Brevet FR3057040A1 — publié le 20180406

Plaquette de frein et ensemble de frein à captation de particules Domaine Technique La présente invention est relative aux systèmes de freinage non polluants, destinés notamment à être utilisés sur des véhicules routiers ou ferroviaires. L'invention concerne en particulier des systèmes de freinage aptes à capter par aspiration des particules et poussières, résultant de l'abrasion, émises par le freinage à friction. Il est connu que ces particules dispersées dans le milieu ambiant sont nocives pour la santé des individus. La progression des motorisations électriques pour les véhicules automobiles ont renforcé le besoin de traiter les particules et poussières résultant de l'abrasion des systèmes de freinage à friction. Art Antérieur Le document W02014072234 divulgue un dispositif simple et autonome, basé sur le principe d'une aspiration au plus 20 près de l'interface plaquette / disque. Il s'avère toutefois que le taux de captation n'est pas optimum, car ce dernier dépend des conditions aérologiques et notamment du vent relatif qui règne aux abords immédiats de la plaquette de frein. 25 Il est donc apparu un besoin d'améliorer les solutions pour bien capter les particules et poussières résultant du freinage en vue de supprimer tout ou partie des inconvénients susmentionnés. Résumé de l'invention 30 A cet effet, selon la présente invention, il est proposé une plaquette de frein dans un frein à disque d'axe A, la plaquette comprenant une semelle, et une garniture en matériau de friction, la garniture étant délimitée par une face de friction, 35 une face de fixation, un bord intérieur, un bord extérieur, un bord avant, un bord arrière, la garniture étant pourvue d'une rainure de collecte 3057040 2 ouverte sur la face de friction et agencée à proximité du bord avant, la semelle comprenant un trou en communication fluide avec la rainure de collecte, ce trou étant relié à une source 5 de dépression via des moyens de communication, caractérisée en ce que la rainure de collecte débouche sur l'un des bords choisi parmi les bords intérieur et extérieur. Grâce à ces dispositions, il est possible d'augmenter le 10 taux de captation des particules dans diverses conditions aérologiques autour de l'ensemble de frein. En effet, plus précisément, on note que les particules sont captées avant qu'elles ne sortent de l'interface entre la plaquette et le disque. 15 Par un procédé d'aspiration simple et sans soufflage, le système peut capter l'essentiel des particules qui s'échappent de la garniture. En outre, la présence de de cette rainure ne diminue pas substantiellement l'efficacité de freinage pour une surface 20 disponible totale de contact de friction donnée. En outre, les performances de refroidissement de la plaquette et des pièces environnantes ne sont pas gênées par la présence d'une pièce additionnelle au voisinage de la plaquette comme connu dans l'art antérieur. 25 Dans divers modes de réalisation de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - la rainure de collecte peut être creusée directement dans 30 le matériau de friction, jusqu'à la surface de la semelle. On peut former cette rainure par une opération d'usinage très courante ; - la rainure de collecte peut être formée directement dans le matériau de friction pendant l'opération de frittage, avec un 35 fond de rainure qui coïncide avec la surface de la semelle; 3057040 3 on utilise un insert de moulage pour obtenir la cavité de la rainure de façon précise en même temps que l'on forme la garniture elle-même ; - La semelle est de préférence en matériau métallique, formée 5 comme une plaque pleine d'épaisseur constante avec un ou deux trous dont l'un sera utilisé comme passage pour l'aspiration des particules arrachées à la garniture ; - Avantageusement, la surface S3 occupée par la rainure, est inférieure à 5 % de la surface totale disponible S20 sur la 10 face de friction, et de manière encore plus préférée inférieure à 4 % ; On obtient une efficacité de freinage optimisée pour la surface disponible, tout en collectant les particules. - la rainure de collecte s'étend généralement radialement par 15 rapport à l'axe A, entre une extrémité débouchante et une extrémité borgne, le trou de la semelle débouchant dans la rainure à proximité de l'extrémité borgne. Ainsi, le parcours pneumatique/aéraulique est optimisé. - Selon une option, la rainure de collecte est unique et continue, et la rainure de collecte est de largeur constante et est substantiellement parallèle au bord avant de la garniture ; les inventeurs ont découvert que cette position était optimale pour maximiser la collecte des particules et conserver une bonne efficacité de freinage ; - Selon une option, la largeur de la rainure de collecte peut être comprise entre 1,5 mm et 4 mm, de préférence voisin de 2,5 mm ; ce qui est optimum pour les véhicules automobiles légers ou moyens ; - Selon une option, la largeur de la rainure de collecte peut 30 aller de 2,5 mm jusqu'à 6 mm ; ce qui est un optimum pour les poids lourds ou autobus ou encore matériel ferroviaire ; Selon un autre aspect, l'invention vise un ensemble de frein comportant un disque de frein, un étrier de frein, deux plaquettes telles que définies précédemment et un dispositif 35 d'aspiration relié pneumatiquement aux rainures des 3057040 4 plaquettes par les moyens de communication. - Selon une option, les moyens de communication comprennent au moins un tuyau souple ; Ainsi, le tuyau souple peut suivre la plaquette dans ses déplacements notamment au fur et à 5 mesure de l'usure de la garniture ; et cela facilite le montage lors du remplacement des plaquettes ; - Selon une option, une extrémité du tuyau souple est emmanchée dans un trou de semelle; ainsi, le tuyau et la plaquette peuvent être accouplés sélectivement notamment lors 10 de l'opération de remplacement des plaquettes ; - Selon une option, les moyens de communication sont formés au travers d'un passage interne ménagé dans le corps de l'étrier ; ceci forme une solution astucieuse dans le cas où le corps de l'étrier est massif ; 15 - Selon une option, le dispositif d'aspiration est agencé à proximité de l'étrier de frein, avec les moyens de communication reliant les trous de semelle au dispositif d'aspiration ; ainsi la captation et le stockage sont réalisés localement à proximité de la collecte des 20 particules. - Selon une autre option, le dispositif d'aspiration peut être agencé à distance et servir de ressource commune à plusieurs organes de freinage, - les moyens d'entrainement du dispositif d'aspiration 25 peuvent être à commande électrique et peuvent comprendre un moteur électrique commandé par une unité de commande ; on peut ainsi piloter les phases d'aspiration selon une logique prédéfinie, notamment en fonction des différentes phases de freinage. Brève description des dessins D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de 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 : - les figures 1 et 2 sont des vues générales, 3057040 5 respectivement de profil et en perspective, d'une plaquette de frein selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une vue de face de la plaquette de frein des figures 1 et 2, 5 - la figure 4 est une vue de face d'une plaquette de frein selon un second mode de réalisation, - la figure 5 illustre en vue de face le rapport des aires et des surfaces, - la figure 6 est une vue d'un organe de freinage vu 10 depuis l'axe, le support d'étrier n'étant pas représenté, - la figure 7 est une vue en coupe de la plaquette prise le long de la rainure de collecte, - la figure 8 illustre en perspective un organe de freinage, avec son support d'étrier, son étrier, et le 15 disque, - la figure 9 illustre le raccordement d'un tuyau de collecte dans le trou de la semelle de plaquette, - les figures 10 et 11 sont des vues de face de variantes d'ensembles de frein, 20 - la figure 12 illustre schématiquement un exemple de système complet équipant un véhicule automobile. Description détaillée de l'invention Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. Il faut 25 noter que les dessins ne sont pas nécessairement à l'échelle, certaines dimensions ont été exagérées pour la clarté de l'exposé, notamment certains jeux ou distances de garde. La présente invention concerne une configuration de frein à disque. Une telle configuration de frein à disque est très 30 courante dans les automobiles, les véhicules utilitaires, les véhicules poids lourds, les 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 35 distinct de celle-ci. Comme il est bien connu, deux 3057040 6 plaquettes de frein 10, telles que celles illustrées aux figures 1 à 4 sont disposées de part et d'autre du disque, en vis-à-vis des faces latérales du disque. On vient exercer sélectivement, selon une commande de freinage, une pression 5 tendant à rapprocher les plaquettes de l'une de l'autre et à presser contre les faces du disque, autrement dit les plaquettes prennent le disque en sandwich. Les particules émises par les systèmes de freinage sont de plus en plus nombreuses en raison de l'augmentation de la 10 circulation des véhicules notamment dans les zones urbaines. Des études médicales confirment la nocivité de ces particules pour le système respiratoire des individus et pour la santé en général. Il apparaît donc important de réduire fortement l'émission de ces particules dans le milieu ambiant, ce à 15 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 électrique récupératif ou à courants de Foucault, il s'avère que l'on ne peut pas se passer des systèmes de freinage à 20 friction, car ils sont efficaces à toutes les vitesses, et ils permettent de maintenir le véhicule à l'arrêt, et fournissent une solution adéquate et efficace en cas de besoin de freinage de secours. S'agissant d'un freinage à friction, celui-ci est donc 25 basé sur un rotor 9 (ici un disque) tournant autour d'une axe de roue A sur lequel deux patins agissent par friction pour diminuer sa vitesse en transformant l'énergie cinétique en chaleur. L'organe de freinage 19 comprend outre les deux patins, un étrier 5 muni d'un piston 55 et un support 30 d'étrier 6. La rotation autour de l'axe A permet de définir une direction tangentielle (ou circonférentielle) T et une direction radiale R (localement orthogonale à l'axe A et à la direction tangentielle T). 3057040 7 On définit aussi un sens de rotation normal FW qui correspond à la marche avant. Pour le cas d'un véhicule routier, généralement 99 % des particules de freinage sont émises lorsque le véhicule freine en se déplaçant vers 5 l'avant. En effet, en marche arrière, on freine très peu. Comme illustré aux figures 1 à 4, une plaquette de frein comprend une semelle 1, aussi appelé parfois embase métallique. La semelle est de préférence réalisée en matériau métallique ; elle est formée comme une plaque pleine 10 d'épaisseur constante (entre 3 et 5 mm typiquement). Sa forme générale faciale est rectangulaire, avec toutefois une courbure qui suit la courbure de la face latérale du disque sur laquelle les plaquettes vont venir exercer leur effort. La semelle 1 comprend une face externe 14 destinée à 15 venir en appui sur l'étrier et/ou sur le piston 55 d'axe A2 et une face interne 13 sur laquelle est fixée la garniture. La plaquette de frein comprend également un corps d'appui aussi appelé « garniture » 2 comprenant du matériau de friction, ce matériau parfois communément appelé « ferodo ». 20 La garniture 2 est susceptible de relâcher des particules 28 résultant de l'abrasion dûe à la friction. La garniture 2 est délimitée par une face de friction 26 (face 'frottante'), une face de fixation 20 opposée à la face de friction et solidairement fixée sur la semelle, un bord 25 intérieur 23 (côté axe A), un bord extérieur 24 (du côté opposé à l'axe A), un bord avant 21 et un bord arrière 22. Le bord avant 21 est situé dans un repère circonférentiel du côté où le disque sort de l'interface avec la plaquette (coté FW). 30 La face frottante est repérée 26, elle se rapproche progressivement de la semelle au fur et à mesure de l'usure de la garniture 2 en direction de la semelle 1. Sur la figure 1 est représenté en pointillé le volume de la garniture à l'état neuf et en trait plein le volume après une certaine 3057040 8 usure. L'épaisseur de la garniture diminue par conséquent au fil du temps. La garniture est pourvue d'une rainure de collecte 3 ouverte sur la face de friction 26 et agencée à proximité du 5 bord avant 21. La profondeur de la rainure 3 correspond à toute la hauteur de la garniture, c'est-à-dire que le fond de la rainure coïncide avec la surface interne 13 de la semelle. Avantageusement selon la présente invention, on créée un flux d'air FA dans cette rainure de collecte 3, ce flux d'air 10 étant généré par aspiration provenant d'une source de dépression. Il a été constaté un compromis optimal entre la puissance d'aspiration et le flux d'air engendré lorsque la rainure de collecte débouche sur l'un des bords choisi parmi les bords 15 intérieur et extérieur ; autrement dit, la rainure 3 débouche sur une seule des bordures latérales. Par exemple sur les figures 1 à 3, la rainure 3 débouche sur le bord intérieur dans une embouchure repérée 33. Inversement sur la variante représentée à la figure 4, la 20 rainure débouche sur le bord extérieur dans une embouchure repérée 34. À l'opposé de l'embouchure sur un des bords extérieur ou intérieur, la rainure 3 se termine par une extrémité borgne repérée 31, non débouchante sur le bord. 25 Selon un autre mode de réalisation non représenté aux figures, la rainure de collecte peut déboucher à la fois sur le bord intérieur 23 et sur le bord extérieur 24. Selon des aspects préférés, la rainure de collecte est unique et continue, la rainure de collecte est de largeur 30 constante et est substantiellement parallèle au bord avant 21. Toutefois, il n'est pas exclu que la garniture comporte d'autres rainures à des fins d'évacuation de l'eau. Pour des plaquettes de type véhicule automobile, on pourra choisir la largeur E de la rainure de collecte 3057040 9 comprise entre 1,5 mm et 4 mm, de préférence voisin de 2,5 mm. Pour des plaquettes de type véhicule poids lourds, autobus, train, tramway, métro, on pourra choisir une 5 largeur E de la rainure de collecte qui peut aller de 2,5 mm jusqu'à 6 mm. Avantageusement, la largeur de rainure peut être choisie de façon substantiellement proportionnelle à la surface totale de la garniture. La rainure de collecte 3 peut être formée simultanément à 10 la formation de la garniture ou bien postérieurement. Dans l'exemple illustré, la semelle 1 comprend deux tenons ou oreilles 11,12 qui servent au maintien et au guidage de la plaquette de frein. Chaque tenon est reçu par complémentarité de forme dans un logement du support d'étrier 15 6. On obtient ainsi une immobilisation selon les directions tangentielle T et radiale R et le logement autorise un mouvement du tenon selon la direction axiale A. La semelle comprend un trou 17 qui est utilisé comme 20 passage pour l'aspiration des particules arrachées à la garniture. En effet, le trou 17 de la semelle débouche dans la rainure à proximité de l'extrémité borgne 31, ce qui rend encore plus optimum le flux d'air pour collecter les particules. 25 Toutefois, de façon générale on note que le trou 17 dans la semelle est positionné de sorte qu'il se retrouve en communication fluide avec la rainure de collecte, pas nécessairement à proximité de l'extrémité borgne 31. Par souci de symétrie, il peut être prévu que la semelle 30 comprenne deux trous, dont un seul sera en vis-à-vis de la rainure. Dans ce cas, on a une seule référence de semelle même si il y a deux références distinctes de plaquettes (voir plus loin). Le trou 17 peut avoir un diamètre légèrement supérieur à 3057040 10 la largeur générale de la rainure ; toutefois, la rainure peut présenter une largeur plus importante à l'endroit du trou 17. Comme illustré aux figures, et en commun aux différents 5 variantes possibles de réalisation, le disque est d'épaisseur constante solidaire de la roue à freiner (ou des roues de l'essieu à freiner) ; les deux patins 10A, 10B (aussi appelés 'plaquettes de frein') sont destinés à venir en appui sur le disque pour le freiner grâce à l'action de l'étrier de frein 10 5. Le disque comprend un moyeu, une première face latérale annulaire, du côté du piston de l'étrier, notée 9A perpendiculaire à l'axe A, et une deuxième face annulaire du côté de la jante de la roue, notée 9B parallèle à la première 15 face latérale ; les bords radialement extérieurs des faces latérales sont reliées par une bordure appelée tranche de disque 93. L'étrier de frein 5 est attaché par un montage au support d'étrier 6. Dans l'exemple illustré, ce montage est 20 de type flottant selon A2, par exemple à tiges 56 (aussi appelées 'colonnettes'), bien connu et donc non détaillé. Le support d'étrier 6 comprend une chape destinée à être fixée à un bras de suspension ou à un porte-fusée, et des 25 pontets en forme de U à cheval sur le disque : plus précisément un premier pontet 61 du côté avant, un deuxième pontet 62 du côté arrière, et un arc de liaison 63 qui relie les pontets à l'opposé de la chape. Pour le cas d'un véhicule routier, la chape est agencée 30 du côté intérieur du véhicule par rapport au disque 9, et l'arc de liaison est agencé du côté extérieur du véhicule par rapport au disque 9. La chape est fixée au bras de suspension ou au porte-fusée selon les cas. Les patins 10A,10B sont montés mobiles selon A par 3057040 11 rapport au support d'étrier 6 mais ils sont substantiellement immobilisés dans la direction circonférentielle T et dans la direction radiale R aux tenons 11,12 et complémentarités de formes déjà mentionnées. 5 La plaquette coté piston, c'est-à-dire opposée à la jante de roue, est repérée 10A, on parle aussi de « plaquette intérieure », elle est en appui sur la première face 9A du disque. La plaquette opposée repérée 10B, dite « extérieure », est du côté de la jante de roue, c'est-à-dire 10 du côté opposé au piston de l'étrier, elle est en appui sur la seconde face 9B du disque. Dans l'exemple illustré, la plaquette intérieure 10A et la plaquette extérieure 10B sont différentes du fait de la configuration différente de leurs garnitures, mais il n'est 15 pas exclu que pour des raisons de standardisation, on forme deux rainures symétriques par rapport au plan médian de la plaquette PS. Dans d'autres configurations, il y d'autres raisons qui nécessitent que la plaquette intérieure soit différente de la 20 plaquette extérieure. Les deux plaquettes sont sollicitées sélectivement l'un en direction de l'autre pour prendre le disque 9 en sandwich sous l'effet du piston 55, en produisant ainsi un effort PF dirigé selon A2 parallèlement à la direction axiale de roue 25 A. L'étrier présente une forme générale en U à cheval sur le disque et comprend un corps 50 et des doigts 51,52 agencés à l'opposé du piston 55. S'agissant des aires et surfaces nécessaires à 30 l'efficacité du freinage, en référence à la figure 5, on remarque que la surface 53 occupée par la rainure, est très petite par rapport la surface totale disponible 520 sur la face de friction. On définit le ratio K = S3/S20. 3057040 12 On peut avoir avantageusement le ratio K REVENDICATIONS1. Plaquette de frein dans un frein à disque d'axe A, la plaquette comprenant une semelle (1) et une garniture en 5 matériau de friction, la garniture étant délimitée par une face de friction (26), une face de fixation (20), un bord intérieur (23), un bord extérieur (24), un bord avant (21), un bord arrière (22), la garniture étant pourvue d'une rainure de collecte (3) 10 ouverte sur la face de friction (26) et agencée à proximité du bord avant (21), la semelle comprenant un trou (17) en communication fluide avec la rainure de collecte, ce trou étant relié à une source de dépression via des moyens de communication (4), 15 caractérisée en ce que la rainure de collecte débouche sur l'un des bords choisi parmi les bords intérieur et extérieur. 2. Plaquette de frein selon la revendication 1, dans laquelle la rainure de collecte est creusée directement dans le 20 matériau de friction, jusqu'à la surface de la semelle. 3. Plaquette de frein selon la revendication 1, dans laquelle la rainure de collecte est formée directement dans le matériau de friction pendant l'opération de frittage, avec un 25 fond de rainure qui coïncide avec la surface de la semelle. 4. Plaquette de frein selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle la surface S3 occupée par la rainure, est inférieure à 5 % de la surface totale disponible S20 sur la 30 face de friction. 5. Plaquette de frein selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle la rainure de collecte s'étend généralement radialement par rapport à l'axe A, entre une extrémité 3057040 16 débouchante (33) et une extrémité borgne (31), le trou (17) de la semelle débouchant dans la rainure à proximité de l'extrémité borgne. 6. Plaquette de frein selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle la rainure de collecte est unique et continue, et la rainure de collecte est de largeur constante et est substantiellement parallèle au bord avant de la garniture. 7. Ensemble de frein comportant un disque de frein (9), un étrier de frein (5), deux plaquettes (10A,10B) selon l'une des revendications 1-8, et un dispositif d'aspiration (8) reliés pneumatiquement aux rainures des plaquettes par les moyens de communication (4). 8. Ensemble de frein selon la revendication 7, dans lequel les moyens de communication (7) comprennent au moins un tuyau souple (40). 9. Ensemble de frein selon la revendication 8, dans lequel une extrémité du tuyau souple est emmanchée dans un trou (17) de semelle. 10. Ensemble de frein selon la revendication 7, dans lequel 25 les moyens de communication sont formés au travers d'un passage (57) interne ménagé dans le corps (50) de l'étrier (5) .