Brevet FR3124563A1 — publié le 20221230

L’invention concerne une garniture de friction à sec monocouche pour dispositif d’embrayage pour véhicule automobile, comprenant : un matériau réactif à base d’une résine thermodurcissable, de caoutchouc et de charges lubrifiantes, selon un pourcentage en poids compris entre 45 et 55% par rapport au poids total de la garniture, un matériau de base fibreux comprenant des fibres de verre, des fibres organiques et des fibres métalliques. ladite garniture présentant un ratio massique entre les fibres organiques et les fibres de verre compris entre 0,05 et 0,25, de préférence entre 0,1 et 0,2, les fibres métalliques sont des fibres de cuivre présentes selon un pourcentage en poids compris entre 1 et 10%, de préférence entre 5 et 10% en poids par rapport au poids total de la garniture. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Garniture de friction à sec monocouche La présente invention concerne une garniture de friction à sec monocouche pour dispositif d’embrayage pour véhicule automobile. La garniture de friction selon l’invention peut ainsi notamment être mise en œuvre dans les transmissions à sec telles qu’un double embrayage à sec, embrayage pour transmission manuelle ou boite robotisée (AMT). Un embrayage de véhicule automobile fonctionnant à sec comprend, d’une manière générale, un disque de friction portant sur chacune de ses faces des garnitures de friction fixées à un support éventuellement commun. Le support est fixé à un moyeu cannelé en prise avec un arbre d’entrée d’une boîte de vitesses. Un amortisseur de torsion est, en général, intercalé entre le ou les supports des garnitures de friction et le moyeu cannelé. En outre, un dispositif de progressivité est classiquement placé entre les deux garnitures de friction. Le disque de friction est, en service, placé entre, d’une part, un plateau de réaction relié directement ou indirectement au vilebrequin du moteur du véhicule et, d’autre part, un plateau de pression d’un mécanisme d’embrayage comportant un couvercle relié au plateau de réaction et un diaphragme annulaire, sollicitant axialement le plateau de pression qui est relié en rotation au couvercle tout en pouvant se déplacer axialement par rapport à celui-ci de manière limitée. En position embrayée, les garnitures du disque de friction sont serrées entre le plateau de réaction et le plateau de pression, de sorte que le couple de rotation du moteur thermique est transmis à l’arbre d’entrée de boîte de vitesses. Une garniture de friction doit permettre de transmettre un couple du moteur vers la boîte de vitesses et réciproquement. Pour ce faire, la garniture doit avoir une bonne résistance mécanique sous différentes contraintes, radiales, axiales, circonférentielles, avec ou sans cisaillement des matériaux sous charge et avec ou sans contraintes thermiques et une bonne résistance thermique, c’est-à-dire résister mécaniquement après un endommagement thermique, ne pas perdre sa capacité à frotter (pas de patinage) à haute température. En outre, une garniture de friction doit présenter un coefficient de frottement relativement élevé et homogène sur la surface de la garniture de friction pour transmettre un couple moteur vers la boîte de vitesses. Une garniture de friction doit aussi avoir une bonne résistance à l’usure, c’est-à-dire que son coefficient de frottement doit également rester sensiblement constant sur la longueur de la durée de vie de l’embrayage (tout du moins après une étape initiale de rodage). L’épaisseur de la garniture de frottement ne doit pas varier de manière trop importante non plus durant la durée de vie de l’embrayage. En outre, les matériaux de friction étant des matériaux composites, ils vont s’user lors des cycles de passage de vitesse à l’interface des contre-matériau en fonte. Pour les matériaux ne contenant pas d’amiante, il est connu un effet abrasif des fibres de verre sur la fonte. Cette agressivité peut conduire à des phénomènes vibratoires rendant les engagements désagréables. Cela est particulièrement important pour les garnitures de friction de double embrayage à sec qui requièrent donc des matériaux de friction avec un niveau de confort élevé compte tenu du pilotage automatique de la boite de vitesses. Ce niveau de confort doit être stable dans le temps, c’est-à-dire dans toute la durée d’utilisation des matériaux dans l’embrayage. Dans les doubles embrayages, une sécurité thermique existe, pilotée par le logiciel de pilotage de la boite de vitesses, les matériaux de friction doivent donc avoir une stabilité thermique à des températures plus élevées. Il est connu de l’art antérieur d’utiliser dans une garniture de friction un mélange de fibres de verre, de fibres organiques et de fibres de cuivre. Le document EP0183335 divulgue par exemple une telle composition. Il a été cependant constaté que de telles formulations ne permettent pas d’obtenir une garniture de friction présentant une tenue mécanique satisfaisante. L'invention vise à proposer une garniture de friction permettant de résoudre les problèmes précités. A cet effet, l'invention a pour objet une garniture de friction à sec monocouche pour dispositif d’embrayage pour véhicule automobile, comprenant : 45 à 55% en poids par rapport au poids total de la garniture d’un matériau réactif, ledit matériau comprenant une résine thermodurcissable, du caoutchouc et des charges lubrifiantes, un matériau de base fibreux comprenant des fibres de verre, des fibres organiques et des fibres métalliques. ladite garniture présentant un ratio massique entre les fibres organiques et les fibres de verre compris entre 0,05 et 0,25, de préférence entre 0,1 et 0,2, dans lequel les fibres métalliques sont des fibres de cuivre présentes selon un pourcentage en poids compris entre 1 et 10%, de préférence entre 5 et 10% en poids par rapport au poids total de la garniture. La garniture de friction selon l’invention permet ainsi grâce à un ratio massique spécifique entre les fibres organiques et les fibres de verre associé à une quantité spécifique de fibres de cuivre d’obtenir des performances thermiques, mécaniques et de confort améliorées. Une telle association entraine ainsi une amélioration de la résistance thermique en utilisation et de la résistance mécanique, notamment après abus thermique, du niveau de frottement, une stabilisation du niveau de confort après usure et une limitation de l’agressivité du matériau vis-à-vis des contre matériaux. La présente invention a également pour objet un dispositif d’embrayage pour véhicule automobile comprenant une garniture de friction selon la présente invention. L’invention ainsi que ses avantages seront aisément compris à la lumière de la description et des exemples de réalisation qui suivent. représente la résistance mécanique (tours par minute avant rupture) en fonction du ratio massique entre les fibres organiques et les fibres de verre de trois garnitures de friction. représente la capacité à passer du couple dans des conditions sévères avec des charges élevées à savoir contrainte pente avec une remorque à vide (démarrage en côte). représente l’évolution du coefficient d’excitation en fonction de la température de deux garnitures de friction. représente la résistance mécanique (tours par minute avant rupture) en fonction du ratio massique entre les fibres organiques et les fibres de verre de trois garnitures de friction. représente la capacité à passer du couple dans des conditions sévères avec des charges élevées à savoir contrainte pente avec une remorque à vide (démarrage en côte). représente l’évolution du coefficient d’excitation en fonction de la température de trois garnitures de friction. Dans la présente invention, sauf indication contraire, tous les (%) indiqués sont des pourcentages (%) en poids par rapport au poids total de la garniture de friction. Dans le cadre de la présente invention, par abus thermique on entend décrire une garniture après une sollicitation jusqu’à 360°C pendant 3h. Cela correspond à une température à laquelle les liants organiques d’une garniture de friction peuvent être endommagés par rupture de liaisons chimiques et réduire la résistance en centrifugation des matériaux. D’autre part, tout intervalle de valeurs désigné par l’expression « entre a et b » signifie le domaine de valeurs allant de a jusqu’à b (c’est-à-dire incluant les bornes strictes a et b). La garniture de friction selon la présente invention présente un ratio massique entre les fibres organiques et les fibres de verre, c’est-à-dire la masse des fibres organiques divisée par la masse des fibres de verre, compris entre 0,05 et 0,25, de préférence entre 0,1 et 0,2. Le matériau de base fibreux comprend des fibres de verre, des fibres organiques et des fibres métalliques. Ces fibres sont des fils continus et permettent d’assurer la résistance à la force centrifuge et d’apporter les propriétés thermiques du matériau. Par fibres continues, on entend des fibres ne présentant essentiellement des discontinuités qu’aux extrémités du fil. Avantageusement, les fibres organiques sont choisies parmi le groupe constitué des fibres de polyacrylonitrile (PAN), de cellulose, d’aramide, de chanvre, de lin et de leurs mélanges. De préférence, les fibres organiques sont constituées par des fibres de polyacrylonitrile. Avantageusement, la garniture de friction est exempte de fibres de carbone. En effet, les fibres de carbone présentent un coût relativement élevé et dégradent le frottement à haute température. Les fibres de verre peuvent être de type Roving et/ou texturées. Les fibres sont dites de type Roving quand elles sont groupées ensemble sous forme de toron par ensimage. Les fibres texturées ou voluminisées sont dérivées des fibres Roving par ouverture d’une partie de leur volume, par injection d’air. Ceci a pour effet de permettre une meilleure imprégnation des fibres vers le cœur ou l’âme avec la matrice (ici le réactif contenant les résines, caoutchouc et charges). Avantageusement, les fibres de verre sont présentes dans la garniture de friction selon un pourcentage en poids compris entre 30 et 45% par rapport au poids total de la garniture, de préférence strictement supérieur à 30%. Avantageusement, les fibres de verres ont une masse linéique comprise entre 600 et 2500 tex. Les fibres organiques ont une masse linéique comprise entre 400 et 800 tex, de préférence environ 600 tex. Les fibres de cuivre présentent une section comprise entre 100 et 200µm. Avantageusement, la garniture de friction présente une masse volumique apparente ou densité hydrostatique dans un solvant tel que l’eau, compris entre 1,7 et 1,85g/cm 3 . Avantageusement, la résine thermodurcissable est résine phénolique, par exemple de type novolaque, et/ou mélamine formaldéhyde. De préférence, on utilisera une résine à haut poids moléculaire, c’est-à-dire de 2000 à 6000 g/mol. Avantageusement, le latex de caoutchouc est de type nitrile-butadiène (NBR) et peut être carboxylé ou non carboxylé. Avantageusement, dans la garniture de friction la résine, le caoutchouc et les charges lubrifiantes sont présentes en une quantité en poids comprise entre 35 et 45% % par rapport au poids total de la garniture. Avantageusement, le matériau réactif comprend en plus de la résine, du caoutchouc et des charges lubrifiantes, un catalyseur de vulcanisation et d’autres charges. Typiquement, le catalyseur de vulcanisation est le souffre ou l’oxyde de zinc. Les autres charges sont avantageusement choisies parmi les charges dites « de friction ». A titre d’exemple, de telles charges pourront être choisies parmi le noir de carbone, le sulfate de baryum, le charbon actif, le kaolin, les microsphères creuses (en verre en particulier) ou le carbonate de calcium. Avantageusement, les charges lubrifiantes consistent en des charges minérales et/ou organiques selon un pourcentage en poids compris entre 3 et 10% par rapport au poids total de la garniture, de préférence entre 3 et 8%. Ainsi, dans le matériau de friction, le matériau de base fibreux est imprégné par le matériau réactif que l’on peut également appeler ciment aqueux c’est-à-dire que le ciment d’imprégnation pénètre dans l’espace entre les différentes fibres d’un fil, autour des fibres, autour d’un toron de fibres et/ou au cœur desdites fibres. Avantageusement, les charges lubrifiantes minérales consistent en des sulfures de métaux de préférence choisis parmi le groupe constitué de sulfure de fer, sulfure de cuivre, sulfure de zinc, bisulfure de molybdène, sulfure d’étain, bisulfure d’étain et leurs mélanges. Avantageusement, les charges lubrifiantes organiques consistent en du graphite par exemple du graphite synthétique ou naturel. Typiquement le graphite représente entre 30 et 100% en poids de la charge lubrifiante. Avantageusement, les charges lubrifiantes sont de densité différente, le rapport de fraction massique de charges lubrifiantes entre la charge la moins dense et la charge la plus dense étant compris entre 0,6 et 4. L’utilisation de charges lubrifiantes de densité différentes permet d’équilibrer et de stabiliser les performances du matériau de friction en lubrification à chaud, et ainsi éviter des phénomènes vibratoires à l’origine de l’inconfort. Cela a pour effet supplémentaire de fournir au matériau de friction une résistance au frottement et à l’usure accrue. Au sens de l’invention, on entend par rapport de fraction massique entre la charge la moins dense et la charge la plus dense le quotient de la fraction massique de la charge lubrifiante la moins dense divisée par la fraction massique de la charge lubrifiante la plus dense. Un rapport de fraction massique des charges lubrifiantes entre la charge la moins dense et la charge la plus dense se situant dans la gamme spécifiée a pour effet de répartir les charges lubrifiantes de manière homogène en composition au sein du matériau réactif. Les performances des charges lubrifiantes agissant dans différentes plages de température se chevauchent. De plus, chaque charge est répartie de manière homogène à l’intérieur du matériau réactif. Ainsi, le matériau réactif permet de réaliser un matériau de friction capable de réguler les vibrations de manière équilibrée et stable en lubrification à chaud. De préférence, le rapport de fraction massique de charges lubrifiantes entre la charge la moins dense et la charge la plus dense est supérieur ou égal à 1,25 de préférence supérieur ou égal à 1,3, de préférence inférieur ou égal à 3, de préférence inférieur ou égal à 2, de préférence inférieur ou égal à 1,8, de préférence égal à 1,6. De préférence, le rapport de fraction massique des charges lubrifiantes entre les charges organiques et les charges minérales c’est-à-dire le quotient de la fraction massique de charges organiques divisée par la fraction massique de charges minérales est supérieur ou égal à 1 et inférieur ou égal à 3. De préférence, le rapport de fraction massique des charges lubrifiantes entre les charges organiques et la charge minérale la plus denses c’est-à-dire le quotient de la fraction massique des charges organiques divisée par la fraction massique de la charge minérale la plus dense, est supérieur ou égal à 0,65 et inférieur ou égal à 1, de préférence égal à 0,8. Selon un mode de réalisation, la granulométrie des charges lubrifiantes, définie par leur diamètre médian, est supérieure ou égale à 5 μm et inférieure ou égale à 30 μm. En d’autres termes, chaque charge lubrifiante définie par sa composition chimique est constituée de grains de diamètre variable. Le diamètre médian des grains a un diamètre supérieur ou égal à 5 μm et inférieur ou égal à 30 μm. En effet, à composition massique égale, une granulométrie fine confère au matériau de friction une meilleure résistance à l’abrasion en raison d’une surface de contact accrue entre les grains et le caoutchouc. De préférence, la granulométrie des charges lubrifiantes est inférieure ou égale à 20 μm. Selon certains modes de réalisation, la densité des charges lubrifiantes est supérieure ou égale à 2 et inférieure ou égale à 8. Selon certains modes de réalisation, le matériau réactif peut comprendre un ou plusieurs additifs, par exemple au moins un agent surfactant et/ou au moins un épaississant. Un agent surfactant peut être de type anionique, par exemple un polyphosphate de sodium, de potassium ou d’ammonium, ou un sulfonate de sodium, de potassium ou d’ammonium, ou un sulfate de sodium, de potassium ou d’ammonium. Un agent surfactant peut être de type non ionique, par exemple un polyacrylate ou un polyvinylalcool. Un épaississant peut comprendre de la cellulose ou du silicate de calcium. La cellulose peut être de type cellulose microcristalline colloïdale. Avantageusement, la garniture de friction comprend (les % sont donnés en poids par rapport au poids total de la garniture) : 45 à 55% d’un matériau réactif comprenant : 27 à 42% d’un mélange de résine phénolique et mélamine/formaldéhyde et de caoutchouc de type NBR 3 à 10% de charges lubrifiantes, 1 à 10% de catalyseur de vulcanisation et d’autres charges, 5 à 10% de fibres de cuivre, 30 à 45% de fibres de verre 3 à 8% de fibres de polyacrolynitrile, Plusieurs exemples de garnitures de frictions sont donnés ci-après. Dans ce qui suit, les compositions des garnitures sont exprimées en pourcentage en poids, les % sont donnés en poids rapportés au poids total de la garniture. Le ratio massique entre les fibres de polyacrylonitrile et les fibres de verre sera indiqué par R Mac/Mv. Exemple 1 : Exemple comparatif relatif à une garniture dont le ratio R Mac/Mv est en dehors de la plage revendiquée (exemple comparatif A1) et deux garnitures avec le ratio R Mac/Mv dans la plage de la présente invention (exemple selon l’invention B2 et B3) Les matériaux de friction présentent les compositions données dans le tableau 1 suivant. Le matériau réactif comprenant un mélange de résine phénolique et mélamine/formaldéhyde, du caoutchouc NBR, des charges lubrifiantes et des charges de friction est identique dans les trois exemples et présent selon un pourcentage en poids compris entre 45 et 55%. Les figures 1 et 4 représentent la résistance mécanique (tours par minute avant rupture) en fonction du ratio massique entre les fibres de polyacrylonitrile et les fibres de verre. Comme on peut le voir sur la , les garnitures de friction B2 et B3 présentent une résistance mécanique améliorée par rapport à A1. En effet, les essais réalisés mettent en évidence que les garnitures de friction (diamètre extérieur de 240mm, diamètre intérieur de 160mm et épaisseur de 3,7mm) selon la présente invention éclatent après avoir été chauffées à 200°C après avoir atteint les 12800 tours/min (B3) et 13400 tours/min (B2) contre 12000 tours/min pour la garniture A1. La composition des matériaux permet de maintenir ce niveau de résistance après sollicitation a plus haute température, en particulier après abus thermique. Les figures 2 et 5 représentent la capacité à passer du couple dans des conditions sévères avec des charges élevées à savoir contrainte pente avec une remorque à vide (démarrage en côte) en fonction du ratio massique entre les fibres de polyacrylonitrile et les fibres de verre. Dans le cadre de ce test, les matériaux de friction sont soumis à des cycles énergétiques simulant des démarrages en côte de 12%. Le test commence avec une phase de 300 cycles de rodage à faible énergie surfacique (9KJ, 100°C), suivi d'un premier test avec x cycles de démarrage en cote (chaque cycle dure 60s avec une énergie surfacique 101 kJ) jusqu'au patinage (à savoir un coefficient de frottement Comme on peut le voir sur la , avec les garnitures de friction selon l’invention (B2, B3) le nombre de démarrage en côte réalisé avant patinage est supérieur à celui obtenu avec la garniture de friction comparative (A1). Il y a donc une amélioration de la stabilité du niveau de frottement avec les garnitures B2 et B3. Les figures 3 et 6 représentent le coefficient d’excitation (en N.m.s) en fonction de la température (°C). Afin de mesurer le coefficient d’excitation, une première phase de 100 cycles pendant lesquels on apporte pour chaque cycle une énergie de 35kJ au matériau en glissement continu avec une montée en température de 40 à 350°C est réalisée (avec 3 cycles par minute). Une deuxième phase de récupération du matériau avec une énergie plus faible (15 kJ) et une température de 80 – 120°C pendant 100 cycles est réalisée. Les deux phases sont répétées six fois. Le graphique est la valeur maximale de tous les points d’excitation mesurées pendant la première phase. Au travers du coefficient d’excitation est mesuré le broutement. Si ce dernier est positif cela implique de l’inconfort (vibrations ressenties dans l’habitacle lors du passage des vitesses) et plus ce coefficient est négatif, moins le matériau ne génère de vibrations et améliore le confort lors du changement de rapport de vitesse de la boite. Comme on peut le voir sur la , la garniture B3 permet d’améliorer le confort avec un coefficient d’excitation négatif jusqu’à 350°C tandis que la garniture A1 est source de vibration lorsque la température dépasse les 310°C. Il a également été mesuré l’usure et la rugosité du contre matériau en fonte dans l’embrayage dans le tableau 2 (rugosité avant essai de 2 µm) La composition de B3 par rapport à A1 permet donc de réduire l’agression des contre matériaux dans l’embrayage et donc d’augmenter la durabilité du système. Exemple 2 : Exemple comparatif relatif à deux garnitures avec un taux de cuivre qui est en dehors de la plage revendiquée (exemple comparatif C1 et C2) et la garniture B2 Les matériaux de friction présentent les compositions données dans le tableau 3 suivant. Le matériau réactif comprenant un mélange de résine phénolique et mélamine/formaldéhyde, du caoutchouc NBR et des charges lubrifiantes est identique dans les exemples B2 et C2 et présent selon un pourcentage en poids compris entre 45 et 55%. C1 diffère de B2 et C2, par l’absence de charges lubrifiantes dans le matériau réactif et d’un caoutchouc de type SBR. Comme on peut le voir sur la , la garniture de friction B2 présente une résistance mécanique améliorée par rapport à C1 et C2. En effet, les essais réalisés mettent en évidence que les garnitures de friction en dehors de la présente invention éclatent après avoir été chauffées à 200°C après avoir atteint les 10300 tours/min (C1) et 11300 tours/min (C2) contre 13400 tours/min pour la garniture B2 La permet de constater que pour un matériau chargé en cuivre C2, le remplacement du matériau réactif a permis d’améliorer fortement la résistance thermique du matériau mais le compromis est à trouver entre les propriétés de confort, de résistance mécanique et de tenue thermique. Un niveau de tenue thermique amélioré est obtenu avec B2 contenant moins de cuivre, par rapport à C1. En effet, sur la on peut lire que la garniture B2 apporte le meilleur compromis en confort avec un coefficient d’excitation négatif jusqu’à 315°C tandis que les garnitures C1 et C2 sont sources de vibration lorsque les températures dépassent respectivement les 200°C et 275°C. Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tout autres équivalents. En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. Garniture de friction à sec monocouche pour dispositif d’embrayage pour véhicule automobile, comprenant : 45 à 55% en poids par rapport au poids total de la garniture d’un matériau réactif, ledit matériau comprenant une résine thermodurcissable, du caoutchouc et des charges lubrifiantes, un matériau de base fibreux comprenant des fibres de verre, des fibres organiques et des fibres métalliques. ladite garniture présentant un ratio massique entre les fibres organiques et les fibres de verre compris entre 0,05 et 0,25, de préférence entre 0,1 et 0,2, caractérisée en ce que fibres métalliques sont des fibres de cuivre présentes selon un pourcentage en poids compris entre 1 et 10%, de préférence entre 5 et 10% en poids par rapport au poids total de la garniture. Garniture de frottement selon la revendication 1 caractérisée en ce que les fibres organiques sont choisies dans le groupe constitué par les fibres de polyacrolynitrile, d’aramide, de cellulose, de chanvre, de lin et de leurs mélanges. Garniture de friction selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu’elle est exempte de fibres de carbone. Garniture de friction selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le caoutchouc est de type nitrile-butadiène. Garniture de friction selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la résine thermodurcissable est une résine phénolique et/ou mélamine formaldéhyde. Garniture de friction selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les charges lubrifiantes consistent en des charges minérales et/ou organiques selon un pourcentage en poids compris entre 3 et 10% par rapport au poids total de la garniture. Garniture de friction selon la revendication 6, caractérisée en ce que les charges lubrifiantes minérales consistent en des sulfures de métaux. Garniture de friction selon la revendication 7, caractérisée en ce que les charges lubrifiantes organiques consistent en du graphite. Garniture de friction selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les charges lubrifiantes sont de densité différente, le rapport de fraction massique de charges lubrifiantes entre la charge la moins dense et la charge la plus dense étant compris entre 0,6 et 4. Dispositif d’embrayage pour véhicule automobile caractérisé en ce qu’il comprend une garniture de friction à sec selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.