TITRE DE L’INVENTION : TAMBOUR DE FREIN COMPORTANT DES PONTS THERMIQUES, ET VEHICULE COMPRENANT UN TEL TAMBOUR

La présente invention revendique la priorité de la demande française N°2200474 déposée le 20.01.2022 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.

La présente invention concerne un tambour de frein, en particulier pour le freinage d'un véhicule automobile, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel tambour, et un véhicule automobile équipé de ce type de tambour de frein.

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 de fluide vers des freins qui agissent sur chaque roue du véhicule.

Un type de frein connu comporte un tambour fixé à un moyeu tournant avec la roue, comprenant une surface cylindrique intérieure recevant la pression de deux segments de freins qui s'écartent l'un de l'autre sous l'effet d'un vérin hydraulique de commande.

Les tambours de freins de l’art antérieur sont généralement 100% en fonte aujourd’hui car c’est la solution la plus économique avec l’inconvénient de la masse. Nous sommes arrivés aujourd’hui au bout des optimisations possibles sur une technologie en fonte pour réduire la masse. Le passage à une solution bi- matière est inévitable pour continuer la piste de l’allègement. La masse présente le principal inconvénient du tambour de frein. Un tambour de frein est obtenu par procédés de fonderie et demande des épaisseurs minimales pour assurer la fabrication et réduire les défauts lors de la coulée.

La faible élasticité de la fonte rend un tambour de freins fragile au choc et cet autre inconvénient amène aussi à augmenter les épaisseurs et alourdir le composant.

Un problème qui se pose avec des tambours de frein de type bi-matière est qu’ils impliquent des contraintes mécaniques et thermomécaniques importantes. En effet, la liaison mécanique entre la tôle cylindrique et la masse thermique généralement surmoulée, comporte une adhérence qui est très rigide à cause du procédé de surmoulage donnant un collage des matériaux. En utilisation, des dilatations différentielles élevées lors des freinages prononcés, génèrent un fort échauffement du tambour de frein.

Un premier objectif de l’invention est de proposer une optimisation de tambour de frein de sorte à limiter les inconvénients des forts échauffements pouvant détériorer prématurément certains composants du tambour de frein. Il est donc nécessaire de trouver des matériaux à forte capacité thermique ou à conductivité thermique élevé associé à une surface d’échange importante avec l’extérieur pour évacuer rapidement la chaleur.

Un deuxième objectif de l’invention est de proposer une amélioration de la cohésion mécanique du tambour de frein.

Pour atteindre ces objectifs, l’invention propose un tambour de frein comprenant

- un bol comprenant une partie circulaire de forme cylindrique comportant à l'intérieur une piste de freinage, et une partie formant un moyeu centré sur un axe ;

- un anneau entourant la partie cylindrique, maintenu contre la partie cylindrique ; et

- une couronne thermique entourant l’anneau, maintenue contre l’anneau.

Selon un premier aspect le tambour de frein comprend au moins une zone d’isolation thermique entre des surfaces de contact de la partie circulaire de forme cylindrique du bol et de l’anneau ou entre des surfaces de contact de l’anneau (F) et de la couronne thermique (DT). Il s’agit en particulier d’une ou plusieurs rainures circonférentielles formant ladite zone d’isolation thermique.

Avantageusement, cette couronne a pour vocation d’évacuer la chaleur. Ces rainures permettent de réduire la surface d’échanges de chaleur par contact, et de réaliser des ponts thermiques entre lesdits composants. Les ponts thermiques permettent de créer des zones d’isolation thermique limitant les échauffements de la couronne thermique, généralement en aluminium, matériau plus sensible à la température que l’acier. Cet aspect est intéressant pour les freinages intensifs et courts (puissance élevée). Les ponts thermiques permettent donc de réduire les gradients thermiques et donc les contraintes thermomécaniques dans l’aluminium. Ces rainures circonférentielles permettent de réguler le flux thermique ou lisser le flux thermique afin que la montée en température de la couronne thermique soit la plus homogène possible.

Selon une variante, le tambour de frein comprend plusieurs rainures circonférentielles entre les surfaces de contact de l’anneau et de la couronne thermique. Avantageusement, ces rainures permettent de réduire la surface d’échange de chaleur par contact entre ces composants.

Selon une variante, le tambour de frein comprend un frettage et/ou moletage entre les surfaces de contact de l’anneau et de la partie cylindrique. Avantageusement, cela améliore la cohésion mécanique de l’anneau et de la partie cylindrique, et peut permettre un blocage en translation de l’anneau par rapport à la partie cylindrique.

Selon une variante, le tambour de frein comprend au moins un poinçon tangentiel de maintien d’au moins deux de ses composants. Avantageusement, cela permet un arrêt en translation dans le sens axial.

Selon une variante, le tambour de frein comprend au moins un repli local de bol maintenant la couronne thermique, et/ou au moins un repli local d’anneau débordant un bord de la couronne thermique, maintenant ladite couronne. Avantageusement, cet agencement participe au blocage de glissement axial de la couronne thermique.

Selon une variante, la couronne thermique comprend au moins un chanfrein dans une zone d’emboitement, le chanfrein présentant un angle de moins de 20° par rapport à l’axe du bol. Avantageusement, cette configuration permet de faciliter l’emmanchement de la couronne thermique avec l’anneau.

Selon une variante, la couronne thermique comprend des ailettes radiales, caractérisé en ce que le nombre d’ailettes est un multiple d’un nombre premier de 29 inclus à 127 inclus. Avantageusement, cette configuration permet de réduire les problèmes de crissement et les bruits de freins.

Selon une variante, la couronne thermique comprend des ailettes radiales, les ailettes comportant une base présentant un rayon de courbure. Avantageusement, cette configuration permet de réduire les contraintes mécaniques au niveau de la base des ailettes. L’invention concerne en outre un véhicule automobile comprenant un tambour de frein selon l’invention.

Un autre objet de l’invention concerne un procédé de fabrication d’un tambour de frein comprenant un bol comprenant une partie circulaire de forme cylindrique comportant à l'intérieur une piste de freinage, et une partie formant un moyeu centré sur un axe ;

- un anneau entourant la partie cylindrique, maintenu contre la partie cylindrique ; et

- une couronne thermique entourant l’anneau, maintenue contre l’anneau, le procédé étant caractérisé par au moins une étape pour réaliser une rainure circonférentielle entre des surfaces de contact de composants du tambour de frein.

Selon une variante, la couronne thermique entourant l’anneau est réalisée par extrusion.

L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, dans lesquelles :

- [Fig.1 ] illustre schématiquement une vue isométrique d’un tambour de frein selon un mode de réalisation préféré de l’invention ;

- [Fig.2] illustre schématiquement des ailettes d’une couronne thermique du tambour de frein de la figure 1 ;

- [Fig.3] illustre schématiquement un rebord de bol du tambour de frein de la figure 1 ;

- [Fig.4] illustre schématiquement un poinçon de maintien du tambour de frein de la figure 1 ;

- [Fig.5] illustre schématiquement des rainures circonférentielles sur l’anneau ;

- [Fig.6] illustre schématiquement des détails des rainures circonférentielles de la figure 5 dans une vue tangentielle ;

- [Fig.7] illustre schématiquement des détails des rainures circonférentielles des figures 5 et 6 dans une vue isométrique ;

- [Fig.8] illustre schématiquement la répartition d’échauffements du tambour de frein en utilisation. L’invention concerne un tambour de frein. Le tambour de frein comporte un bol B, peut être en tôle emboutie, par exemple en acier. Le bol B comprend une partie cylindrique B1 , ici centrée sur un axe de rotation A1. La partie cylindrique B1 comporte une surface intérieure formant une piste de frottement par exemple pour des patins de freins qui viennent presser dessus.

Le bol B comprend en outre une partie formant un moyeu B2. En particulier, la partie cylindrique B1 est reliée au moyeu B2, par exemple par un raccordement comprenant un grand rayon sensiblement constant sur le contour du tambour. Le moyeu B2 peut comporter des perçages recevant des vis permettant de fixer une roue du véhicule. Le moyeu est centré sur l’axe de rotation A1 .

Le bol B peut être réalisé par emboutissage d'un acier, qui peut être en particulier un acier inoxydable. Contrairement à la fonte généralement utilisée, l’acier est simple, facile à manipuler et comporte, une épaisseur réduite et donc une masse réduite à densité quasi identique fonte/acier, tout en permettant d'obtenir une pièce rigide par un module d’Young de l’acier supérieur à la fonte.

Avantageusement, cela permet un allègement du tambour de frein, en augmentant la robustesse du concept. En outre, ces matériaux correspondent aux solutions techniques pour une production grande série. Le gain masse a été calculé à au moins 20%. Ce gain dépend du diamètre du tambour.

Le tambour de frein comprend en outre un anneau F (ou frette) entourant la partie cylindrique B1 . L’anneau F est sensiblement maintenu contre la partie cylindrique B1 , c'est-à-dire que ces pièces sont en contact directement ou indirectement l’une avec l’autre. Par exemple l’anneau F est emmanché contre la partie cylindrique B1 .

L’anneau F peut être réalisé en acier, qui peut être en particulier un acier inoxydable. Le même matériau est de préférence utilisé pour le bol B et l’anneau F.

Le tambour de frein comprend en outre une couronne thermique DT (ou dissipateur thermique) entourant l’anneau F. La couronne thermique DT est sensiblement maintenue contre l’anneau F, c'est-à-dire que ces pièces sont en contact directement ou indirectement l’une avec l’autre.

La couronne thermique DT est circulaire. Elle est réalisée dans un matériau spécifiquement désigné pour dissiper la chaleur tel que de l’aluminium ou un alliage d'aluminium. La couronne thermique DT peut être réalisée par extrusion et usinage du diamètre intérieur.

La couronne thermique DT comprend des ailettes radiales AR formant projections radiales vers l’extérieur, améliorant davantage la dissipation de chaleur. Les ailettes peuvent être formées par extrusion. De préférence, les ailettes AR comportent une base présentant un rayon de courbure R2. Avantageusement, cette configuration permet de réduire les contraintes à la base des ailettes. En particulier, le rayon de courbure R2 minimal est de 2 mm. La couronne thermique DT peut également être réalisée en fonderie sous pression ou gravitaire, par usinage, par extrusion, etc..., cependant le procédé d’extrusion permet de réaliser un plus grand nombre d’ailettes qu’un procédé de fonderie sous pression ou gravitaire.

Grâce aux ailettes radiales AR, la surface d’échange avec l’extérieur peut être au moins deux fois supérieure à celle d’un tambour traditionnel en fonte.

Selon une variante, la couronne thermique DT comprend un nombre d’ailettes radiales AR spécifique, à savoir un multiple d’un nombre premier de 29 à 127. En particulier, le nombre d’ailettes AR est un nombre parmi les nombres premiers compris entre 25 et 135. Par exemple, le nombre d’ailettes peut être choisi parmi 29, 31 , 37, 41 , 43, 47, 53, 59, 61 , 67, 71 , 73, 79, 83, 89, 97, 101 , 103, 107, 109, 113, 127, 131. Avantageusement, cette configuration permet de réduire les problèmes de crissement et bruits de freins.

Selon une variante, la couronne thermique DT comprend au moins un chanfrein C dans une zone d’emboitement avec l’anneau F. De préférence, le chanfrein C présente un angle de moins d’environ 20° par rapport à l’axe A1 du bol. Le chanfrein C peut être en deux sections une première d’environ 20° proche de la zone de contact, puis une deuxième section d’un angle pouvant être supérieur à 20° éloignée de la zone de contact. Cela permet de limiter l’étendue du chanfrein C. On pourra parler de double chanfrein. Le double chanfrein C permet de dégager par rapport aux rayons de courbure sur l’anneau F et permet de faciliter l’emmanchement.

On peut également prévoir un tel chanfrein sur l’anneau F, en particulier pour l’ emboîtement avec la couronne thermique DT.

Avantageusement, le chanfrein C permet de faciliter l’emmanchement de la couronne thermique DT sur l’anneau F et/ou de faciliter l’emmanchement de l’anneau F sur le bol B.

L’emboîtement du bol B avec l’anneau F se fait de préférence par la courbure entre la partie cylindrique B1 et le moyeu B2.

Selon l’invention, le tambour de frein comprend au moins une zone d’isolation thermique entre des surfaces de contact de ses composants. Il s’agit en particulier d’une ou plusieurs rainures circonférentielles RC formant ladite zone d’isolation thermique. Avantageusement, les rainures circonférentielles RC permettent de diminuer la surface d’échanges de chaleur par contact, et de réaliser des ponts thermiques entre lesdits composants. Les ponts thermiques permettent de créer des zones d’isolation thermique grâce à la présence de l’air dans les rainures et de limiter les échauffements de la couronne thermique DT dans des zones de fortes contraintes thermiques.

En particulier, le tambour de frein comprend au moins une, de préférence plusieurs rainures circonférentielles RC entre les surfaces de contact de l’anneau F et de la partie cylindrique B1 . Avantageusement, cela permet de limiter les échauffements lors de freinage à forte puissance avec des montées en température rapide par une pluralité de zones d’isolation.

Il est préférable de réduire autant que possible la perte de surface de contact aux extrémités pour éviter des points chauds et gradients thermiques sources de déformations et contraintes. Les rainures circonférentielles RC permettent de positionner et dimensionner des ponts thermiques aux endroits désirés et de mieux répartir le flux thermique, sans trop réduire les surfaces de contact.

On peut envisager des rainures partiellement aménagées d’un côté et de l’autre de la surface de contact en cause. De préférence, les rainures circonférentielles RC sont ménagées dans la surface de contact de l’anneau F uniquement pour ce qui concerne le contact anneau F - partie cylindrique B1. Mettre en place les rainures RC sur l’anneau F est préféré car il y a plus de degrés de liberté comparé au bol B où le moyeu B2 et il est plus facile de réaliser les rainures sur l’anneau F.

On peut en outre envisager une ou plusieurs rainures circonférentielles entre les surfaces de contact de l’anneau F et de la couronne thermique DT.

L’utilisation d’un pont thermique via les rainures RC permet de limiter la diffusion de chaleur dans la couronne thermique DT lors de freinages puissants. En effet, si la couronne thermique DT est en aluminium, il est déconseillé que l’aluminium atteigne des températures au-dessus de 300 °C car ses caractéristiques mécaniques chutent fortement.

Les freinages puissants apportent une quantité importante de calories en peu de temps et conduisent à une élévation rapide de la température des composants, sans que l’effet dissipation thermique par convection ait le temps d’agir.

Pour préserver la couronne thermique DT, l’invention propose de réaliser des ponts thermiques via les rainures circulaires susvisées, entre les composants du tambour de frein, pour que les composants les plus sensibles à la température limitent l’augmentation de la température. Il s’agit par exemple de rainures circonférentielles RC, dont le nombre et la largeur est à déterminer suivant le besoin fonctionnel.

Cette solution permet de protéger thermiquement la couronne thermique DT comprenant de l’aluminium, en plus de limiter le flux thermique en réduisant la surface d’échange par contact direct de la frette (anneau F) avec le bol B.

Des rainures peuvent être réalisées sur les autres composants pour réduire les surfaces d’échanges, notamment entre la couronne thermique DT et l’anneau, ou dans le bol.

L’avantage de ces rainures par rapport à une solution de réduction de la largeur L de la partie cylindrique B1 (ici de 46,5 mm) est de pouvoir :

- Positionner des ponts thermiques à des endroits où le flux thermique est maximal ;

- Ne pas réduire la largeur de la couronne thermique DT et conserver les propriétés correspondantes pour des cycles thermiques à forts niveaux énergétiques.

Le gain thermique a été validé par calculs par éléments finis et est visualisable en figure 8. Les références F2, F1 , C1 et C2 sont des lignes isothermes respectivement plus froide et moins froide, moins chaude et plus chaude. On obtient ainsi un lissage des températures et un gradient thermique plus faible. Par conséquent, les contraintes thermomécaniques seront moins élevées.

La figure 8 illustre bien les ponts thermiques autour des rainures circonférentielles RC. L’effet isolant des rainures circonférentielles RC est démontré car la chaleur n’est pas transmise dans la couronne thermique DT.

Ainsi, on canalise le transfert chaleur en fonction des dimensions des rainures RC, et on répartit le flux thermique entre l’anneau F et le bol B.

Certains aspects supplémentaires sont prévus pour éviter un glissement axial relatif de l’anneau F par rapport à la couronne thermique DT et/ou la partie cylindrique B1. Ces aspects évitent des impacts mécaniques ou géométriques sur le bol B avec un risque de déformation de la piste de freinage. En effet, les tolérances sur la piste de freinage sont serrées pour éviter les problèmes de vibration. En fonctionnement et lors de freinages, ces solutions permettent de limiter les gradients thermiques et d’avoir, autant que possible, des températures homogènes.

Ainsi, dans une variante, le tambour de frein comprend au moins un poinçon tangentiel P de maintien d’au moins deux de ses composants. Le nombre est de préférence supérieur à 1 avec une répartition circulaire uniforme pour éviter les problèmes de balourd. Il s’agit d’au moins l’anneau F et la partie cylindrique B1 , comme on peut le voir sur la figure 5. Le poinçon P est dans le sens tangentiel et parallèle à l’axe A1 . Le poinçon P est représenté par un petit disque sur le bord du composant en cause montrant la matière écrasée.

Plus précisément, il s’agit des emboutis locaux (par poinçonnage) répartis tangentiellement de manière uniforme et dont le nombre est dépendant de la tenue souhaitée. Le diamètre du poinçon dépend de l’épaisseur de tôle. Il est possible de couvrir l’anneau F et la couronne thermique DT. Le poinçon P peut être cylindrique ou dans une autre forme. Sa base peut être différente, par exemple ovale ou autre, pour améliorer la tenue mécanique du poinçon. Il est bien sûr possible d’appliquer axialement le poinçon P du côté du moyeu ou du côté de l’ouverture du bol B.

Selon une variante, le tambour de frein comprend au moins un repli local RF d’anneau F, débordant d’un bord de la couronne thermique DT, maintenant ladite couronne DT dans le sens axial. Le repli local RF d’anneau F, pouvant être appelé ergot RF, est visible sur les figures 5 et 7. Dans cette solution technique, on replie localement une languette de l’anneau F sur un bord de la couronne thermique DT du côté de l’ouverture du bol B ou de préférence du côté du moyeu comme on peut le voir sur la figure 5. Dans l’exemple illustré, la couronne thermique DT a des bords droits et la base de la couronne est de même épaisseur que la partie cylindrique B1. La matière nécessaire pour réaliser ce repli est peu importante car l’anneau F est contre la couronne thermique DT. Le nombre est supérieur à 1 avec une répartition circulaire uniforme pour éviter les problèmes de balourd.

Selon une variante, le tambour de frein comprend au moins un repli local RT de bol B maintenant la couronne thermique DT dans le sens axial. Le repli local RT de bol est visible sur la figure 3. Cette solution technique repli localement une languette de la partie cylindrique B1 sur un bord de la couronne thermique DT du côté du moyeu ou de préférence du côté de l’ouverture du bol B. La matière nécessaire pour réaliser ce repli est plus importante que dans le cas précédent.

Le blocage en translation de l’anneau F par rapport au bol B est assuré par un frettage de l’ensemble, autrement dit un emmanchement avec serrage. Ce frettage peut être accru par l’ajout de moletage sur l’un de ces deux composants.

Alternativement, un collage de l’anneau F et de la partie cylindrique B1 peut être réalisé avec une colle à haute température par exemple à base silicone ou colle céramique. La colle a par exemple une résistance supérieure à 300°C.

L’invention concerne en outre un véhicule automobile comprenant un tambour de frein tel que décrit précédemment. L’invention porte en outre un procédé de fabrication d’un tambour de frein tel que décrit précédemment.

Le tambour de frein comprend un bol B, un anneau F et une couronne thermique DT décrits précédemment. Le procédé comprend au moins une étape pour mettre en place au moins une rainure circonférentielle RC entre des surfaces de contact de composants du tambour de frein par rapport à au moins une zone de fortes contraintes thermiques. Il s’agit en particulier les surfaces de contact l’anneau F et de la partie cylindrique B1. La couronne thermique DT est réalisée en extrudant une barre, puis en réalisant une opération de tronçonnage et ensuite est effectuée une étape d’usinage. Ensuite intervient un emmanchement de l’anneau F sur le bol B. Puis on met en oeuvre un emmanchement de la couronne thermique DT sur l’ensemble (anneau F et bol B). Ensuite, on met en oeuvre un repli des ergots RF sur l’anneau F pour l’arrêt en translation de l’anneau F sur le bol B, et/ou un poinçonnage de l’anneau F et de la partie cylindrique B1 .

Enfin intervient l’usinage de finition de l’ensemble et de la piste de freinage.