Titre de l’invention : Plaquette de frein excentrée

Domaine technique

[0001] L’invention se rapporte au domaine technique des freins à disque, et en particulier aux plaquettes équipant de tels freins.

Art antérieur

[0002] Dans le domaine des freins à disques, l’effort de freinage est directement lié à des paramètres tels que :

- le matériau des plaquettes ;

- le matériau du disque ;

- la superficie de la zone de friction des plaquettes sur le disque ;

- l’effort de serrage des plaquettes sur le disque.

[0003] La performance du freinage quant à elle est liée, entre autres :

- à l’effort de freinage obtenable ;

- à des paramètres cinétiques, tels que la vitesse de rotation du disque, l’énergie cinétique du véhicule embarquant le frein considéré et en particulier l’énergie cinétique à dissiper à chaque freinage ;

- à la fréquence d’utilisation du frein au cours du temps ;

- aux paramètres thermiques du frein, et notamment sa capacité à résister à la chaleur générée lors de conversion de l’énergie cinétique en énergie thermique, ou encore à dissiper cette chaleur.

[0004] La performance du freinage est également liée au comportement dynamique des plaquettes lors de leur utilisation. Une usure déséquilibrée des plaquettes conduit à une distribution hétérogène de l’effort de freinage, et par là une distribution hétérogène de la chaleur à dissiper. En particulier, les plaquettes de frein ont tendance à plus s’user sur un de leur côté : on constate que la surface de friction de la plaquette, après utilisation, n’est plus parallèle à la tôle support de la plaquette.

[0005] De plus, une usure déséquilibrée des plaquettes conduit à leur remplacement plus fréquent, alors que de la garniture de friction est encore présente à certains endroits. [0006] Les documents JP2010007729A, JPH08014282, US2937722A1 et

CN107956821 A décrivent des plaquettes pour étrier de frein à disque, dont une garniture est décalée dans un sens opposé à une direction de friction.

Exposé de l’invention

[0007] L’un des buts de l’invention est de pallier les inconvénients de l’art antérieur en proposant une plaquette pour freins à disque optimisée pour que son usure soit répartie de façon homogène, permettant d’obtenir de meilleures performances de freinage.

[0008] Un autre but de l’invention est de proposer des plaquettes de frein dont l’usure de la garniture est répartie de la façon la plus homogène possible, de manière à ne pas gaspiller des plaquettes.

[0009] À cet effet, il a été mis au point une plaquette pour étrier de frein à disque, la plaquette comprenant un tôle support avec une face arrière présentant une zone d’appui et une face avant recevant une garniture présentant une zone de friction destinée à entrer en friction avec un disque de frein selon une direction de friction.

[0010] Selon l’invention, le centre de la zone d’appui est décalé par rapport au centre de la zone de friction, dans une direction opposée à la direction de friction, d’une valeur D, de sorte que 0,1 * p * E < D < 2 * p * E, où :

- p est le coefficient de frottement de la zone de friction contre le disque ; et

- E est la distance entre la zone de friction et le centre d’une surface de montage de la plaquette, mesurée orthogonalement à la zone de friction.

[0011] En effet, le Demandeur a constaté que l’usure hétérogène des plaquettes était principalement liée à un déséquilibre des forces appliquées aux plaquettes : la force de frottement, générée par le frottement du disque contre la plaquette, a tendance à faire basculer cette dernière. En effet, un moment est généré par le transport de cette force de frottement au niveau du centre de la liaison glissière guidant la plaquette par rapport à l’étrier qui la reçoit.

[0012] Décaler le centre de la zone d’appui selon l’invention permet de générer un moment de sens inverse, qui vient limiter, voir annuler, la tendance au basculement de la plaquette lors de son utilisation. L’usure de la plaquette est ainsi mieux répartie, ce qui permet non seulement de prolonger sa durée de vie, mais également d’améliorer les performances de freinage puisque la distribution de l’effort de serrage et donc la distribution des calories générées est mieux maîtrisée.

[0013] En particulier, on obtient une répartition homogène de la pression entre la plaquette et le disque, ce qui permet d’avoir une usure identique sur toute la surface de la plaquette, et d’augmenter les performances de freinage. Si on ne fait pas ce décalage, les différences d’usure conduisent à des différences de pression locale : des endroits de la plaquette pourraient subir par exemple une pression locale de 20 bars seulement, tandis que d’autres endroits pourraient subir une pression locale de 30 bars.

[0014] La pression moyenne est de 25 bars, ce qui est en deçà d’une pression limite, par exemple de 30 bars, au-delà de laquelle on atteint la limite de température d’une plaquette et à laquelle l’usure augmente. Pourtant, les endroits qui subissent 30 bars de pression vont plus chauffer que ceux où il y a 20 bars, et atteindre ladite limite.

[0015] Grâce à l’invention, la pression est la même sur toute la zone d’appui, et on peut exploiter pleinement les capacités de la plaquette sans que des zones locales ne soient dégradées, car fonctionnant au-delà des limites acceptables.

[0016] Par centre de la zone d’appui, on entend le centre géométrique de la zone transmettant l’effort de serrage à la plaquette. Par exemple, dans le cas d’une plaquette mue par deux vérins, c’est le milieu entre les points d’application des efforts des vérins sur la plaquette. Pour la plaquette antagoniste, qui est immobile, le centre de la zone d’appui est le centre géométrique de la surface normale à la direction de l’effort de serrage, reliant la plaquette à l’étrier. Le centre de la zone d’appui est donc le point où on considère que s’applique l’effort de serrage de la plaquette.

[0017] Le même raisonnement s’applique pour le centre de la zone de friction, qui est le centre géométrique de la surface de friction, là où on considère que s’appliquent l’effort de réaction du disque sur la plaquette ainsi que l’effort de frottement.

[0018] Le décalage est mesuré selon une direction opposée à la direction de friction, qu’on considère être tangentielle à la rotation du disque, au centre de la zone de friction de la plaquette. [0019] Avantageusement, D = n * E. La plaquette ainsi montée est parfaitement équilibrée et le basculement est totalement supprimé.

[0020] Dans un mode de réalisation préféré la surface de montage est deux oreilles, chacune configurée pour coopérer avec une douille de l’étrier. Ce mode de réalisation est simple à mettre en œuvre et peu onéreux. Dans ce cas, le centre de la surface de montage est situé sur le plan médian de la tôle support.

[0021] Afin de garantir que le décalage de la plaquette est correctement orienté par rapport au sens de rotation, la plaquette comprend des moyens de fixation sur un étrier, lesdits moyens de fixation comprennent des moyens de détrompage du sens de montage de la plaquette dans l’étrier. Dans le cas inverse, le moment obtenu par le décalage s’ajouterait au moment généré par la force de frottement, et l’usure de la plaquette serait accélérée.

[0022] Dans un premier mode de réalisation des moyens de détrompage, la tôle support présente une première oreille d’un premier diamètre, et une seconde oreille d’un second diamètre différent du premier diamètre, et chaque oreille est configurée pour coopérer respectivement avec une première douille et une seconde douille d’un étrier, réalisant une liaison glissière entre la plaquette et l’étrier, et les moyens de détrompage sont la différence entre le premier diamètre et le second diamètre.

[0023] Dans ce mode, l’étrier comprend une première douille d’un premier diamètre et d’une première longueur, et une seconde douille d’un second diamètre différent du premier diamètre et d’une seconde longueur différente de la première longueur, les douilles reliant deux mâchoires de l’étrier. L’étrier reçoit des plaquettes comprenant un tôle support présentant une première oreille du premier diamètre, et une seconde oreille du second diamètre, chaque oreille est configurée pour coopérer respectivement avec les douilles.

[0024] Dans un second mode de réalisation des moyens de détrompage, la plaquette présente une partie dissymétrique configurée pour laisser un passage à une butée de l’étrier.

[0025] Dans ce mode, la partie dissymétrique est un coin biseauté de la tôle support.

[0026] Dans ce mode, l’étrier comprend deux douilles reliant deux mâchoires de l’étrier ; deux plaquettes présentant des oreilles configurées pour coopérer avec les douilles ; et une butée. La tôle support présente une partie dissymétrique configurée pour laisser un passage à la butée.

[0027] Afin de présenter les caractéristiques thermiques nécessaires aux performances de freinage accrues de la plaquette selon l’invention, la tôle support est réalisée dans un acier faiblement allié, comprenant moins de 0,3% en masse de carbone, et de préférence moins de 0,2%, et du vanadium dans une quantité comprise entre 0,2 et 0.3% en masse, le reste étant de préférence du fer avec éventuellement les impuretés raisonnablement prévisibles. La tôle est par exemple réalisée en acier 15CDV6. Ce choix de matériau permet à la plaquette de résister aux importantes élévations de température subies lors d’une utilisation intensive des freins. La présence de vanadium améliore notamment la tenue à chaud de la tôle.

[0028] L’invention concerne également un étrier de frein à disque recevant une plaquette selon les caractéristiques précitées.

[0029] L’invention concerne également un frein à disque recevant un étrier de frein selon les caractéristiques précitées. Avantageusement, le disque est réalisé en acier de cémentation comprenant moins de 0,3% en masse de Carbone, de préférence du 18NiCr5-4 ou du 16NC6. Le choix d’un tel matériau pour réaliser le disque permet de disposer d’un disque apte à être compatible avec les plaquettes selon l’invention. En effet, ces plaquettes permettant d’obtenir de meilleures performances de freinage, une quantité de chaleur importante doit être dissipée de manière brève et répétée. De tels cycles de température représentent des cycles de trempe pour le disque, qui risque de se briser sous l’effet de la modification de ses caractéristiques mécaniques ou sous l’effet de la fatigue thermique. Utiliser un acier de cémentation permet de pallier de tels inconvénients. Au surplus, la bonne connaissance du matériau du disque permet de bien connaître le coefficient de frottement p, et donc la valeur du décalage à appliquer.

Brève description des dessins

[0030] [Fig.1] est un schéma, vu de dessus, illustrant la résolution du principe fondamental de la dynamique appliqué à une plaquette selon l’invention, lors d’un freinage.

[0031] [Fig.2] est une illustration d’un éclaté d’un étrier de frein selon l’invention. [0032] [Fig.3] est une vue partielle de face d’un tel étrier.

[0033] [Fig .4] est une vue de face d’un frein à disque selon l’invention.

[0034] [Fig.5] est une vue de côté d’un tel frein.

[0035] [Fig.6] est une vue en perspective d’un étrier d’un tel frein.

[0036] [Fig.7] est une vue partielle de face d’un tel étrier.

Description détaillée de l’invention

[0037] En référence à la figure 1 , l’invention réside essentiellement dans le décalage d’une garniture (13) d’une plaquette (10) de frein, dans une direction opposée à la direction du freinage (DF). Ce décalage permet de réduire, voire de supprimer, la tendance au basculement généré par le transport de l’effort de friction (pF) depuis une surface de friction (14) jusqu’au centre de la liaison cinématique reliant la plaquette (10) à l’étrier (20) la supportant.

[0038] La plaquette (10) étant plate, on définit un repère orthonormé (0,x,ÿ,z) où :

- le plan (x,z) est parallèle à la surface de friction (14) ;

- la direction (z) est parallèle à un rayon du disque (40) passant par le centre O ;

- le centre O du repère est tel que le centre de la liaison cinématique est sur l’axe des abscisses selon la direction (x), et le point d’application de l’effort de serrage des pistons sur la plaquette (10) est sur l’axe des ordonnées selon la direction (y).

[0039] La direction du freinage (DF) est donc parallèle à la direction (x).

[0040] Il serait également possible de centrer le repère sur le point d’application de l’effort de friction : le décalage étant de valeur faible, de l’ordre de quelques millimètres seulement, l’amélioration des performances de la plaquette est obtenue quel que soit le repère utilisé parmi ces deux possibilités.

[0041] Le déséquilibre d’usure de la garniture (13) généralement constaté est une hauteur moindre du côté des abscisses négatives, une hauteur plus importante du côté des abscisses positives, et ce déséquilibre est sensiblement constant sur toute la hauteur de la garniture, selon la direction (z). Il est donc pertinent de faire la résolution du principe fondamental de la dynamique (« PFD ») appliqué à la plaquette (10) dans une projection en deux dimensions selon le plan (x; j7), plutôt que de le faire en trois dimensions. [0042] Dans le mode de réalisation illustré, la liaison cinématique est une liaison glissière obtenue par deux oreilles (17) réalisées de part et d’autre d’une tôle support (11) de la plaquette (10), et coopérant avec deux douilles (21 ) non représentées. Le point O est donc au niveau de l’épaisseur médiane de la tôle (11 ), à équidistance entre les deux oreilles (17).

[0043] La résolution du PFD appliqué à la plaquette (10) au point O fournit que la distance E entre la surface de friction (14) où est appliqué l’effort de frottement pF génère un moment selon la direction (z) au point O. Afin de contrer ce basculement, un moment de sens opposé peut être généré en décalant le point d’application de la force F du disque (40) sur la plaquette (10) dans la direction opposée à la direction du frottement (DF).

[0044] La valeur D du décalage peut être adaptée en fonction des besoins de l’homme du métier. Par exemple, la valeur D vaut strictement p*E, où :

- p est le coefficient de frottement de la garniture (13) à l’encontre du disque (40), et

- E est la distance entre la surface de friction (14) et le centre de la liaison cinématique, selon la direction (y).

[0045] Dans ce cas, les moments des forces s’annulent et la plaquette (10) est équilibrée. Il est entendu que la valeur E est une valeur nominale, mesurée sur une plaquette (10) neuve.

[0046] Cependant, en utilisation, la garniture (13) va s’user et la distance E va diminuer. Il peut donc être avantageux de choisir une valeur D qui soit inférieure, et qui vaille par exemple entre 0,3*p*E et 0,7*p*E, de préférence 0,5*p*E. Ainsi, la plaquette (10) neuve est déséquilibrée, mais lorsque la garniture (13) commence à s’user, alors la plaquette (10) tend à être équilibrée, par exemple à mi-usure, avant de basculer à nouveau vers un déséquilibre lorsque l’usure devient trop importante. Ce mode permet d’avoir une plaquette (10) proche de l’équilibre le plus longtemps possible.

[0047] A l’inverse, en fonction du comportement dynamique de l’étrier (20), il peut être intéressant de choisir une valeur D qui soit supérieure, et qui vaille par exemple entre 1 ,3*p*E et 1 ,7*p*E, de préférence 1 ,5*p*E. Cela peut par exemple être nécessaire si l’étrier a une dynamique particulière, par exemple si l’effort de serrage est généré par deux pistons de section différentes. [0048] Dans tous les cas, la valeur D est choisie de sorte que 0,1 * < D < 2 * . * E.

[0049] Les figures 2 et 3 illustrent un premier mode de réalisation d’un étrier (20) selon l’invention. Cet étrier (20) comprend une première mâchoire (20a), comprenant deux pistons reliés au maitre-cylindre et destinés à appliquer l’effort de serrage aux plaquettes (10) enserrant un disque (40) non représenté. La seconde mâchoire (20b) ne comprend pas de pistons. L’étrier (20) comprend deux plaquettes (10) selon l’invention, qui sont symétriques : l’une comprend une garniture décalée vers la gauche, alors que l’autre comprend une garniture décalée vers la droite.

[0050] La première mâchoire (20a) et la seconde mâchoire (20b) sont reliées par une première douille (21 a) et une seconde douille (21 b), de forme générale cylindrique et dont les diamètres extérieurs sont différents. L’ensemble est fixé par des vis. Les douilles (21a, 21 b) coopèrent avec une première oreille (17a) et une seconde oreille (17b) de la tôle support (11 ), afin de guider les plaquettes (10) selon une liaison glissière.

[0051] Les diamètres de la première oreille (17a) et de la seconde oreille (17b) sont respectivement adaptés à la première douille (21a) et à la seconde douille (21b), ce qui empêche de monter les plaquettes (10) à l’envers. Cela aurait pour effet d’inverser la direction du décalage, et amplifierait donc l’usure des garnitures (13). La différence de diamètre des douilles (21a, 21 b) et des oreilles correspondantes (17a, 17b) constitue donc un détrompeur, qui garantit la bonne direction du décalage lors du montage des plaquettes (10) dans l’étrier (20).

[0052] Afin que la première douille (21a) et la seconde douille (21 b) ne soient pas inversées dans l’étrier (20), leur montage intègre également des moyens de détrompage. Par exemple, la première douille (21a) présente une première longueur, et la seconde douille (21b) présente une seconde longueur différente de la première longueur.

[0053] L’étrier (20) possède quant à lui ses propres moyens de détrompage pour ne pas être monté à l’envers sur le véhicule.

[0054] Les figures 4 et 5 illustrent un frein (30) selon l’invention, intégrant un second mode de réalisation de l’étrier (20). [0055] Cet étrier (20) est détaillé aux figures 6 et 7, sur lesquelles on voit en particulier un autre mode de réalisation des moyens de détrompage qui empêchent de monter les plaquettes (10) à l’envers. Dans ce mode, les plaquettes (10) sont dissymétriques, et la partie dissymétrique laisse un passage à une butée (22) fixée sur l’étrier (20).

[0056] Dans un mode de réalisation préféré, la partie dissymétrique est un biseau (16) de la tôle (11 ). Si un utilisateur tentait de monter la plaquette (10) à l’envers, l’absence de biseau (16) sur la partie opposée serait bloquée par la butée (22) et le montage ne serait pas possible.

[0057] La plaquette (10) obtenue selon l’invention permet d’obtenir des performances de freinage supérieures, aussi la transformation de l’énergie cinétique en énergie thermique est plus importante : les plaquettes (10) et le disque (40) chauffent plus lors de leur utilisation, et lors d’utilisation intensives, ils peuvent atteindre des températures élevées, supérieures à 700°C. Cela est le cas lors de l’utilisation d’un tel frein (30) dans le domaine des sports mécaniques tels que les courses de motos, ou encore dans l’aéronautique pour les trains d’atterrissage d’avions, notamment d’avions légers.

[0058] Afin d’améliorer la résistance de la tôle (11 ) aux sollicitations en température, celle-ci est réalisée dans un acier faiblement allié, comprenant moins de 0,3% en masse de carbone, et de préférence moins de 0,2%, et du vanadium dans une quantité comprise entre 0,2 et 0.3% en masse, le reste étant de préférence du fer avec éventuellement les impuretés raisonnablement prévisibles. La tôle est par exemple réalisée en acier 15CDV6, qui est adapté à cet usage.

[0059] Notamment, des tests ont été effectués par le Demandeur en comparaison d’un acier connu sous le nom « lmex700 », ou S 690 QL selon la norme européenne EN 10025-6 : Mars 2005, et initialement utilisé pour réaliser la tôle (11 ) et le 15CDV6.

[0060] Les tests effectués résident dans des essais de flexion sur des éprouvettes en lmex700 et des éprouvettes en 15CDV6. Les éprouvettes possèdent des dimensions identiques, à l’exception de l’épaisseur en 4 mm pour l’Imex 700 et en 3 mm pour le 15CDV6. Lors du test de flexion, l’éprouvette est maintenue horizontalement et fixement à une extrémité par une bride et une masse est suspendue à l’autre extrémité de l’éprouvette. Une section de l’éprouvette, proche de la bride, a été réduite pour garantir que l’éprouvette plie à cet endroit. La distance entre l’extrémité libre de l’éprouvette et la zone de section réduite est de 150 mm.

[0061] L’éprouvette est d’abord testée à une température de 21 °C en suspendant des masses jusqu’à déformation plastique de la section réduite.

[0062] Ensuite une nouvelle éprouvette est testée en suspendant des masses et en chauffant la section réduite à 600°C. L’éprouvette est ensuite laissée refroidir à l’air libre et sa rectitude est contrôlée pour savoir si la limite élastique est dépassée. Les essais sont répétés avec des masses différentes jusqu’à trouver la limite entre la déformation élastique et plastique.

[0063] Les résultats des tests sont compilés dans le tableau ci-dessous, en notant qu’étant donné la différence d’épaisseur entre les éprouvettes, la contrainte induite calculée a été normalisée pour tenir compte de ladite différence.

[0064] [Table 1]

0065] On constate donc que le 15CDV6 résiste à une contrainte induite de 785 Mpa en étant chauffé à 600°C alors que l’Imex 700 ne résiste qu’à une contrainte de 459 Mpa. Le 15CDV6 est donc 70% plus résistant que le lmex700.

[0066] La vitesse de rotation élevée du disque (40) induit un refroidissement rapide par convection, de sorte que le disque (40) subit des cycles de trempe à intervalles réguliers. De tels cycles de montées et de descentes brutales en température impliquent une fatigue thermique au disque (40), qui se fragilise.

[0067] Afin de pallier cet inconvénient, le disque (40) est réalisé dans un acier non trempable, du type acier de cémentation, c’est-à-dire qu’il comprend moins de 0,3% de carbone. Un tel disque (40) est donc moins sensible aux cycles de température qu’on obtient avec la plaquette (10) améliorée selon l’invention.

[0068] Par ailleurs, la plaquette (10), l’étrier (20) et le frein (30) peuvent être conformés différemment des exemples donnés sans sortir du cadre de l’invention, qui est défini par les revendications.

[0069] En particulier, la valeur du décalage peut être adaptée en fonction de la configuration dynamique particulière d’un frein (30), et du point d’équilibre désiré (lorsque la plaquette est neuve ou autre).

[0070] En outre, les caractéristiques techniques des différents modes de réalisation et variantes mentionnés ci-dessus peuvent être, en totalité ou pour certaines d’entre elles, combinées entre elles. Ainsi, la plaquette (10), l’étrier (20) et le frein (30) peuvent être adaptés en termes de coût, de fonctionnalités et de performances.