Titre de l’invention : Disque de frein perfectionné

Domaine technique

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

Art antérieur

[2] 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.

[3] 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.

[4] Les disques sont soumis au frottement important des plaquettes. Alors que les plaquettes sont des pièces d’usure dont le remplacement est aisé, le remplacement d’un disque est plus compliqué. La tendance habituelle est de concevoir des disques résistants à l’usure, afin que l’intervalle entre deux remplacements soit rallongé. Dans ce cas, la caractéristique souvent recherchée est la dureté du disque.

[5] Dans le domaine des sports mécaniques tels que les courses de motos, ou encore dans l’aéronautique pour les trains d’atterrissage d’avions et notamment d’avions légers, les freinages sont intenses, et parfois répétés sur une courte période. Ces freinages répétés ou intensifs conduisent à une hausse importante de la température de la plaquette et du disque, qui peuvent atteindre des températures supérieures à 700°C. La hausse de température peut être particulièrement rapide, en quelques secondes seulement.

[6] La vitesse de rotation élevée du disque ainsi que sa géométrie plane induisent un refroidissement rapide par convection. De tels cycles de montées et de descentes brutales en température fragilisent le disque.

[7] Il est connu des documents WO2019106805A1 et US20110198170A1 des solutions pour alléger des plaquettes de frein.

[8] Le document CN103952637B décrit des disques de frein réalisés en alliages spécifiques, et dont la teneur de 13 éléments d’addition sont spécifiées.

[9] Il est connu du document US20060113008A1 des disques de frein constitués d’alliages fortement alliés.

[10] Il est également connu l’article « Les Matériaux De Freinage » de Jacques RAISON et paru dans le numéro de Juillet/Aout 1991 de La Revue Générale Des Chemins De Fer.

Exposé de l’invention

[11] L’un des buts de l’invention est de pallier les inconvénients de l’art antérieur, en proposant un disque de frein dont la résistance aux sollicitations thermiques est améliorée par rapport aux solutions de l’art antérieur.

[12] A cet effet, il a été mis au point un disque pour frein à disque, remarquable en ce qu’il est réalisé en acier comprenant moins de 0,3% en masse de carbone, et de préférence 0,2%, tel qu’un acier de cémentation.

[13] De cette manière, le disque est à faible trempabilité. C’est-à-dire que lorsqu’il subit des descentes rapides de température tels que précitées, sa structure cristalline ne sera pas modifiée comme elle pourrait l’être avec l’utilisation d’un acier trempable, par exemple s’il contient plus de carbone.

[14] Il est en effet courant de constater que les disques de freins, lors d’utilisations intensives, sont chauffés au rouge. Leur température est donc de l’ordre de 700°C à 800°C. Or il est rappelé qu’à une température supérieure à 723°C, la perlite présente dans un acier est intégralement transformée en austénite.

[15] Un refroidissement rapide, entre autres favorisé par la convection à laquelle est soumise le disque en rotation, est donc susceptible de tremper l’acier, le carbone de l’austénite n’ayant pas le temps de diffuser au sein du disque : une partie de l’austénite devient de la martensite, qui est dure mais cassante.

[16] Ce phénomène engendre de surcroît des tensions internes au sein du disque.

[17] Eviter le phénomène de trempe protège donc le disque.

[18] Par ailleurs, un disque selon l’invention est également moins sujet à la fatigue thermique, due à l’alternance des dilatations de la matière lors des chauffes puis rétractations lors des refroidissements. Un tel disque résiste donc mieux lors d’une utilisation intense et répétée, en sport mécanique par exemple, en particulier de compétition.

[19] Dans un mode de réalisation, le disque est réalisé en acier 18NiCr5-4. Dans un autre mode, le disque est réalisé en acier 16NC6. Ces deux nuances comprennent peu de carbone, et ne prennent pas la trempe. Elles présentent néanmoins des caractéristiques mécaniques intéressantes pour le domaine considéré. Au surplus, ces nuances correspondent à des aciers faiblement alliés. Contenant peu d’éléments d’addition, elles sont plus simples à fabriquer et donc moins onéreuses.

[20] L’invention concerne également un frein à disque configuré pour recevoir un disque selon les caractéristiques précitées.

[21] De préférence, le frein comprend un étrier muni de plaquettes comprenant une tôle support recevant une garniture, et 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. Cette nuance d’acier, qui est habituellement destinée aux pièces devant être soudées, permet néanmoins de réaliser une plaquette qui présente des caractéristiques mécaniques et thermiques suffisantes pour obtenir une plaquette légère et résistante. La présence de vanadium améliore notamment la tenue à chaud de la tôle. Le disque et la plaquette plus résistants aux contraintes thermiques permettent de concevoir un frein plus performant, pouvant par exemple subir des efforts de freinage plus importants.

[22] Ce choix particulier de nuance d’acier permet de réaliser une tôle support présentant une épaisseur comprise entre 2 et 6mm seulement, ce qui permet d’alléger la plaquette.

[23] La tôle présente des moyens de liaison cinématique avec un étrier du frein. En pratique, afin que la plaquette ne se déforme pas, même à haute température, une partie de ces moyens de liaison est configurée pour résister à des efforts mécaniques plus importants que le reste des moyens de liaison, et prend la forme d’une portion renforcée. L’autre partie est au contraire allégée.

[24] Dans un premier mode de réalisation, la tôle support présente une première oreille d’un premier diamètre, et une seconde oreille d’un second diamètre supérieur au premier diamètre. 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. La portion renforcée est la seconde oreille. Etant donné que la surface de la seconde oreille transmettant les efforts est plus grande, la pression de contact est inférieure, ce qui prévient le matage.

[25] L’invention concerne également un étrier comprenant 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 une tôle support présentant une première oreille du premier diamètre, et une seconde oreille du second diamètre, et chaque oreille est configurée pour coopérer respectivement les douilles.

[26] Dans un second mode de réalisation, la tôle support présente une première oreille et une seconde oreille, configurées pour coopérer respectivement avec des douilles d’un étrier de diamètres identiques, réalisant une liaison glissière entre la plaquette et l’étrier, et la portion renforcée est une augmentation des dimensions de la tôle à proximité de la seconde oreille. [27] Dans ce mode, l’invention concerne également l’étrier comprenant deux douilles de diamètres identiques 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.

Brève description des dessins

[28] [Fig.1] est une vue de face d’un frein à disque selon l’invention.

[29] [Fig.2] est une vue de côté d’un tel frein.

[30] [Fig.3] est une illustration d’un éclaté d’un étrier d’un frein selon l’invention.

[31] [Fig.4] est une vue partielle de face d’un tel étrier.

[32] [Fig.5] est une vue en perspective d’un autre étrier d’un frein selon l’invention.

[33] [Fig.6] est une vue partielle de face d’un tel étrier.

Description détaillée de l’invention

[34] En référence aux figures 1 et 2, l’invention réside en ce que le disque (40) de frein (30) est réalisé en acier comprenant moins de 0,3% de carbone, parfois appelé acier de cémentation. De telles nuances peuvent être par exemple du 18NiCr5-4 ou du 16NC6. Certains éléments d’addition pouvant améliorer la trempabilité d’un matériau, il est évident que la nuance doit être choisie parmi un alliage connu pour diminuer la trempabilité..

[35] Le choix d’un tel acier, qui présente pourtant une dureté moins importante que celle d’autres matériaux couramment utilisés pour réaliser des disques de frein, permet néanmoins, tel que l’a découvert le Demandeur, d’avoir une durée de vie plus longue.

[36] En effet, le disque (40) selon l’invention est moins sensible aux sollicitations thermiques auxquelles il est soumis, que ces sollicitations soient :

- une montée à une température supérieure à 700°C, puis une redescente à une température ambiante en moins de quelques minutes, voire secondes ; et/ou

- une utilisation à fréquence élevée du frein (30), typiquement de 5 à 10 freinages par minute lors d’une utilisation en sport mécanique. [37] L’invention concerne également un frein (30) équipé d’un tel disque (40). En effet, les améliorations apportées au disque (40) permettent de repousser les limites d’utilisation d’un tel frein (30), qui peut être utilisé de manière plus intensive, ou à des températures plus élevées.

[38] Les plaquettes (10) d’un frein (30) étant soumises aux mêmes températures que le disque (40), elles doivent également être optimisées pour que le frein (30) soit durable.

[39] En particulier, les plaquettes (10) comprennent une garniture (13) et une tôle support (11 ), et cette tôle (11 ) est acier 15CDV6.

[40] Par rapport à l’acier structurel classiquement utilisé pour réaliser des tôles (11 ), ce choix permet d’obtenir une tôle (11 ) qui soit plus résistante, tant d’un point de vue thermique que mécanique. A haute température, la résistance mécanique de la tôle (11 ) est nettement supérieure.

[41] 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.

[42] 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

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

[44] 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.

[45] 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.

[46] [Table 1]

47] 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 plus résistant que le lmex700.

[48] Il est donc possible de concevoir une plaquette (10) plus légère, notamment en diminuant l’épaisseur de la tôle (11 ). Par exemple, celle-ci mesure entre 2 mm et 6 mm d’épaisseur seulement. En pratique, il est possible d’augmenter les performances, à épaisseur de tôle constante, ou de diminuer l’épaisseur de la tôle, à performances constantes. Par exemple, la tôle peut passer de 6 mm d’épaisseur à 4,5mm, en gardant les mêmes performances

[49] La plaquette (10) d’un frein (30) est une pièce d’usure, et son remplacement doit être aisé. Aussi son montage, et en particulier la liaison cinématique la reliant à un étrier (20), doit être la plus simple possible. Cette liaison est donc généralement minimaliste, et est assurée par des surfaces fonctionnelles les plus petites possible et les plus simples possible. [50] Ces surfaces fonctionnelles, qui encaissent pourtant l’effort de freinage, sont donc généralement soumises à un matage, ou encore la tôle support (11 ) des plaquettes (10) peut se déformer. En prévention, il est souvent nécessaire de dimensionner à la hausse les plaquettes (10), et en particulier leurs tôles supports (11).

[51] Afin qu’une diminution de l’épaisseur ne fragilise pas les surfaces de liaison cinématique de la plaquette (10) avec l’étrier (20), ces moyens de liaison comprennent une portion renforcée (19).

[52] Mais la direction des freinages importants est toujours la même, celle de l’avance du véhicule : il n’est donc pas judicieux de renforcer l’intégralité des moyens de liaison cinématique, mais seulement les surfaces qui s’opposent aux efforts de freinage importants.

[53] En référence aux figures 3 à 6, la plaquette (10) est, dans le mode illustré, dissymétrique : une seule portion renforcée (19) est présente, disposée de manière à retenir la plaquette (10) selon la direction de freinage (DF) illustrée aux figures 3 et 6. Les plaquettes (10) étant dissymétriques, il convient de ne pas les monter à l’envers sur l’étrier (20). Des moyens de détrompage sont donc présents.

[54] Les figures 3 et 4 illustrent un premier mode de réalisation, dans lequel :

- les moyens de détrompage sont une différence entre un premier diamètre de montage et un second diamètre de montage ;

- la portion renforcée (19) est le second diamètre, qui est supérieur au premier diamètre.

[55] Plus précisément, la tôle support (11 ) présente une première oreille (17a) du premier diamètre, et une seconde oreille (17b) du second diamètre, et chaque oreille (17a, 17b) est configurée pour coopérer respectivement avec une première douille (21a) du premier diamètre et une seconde douille (21 b) du second diamètre, reliant des mâchoires (20a, 20b) de l’étrier (20) et réalisant ainsi une liaison glissière entre la plaquette (10) et l’étrier (20).

[56] Puisque le second diamètre est supérieur au premier diamètre, la surface de la liaison encaissant les efforts de freinage importants est supérieure. Inversement, la pression de contact est moindre et le matage de cette surface est évité. [57] En revanche, conserver un premier diamètre inférieur permet d’utiliser une première douille plus petite, donc plus légère.

[58] 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.

[59] Les figures 5 et 6 illustrent un second mode de réalisation dans lequel :

- les moyens de détrompage sont une dissymétrie de la tôle (11 ), qui laisse un passage (16) pour une butée (22) de l’étrier (20). ;

- la portion renforcée (19) est un agrandissement des dimensions de la tôle (11 ), du côté opposé au passage (16).

[60] Le passage (16), qui est dans le mode illustré sous forme d’un biseau, sert à ce que la butée (22) n’autorise le montage de la plaquette (10) que dans un seul sens de montage. Ce passage (16) est ménagé du côté d’une première oreille (17a) de la tôle (11 ), qui n’encaisse pas les efforts importants de freinage, dû au sens de montage de la plaquette (10).

[61 ] La portion renforcée (19) est disposée du côté d’une seconde oreille (17b) de la tôle, qui encaisse les efforts importants de freinage, dû à son sens de montage.

[62] La portion renforcée (19), sous forme d’un agrandissement des dimensions, permet d’augmenter localement le moment quadratique de la tôle (11 ), empêchant ainsi sa déformation sous charge. Du côté de la première oreille (17a), il n’est pas nécessaire d’augmenter le moment quadratique, donc la dimension de la tôle est au contraire réduite.

[63] Dans ce mode, les deux douilles (21 ) reliant les mâchoires (20a, 20b) de l’étrier (20) sont de diamètres identiques.

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

[65] 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. [66] 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.