Brevet FR3034518A1 — publié le 20161007

PROCEDE D'ESSAI DE DISQUES DE FREIN COMPRENANT UN CHAUFFAGE PAR INDUCTION AVEC REFROIDISSEMENT DU MOYEU La présente invention concerne un procédé d'essai de disques de frein pour véhicule automobile, ainsi qu'une machine d'essai prévue pour mettre en oeuvre un tel procédé. Les véhicules automobiles comportent généralement un système de freinage comprenant une pédale de frein agissant sur un maître-cylindre, pour transmettre par des circuits hydrauliques une pression du fluide vers des freins qui agissent sur chaque roue du véhicule. En particulier il est connu d'utiliser des freins à disques comportant une partie centrale généralement en forme de bol, qui constitue un moyeu de fixation lié en rotation à la roue, et une partie disque périphérique présentant deux surfaces parallèles de frottement, recevant l'appui des patins de frein maintenus dans un étrier qui exerce la pression hydraulique pour serrer ce disque. Les disques de freins peuvent être soumis à des contraintes thermomécaniques intenses lors d'une succession de freinages prononcés, par exemple pour un véhicule chargé descendant une route de montagne présentant un fort dénivelé et une suite de virages obligeant à des freinages répétés On peut avoir une série de freinages qui provoquent des échauffements successifs de la partie disque par frottement des patins. On a en parallèle un refroidissement permanent de cette partie principalement par convection avec l'air ambiant, et par conduction thermique par le moyeu fixé sur le porte- moyeu de la suspension du véhicule, qui reçoit une partie de la chaleur. On obtient alors si les freinages sont importants et rapprochés, une montée en température de la partie disque en forme de créneaux, cette partie pouvant atteindre des températures supérieures à 500°C. Quand ce 30 type de montée en température se reproduit régulièrement, on obtient une forte sollicitation en fatigue thermomécanique de la zone centrale du disque 3034518 2 formant le bol du disque, qui peut finir par présenter des microfissures pouvant entraîner une rupture et un accident. De plus la température du disque de frein n'est pas homogène, la partie centrale ne montant pas en température comme la partie des pistes de 5 freinage, ce qui peut générer des contraintes supplémentaires dans le bol du disque. Pour tous les concepts de disque, notamment entièrement en fonte ou bi-matière, la liaison entre ces deux parties subit des contraintes thermomécaniques élevées. Pour valider la conception de nouveaux disques de frein, il existe une 10 norme réglementaire européenne « R90» qui impose des cycles d'essais. De plus chaque constructeur automobile utilise aussi généralement ses propres normes internes. Pour ce type d'essais on utilise habituellement un banc réalisant des freinages successifs du disque avec les patins de frottement, suivis de 15 refroidissement rapides, qui reproduisent des conditions intenses de fonctionnement des disques de frein en les mettant à une température élevée. Toutefois un cycle thermique couramment utilisé nécessitant une durée de 1500 secondes, on obtient assez vite une occupation très élevée des 20 bancs d'essai si l'on veut réaliser des essais en fatigue longs représentatifs de la durée de vie totale d'un disque de frein, qui peuvent dépasser 10 000 cycles. De plus le coût de ces essais devient élevé. On est obligé alors de limiter ce type d'essai, ce qui peut empêcher d'observer des modes de ruine particuliers du disque de frein après un 25 vieillissement important. Actuellement, pour limiter les coûts et réduire la durée des essais, on applique des méthodes de contrainte - résistance qui augmente la sollicitation pour réduire le nombre de cycles. Mais ce type de démarche conduit parfois à atténuer ou omettre des phénomènes métallurgiques apparaissant uniquement sur les cycles de fatigue réels, avec des durées d'essai importantes. 30345 1 8 3 Par ailleurs un type de machine d'essai connu, en particulier pour des disques de frein, présenté notamment par le document JP-A-04164233, comporte un entraînement en rotation de la pièce, et des moyens réalisant successivement sur cette pièce un chauffage puis un refroidissement par air 5 ou par eau, afin de reproduire des créneaux de montée en température. Toutefois ce type de machine ne permet pas de maintenir la différence de température qui existe sur un disque de frein entre sa partie disque et son moyeu central. Ces essais peuvent ne pas mettre en évidence certains types de défaillance. 10 La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure. Elle propose à cet effet un procédé d'essai de disques de frein, comportant des cycles thermiques de chauffage et de refroidissement du disque de frein, remarquable en ce qu'il réalise des cycles comprenant 15 successivement le chauffage par induction de la partie disque présentant les pistes de freinage, et le refroidissement de cette partie par un jet d'eau, et qu'en parallèle de ces cycles il refroidit en permanence le moyeu du disque par une circulation d'eau dans un élément en contact avec ce moyeu. Un avantage de ce procédé d'essai est que le chauffage par induction 20 suivi du refroidissement par un jet d'eau reproduisent des cycles de contraintes thermomécaniques similaires à ceux provoqués par les freinages sur le véhicule, avec un temps de cycle très court permis par les capacités importantes de chauffe par l'induction et de refroidissement avec le jet d'eau. De plus le refroidissement efficace du moyeu par le contact avec la 25 circulation d'eau, reproduit des conditions proches de la réalité pour cette température du moyeu qui ne monte jamais fortement en température, ce qui peut mettre en évidence certaines défaillances causées par cet écart de température. Le circuit d'eau permet d'évacuer les calories transmises à la partie 30 centrale du disque de frein, et de maintenir une température constante de cette partie même après 100 000 cycles. 3034518 4 Le procédé d'essai de disques de frein selon l'invention, ainsi qu'une machine d'essai mettant en oeuvre un tel procédé, peuvent de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. 5 Avantageusement, pendant les cycles thermiques le procédé effectue un entraînement en rotation permanent du disque de frein. Avantageusement, le procédé effectue un cycle thermique comprenant une montée en température de la partie disque à plus de 500°C en environ 70 secondes, puis une redescente de cette température en quelques 10 secondes. L'invention a aussi pour objet une machine d'essai de disques de frein prévue pour mettre en oeuvre un procédé d'essai présentant l'une quelconque des caractéristiques précédentes, comportant un support présentant une surface recevant l'appui au moins partiel du moyeu du disque 15 pour le refroidir par ce contact. Avantageusement, le support comporte des canaux internes recevant la circulation d'eau de refroidissement. En particulier la machine peut comporter deux éléments superposés, les canaux internes étant creusés en partie dans chaque plan de joint reliant 20 ces deux éléments. Avantageusement, la machine d'essai comporte une motorisation entraînant en rotation le support. En particulier, l'axe de rotation du support peut être disposé verticalement ou horizontalement. 25 Avantageusement, la machine d'essai comporte un joint tournant hydraulique assurant l'alimentation en eau de refroidissement du support. Avantageusement, la machine d'essai comporte un inducteur électrique couvrant un secteur angulaire de la partie disque formant angulairement moins du quart de cette partie. 30 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 : 3034 5 18 5 - la figure 1 présente un cycle thermique réalisé actuellement suivant les normes en vigueur ; - la figure 2 présente un cycle thermique réalisé avec le procédé selon l'invention ; 5 - la figure 3 présente un disque de frein ; - la figure 4 présente une demie vue d'un disque de frein monté sur une machine mettant en oeuvre un procédé selon l'invention ; et - les figures 5 et 6 présentent les canaux de circulation d'eau de cette machine, respectivement sur un élément supérieur et un élément inférieur 10 formant le support du disque de frein. La figure 1 présente en fonction du temps exprimé en secondes, l'élévation de température 2 de la partie de frottement d'un disque de frein pour un cycle thermique réalisé suivant la norme réglementaire de validation. Le cycle thermique commençant au temps tO, comporte une succession 15 de trois freinages intensifs pendant environ 100 secondes qui élèvent la température de la partie de frottement à plus de 500°C, puis au temps t1 un refroidissement à l'air de ce disque restant en rotation, qui retourne sensiblement à la température ambiante aux temps t2 égal à 1500 secondes. Pour réaliser un essai complet comprenant par exemple 150 cycles 20 thermiques, il faut alors utiliser un banc d'essai pendant près de 72 heures. Pour un fonctionnement de ce banc d'essai pendant le poste de travail d'un unique opérateur, il faut alors 9 jours ouvrés. En particulier dans le cas de nouvelles technologies de disques de frein composites, présentant une partie disque et un moyeu réalisés en deux 25 matières différentes pour optimiser l'utilisation de chaque matière, réduire la masse et les coûts, avec une liaison particulière reliant ces deux parties, on peut chercher à effectuer des validations en endurance représentatives des conditions réelles dans le véhicule. Il faut alors effectuer un nombre important de cycles thermiques pour 30 essayer d'obtenir des modes de défaillance relatifs à cette endurance. 3034 5 18 6 La figure 2 présente en fonction du temps exprimé en minute, l'élévation de température 10 de la partie disque d'un disque de frein pour un cycle thermique réalisé avec le procédé suivant l'invention. Le chauffage très rapide à partir du temps tO permis par la technologie 5 sans contact à induction, pouvant transmettre une forte puissance thermique de manière localisée sur la partie disque, avec des impulsions rapprochées donnant une succession de créneaux rapides, apporte une montée en température dépassant 500°C en un temps d'environ me minute. On a ensuite au temps t1 un refroidissement très rapide du disque de 10 frein par un jet d'eau suffisamment intense dirigé sur la partie disque, qui donne un retour sensiblement à la température ambiante en environ 10 secondes, se terminant au temps t2. La durée totale du cycle thermique est alors de 70 secondes. En parallèle de ce cycle thermique sur la partie disque on a un 15 refroidissement constant par une circulation d'eau, du moyeu du disque pour éviter son élévation de température par contact avec la partie disque, en le maintenant à une température proche de la température ambiante. On constate que pendant ces cycles courts on obtient sur le disque de frein des contraintes thermomécaniques dues aux écarts de température 20 dans ce disque, qui sont similaires à celles que peuvent donner une succession de cycles lents reprenant le cycle présenté figure 1. En particulier les calculs montrent que les contraintes appliquées par le couple de freinage sur le disque venant du frottement des patins, sont négligeables par rapport aux contraintes thermomécaniques venant du 25 gradient de température dans le disque de frein. L'échauffement venant alors uniquement du chauffage par induction sans contact, à la place de la dissipation de calories par le frottement des patins, remplace avantageusement ce frottement qui génère une faible puissance, et nécessite des contraintes lourdes de maintenance du banc d'essai par 30 l'usure des patins et du disque. La figure 3 présente un disque de frein 18 comprenant la partie disque avec les pistes de freinage 20, et le moyeu présentant une partie plane 3034518 7 recevant les perçages de fixation 24, entourée par une forme bol 38 sensiblement cylindrique de décalage axial, fixée à cette partie disque par une liaison 26. Les figures 4, 5 et 6 présentent une machine d'essai comprenant un 5 support circulaire 28 comportant deux éléments 30, 50 superposés, recevant un disque de frein 18 posé à plat dessus, présentant la partie disque 20 comprenant les pistes de freinage disposée en hauteur par rapport au moyeu 22, cette partie étant reliée par la liaison 26 à ce moyeu formé par une tôle emboutie. On notera que le moyeu peut être formé avec d'autres 10 technologies que l'emboutissage. Le support 28 est monté sur une motorisation 70, qui l'entraîne en rotation ainsi que le disque de frein 18 suivant son axe vertical. La partie centrale plane du moyeu 22 présentant des perçages 24 prévus pour recevoir les vis de fixation de la roue du véhicule, est posée et 15 vissée par ces perçages sur un bossage axial 32 dépassant au-dessus de l'élément supérieur du support 30. Les deux éléments 30, 50 du support constituent deux plateaux circulaires superposés, reliés entre eux par un plan de joint horizontale comprenant sur chaque élément un rebord extérieur 34 comportant une série 20 de perçages 36, recevant des vis de fixation permettant de serrer ces éléments l'un sur l'autre avec une étanchéité. Le bossage axial 32 comporte deux passages d'eau verticaux 40, 46, qui sont reliés aux extrémités d'un canal couvrant sensiblement toute la surface des deux éléments 30, 50, creusé pour moitié dans chaque plan de 25 joint de ces éléments. Le canal est formé d'abord en partant du perçage d'alimentation 40, par un perçage radial 42 qui part vers l'extérieur, puis par une succession de serpentins circulaires 44 qui se rapprochent progressivement du centre, pour finir par le perçage de refoulement 46. L'alimentation en eau 62 à partir de l'extérieur ainsi que son 30 refoulement 64 passe par un joint tournant d'axe vertical 60 fixé au-dessus du bossage axial 32 de l'élément supérieur 30, afin de permettre la rotation 3034518 8 du support 28 tout en maintenant une alimentation en eau permanente permettant de le laisser à la température ambiante. Le contact et le serrage de la partie plane centrale du moyeu 22 avec la face supérieure du bossage axial 32 refroidi en permanence, permet un 5 maintien d'une température basse de ce moyeu, inférieure à 150°C, quand la partie disque 20 dépasse 600°C. La machine d'essai comporte un inducteur 66 alimenté par un courant électrique, comprenant deux plaques disposées en vis-à-vis de part et d'autre de la partie disque 20, couvrant angulairement moins du quart de 10 cette partie, permettant un chauffage très rapide des pistes de frottement qui est uniforme sur la circonférence grâce à la rotation du disque 18. On notera que la rotation du disque évite la conception d'un inducteur qui devrait alors couvrir l'ensemble de la circonférence de ce disque dans le cas où il ne tournerait pas, compliqué et cher, et comportant des risques de 15 mauvaise répartition de la température sur la circonférence. Un dispositif d'aspersion d'eau 68 comporte deux plaques encadrant la partie disque 20, présentant chacune des perçages reliés à des tuyaux d'alimentation en eau froide, afin d'effectuer une projection simultanée sur les deux faces de ce disque en rotation qui réalise un refroidissement 20 uniforme. On obtient avec une telle machine à la fois une montée en température uniforme et très rapide des pistes de freinage de la partie disque 20, qui peut atteindre 600°C, avec une durée du cycle thermique d'environ 70 secondes, et un maintien à une température basse du moyeu 22. 25 Cette installation permet en particulier de réaliser de manière simple et économique un très grand nombre de cycles, notamment supérieur à 10 000, en testant les contraintes thermomécaniques sur des disques de frein composites, notamment au niveau de la liaison 26 avec le moyeu 22. REVENDICATIONS1. Procédé d'essai de disques de frein, comportant des cycles thermiques de chauffage et de refroidissement du disque de frein (18), caractérisé en ce qu'il réalise des cycles comprenant successivement le chauffage par induction de la partie disque (20) présentant les pistes de freinage, et le refroidissement de cette partie par un jet d'eau, et qu'en parallèle de ces cycles il refroidit en permanence le moyeu du disque (22) par une circulation d'eau dans un élément en contact avec ce moyeu. 2 - Procédé d'essai de disques de frein selon la revendication 1, caractérisé en ce que pendant les cycles thermiques il effectue un entraînement permanent en rotation du disque de frein (18). 3 - Procédé d'essai de disques de frein selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il effectue un cycle thermique comprenant une montée en température de la partie disque (20) en environ 70 secondes, puis une redescente de cette température en quelques secondes. 4 - Machine d'essai de disques de frein prévue pour mettre en oeuvre un procédé d'essai selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un support (28) présentant une surface recevant l'appui au moins partiel du moyeu du disque (22) pour le refroidir par ce contact. 5 - Machine d'essai de disques de frein selon la revendication 4, caractérisée en ce que le support (28) comporte des canaux internes (42, 44) recevant la circulation d'eau de refroidissement. 6 - Machine d'essai de disques de frein selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte deux éléments (30, 50) superposés, les canaux internes (42, 44) étant creusés en partie dans chaque plan de joint reliant ces deux éléments. 7 - Machine d'essai de disques de frein selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte une motorisation (70) entraînant en rotation le support (28). 3034518 10 8 - Machine d'essai de disques de frein selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'axe de rotation du support (28) est disposé verticalement ou horizontalement. 9 - Machine d'essai de disques de frein selon la revendication 7 ou 8, 5 caractérisée en ce qu'elle comporte un joint tournant hydraulique (60) assurant l'alimentation en eau de refroidissement du support (28). 10 - Machine d'essai de disques de frein selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte un inducteur électrique (66) couvrant un secteur angulaire de la partie disque (20) 10 formant angulairement moins du quart de cette partie.