MATERIAU DE FRICTION POUR FROTTEMENT EN MILIEU LIQUIDE, DISPOSITIF ET PROCEDE ASSOCIES

La présente invention a pour objet un matériau de friction, destiné à équiper un dispositif mettant en œuvre un frottement en milieu liquide.

Les dispositifs visés sont notamment des organes de couplage de transmission, par exemple pour équiper un véhicule automobile. Plus particulièrement, un tel matériau de friction est destiné à équiper une boîte de vitesse automatique ou robotisée, même si son application n'est pas limitée à de telles boîtes.

A titre d'exemple, un tel matériau de friction est susceptible de constituer une garniture d'une surface de frottement d'une bague de synchronisation, par exemple du type de celle divulguée dans le document brevet

EP 0 821 175.

Des matériaux de friction, pour frottement en milieu liquide, ont été développés pour répondre notamment à des exigences de stabilité, de résistance à l' échauffement et à 1' usure .

Le document brevet EP 0 702 761 divulgue un matériau de frottement en milieu liquide comprenant un mat de fibres imprégnées par une résine de type thermodurcissable, où le mat de fibres est constitué de fibres dont la longueur est supérieure ou égale à 12 mm, et qui sont cardées, nappées et aiguilletées .

La porosité d'un tel matériau de friction peut être comprise entre 30% et 60% en volume. Il en résulte un matériau adapté aux applications dans des organes de

couplage de transmission automobile pour des conditions d'usage classiques.

De façon générale, dans l'ensemble de la présente description, lorsque l'on indique une fourchette par « comprise entre A et B », les bornes « A » et « B » sont généralement incluses dans la fourchette.

Dans un organe de couplage de transmission automobile présentant des conditions classiques, les pressions appliquées sur ce type de matériau varient en général entre 0,2 et 2 MPa.

Les développements du marché automobile conduisent notamment les concepteurs à améliorer l'efficacité de la chaîne cinématique, par exemple afin de réduire la consommation et/ou augmenter le confort d'un véhicule. Une des voies choisies pour améliorer ces caractéristiques consiste à automatiser les transmissions, en utilisant par exemple des transmissions automatiques ou des boîtes de vitesse robotisées.

Parmi les nombreux critères d'optimisation d'une transmission, on peut citer les augmentations de rendement, l'encombrement de l'organe de transmission, son coût de fabrication .

En outre une tendance de développement actuelle porte sur la possibilité d'obtenir des passages automatisés de vitesse sans rupture de charge.

On a pu constater que les matériaux de friction connus, pour frottement en milieu liquide, par exemple du type de celui divulgué dans le document EP 0 702 761, présentent des propriétés qui rendent difficile l'optimisation conjointe des critères énoncés ci-dessus.

On a pu déterminer en outre qu'une résistance du matériau de friction à des pressions spécifiques comprises

au moins entre 0,5 et 10 MPa seraient de nature à offrir de nouvelles voies prometteuses de conception d'organes de transmission .

Le but de la présente invention est d' offrir aux concepteurs d'organe de transmission un matériau de friction en milieu liquide amélioré, permettant notamment d'augmenter la plage d'usage en pression d'un tel matériau.

Ce but est atteint grâce à un matériau de friction, destiné à équiper un dispositif mettant en œuvre un frottement en milieu liquide, comprenant un mat de fibres imprégné par une résine thermodurcissable, où le mat de fibres est constitué de fibres dont la longueur est supérieure ou égale à 12 mm, et qui sont cardées, nappées et aiguilletées et où ledit matériau de friction comprend une porosité supérieure ou égale à 30% en volume et inférieure ou égale à 60% en volume, où ledit matériau de friction comprend des charges de charbon actif dont la surface spécifique est comprise entre 500 m ² /g et 2500 m ² /g et dont la teneur massique dans ledit matériau de friction est supérieure ou égale à 5% en poids et inférieure ou égale à 15% en poids.

Les inventeurs ont pu constater qu'un tel matériau est susceptible d'être utilisé dans une gamme de pression spécifique comprise au moins entre 0,5 et 10 MPa, voire jusqu'à 20 MPa.

En outre, ce matériau présente une neutralité accrue de son comportement tribologique en fonction du type de lubrifiant liquide utilisé.

On note également une stabilité du frottement par rapport à la pression et à la vitesse de glissement.

De manière avantageuse, on constate une similitude de comportement tribologique pendant les phases de glissement

et de maintien. On note également une excellente stabilité du comportement élastique dudit matériau, ainsi que de ses caractéristiques dimensionnelles et tribologiques en température et en énergie. Un matériau de friction selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons possibles :

- les fibres sont choisies parmi les fibres de verre, notamment de verre E, les fibres de coton, les fibres de polyacrylonitrile (PAN) , les fibres de polyacrylonitrile pré-oxydées, les fibres de céramique, les fibres d'aramide, les fibres de sphaigne, ou leurs combinaisons ;

- la résine thermodurcissable est choisie parmi les résines phénoplastes, notamment résol ou novolaque, les résines aminoplastes, les résines époxydes, les résines polyimides, les résines silicones, ou leurs combinaisons ;

- la résine est une résine phénoplaste de type résol modifiée par du baume de cajou (CNSL), dont la teneur massique est par exemple comprise entre 10% et 30% en poids de la résine ;

- les fibres sont constituées d'un mélange de trois fibres de composition différente, par exemple des fibres de verre, notamment de verre E, des fibres de polyacrylonitrile et des fibres de coton ; la fraction volumique de chacune des fibres de composition différente est comprise entre 20 et 40% du mélange de fibres ;

- le rapport volumique entre la résine et le mat de fibre est supérieur ou égal à 0,80 et inférieur ou égal à

1,20, de préférence supérieur ou égal à 0,90 et/ou inférieur ou égal à 1,10 ;

la surface spécifique du charbon actif est supérieure ou égale à 800 m ² /g et/ou inférieure ou égale à 1 500 m ² /g ;

- la teneur massique en charbon actif est supérieure ou égale à 8% en poids et/ou inférieure ou égale à 12% en poids ; la granulométrie moyenne du charbon actif est supérieure ou égale à 5 μm et inférieure ou égale à 50 μm, de préférence supérieure ou égale à 8 μm et/ou inférieure ou égale à 25 μm ; le charbon actif est dispersé de manière sensiblement homogène dans le volume dudit matériau de friction ; une face dudit matériau, destinée à former une surface de frottement, comprend entre 20 et 70% en volume de charbon actif sur une épaisseur comprise entre 20 μm et

200 μm, de préférence supérieure ou égale à 50 μm et/ou de préférence inférieure à 100 μm.

L' invention vise également une pièce de friction, comprenant un support de friction sur lequel est surmoulé un matériau de friction selon la présente invention. Une telle pièce de friction est par exemple une bague de synchronisation ou un coupleur.

L' invention se rapporte également à un dispositif mettant en œuvre un frottement en milieu liquide comprenant une surface de frottement revêtue par le matériau de friction selon la présente invention ou comprenant une pièce de friction ci-dessus.

Le dispositif selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons possibles :

le dispositif est un organe de couplage de transmission, notamment automobile ; l'organe de couplage de transmission permet des passages de vitesse automatisés sans ouverture de la chaine cinématique ; la pression spécifique sur ledit matériau de friction, au cours du fonctionnement dudit dispositif, est comprise entre 0,5 et 20 MPa.

L' invention vise également un procédé de fabrication d'un matériau de friction comprenant les étapes consécutives a) à d) suivantes : a) approvisionnement d'un mat de fibres cardées nappées et aiguilletées, dont la longueur des fibres est supérieure ou égale à 12 mm ; b) imprégnation du mat dans un bain de résine thermodurcissable ; c) essorage de l'excédent de résine ; d) consolidation sous charge du matériau intermédiaire obtenu après l'étape c) à une température comprise entre 120 C° et 250 C° de manière à obtenir une porosité comprise entre 30 % et 60 % en volume du matériau final ; et une étape : e) introduction de charges de charbon actif dont la surface spécifique est comprise entre 500 m ² /g et 2500 m ² /g à une teneur massique dans le matériau de friction supérieure ou égale à 5% en poids et inférieure ou égale à 15% en poids pendant l'étape b) et/ou après l'étape c) et avant l'étape d) .

Selon un mode de réalisation, l'étape e) consiste à imprégner le mat dans un bain comprenant un mélange de résine et de charbon actif.

Selon un mode de réalisation qui peut être combiné au précédent, l'étape e) consiste à pulvériser une solution aqueuse comprenant de la résine, par exemple la résine de l'étape b, et du charbon actif, puis à faire évaporer l'eau, par exemple à l'aide d'un chauffage infrarouge.

La présente invention est maintenant illustrée par des exemples non limitatifs.

Des exemples comparatifs permettent de mettre en valeur les avantages d'un matériau de friction selon 1' invention .

L'ensemble des matériaux considérés, exemples selon l'invention et exemples comparatifs, ont été réalisés à partir d'une même formulation de base du mat de fibres imprégné par une résine thermodurcissable dont les composants de base sont reportés dans le tableau I :

Tableau I

La résine thermodurcissable utilisée est une résine phénolique liquide de type résol.

Aux composants de base du tableau I ont été rajoutées :

- du charbon actif de granulométrie moyenne comprise entre 8 et 15 μm et de surface spécifique (BET) de 1100 m ² /g pour obtenir des exemples selon l'invention ;

- aucune charge ou d'autres charges, par exemple de silice amorphe, ou de silicate de calcium pour obtenir des exemples comparatifs.

Des échantillons selon l'invention ont été fabriqués par ajout d'environ 10% en poids du charbon actif mentionné ci-dessus, avec différentes porosités, notamment avec des porosités volumiques de 50%, 40%, 30%.

L'ensemble des matériaux ainsi obtenus présente des propriétés remarquables.

On constate que la porosité dudit matériau permet d'essorer très rapidement le film d'huile qui s'établit dans un organe de couplage de transmission en milieu liquide et permet d'établir un régime de frottement sensiblement constant sur une large gamme de pression de fonctionnement .

Les exemples détaillés ci-après et reportés dans le tableau II ont été obtenus sur la base des composants du tableau I avec une porosité de 50% volumique. Les exemples

EXl et EX2 sont des exemples selon l'invention avec 10% en poids (soit environ 3,6% en volume du matériau final) de charbon actif. Les exemples EX-Cl, EX-C2, EX-C3 sont des exemples comparatifs comprenant respectivement des charges de silice amorphe, de silicate de calcium, sans charge.

Le charbon actif utilisé présente une surface spécifique de l'ordre de 1500 m2/g et un indice d'iode (ASTM D4607) de l'ordre de 100 mg/g. La silice amorphe utilisée est commercialisée par la société DEGUSSA.

Le silicate de calcium utilisé correspond à la référence commerciale SICACELL de la société ITAPROCHIM.

Tableau II

Les matériaux EXl, EX-Cl, EX-C2 ont été obtenus par pulvérisation d'une solution aqueuse, comprenant la résine thermodurcissable et les charges sur le mat de fibres imprégné avant consolidation sous charge. Le matériau EX2 a été obtenu par imprégnation du mat de fibres dans un bain comprenant un mélange de résine thermodurcissable et de charbon actif de manière à ce que l'imprégnation permette de répartir le charbon actif en volume dans le mat de fibres. L'ensemble des matériaux exemplifiés ont été obtenus par consolidation sous charge du mat de fibres préimprégnées, ayant éventuellement fait l'objet d'une pulvérisation de charges, à une température de 200 ⁰ C et des cales ont été disposées pour permettre d'obtenir une porosité de 50% dans le matériau final.

Les figures 1 à 4 jointes représentent la variation de différents paramètres mesurés avec des exemples de matériau selon l'invention et des exemples comparatifs.

On reporte sur la figure 1 l'évolution de la réduction de l'épaisseur d'un matériau (exprimée en %, en ordonnée) en fonction de la pression spécifique appliquée (exprimée

en MPa, en abscisse) . Les courbes 10 (correspondant aux losanges) et 12 (correspondant aux carrés) ont été obtenues en mesurant la variation de l'épaisseur d'échantillons de matériau selon l'invention EXl à des températures respectivement de 80 ⁰ C et 120 ⁰ C dans l'huile.

Les courbes 14 (correspondant aux triangles) et 16 correspondant aux cercles) ont été obtenues en mesurant la variation de l'épaisseur d'échantillons de matériau d'exemple comparatif EX-Cl à des températures respectivement de 80°C et 120 ⁰ C dans l'huile.

La mesure se fait en appliquant une pression donnée sur l'échantillon à mesurer, disposé entre deux plateaux parallèles dans une cuve comprenant de l'huile, avec des cycles où la pression est appliquée pendant 10 secondes puis relâchée pendant 10 secondes. On applique 1000 cycles de ce type puis on mesure la variation d'épaisseur entre l'échantillon initial et l'échantillon après ces 1000 cycles. Les échantillons testés sont des anneaux des matériaux en question de diamètre extérieur 50 mm et d'épaisseur 1 mm.

Une caractéristique importante du matériau correspond à la pression spécifique à laquelle une réduction d'épaisseur de 25 % est obtenue. Des courbes représentées en figure 1, on déduit les résultats suivants, présentés dans le tableau III.

Pression spécifique avec

T ( °C) réduction d' épaisseur 25 %

EXl 80° C 60 MPa

120° C 43 MPa

EX-Cl 80° C 36 MPa

120° C 30 MPa

Tableau III

On constate que le comportement du matériau selon l'invention est particulièrement avantageux, et que par exemple il supporte une pression spécifique sensiblement double à 80 ⁰ C en comparaison à un matériau où, à la place des charges de charbon actif selon l'invention, on a introduit des charges de silice amorphe.

La figure 2 reporte des résultats mesurés de tenue en fatigue des mêmes matériaux que précédemment et dans un environnement expérimental similaire.

Pour cet essai on détermine d'abord une pression spécifique d'essai inférieure de 5 MPa à la pression spécifique à laquelle on a mesuré une réduction d'épaisseur de 25 % selon l'essai précédent. On détermine alors le nombre de cycles au bout desquels un échantillon neuf perd 25% de son épaisseur initiale, pour une température donnée. On reporte en figure 2 les points mesurés disposés en fonction de la pression spécifique appliquée (exprimée en MPa, en ordonnée) et du nombre de cycles déterminé (exprimé en logarithme décimal, en abscisse) .

Les courbes 20 et 22 (correspondant aux cercles, respectivement vides et pleins) ont été obtenues pour des échantillons de matériaux selon l'invention EXl à des températures respectives de 80 ⁰ C et 120 ⁰ C. Les courbes 24 et 26 (correspondant aux carrés, respectivement vides et pleins) ont été obtenues pour des échantillons de matériaux d'exemple comparatif EX-Cl à des températures respectivement de 80°C et 120°C. On peut ainsi déterminer que la résistance à la fatigue d'un échantillon selon l'invention est considérablement améliorée en comparaison à un échantillon

où, à la place des charges de charbon actif selon l'invention, on a introduit des charges de silice amorphe.

Par exemple, si l'on considère un point de fonctionnement à 20 MPa, on montre qu'un matériau selon EX- Cl peut fonctionner pendant environ un million de cycles à 120 ⁰ C avant de perdre 25% de son épaisseur initiale, alors qu'un matériau selon l'invention, EXl, peut fonctionner dans les mêmes conditions plus de cent millions de cycles.

Des essais de frottement dynamique ont également été entrepris afin de caractériser les matériaux.

Selon une première technique d'essais, on évalue l'évolution du coefficient de frottement d'un disque dans le temps à une pression équivalente à celle à laquelle serait susceptible de fonctionner une bague de synchronisation. Un disque du matériau à étudier de diamètre externe de 130 mm, diamètre interne de 100 mm, d'épaisseur de 0,8 mm est disposé sur un contre matériau en acier XC48, dans l'huile à une température de 100 ⁰ C. L'essai se fait sur un dynamomètre et se déroule selon plusieurs phases détaillées dans le tableau IV ci-dessous.

Tableau IV

On mesure le coefficient de frottement et l'usure. On détermine le coefficient de frottement dynamique μ _d qui permet d'exprimer la capacité à développer un couple de

frottement lorsque la vitesse de glissement n'est pas nulle. Il est mesuré à différentes pressions spécifiques.

On détermine également le coefficient de frottement de fin μ _f qui permet d'exprimer la capacité à développer un couple de frottement lorsque la vitesse de glissement est quasi nulle.

On détermine également le ratio entre μ _d mitai à 1 MPa et μf à 1 MPa qui permet de quantifier la stabilité de frottement sur une plage de pression de fonctionnement.

Les essais ont été effectués avec des échantillons de matériau selon l'invention EXl et des échantillons de matériau comparatifs EX-C2. Les résultats sont reportés dans le tableau V suivant :

Tableau V

On constate que de manière avantageuse le coefficient de frottement dynamique μ _d d'un matériau selon l'invention, EXl, est plus stable en fonction de la contrainte appliquée qu'un matériau comparatif EX-C2.

De manière particulièrement avantageuse, le ratio correspondant au rapport μ _{d initia} i sur μ _f est proche de 1

pour un matériau selon l'invention, EX 1, alors qu'il est 15% inférieur pour un matériau comparatif EX-C2.

On note également que le ratio μ _{f /} μ _d aux différentes contraintes appliquées est stable et voisin de 1 pour un matériau selon l'invention EXl, alors qu'il varie d'environ 15% pour un matériau comparatif EX-C2.

Il en résulte une possibilité de garantir les performances en usage grandement améliorée.

Une autre technique d'essais tribologiques a également été mise en œuvre, dite d' « énergie croissante ».

Selon cette technique, on étudie le comportement tribologique d'un matériau soumis aux étapes ci-dessous, reportées dans le tableau VI .

Niveaux Energie Nombre Inertie Vitesse Pression Temps Mesure spécifique de (m ² xkg) (tr/min) spécifique de usure cycles cycle

Rodage 50 J /cm ² 500 0,49 136,6 X VSd 1 MPa 10 s oui

1 ^er niveau 50 J /cm ² 500 0,49 136,6 X VSd 1 MPa 10 s

2è niveau 100 J /cm ² 500 0,49 192, 9 X VSd 1 MPa 12 s

3è niveau 200 J /cm ² 500 0,49 272, 8 X VSd 1 MPa 20 s

4è niveau

300 J /cm ² 500 0,49 334,2 X VSd 1 MPa 24 s

5è niveau

400 J /cm ² 500 0,49 385,8 X VSd 1 MPa 28 s oui

6è niveau 600 J /cm ² 500 0,49 472,6 X VSd 1 MPa 43 s oui Avec Sd = 2 x S, et S étant la surface de la garniture en cm ²

Tableau VI

L'essai se fait toujours avec des anneaux de matériau disposés sur un contre-matériau en acier XC48 dans de l'huile à 100 ⁰ C.

On mesure également μ _d , μ _f , le ratio μ _f / μ _d ainsi qu'un ratio μ _{d 5} o j _/cm ² sur μ _{d 2} oo j _/cm ² qui permet de quantifier

la stabilité de frottement sur une place d'énergie dissipée comprise entre 50 J/cm ² et 200 J/cm ² .

Les figures 3 et 4 reportent respectivement les valeurs de frottement dynamique, μ _d , et du ratio μ _f / μ _d (en ordonnée) en fonction de l'énergie dissipée (en abscisse).

Les essais ont été effectués avec deux matériaux selon l'invention, EXl et EX2 et un matériau comparatif EX-C3, et les résultats reportés avec les références respectives 34, 32, 36 en figure 3 et 44, 42, 46 en figure 4. On constate en figure 3 que le coefficient de frottement dynamique, μ _d , est extrêmement stable en fonction de l'énergie dissipée quand des charges de charbon actif sont disposées en surface (EXl, 34) et stables quand des charges de charbon actif sont disposées dans le volume (EX2, 32) en comparaison aux résultats obtenus avec un matériau sans charge (EX-C3, 36) .

En outre, il est avantageux que le coefficient de frottement dynamique soit le plus élevé possible, ce qui permet par exemple d'utiliser des actionneurs de capacité réduite.

On constate que le coefficient de frottement dynamique à 200 J/cm ² des matériaux selon l'invention, EXl et EX2 est de l'ordre de 0,1, alors qu'il est environ 20% inférieur pour le matériau dépourvu de charges EX-C3. La figure 4 montre que le ratio μ _f / μ _d est remarquablement stable et compris entre 1,1 et 1,3 pour les matériaux selon l'invention (EXl, 44 ; EX2, 42) alors qu'on note une variation très importante de ce ratio pour le matériau comparatif (EX-C3, 46). Le ratio μ _d 200 j _/cm ² sur μ _{d 50} j _/cm ² a été calculé pour les matériaux mentionnés, reportés dans le tableau VII ci- dessous :

Tableau VII

Ces valeurs illustrent également la remarquable stabilité du matériau selon l'invention, EXl, EX2 comparé à un exemple comparatif EX-C3 où le matériau est dépourvu de charges .

Un matériau selon l'invention permet donc de garantir très avantageusement une capacité en couple sensiblement constante selon le niveau d'énergie dissipée.

Il est ainsi possible de simplifier notablement les lois de fonctionnement des calculateurs de boîte de vitesse, car quelle que soit la différence de vitesse à égaliser (correspondant à une énergie dissipée) , la consigne d'effort donnée à un actionneur peut être linéaire selon le couple du moteur à transmettre.

De manière générale, le matériau selon l'invention peut être mis en forme selon les techniques usuelles. Il peut notamment être surmoulé sur un support de friction. Les surfaces de support de friction peuvent être variées, notamment plates, tronconiques, cylindriques, être continues ou discontinues.

Il est également possible de créer des rainures dans le matériau de friction selon l'invention pendant l'opération de surmoulage.

A titre d'exemple, le matériau selon l'invention est produit sous forme de bandes dans lesquelles peuvent être découpées des bandelettes que l'on dispose sur un support de friction avant l'étape de surmoulage. Le matériau selon l'invention est particulièrement bien adapté pour être mis en œuvre dans des organes de couplage de transmission automatiques ou robotisés, notamment ceux fonctionnant sans ouverture de la chaîne cinématique . L' invention ne se limite pas aux exemples de réalisation et doit être interprétée de façon non limitative, et englobant tout mode de réalisation équivalent .