frein selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la deuxième branche du boîtier d'étrier présente une partie d'appui formant au moins deux doigts d'étrier (18, 19) séparés s'étendant en direction de l'axe de la roue et qui laissent entre eux au moins un espace libre (E89) traversé par l'axe (A5) du logement de piston (15), réalisant ainsi une région d'appui 25 en plusieurs zones (38, 39) discontinues recevant chacune l'appui d'un desdits doigts d'étrier (18, 19). 3. Frein selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surépaisseur est déterminée pour que la partie 30 basse (328, 329) de la région d'appui soit entièrement située plus près de l'axe du disque (A1) que le barycentre géométrique (CDG) de la région de frottement de la garniture extérieure sur le disque. 4. Frein selon l'une quelconque des revendications précédentes, 3031152 - 11 - caractérisé en ce que la hauteur (H32) de la surépaisseur (32) représente moins de 40% de la hauteur de la région de frottement (H3) de la garniture extérieure (3) sur le disque. 5. Frein selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la position et la hauteur de la surépaisseur (32) sont déterminées pour que son barycentre géométrique (C32) soit situé plus près de l'axe du disque (A1) que la direction de l'effort tangentiel (F32) transmis entre la garniture (3) et l'étrier (10) ou la ()chape (21) qui le maintien en rotation, sous l'effet des forces de frottement lors du freinage, ou au même niveau que ladite direction d'effort tangentiel. 6. Frein selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surépaisseur (32) est réalisée par une couche d'un matériau compressible ou composite incluant matériau compressible appliquée entre la partie d'appui du boîtier d'étrier et le dos de la garniture extérieure. 7. Frein selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surépaisseur (32) est formée par ou appliquée sur la surface de contact de la partie d'appui (18, 19) du boîtier d'étrier (10). 8. Garniture (3) de frein à disque comprenant une épaisseur uniforme de matériau d'usure fixée sur une plaque métallique formant un dos de garniture (31), caractérisé en ce qu'elle comprend une surépaisseur (32) partielle appliquée sur la partie de son dos destinée à être située du côté de l'axe du disque (A1) de façon à former la surépaisseur d'un frein (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Procédé de fabrication d'une garniture (3) de frein à disque, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'application sur une plaque métallique formant le dos (31) de ladite garniture d'une couche d'un matériau formant une surépaisseur (32) partielle disposée pour réaliser une garniture selon la revendication 8. 3031152 - 12 - 10. Procédé d'industrialisation d'une garniture de frein à disque (2) selon la revendication 8 ou d'un frein à disque selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant une ou plusieurs itérations des étapes 5 suivantes : mesure ou analyse vibratoire, matérielle ou par simulation numérique, d'un frein à disque pour identifier ou caractériser un bruit de freinage de basse fréquence, notamment inférieur à 1000Hz et par exemple entre 300 et 800Hz ; 10 détermination ou choix d'au moins une surépaisseur partielle (32) à appliquer entre la garniture extérieure (3) et la partie d'appui (18, 19) extérieur du boîtier d'étrier (10) pour réaliser un frein (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 présentant une diminution dudit bruit de freinage ; 15 fabrication d'une garniture (3) selon la revendication 8 ou d'un frein (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 comprenant ladite surépaisseur partielle. 11. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la 20 détermination ou le choix de la surépaisseur partielle (32) comprend un choix de l'épaisseur et du ou des matériaux utilisés pour réaliser ladite surépaisseur partielle.