CA2316939A1 - Frein electromagnetique - Google Patents

Abstract

Un frein à disque intégré dont la force motrice comprend un ensemble d'anneaux magnétiques incluant une armature mobile liée à une couronne de friction mobile. Cette armature ayant une forme annulaire est disposée sur le côté opposé à un stator annulaire de l'ensemble de l'anneau magnétique et des ponts de transfert liant l'armature à la couronne de friction. Ce frein comprend de plus un système de contrôle du freinage utilisant la valeur du couple souhaitée et développée pour compenser pour les déformations physiques du frein et assurer la répétitivité du freinage.< /SDOAB>

Description

FREIN ÉLECTROMAGNÉTIQUE
L'invention a pour but une amélioration des freins à disque et plus particulièrement des freins à commande électrique utilisant une force électromagnétique.
Depuis un certain nombre d'année la technologie des freins a beaucoup évolué. Les véhicules ont été équipés de freins à tambour, puis de freins à disque à l'avant et de freins à tambour à l'arrière. Aujourd'hui, beaucoup de véhicules sont équipés de freins à disque à l'avant et à
l'arrière.
La particularité des freins à disque est d'assurer une action de force dite de freinage sur une partie seulement du disque de freinage. Le frein à
disque est solidaire de la roue qui doit être freinée, celui-ci est constitué
d'un disque de métal dont le poids et les dimensions sont en relation directe avec l'énergie qui doit être dissipée pendant le freinage. Le disque est mis en contact avec les plaquettes de frein dont la surface de contact n'est réelle que sur une partie seulement du disque de freinage, environ 20% à 30%.
L'action de freinage consiste à appliquer une pression variable sur les plaquettes. La pression est mise en oeuvre à l'aide d'un ensemble piston plus étrier solidaire de la partie dite de la liaison au sol du véhicule, c'est-à-dire de la suspension. Selon les types de freins, la force de freinage est appliquée à l'aide d'un ou de plusieurs pistons qui sont mis en mouvement, généralement par des moyens hydrauliques. La pression appliquée dans les chambres du ou des pistons exerce une poussée sur les plaquettes.
Cette action permet de résoudre l'équation suivante: la pression (P) dans le ou les cylindres multipliée par la surface (S) des plaquettes en contact avec le disque détermine la force (F) appliquée sur le disque, ce que l'on exprime par la relation F=k(P*S), où k est une constance de proportionnalité.

-2-La force de freinage est donc en relation avec les paramètres de pression et de surface. Le coefficient k dépend des caractéristiques des matériaux de friction et des paramètres physiques d'utilisation du frein qui sont la température, les états de surfaces, les vibrations, etc.
On constate que la dimension de la surface des plaquettes est un des deux facteurs principaux qui détermine la grandeur des forces qui seront appliquées sur le disque, l'autre étant la pression. Dans les dispositifs connus, il n'est pas souhaitable d'augmenter la pression qui atteint dans certains cas des niveaux de l'ordre de 175 bars à 200 bars et méme plus. Des difficultés qui sont dues au niveau de pression entraînent des risques de fuites ou d'éclatement des canalisations, une usure prématurée des parties tournantes des pompes hydrauliques, ainsi que des phénomènes de "collages de tiroirs", en particulier pour les éléments linéaires du contrôle des débits de fluide.
II s'en suit qu'il est plus intéressant d'augmenter les surfaces de friction entre le disque et les plaquettes et de diminuer les pressions. Cette analyse a conduit la société Corporation De Frein NewTech à breveter (brevets américains n°S 5,205,380; 5,478,983; 5,330,034; 5,410,123;
5,205,380; 5,651,430) et à construire un frein qui utilise des couronnes de friction sur les 360 degrés de la surface de friction du disque et ceci sur chaque face du disque.
La Figure 1 donne la conception d'un tel frein. La description de son fonctionnement est la suivante: le frein comporte une cage 1 dans laquelle se monte une couronne de friction circulaire 2 qui est désignée sous le nom de couronne de friction fixe parce qu'elle est bloquée mécaniquement lors de l'assemblage du frein au fond de la cage. Un disque 3 qui comporte deux faces de friction dans lequel ont été aménagées des alvéoles de ventilation est engagé de manière coulissante sur le porte moyeu 4, le coulissement étant rendu possible grâce à des bossages ou dents qui sont implantées sur

-3-la périphérie du porte moyeu 4 et des encoches correspondantes qui sont formées à l'intérieur du disque 3. La deuxième couronne de friction 5 qui est mobile est mise en mouvement sous l'action de la pression hydraulique appliquée dans la membrane 6 qui est la chambre de mise en pression du frein. Sous l'action de la pression, la membrane 6 se développe et pousse la couronne 5 qui vient en appui sur la face du disque 3 en vis-à-vis. Le disque 3 muni des encoches coulisse sur les bossages du porte moyeu et l'autre face du disque vient en contact avec la couronne de friction fixe, selon un mode de fonctionnement que l'on peut appeler embrayant.
Lorsque la pression n'est plus appliquée dans la membrane, les ressorts 7 qui avaient été compressés précédemment reprennent leur position initiale.
Ils agissent de telle manière qu'il se produit un mouvement de coulissement inverse et que les deux couronnes 2, 5 ne sont alors plus en contact avec les deux faces du disque 3.
L'efficacité du frein, et par la suite celle du freinage, est multipliée par un coefficient de l'ordre de 4 et les capacités thermiques de dissipation des énergies nettement améliorées. La pression appliquée sur les couronnes de friction est divisée par un facteur de l'ordre de 10.
Ce frein connu sous le nom de frein à disque à contact intégral ouvre la voie à l'utilisation de générations de freins hydrauliques et de commandes hydrauliques dites de basse pression. Ceci permet non seulement de résoudre les problèmes qui ont été cités précédemment mais surtout de répartir la puissance sur une plus grande surface et donc d'aborder la question de la nature des énergies de commande d'une autre manière.
En effet, lorsque l'on compare les deux technologies, celle de la mise en action des plaquettes de frein et celle des couronnes de friction du frein à disque à contact intégral, on constate la chose suivante:

-4-Pour un frein conventionnel à plaquettes et avec les techniques connues à ce jour, la pression au cm2 peut être augmentée et cela dans un espace restreint donné. Ceci n'est pas un problème trop difficile à résoudre si l'on prend bien en compte les inconvénients cités précédemment.
Toutefois si l'on veut, dans les mêmes dimensions, remplacer la pression hydraulique par une pression d'origine électromagnétique, par exemple en utilisant un actionneur tel qu'un moteur électrique associé à un réducteur, mécanique, il faut prendre en compte deux problèmes. Le premier est que sans réducteur la taille du moteur sera très importante si les caractéristiques des matériaux magnétiques utilisés sont faibles. Dans le cas où l'on améliore les caractéristiques techniques des matériaux, par exemple en utilisant des terres rares, les dimensions seront réduites mais le coût du moteur sera élevé.
Le deuxième est qu'avec l'utilisation d'un réducteur on peut traiter le problème de la dimension du moteur mais on ajoute des inerties mécaniques qui ne sont pas compatibles avec les besoins de rapidité des temps de réponse qui sont nécessaires dans les applications de freinage.
L'objet de l'invention est d'apporter des solutions aux problèmes des contraintes de dimensions et d'inertie d'une commande électrique à
moteur qui peuvent être résolus en mettant à profit la conception du frein à
disque intégral de la société Corporation de Frein NewTech et principalement la dimension et le diamètre des couronnes de friction circulaires. L'invention propose de créer une force d'origine magnétique de l'ordre de 10000 et 12000 Newton, de remplacer la membrane qui sert de chambre de pression par un actionneur de type électromagnétique et donc de mettre en oeuvre un circuit magnétique contrôlé par un système de contrôle qui gère la fréquence des impulsions pour contrôler le freinage.
II est utilisé un capteur de force dont la fonction est de mesurer le couple développé dans le frein et qui introduit dans une boucle de contrôle

-5-associée à un module de correction de gain et de phase des informations délivrées par ledit capteur de couple, assure une prise en compte des paramètres de dispersion du dispositif mécanique et de la friction. La boucle de contrôle assure les corrections qui sont nécessaires au contrôle du courant dans l'anneau magnétique et par la suite au contrôle de la force appliquée au disque de friction de manière à obtenir la répétitivité du fonctionnement des freins.
On décrira plus en détail ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, un dispositif conforme à la présente invention en référence aux dessins annexés sur lesquels:
La Figure 1 est une vue éclatée en perspective illustrant un frein à
contact intégral conformément à l'art antérieur;
La Figure 2 est une vue éclatée en perspective illustrant un frein à
disque intégral dans laquelle on peut voir l'invention;
La Figure 3 est une section axiale d'un détail du frein selon la Figure 2;
La Figure 4 est un diagramme dans lequel on peut voir l'évolution de la force en fonction de l'entrefer;
La Figure 5 est une vue en perspective et en section illustrant de façon schématique une réalisation du frein à disque intégral selon l'invention;
Les Figures 6A et 6B sont des diagrammes montrant le circuit électronique de commande;
La Figure 6C est une vue en perspective et en section de la réalisation de l'invention et la Figure 6D est une vue en perspective élargie d'un détail de la Figure 6C;
La Figure 7A est une vue en perspective et en section de la réalisation de l'invention selon les Figures 2 à 5;
Les Figures 7B à 9 sont des vues en perspective illustrant différents exemples ou réalisations d'une partie du frein à disque intégral selon l'invention;

-6-La Figure 10 est une vue en perspective, partiellement en section, illustrant une autre réalisation de l'invention;
La Figure 11 est une vue en perspective élargie, partiellement en section, des éléments de la Figure 10;
La Figure 12 est une vue éclatée en perspective de l'ensemble du frein à disque intégral dans laquelle on peut voir les éléments de la Figure 10; et La Figure 13 est une vue éclatée élargie en perspective illustrant un détail des éléments du frein à disque intégral de la Figure 10.
Le circuit magnétique, tel qu'illustré à la Figure 2, est constitué d'un élément magnétique 8 et d'une bobine 9 formant un circuit magnétique dont le nombre d'ampères tours est compris entre 800 et 900 et dont la puissance à la commande est de l'ordre de 150 W. L'armature dont le dessin et le montage sont illustrés à la Figure 3 est positionnée par rapport au circuit magnétique de telle manière que l'entrefer soit de 0.2mm. La courbe à la Figure 4 donne l'évolution de la force que développe l'ensemble circuit magnétique armature lorsque l'entrefer varie. Cette figure illustre que pour obtenir une force précise, une valeur moyenne du courant doit être établie dans la bobine du circuit magnétique.
Le paramètre principal du circuit électromagnétique de commande du frein à disque intégral est l'intensité du champ magnétique dont la formule est H=1.25 n A/m. Ce qui signifie que plus on mettra de tours de fil et d'intensité sur un matériau magnétique plus le champ sera élevé, jusqu'à
la limite de saturation admissible, et donc plus le circuit sera en mesure de créer de l'induction B. II en résulte alors une force F=B*B*S/2 p,o où ~o est la perméabilité par rapport au vide.
La conception du frein à disque intégral permet de placer un circuit magnétique bobiné circulaire dont le diamètre moyen est compris entre 250mm et 290mm. Le calcul montre que pour

-7-B=1.8T à la fermeture (induction) S=x(270*10-3)*(10*10-3)=8.5*10-3 m2 (surface de contact de l'armature) po =4~*10-' (perméabilité relative du vide) F=10 935 Newton Alors que la force demandée est comprise entre 6000 et 8000 Newton pour chaque frein d'un véhicule de gamme moyenne.
La Figure 5 illustre un frein équipé d'un circuit magnétique bobiné
auquel est associée une armature dite armature active ou actionneur électromagnétique. Cette armature 11, grâce à l'utilisation d'un pont de transfert 11 b, est solidaire de la couronne de friction mobile 5 qui pousse l'ensemble des éléments mobiles du frein.
Lorsque le courant passe dans la bobine 9 du circuit magnétique et donc lorsque l'armature est attirée sous l'effet du champ magnétique créé, la fonction actionneur magnétique est assurée. L'ensemble mobile constitué
par les pièces 11 b et 12 permet d'appliquer la force sur une face du disque et, de part le mouvement de translation du frein, sur l'autre face également.
Pour assurer des performances répétitives, il est nécessaire que l'entrefer entre le circuit magnétique bobiné 8, 9 et l'armature 11 soit sensiblement le même lorsqu'il n'y a pas de courant dans la bobine. II faut donc que le circuit magnétique bobiné 8, 9 soit maintenu à une distance constante de la couronne de friction 5 qui est la plus éloignée de la roue et ceci quelle que soit l'usure du frein.
La Figure 6 donne un mode de réalisation du montage mécanique qui permet de conserver un entrefer constant en fonction de l'usure du frein.
D'après les Figures 5 et 6 un anneau 12 est interposé entre la couronne de friction 5 et le pont de transfert 11 b. Les éléments du pont de transfert 11 b sont en biseau, tel qu'illustré au numéro 13, et coopèrent avec _$_ des surfaces de biseau sur l'anneau 12. Un système de ressorts non illustré
pourrait effectuer un mouvement rotationnel des éléments du pont de transfert 11 b en relation avec l'anneau 12 afin de compenser l'usure.
La géométrie du frein est de nature à réaliser des associations de circuits et de fonctions qui permettent de monter dans l'espace disponible des combinaisons de montage de circuits magnétiques de tailles plus ou moins importantes. La Figure 6A donne une idée de ces réalisations. Les circuits magnétiques qui sont des matériaux magnétiques et des bobines sont polarisés sur chaque face nord sud ou sud nord en fonction du sens du courant qui traverse les bobines. Le sens du champ magnétique d'attraction créé par le circuit magnétique sera donc en relation avec la manière dont sera commandé le courant dans la bobine. On comprend aisément que la combinaison des stratégies de commande des courants dans les bobines, ainsi que la position des armatures par rapport aux stratégies de commande, entraînera des mises en action des armatures dans un sens ou dans l'autre et que la rapidité de la mise en oeuvre des forces de freinage sera plus ou moins rapide.
Dans le but d'assurer la commande des courants dans la ou les bobines, il est utilisé un circuit qui détermine le courant dans le circuit magnétique en fonction de la force de freinage demandée.
Les Figures 6A et 6B donnent un exemple de réalisation d'une telle commande. On peut utiliser un circuit de type VN 20N de la société SGS
Thomson par exemple qui est un commutateur de puissance auto protégé.
La bobine du circuit magnétique est connectée au point B entre la sortie C
du circuit et la tension d'alimentation continue du point A, dite source, qui peut étre une tension continue de 12 volts ou de 24 volts.
Le signal de commande destiné à créer des ampères/tours dans le circuit magnétique est appliqué sur le point D. La mise en forme de ce _g_ signal est assurée par un circuit logique qui compare le signal de commande D et quatre autres entrées qui sont: une entrée statut E qui est une autorisation de mise en fonctionnement du circuit logique; une entrée T
qui est celle de la température du circuit utilisé et qui, au-delà d'une certaine valeur d'échauffement de l'ordre de 150°C, met le circuit logique en mode interruption de commande (cette température provoquera l'arrét de la commande du commutateur de puissance); une autre entrée F de contre-réaction, dite boucle de contrôle du courant, qui circule dans la charge et qui a pour fonction de couper le courant dans le transistor de puissance si ce courant devient excessif. Dans le cas considéré, un courant excessif est préférablement supérieur à 30 ampères environ. La mise en court-circuit de la charge, du tore par exemple, provoque un courant excessif.
Lorsque le court-circuit disparaît, la circulation du courant est de nouveau autorisée dans la charge. Une entrée G correspondante contrôle la tension d'alimentation du circuit VN20N et de la charge et, dans le cas où la tension d'alimentation est insuffisante, permet au circuit logique de ne pas commander le commutateur de puissance. Un signal de commande mis en forme D' est obtenu du circuit logique.
Une diode H est connectée aux bornes du commutateur de puissance dans le but de le protéger des effets selfiques d'une charge, tel qu'un circuit électromagnétique bobine, lorsque le courant de circulation dans la charge est interrompu. D'autres montages de protection qui sont capables de réduire les effets selfiques sont également utilisés. Ces montages sont des combinaisons de plusieurs éléments, diodes, résistances, condensateurs et même certaines valeurs de selfs bobinées.
Dans le mode de réalisation où l'ensemble du circuit magnétique est constitué d'un anneau magnétique, d'une bobine et d'une armature, l'armature est attirée proportionnellement et de manière cyclique, sous l'influence d'une commande électronique de modulation du courant dans la bobine dont les caractéristiques sont, à titre d'exemple, une fréquence de commande de l'ordre de 300 Hz à 1000 Hz dont la valeur préférée est 1000 Hz pour les voitures et de l'ordre de 100 à 150 Hz pour les motocyclettes, un entrefer variable de 0.25 mm à 0.75 mm, et un rapport cyclique variable qui détermine un courant moyen variable de 0 à 12 ampères.
On obtient alors, pour une valeur de l'entrefer contrôlée une force d'application sur la plaque de friction du frein. Toutefois, compte tenu des dispersions, des caractéristiques mécaniques, de l'usure et des tolérances de montage de l'ensemble de la mécanique du frein, il est très difficile d'obtenir pour un courant moyen et un entrefer variable, une application sur la plaque de friction du frein d'une force répétitive et par la suite, pour le frein, d'un couple répétitif. En effet, si la distance de l'armature évolue en fonction de l'usure du frein, alors pour un courant moyen de commande, il sera obtenu un entrefer qui ne permettra pas d'obtenir la force désirée.
Une solution consiste à contrôler la distance entre l'armature et la plaque de friction du frein, ce qui, si l'on considère le montage mécanique est, d'un point de vue technique, difficile à réaliser et, d'un point de vue économique, peu favorable. De plus, cette manière de procéder ne donne aucune assurance quant à la force réelle exercée sur la plaque de friction' et, par la suite, sur l'ensemble des parties en friction dans le frein. II
faut ajouter que ne sont pas prises en compte les variations des coefficients de friction du frein et encore moins les dispersions de la valeur des forces de frottement dues à la poussée mécanique du disque à l'intérieur du frein.
Une autre solution consiste à tenir compte de l'usure des frictions du frein et à considérer l'ensemble circuit magnétique plus bobine plus armature, en faisant en sorte que l'ensemble soit lié à la plaque de friction.
Ainsi, lorsque l'usure augmente, la distance anneau magnétique armature reste constante. Ceci veut dire que la plaque de friction et l'ensemble du dispositif magnétique sont solidaires. Dans ce cas, il est alors nécessaire d'utiliser un lien entre l'anneau magnétique et l'araignée ("spider") (voir Figure 6C) et de déplacer l'anneau par pas d'usure de 0.25 mm ce qui est assuré par les ressorts et les cliquets (voir figure 6D).
Pour les autres paramètres qui ne permettent pas une bonne répétitivité du fonctionnement du freinage, on procède au contrôle du couple du frein, c'est-à-dire au contrôle des forces appliquées sur l'ensemble du frein. Un capteur de force dit «capteur de couple» monté sur le frein (voir Figures 6A et 6D) permet de mesurer le couple réel.
Dans ce cas, il est mis en oeuvre une boucle de contrôle qui compare la consigne de commande, c'est-à-dire le couple que doit délivrer le frein et le couple réel qu'il délivre. Le résultat de la comparaison détermine un courant de commande dans l'anneau magnétique et, par la suite, un entrefer entre l'armature et l'anneau magnétique. Cet entrefer est compatible avec la force qui doit être appliquée sur la plaque de friction. Un régulateur de couple assure sur le signal délivré par le capteur entraine les corrections de gain et de phase qui sont nécessaires au bon fonctionnement de la boucle de régulation.
L'anneau électro-magnétique est un électro-aimant proportionnel dont la commande électronique est réalisée sur la base d'une modulation à
une fréquence fixe pour une base de temps de 3 millisecondes (300 Hz) et dont on fait varier le rapport cyclique pour obtenir un courant moyen qui permet de maintenir un entrefer constant et, par conséquent, une force d'application constante sur la plaque de friction liée à l'armature.
Les Figures 6 à 9 montrent des variantes ou différentes réalisations des éléments tel que l'anneau magnétique 8, l'armature 11 b et l'anneau 12.
Dans la Figure 7, ces éléments sont des éléments annulaires continus.
Dans la Figure 8 l'anneau magnétique et l'armature sont des segments en quatre pièces. Dans la Figure 9 nous trouvons huit segments de ces éléments.
La réalisation à partir de la Figure 10 a quelque peu évoluée et est améliorée en comparaison avec la réalisation que nous percevons dans les Figures 2 à 9, mais l'invention reste la méme.
Si nous faisons référence à la Figure 12 nous pouvons voir les différents éléments qui forment la force motrice du frein à disque intégral.
Par exemple, l'élément annulaire 101 qui représente la couronne de friction et qui est montré de façon transparente est poussé par les éléments qui sont décrits et qui représentent le système électromagnétique. En fait, l'anneau magnétique comprend le stator 102 qui renferme le boîtier 105 dans lequel on peut trouver la bobine magnétique 104 couverte par une feuille d'étanchéité 103. L'armature 107 qui est adjacente au stator 102 n'est espacée de plus de 1 mm et de préférence de 0.5mm. L'armature 107 ainsi que le stator 102 sont fabriqués de fer pur et peuvent étre magnétisés.
Les ponts de transfert 106 sont, dans cette réalisation, indépendants de l'armature 107 et faits avec des matériaux non magnétisables tel que le laiton, l'aluminium ou l'acier inoxydable.
En opération, lorsqu'une charge électrique est fournie dans le circuit magnétique, dont la bobine 104, le stator 102 est magnétisé. Puisque le stator 102 est fixe dans le support 108, il attire l'armature 107 en mouvement de glisse pour fermer l'entrefer entre ces deux éléments. Le mouvement de glisse axial de l'armature 107 pousse les ponts de transfert 106 qui de ce fait appuient une force motrice contre la couronne de friction 101 pour appliquer les freins.
Les ponts de transfert 106 sont montés sur l'armature 107, tel qu'illustré dans la Figure 13, c'est-à-dire qu'ils sont retenus par des encoches 107a prévus dans l'armature 107.

II est prévu qu'un capteur de couple pourrait être intégré au support 108. Un tel capteur est décrit dans la demande internationale publiée le 19 août 1999 sous le n° WO 99/41565 intitulée "capteur d'extensiométrie destiné à mesurer les déformations à calage mécanique de première pose et calibrage automatique" au nom de NewTech Mecatronic Inc. (cette demande de brevet est incluse par référence). Ce capteur de couple pourrait fournir au circuit électronique de commande, tel qu'illustré à la Figure 6A, des données pour ajuster la compensation.

Claims

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme suit:

1. Un frein à disque intégré dont la force motrice comprend un ensemble d'anneaux magnétiques incluant une armature mobile liée à une couronne de friction mobile, l'armature ayant une forme annulaire et disposée sur le côté opposé à un stator annulaire de l'ensemble de l'anneau magnétique et des ponts de transfert liant l'armature à la couronne de friction caractérisé en ce qu'il comprend de plus un système de contrôle utilisant une valeur du couple développé dans ledit frein et une valeur du couple souhaitée de manière à compenser des effets des déformations physique dudit frein et assurer une répétitivité d'un fonctionnement dudit frein.