EP0985102A1 - Ensemble de friction a disques, notamment pour poids lourd - Google Patents

Ensemble de friction a disques, notamment pour poids lourd

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EP0985102A1
EP0985102A1 EP98929497A EP98929497A EP0985102A1 EP 0985102 A1 EP0985102 A1 EP 0985102A1 EP 98929497 A EP98929497 A EP 98929497A EP 98929497 A EP98929497 A EP 98929497A EP 0985102 A1 EP0985102 A1 EP 0985102A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
disc
assembly according
friction assembly
discs
friction
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP98929497A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Olivier Borgeaud
Didier Clement
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Landing Systems SAS
Original Assignee
Messier Bugatti SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Messier Bugatti SA filed Critical Messier Bugatti SA
Publication of EP0985102A1 publication Critical patent/EP0985102A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F16D55/24—Brakes with substantially-radial braking surfaces pressed together in axial direction, e.g. disc brakes with a plurality of axially-movable discs, lamellae, or pads, pressed from one side towards an axially-located member
    • F16D55/26—Brakes with substantially-radial braking surfaces pressed together in axial direction, e.g. disc brakes with a plurality of axially-movable discs, lamellae, or pads, pressed from one side towards an axially-located member without self-tightening action
    • F16D55/28—Brakes with only one rotating disc
    • F16D55/32—Brakes with only one rotating disc actuated by a fluid-pressure device arranged in or on the brake
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16D2055/0075—Constructional features of axially engaged brakes
    • F16D2055/0091—Plural actuators arranged side by side on the same side of the rotor

Definitions

  • the present invention relates to a disc friction assembly, and more particularly to a friction assembly comprising a rotor disc interposed between two stator discs.
  • a field of application envisaged is in particular that of braking, transmission or retarder devices for motor vehicles, in particular heavy goods vehicles
  • Braking devices of the multi-disc type composed of several stator discs alternating with rotor discs are well known.
  • the discs are now commonly made of thermostructural composite material, in particular of carbon / carbon composite material (C / C). Indeed, these materials have excellent mechanical properties and are able to keep them until '' at high temperatures They also offer very good friction behavior and a significant gain in mass compared to traditional metal discs Stator / rotor / stator type disc braking devices
  • a problem which arises, and which the present invention aims to solve, is then to produce mounting and support structures for the stator discs which not only have the mechanical resistance necessary to take up the braking forces, but also make it possible to effectively dissipate the heat generated by friction, and this over a period of time which can be very long in comparison with what is observed on airplanes where the braking can be intense but brief.
  • discs produced at least in part from thermostructural composite material another difficulty to be overcome lies in the difference between the coefficients of thermal expansion of this material and of the metal used for the mounting and support structures of the discs.
  • the present invention provides a friction assembly of the type comprising: first and second stator discs each having an outer bearing face and an inner friction face and a rotor disc disposed between the stator discs and having two faces friction, the discs being of thermostructural composite material at least in wear parts adjacent to the friction faces; first and second support structures respectively for the external support faces of the stator discs; and an actuating device intended to act on at least one of the support structures to cause mutual tightening of the discs, an assembly in which, in accordance with the invention:
  • the first support structure has a bell shape with a bottom part on which the first stator disc rests and a skirt part which is connected to the bottom part and surrounds the discs, the bell-shaped structure having cooling means for promoting the evacuation of the heat produced by the mutual friction of the discs;
  • the second support structure has a part in the form of an annular support plate on which the second stator disc is supported;
  • the bottom part of the bell-shaped structure and the support plate are provided with keys or radial ribs which cooperate with corresponding radial housings formed in the external faces of the stator discs in order to immobilize them in rotation by relationship to support structures.
  • a characteristic of the friction assembly resides in the mode of immobilization of the stator discs by keys or ribs of the support structures which cooperate with corresponding housings in the form of radial grooves formed in the external face of the rotor discs.
  • differential expansions between the discs and the support structures can be compensated for by a relative axial displacement.
  • the heat transfer to the support structures can be minimized and it is possible to size the keys or ribs and the housings to provide air gaps in the gaps between the keys or ribs, at the outer faces of the discs, which promotes ventilation of the friction device
  • a support structure in the form of a bell provided with cooling means.
  • These may consist of ventilation openings, for example in the form of light formed in the skirt part, and / or in cooling fins, for example formed on the periphery of the skirt.
  • the bell-shaped structure is advantageously made in a single piece of foundry, for example in cast iron, which allows it to be easily conferred the required mechanical properties
  • the friction assembly may also include a support structure having a crown-shaped part connected to the skirt part of the bell-shaped support structure, this support structure being advantageously provided with ventilation openings.
  • the evacuation of the calories produced by friction can be further facilitated by providing ventilation channels in the discs, at least in the rotor disc These channels open to the outer ring of the disc and can extend to the crown inside the disc or be blind It is also possible to form branched channels in order to standardize in the volume of the disc the ratio between mass of composite material and exchange surface In addition, at least one of the discs can be formed of several sectors
  • FIG. 1 is a partial sectional view showing an embodiment of a truck wheel brake according to an embodiment of a disc friction assembly according to the invention
  • - Figure 2 is a front elevation view of the rotor disc of the brake of FIG. 1,
  • FIG. 3 is a sectional view along the plane III-III of FIG. 2,
  • FIG. 4 is a front elevation view of a stator disc of the brake of FIG. 1
  • FIG. 5 is a sectional view along the plane VV of FIG. 4
  • - Figure 6 is a partial elevational view showing the internal support face of the bell-shaped support structure of the brake of Figure 1;
  • FIG. 7 is a sectional view along the planes VII-VII of Figure 6;
  • FIG. 8 is a partial elevational view showing the external support face of the support structure of Figure 6;
  • FIG. 9 is a side view showing the skirt portion of the support structure of Figure 6;
  • - Figure 10 is an elevational view showing the support face of the brake plate-shaped support structure of Figure 1;
  • Figure 1 1 is a sectional view along the planes XI-XI of Figure 10;
  • FIG. 12 is a front elevational view showing the brake support of the brake of Figure 1;
  • FIG. 13 is a sectional view along the planes XI II— -XIII of Figure 12;
  • - Figure 14 shows different embodiments of ventilation channels in the rotor disk of Figures 2 and 3;
  • - Figure 15 is a meridian sectional view of an alternative embodiment of a rotor disc in a disc friction assembly according to the invention;
  • - Figure 16 is a view of the internal face of one of the half-discs of the disc of Figure 15; - Figure 17 is a meridian sectional view of another alternative embodiment of a rotor disc in a disc friction assembly according to the invention.
  • FIG. 18 is a partial sectional view showing an embodiment of a heavy-duty transmission according to an embodiment of a disc friction assembly according to the invention.
  • Figure 1 shows a heavy-duty front axle wheel with, conventionally, a rim 10 fixed on a hub 12 which is mounted on a spindle 14 by means of a bearing 16 with tapered rollers.
  • the brake comprises a friction assembly comprising a rotor disc 20 disposed between two stator discs 30, 40, a support structure 50 in the form of a bell against which the stator disc 30 rests, a support structure in the form of an annular plate 80 against which the stator disc 40 rests, actuators 90 acting on the plate 80, and a brake support 100 mounted on the stub axle 18 carrying the stub axle 14.
  • the stator and rotor discs are coaxial rings made of thermostructural composite material, either integrally or at least in their friction parts or wear parts adjacent to the friction faces of the discs.
  • the wear parts may be in the form of annular friction linings of thermostructural composite material fixed to a core of another material.
  • Thermostructural composite materials are composite materials which have mechanical properties making them suitable for constituting structural elements and which are capable of retaining these properties up to high temperatures. They consist of a fibrous reinforcement in refractory fibers, such as carbon or ceramic fibers, which is densified by a refractory matrix, such as a matrix also in carbon or ceramic.
  • thermostructural composite materials for brake discs are carbon / carbon or C / C materials (fibrous reinforcement and carbon matrix). It has also been proposed to use C / C-SiC materials in which the matrix is a mixed carbon-silicon carbide matrix.
  • the SiC phase of the matrix can be obtained by chemical vapor infiltration or by partial siliciding of the carbon matrix by impregnation of the C / C material with molten silicon.
  • the rotor disc 20 ( Figures 2 and 3) is an annular part integral in rotation with the wheel to be braked. To this end, the disc 20 has at its periphery or inner ring 20a notches 26 which cooperate with corresponding housings formed at the periphery of a part, or bowl, 28 fixed on the hub 12.
  • the rotor disc has two opposite friction faces 22, 24 adjacent respectively to the friction faces 32, 42 of the stator discs 30, 40.
  • Each stator disc 30, 40 is immobilized in rotation relative to the brake support 100 by means of keys or grooves which have the support structures 50, 80 and which cooperate with radial housings formed in the respective outer faces 34, 44 of the stator discs.
  • the discs 30, 40 being identical, only the disc 30 is shown in more detail in FIGS. 4, 5. It can be seen that the housings 36 formed in the rear face 34 have the shape of a radial groove of constant width and are distributed regularly around of the disc axis.
  • braking is produced by exerting an axial force on the outer face 44 of the stator disc 40, by means of the actuators 90 and by means of the support plate 80 forming a thrust plate.
  • stator disc 40 is mounted axially free, as is the rotor disc 20, so that, under the force exerted, the rotor disc 20 is pressed between the two stator discs. It will be noted that the stator disc 30 can also be mounted axially free.
  • the axial thrust force is taken up by the support structure 50 in the form of a bell illustrated in FIGS. 6 to 9.
  • This structure 50 is constituted by a piece from the foundry, for example made of cast iron, comprising an annular bottom portion 52 to which an annular skirt 70 is connected surrounding the discs.
  • each slot 54 is mounted a key 60 which is shown in the form of an enlarged perspective detail view in FIG. 7.
  • Each key 60 has a base 62 which rests on a shoulder 54s of a light 54 and a part 64 which projects inside of the bell structure 50, through a lumen 54, and beyond the internal surface 56 of the bottom part 52.
  • the annular bottom part 52 has stiffening ribs 58, at level of its internal and external peripheries, as well as in radial direction.
  • the skirt 70 has on its periphery a plurality of slots 72 (only one is shown in FIG. 7) which are formed over part of the length of the skirt from its connection with the bottom part 52, and a plurality of 'fins 74 coming from the foundry with the part 50.
  • the lights 72 distributed regularly around the axis of the brake, constitute ventilation openings for the brake.
  • the fins 74 which are formed parallel to the axis of the brake and are distributed regularly around this axis, constitute cooling fins promoting the evacuation of calories received by the part 50. It will be noted that the stiffening ribs 58 also constitute cooling fins.
  • the key parts 64 protrude inside the structure 50 over a distance slightly greater than the depth of the radial housings 36 formed on the external face 34 of the stator disc 30.
  • an air gap 66 ( Figure 1) can be arranged between the face 34 and the bottom surface 56, in the intervals between keys 60.
  • Recesses 56a, 56k formed in the bottom surface 56 between the slots 54 allow the volume of the blade to be increased air 66 which contributes to the ventilation of the brake.
  • a collar 76 At the free end of the skirt 70 is formed a collar 76 in which are formed bores 78 for the connection of the support structure 50 to the brake support 100.
  • the annular bearing or pushing plate 80 ( Figures 10, 11) has, on its face 82 facing the stator disc 40, radial ribs 84.
  • the ribs 84 are distributed regularly around the axis of the plate 80, in the same way as the radial housings formed on the outer face 44 of the stator disc 40, and are dimensioned so as to engage without circumferential play in these housings.
  • the ribs 84 protrude a distance slightly greater than the depth of the housings of the face 44 of the disc 40 so as to provide a thin air layer 86 (FIG. 1) between the face 82 and the face 44.
  • the thrust plate 80 On its outer face 88, opposite to the face 82, the thrust plate 80 has housings 92 receiving cylindrical heads 94 of the actuators 90 (FIG. 1). These are for example pistons driven by a hydraulic control fluid admitted into cylinders (not shown) in response to an action on a brake control member, in a manner well known per se.
  • the brake support 100 ( Figures 12, 13) is an annular part provided with housings 102 for the actuators 90 and integral with the structure 50 in the shape of a bell, it is preferably a metal part, for example of cast iron, coming from foundry.
  • each actuator 90 has a cylinder 96 held between a shoulder of a housing 102 and an annular piece 104 screwed onto the outer face 106 of the brake support, that is to say the face opposite the inner face 108 facing the structure 50.
  • the head 94 of each actuator rests on the bottom of a housing 92 of the thrust plate.
  • Conduits 98 connect each actuator 90 to a hydraulic control circuit (not shown). It will be noted that the actuators could also be controlled by pneumatic or mechanical means.
  • a flange 101 at the periphery of the brake support has holes 103 allowing connection with the structure 50 by means of screws 105 (FIG. 1) screwed into the bores 78 at the end of the skirt part 70.
  • Lights 107 are formed through the brake support 100 to form ventilation openings opening in the faces 108, 106.
  • a further possibility of ventilation and cooling of the discs consists in the formation of channels opening to the outer ring of the discs. These can be channels formed by blind holes or through holes connecting the outer ring to the inner ring.
  • Figure 14 illustrates different possible forms of ventilation channels for the rotor disk 20. For simplicity, four different embodiments are shown in the same figure, one per quadrant of the disk.
  • the channels 220 are radial bores opening at their ends in the inner 20a and outer 20k crowns of the disc.
  • the channels 222 are radial blind holes opening only at the outer ring 20k of the disc.
  • the channels are in pairs 224a, 224k- In each pair, they open in separate locations at the outer ring 20k of the disc and converge towards each other to open through an opening common to the inner crown 20a of the disc.
  • the channels are in groups of four 226a, 226k, 228a, 228k.
  • each group two channels 226a, 226k open at separate locations at the outer ring 20k and at the inner ring 20a of the disc 20.
  • the other two channels 128a, 128k open through an orifice common to the outer ring of the disc, this orifice being located between the orifices of the channels 226a, 226k and at an equal distance from these, and diverge to join the channels 226a, 226k, respectively, within the disc.
  • the orifices through which the channels open to the inner crown of the disc are located at the tops of the teeth between notches 26.
  • the third and fourth embodiments make it possible to adjust the value of the ratio between mass of the material and exchange surface so that its lack of uniformity within the disc is less.
  • the neighboring channels belonging to pairs of successive channels or groups of channels are mutually parallel.
  • FIGS. 15 and 16 Another alternative embodiment of a rotor disc 20 is illustrated in FIGS. 15 and 16.
  • the disc is formed by two adjoining half-discs 20 ′, 20 "symmetrical with one another with respect to their mutual contact plane.
  • Each half-disc 20 ′, 20 ′′ has notches 28 ′, 28 ′′ at its inner ring, for its connection with a rotating member, a friction face 22,24 and an internal face 23, 25
  • Recesses 229 ′, 229 ′′ are formed in the adjacent internal faces 23, 25 to form ventilation channels 229 which extend between the inner and outer rings of the disc.
  • the channels 229 extend along a curved path and have a width which increases slightly between the inner ring and the outer ring of the disc. In this way, the aerolic yield is improved and the ratio between exchange surface and mass of the material can be made substantially uniform throughout the volume of the disc.
  • the realization of the rotor disc in two half-discs allowed allows easy machining of channels having such shapes.
  • the rotor disc 20 comprises an annular metallic central core 21 and two annular friction parts 21 ′, 21 "on either side of the central core.
  • Ventilation channels 219 can be provided in the metallic core, also as described in this document. It is possible as a variant to connect the friction parts to the metal core and to ensure the connection in rotation with a rotating member only via the core.
  • a transmission brake is illustrated very schematically in Figure 18.
  • a first bell-shaped support structure 150 cooperates with the outside face of the stator disc 130, while a second support structure 180 in the form of an annular plate cooperates with the outside face of the stator disc 140.
  • the connections between the bottom part of the bell 150 and the disc 130 and between the bearing face of the plate 180 and the disc 140 are produced by means of keys and grooves respectively (not shown) which cooperate with radial grooves formed in the outer faces of the discs 130, 140, saving air space, as before.
  • the bell 150 is a metal foundry piece with a skirt portion 170 provided with cooling fins 174 and ventilation lights (not shown). At its end, the skirt 170 is connected to a brake support 200. Actuators 190 are mounted in the brake support to act axially against the external face of the support structure 180 forming a push plate.
  • the brake support 200 is further connected at its periphery, by fixing lugs 201, to a support structure 118 in the form of a bowl, which is mounted on a transmission shaft 114 by means of bearings 116.
  • the disc rotor 120 meshes by its internal notches with a crown 110 integral in rotation with the shaft 114.
  • this transmission brake is identical to that of the wheel brake described above.
  • the rotor could be provided with ventilation channels 220 and / or be made in several parts.

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Abstract

Un disque rotor (20) est disposé entre deux disque stators (30, 40; 130, 140), les disques étant en matériau composite thermostructural au moins dans des parties d'usure. Une première structure d'appui (50, 150) présente une forme de cloche avec une partie de fond (52) sur laquelle s'appuie le premier disque stator (30, 130) et une partie de jupe (70, 170) qui se raccorde à la partie de fond (52) et entoure les disques (20, 30, 40), la structure en forme de cloche présentant des moyens de refroidissement (170, 174) pour favoriser l'évacuation de la chaleur produite par le frottement mutuel des disques. Une deuxième structure d'appui (80, 180) a une partie en forme de plaque d'appui annulaire sur laquelle s'appuie le deuxième disque stator (40, 140) et la partie de fond (52) de la structure en forme de cloche et la plaque d'appui (80, 180) sont munies de clavettes (60) ou nervures radiales (84) qui coopèrent avec des logements radiaux correspondants (36) formés dans les faces extérieures (33, 44) des disques stators (30, 40; 130, 140) afin d'immobiliser ceux-ci en rotation par rapport aux structures d'appui (50, 150; 80, 180).

Description

Ensemble de friction à disques, notamment pour poids lourd
La présente invention concerne un ensemble de friction a disques, et plus particulièrement un ensemble de friction comprenant un disque rotor intercale entre deux disques stators
Un domaine d'application envisagé est notamment celui des dispositifs de freinage, de transmission ou ralentisseurs pour des véhicules automobiles, en particulier des poids lourds Des dispositifs de freinage de type multidisques composés de plusieurs disques stators alternant avec des disques rotors sont bien connus Dans de tels dispositifs de freinage installes sur des avions, les disques sont maintenant couramment réalises en matériau composite thermostructural notamment en matériau composite carbone/carbone (C/C) En effet, ces matériaux possèdent d'excellentes propriétés mécaniques et ont la faculté de les conserver jusqu'à des températures élevées Ils offrent en outre un très bon comportement en friction et un important gain de masse en comparaison avec des disques métalliques traditionnels Des dispositifs de freinage à disques de type stator/rotor/stator
(SRS) utilisant des matériaux composites C/C ont aussi été proposés pour des véhicules terrestres, mais leur utilisation reste à ce jour limitée a des domaines très particuliers, par exemple la compétition automobile en Formule I On pourra se référer notamment au brevet FR-A-2 655 397 Le gain de masse par rapport à des disques métalliques et les performances de tels dispositifs invitent à envisager une extension de leur utilisation à d'autres véhicules automobiles, en particulier à des poids lourds et ce non seulement pour des freins de roue, mais aussi pour des freins de transmission ou des ralentisseurs. Un problème qui se pose, et que vise à résoudre la présente invention, est alors de réaliser des structures de montage et d'appui des disques stators qui non seulement présentent la résistance mécanique nécessaire pour reprendre les efforts de freinage, mais aussi permettent d'évacuer efficacement la chaleur engendrée par le frottement, et ce sur une période de temps qui peut être très longue en comparaison avec ce qui est observe sur les avions où les freinages peuvent être intenses mais brefs. Avec des disques réalisés au moins en partie en matériau composite thermostructural, une autre difficulté à surmonter réside dans ia différence entre les coefficients de dilatation thermique de ce matériau et du métal utilisé pour les structures de montage et d'appui des disques. A cet effet, ia présente invention propose un ensemble de friction du type comprenant : un premier et un deuxième disques stators ayant chacun une face extérieure d'appui et une face intérieure de frottement et un disque rotor disposé entre les disques stators et ayant deux faces de frottement, les disques étant en matériau composite thermostructural au moins dans des parties d'usure adjacentes aux faces de frottement ; une première et une deuxième structures d'appui respectivement pour les faces extérieures d'appui des disques stators ; et un dispositif d'actionnement destiné à agir sur au moins l'une des structures d'appui pour provoquer un serrage mutuel des disques, ensemble dans lequel, conformément à l'invention :
- la première structure d'appui présente une forme de cloche avec une partie de fond sur laquelle s'appuie le premier disque stator et une partie de jupe qui se raccorde à la partie de fond et entoure les disques, la structure en forme de cloche présentant des moyens de refroidissement pour favoriser l'évacuation de la chaleur produite par le frottement mutuel des disques ;
- la deuxième structure d'appui a une partie en forme de plaque d'appui annulaire sur laquelle s'appuie le deuxième disque stator ; et
- la partie de fond de la structure en forme de cloche et la plaque d'appui sont munies de clavettes ou nervures radiales qui coopèrent avec des logements radiaux correspondants formés dans les faces extérieures des disques stators afin d'immobiliser ceux-ci en rotation par rapport aux structures d'appui.
Ainsi, une caractéristique de l'ensemble de friction réside dans le mode d'immobilisation des disques stators par des clavettes ou nervures des structures d'appui qui coopèrent avec des logements correspondants en forme de rainures radiales formés dans la face extérieure des disques rotors. De la sorte, des dilatations différentielles entre les disques et les structures d'appui peuvent être compensées par un déplacement axial relatif. En outre, le transfert de chaleur vers les structures d'appui peut être minimisé et il est possible de dimensionner les clavettes ou nervures et les logements pour ménager des lames d'air dans les intervalles entre les clavettes ou nervures, au niveau des faces extérieures des disques, ce qui favorise la ventilation du dispositif de friction
Une autre caractéristique de l'ensemble de friction réside dans la réalisation d'une structure d'appui sous forme d'une cloche munie de moyens de refroidissement Ceux-ci peuvent consister en des ouvertures de ventilation, par exemple en forme de lumière formées dans la partie de jupe, et/ou en des ailettes de refroidissement par exemple formées à la périphérie de ia jupe La structure en forme de cloche est avantageusement réalisée en une seule pièce de fonderie, par exemple en fonte, ce qui permet de lui conférer aisément les propriétés mécaniques requises
L'ensemble de friction pourra aussi comporter une structure de support ayant une partie en forme de couronne reliée à la partie de jupe de la structure d'appui en forme de cloche, cette structure de support étant avantageusement munie d'ouvertures de ventilation
L'évacuation des calories produites par le frottement pourra encore être facilitée en prévoyant des canaux de ventilation dans les disques, au moins dans le disque rotor Ces canaux s'ouvrent à la couronne extérieure du disque et peuvent s'étendre jusqu'à la couronne intérieure du disque ou être borgnes II est aussi possible de former des canaux ramifiés afin d'uniformiser dans le volume du disque le rapport entre masse de matériau composite et surface d'échange En outre, au moins l'un des disques peut être formé de plusieurs secteurs
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels
- la Figure 1 est une vue en coupe partielle montrant un mode de réalisation d'un frein de roue de poids lourds selon un mode de mise en œuvre d'un ensemble de friction à disques conforme à l'invention , - la Figure 2 est une vue en élévation de face du disque rotor du frein de la Figure 1 ,
- la Figure 3 est une vue en coupe selon le plan lll-lll de la Figure 2 ,
- la Figure 4 est une vue en élévation de face d'un disque stator du frein de la Figure 1 , - la Figure 5 est une vue en coupe selon le plan V-V de la Figure 4 , - la Figure 6 est une vue partielle en élévation montrant la face d'appui interne de la structure d'appui en forme de cloche du frein de la Figure 1 ;
- la Figure 7 est une vue en coupe selon les plans VII-VII de la Figure 6 ;
- la Figure 8 est une vue partielle en élévation montrant la face d'appui externe de la structure d'appui de la Figure 6 ;
- la Figure 9 est une vue de côté montrant la partie de jupe de la structure d'appui de la Figure 6 ; - la Figure 10 est une vue en élévation montrant la face d'appui de la structure d'appui en forme de plaque en frein de la Figure 1 ;
- la Figure 1 1 est une vue en coupe suivant les plans XI-XI de la Figure 10 ;
- la Figure 12 est une vue en élévation de face montrant le support de frein du frein de la Figure 1 ;
- la Figure 13 est une vue en coupe suivant les plans XI II— -XIII de la Figure 12 ;
- la Figure 14 montre différentes variantes de réalisation de canaux de ventilation dans le disque rotor des Figures 2 et 3 ; - la figure 15 est une vue en coupe méridienne d'une variante de réalisation d'un disque rotor dans un ensemble de friction à disques selon l'invention ;
- la figure 16 est une vue de la face interne d'un des demi-disques du disque de la figure 15 ; - la figure 17 est une vue en coupe méridienne d'une autre variante de réalisation d'un disque rotor dans un ensemble de friction à disques selon l'invention ; et
- la Figure 18 est une vue en coupe partielle montrant un mode de réalisation d'une transmission pour poids lourds selon un mode de mise en oeuvre d'un ensemble de friction à disques conforme à l'invention.
La Figure 1 montre une roue de train avant de poids lourd avec, de façon classique, une jante 10 fixée sur un moyeu 12 qui est monté sur une fusée 14 par l'intermédiaire d'un roulement 16 à rouleaux coniques.
Le frein comporte un ensemble de friction comprenant un disque rotor 20 disposé entre deux disques stators 30, 40, une structure d'appui 50 en forme de cloche contre laquelle s'appuie le disque stator 30, une structure d'appui en forme de plaque annulaire 80 contre laquelle s'appuie le disque stator 40, des actionneurs 90 agissant sur la plaque 80, et un support de frein 100 monté sur le porte-fusée 18 portant la fusée 14.
Les disques stators et rotor sont des anneaux coaxiaux réalisés en matériau composite thermostructurai, soit intégralement, soit au moins dans leurs parties de friction ou parties d'usure adjacentes aux faces de frottement des disques. Dans ce dernier cas, les parties d'usure peuvent être sous forme de garnitures de friction annulaires en matériau composite thermostructural fixées sur une âme en un autre matériau. Les matériaux composites thermostructuraux sont des matériaux composites qui possèdent des propriétés mécaniques les rendant aptes à constituer des éléments de structure et qui sont capables de conserver ces propriétés jusqu'à des températures élevées. Ils sont constitués d'un renfort fibreux en fibres réfractaires, telles que des fibres de carbone ou de céramique, qui est densifié par une matrice réfractaire, telle qu'une matrice également en carbone ou céramique. Les matériaux composites thermostructuraux les plus couramment utilisés pour des disques de frein sont les matériaux carbone/carbone ou C/C (renfort fibreux et matrice en carbone). Il a aussi été proposé d'utiliser des matériaux C/C-SiC dans lesquels ia matrice est une matrice mixte carbone-carbure de silicium. La phase SiC de la matrice peut être obtenue par infiltration chimique en phase vapeur ou par siliciuration partielle de la matrice carbone par imprégnation du matériau C/C par du silicium en fusion.
Le disque rotor 20 (Figures 2 et 3) est une pièce annulaire solidaire en rotation de la roue à freiner. A cet effet, le disque 20 présente à sa périphérie ou couronne intérieure 20a des crantages 26 qui coopèrent avec des logements correspondants formés à la périphérie d'une pièce, ou bol, 28 fixés sur le moyeu 12.
Le disque rotor présente deux faces de frottement opposées 22, 24 adjacentes respectivement aux faces de frottement 32, 42 des disques stators 30, 40.
Chaque disque stator 30, 40 est immobilisé en rotation par rapport au support de frein 100 au moyen de clavettes ou rainures que présentent les structures d'appui 50, 80 et qui coopèrent avec des logements radiaux formés dans les faces extérieures respectives 34, 44 des disques stators. Les disques 30, 40 étant identiques, seul le disque 30 est représenté plus en détail sur les Figures 4, 5. On voit que les logements 36 ménagés dans la face arrière 34 ont une forme de rainure radiale de largeur constante et sont répartis régulièrement autour de l'axe du disque. Dans le mode de réalisation illustré, le freinage est produit en exerçant un effort axial sur la face extérieure 44 du disque stator 40, au moyen des actionneurs 90 et par l'intermédiaire de la plaque d'appui 80 formant plaque de poussée. Le disque stator 40 est monté libre axialement, de même que le disque rotor 20, de sorte que, sous l'effort exercé, le disque rotor 20 est pressé entre les deux disques stators. On notera que le disque stator 30 peut également être monté libre axialement. L'effort de poussée axiale est repris par la structure d'appui 50 en forme de cloche illustrée par les Figures 6 à 9.
Cette structure 50 est constituée par une pièce venue de fonderie, par exemple en fonte, comprenant une partie de fond annulaire 52 à laquelle se raccorde une jupe annulaire 70 entourant les disques.
Dans la partie de fond 52, sont formées des lumières radiales 54 réparties régulièrement autour de l'axe du frein, de la même manière que les logements radiaux 36 en face extérieure du disque 30. Dans chaque lumière 54 est montée une clavette 60 qui est montrée sous forme d'une vue de détail en perspective à échelle agrandie sur la Figure 7. Chaque clavette 60 a une embase 62 qui s'appuie sur un épaulement 54s d'une lumière 54 et une partie 64 qui fait sailiie à l'intérieur de la structure en cloche 50, à travers une lumière 54, et au-delà de la surface intérieure 56 de la partie de fond 52. On notera que du côté extérieur, la partie de fond annulaire 52 présente des nervures de rigidification 58, au niveau de ses périphéries interne et externe, ainsi qu'en direction radiales.
La jupe 70 présente sur son pourtour une pluralité de lumières 72 (une seule est montrée sur la figure 7) qui sont formées sur une partie de la longueur de la jupe à partir de son raccordement avec la partie de fond 52, et une pluralité d'ailettes 74 venues de fonderie avec la pièce 50. Les lumières 72, réparties régulièrement autour de l'axe du frein, constituent des ouvertures de ventilation du frein. Les ailettes 74, qui sont formées parallèlement à l'axe du frein et sont réparties régulièrement autour de cet axe, constituent des ailettes de refroidissement favorisant l'évacuation des calories reçues par la pièce 50. On notera que les nervures de rigidification 58 constituent aussi des ailettes de refroidissement.
Avantageusement, les parties de clavettes 64 font saillie à l'intérieur de la structure 50 sur une distance légèrement supérieure à la profondeur des logements radiaux 36 formés en face extérieure 34 du disque stator 30. De la sorte, une lame d'air 66 (figure 1) peut être ménagée, entre la face 34 et la surface du fond 56, dans les intervalles entre clavettes 60. Des évidements 56a, 56k formés dans la surface de fond 56 entre les lumières 54 permettent d'augmenter le volume de la lame d'air 66 qui contribue à la ventilation du frein.
A l'extrémité libre de la jupe 70 est formée une collerette 76 dans laquelle sont formés des alésages 78 pour le raccordement de la structure d'appui 50 au support de frein 100.
La plaque d'appui, ou de poussée, annulaire 80 (Figures 10, 11) présente, sur sa face 82 tournée vers le disque stator 40, des nervures radiales 84. Les nervures 84 sont réparties régulièrement autour de l'axe de la plaque 80, de la même manière que les logements radiaux formés en face extérieure 44 du disque stator 40, et sont dimensionnées de manière à s'engager sans jeu circonférentiel dans ces logements. Les nervures 84 font saillie sur une distance légèrement supérieure à la profondeur des logements de la face 44 du disque 40 de manière à ménager une mince lame d'air 86 (figure 1) entre ia face 82 et la face 44. Des évidements 82a, 82& formés dans la face 82 de la plaque 80, dans des intervalles entre les nervures 84, permettent d'augmenter le volume de la lame d'air 86 qui participe à la ventilation du frein. On notera qu'il est possible aussi de former des lumières à travers la plaque 80, dans des intervalles entre nervures 84, pour contribuer encore plus au refroidissement du frein.
Sur sa face extérieure 88, opposée à la face 82, la plaque de poussée 80 présente des logements 92 recevant des têtes cylindriques 94 des actionneurs 90 (figure 1 ) . Ceux-ci sont par exemple des pistons mus par un fluide de commande hydraulique admis dans des cylindres (non représentés) en réponse à une action sur un organe de commande de freinage, d'une façon bien connue en soi.
Le support de frein 100 (Figures 12, 13) est une pièce annulaire munie de logements 102 pour les actionneurs 90 et solidaire de la structure 50 en forme de cloche, il s'agit de préférence d'une pièce métallique, par exemple en fonte, venue de fonderie.
Les logements 102 sont des trous traversants formés à travers la couronne du support de frein. Comme le montrent les Figures 1 , 2, chaque actionneur 90 a un cylindre 96 maintenu entre un épaulement d'un logement 102 et une pièce annulaire 104 vissée sur la face extérieure 106 du support de frein, c'est-à-dire la face opposée à la face intérieure 108 tournée vers la structure 50. La tête 94 de chaque actionneur s'appuie sur le fond d'un logement 92 de la plaque de poussée. Des conduits 98 reiient chaque actionneur 90 à un circuit de commande hydraulique (non représenté). On notera que les actionneurs pourraient être aussi commandés par des moyens pneumatiques ou mécaniques. Une collerette 101 à la périphérie du support de frein présente des trous 103 permettant la liaison avec ia structure 50 au moyen de vis 105 (Figure 1) vissées dans les alésages 78 à l'extrémité de la partie de jupe 70.
Des lumières 107 sont formées à travers le support de frein 100 pour constituer des ouvertures de ventilation s'ouvrant dans les faces 108, 106.
Dans le dispositif de freinage qui vient d'être décrit, la ventilation et le refroidissement sont assurés de façon efficace grâce aux lumières 72, 107, aux lames d'air 66, 86 et aux ailettes 74. En outre, la transmission vers les parties métalliques de la chaleur produite par le frottement mutuel des disques est limitée en raison de la faible surface de contact entre les disques stators 30, 40 et les structures d'appui 50, 80. De plus, ce contact réalisé entre des clavettes ou nervures et des logements ou rainures en faces extérieures des disques permet de s'accommoder de dilatations différentielles entre les disques et les structures d'appui, par déplacements relatifs axiaux.
Une possibilité complémentaire de ventilation et refroidissement des disques consiste dans la formation de canaux débouchant à la couronne extérieure des disques. Il peut s'agir de canaux formés par des trous borgnes ou des trous traversants reliant la couronne extérieure à la couronne intérieure.
La Figure 14 illustre différentes formes possibles de canaux de ventilation pour le disque rotor 20. Pour simplifier, quatre modes de réalisation différents sont représentés sur la même figure, un par quadrant du disque. Selon un premier mode de réalisation, les canaux 220 sont des perçages radiaux s'ouvrant à leurs extrémités dans les couronnes intérieure 20a et extérieure 20k du disque.
Dans un deuxième mode de réalisation, les canaux 222 sont des perçages borgnes radiaux s'ouvrant seulement à ia couronne extérieure 20k du disque.
Selon un troisième mode de réalisation les canaux sont par paires 224a, 224k- Dans chaque paire, ils s'ouvrent en des emplacements distincts à la couronne extérieure 20k du disque et convergent l'un vers l'autre pour s'ouvrir par un orifice commun à la couronne intérieure 20a du disque.
Enfin, dans un quatrième mode de réalisation, les canaux sont par groupes de quatre 226a, 226k, 228a, 228k. Dans chaque groupe, deux canaux 226a, 226k s'ouvrent en des emplacements distincts à la couronne extérieure 20k et à la couronne intérieure 20a du disque 20. Les deux autres canaux 128a, 128k s'ouvrent par un orifice commun à la couronne extérieure du disque, cet orifice étant situé entre les orifices des canaux 226a, 226k et à égale distance de ceux-ci, et divergent pour rejoindre les canaux 226a, 226k, respectivement, au sein du disque. On notera que les orifices par lesquels les canaux débouchent à la couronne intérieure du disque (sauf les canaux 222) sont situés aux sommets des dents entre crantages 26.
On notera aussi que les troisième et quatrième modes de réalisation permettent de régler la valeur du rapport entre masse du matériau et surface d'échange de sorte que son manque d'uniformité au sein du disque soit moindre. Dans ces modes de réalisation, les canaux voisins appartenant à des paires de canaux ou groupes de canaux successifs sont parallèles entre eux.
Une autre variante de réalisation d'un disque rotor 20 est illustrée par les figures 15 et 16. Selon cette variante, le disque est formé de deux demi-disques accolés 20', 20" symétriques l'un de l'autre par rapport à leur plan de contact mutuel. Chaque demi-disque 20', 20" présente des crantages 28', 28" à sa couronne intérieure, pour sa liaison avec un organe tournant, une face de frottement 22,24 et une face interne 23, 25. Des évidements 229', 229" sont formés dans les faces internes adjacentes 23, 25 pour constituer des canaux de ventilation 229 qui s'étendent entre les couronnes intérieure et extérieure du disque.
Comme le montre la figure 16, les canaux 229 s'étendent suivant une trajectoire incurvée et ont une largeur qui croît légèrement entre la couronne intérieure et la couronne extérieure du disque. De la sorte, le rendement aérolique est amélioré et le rapport entre surface d'échange et masse du matériau peut être rendu sensiblement uniforme dans tout le volume du disque. La réalisation du disque rotor en deux demi-disques accoiés permet un usinage aisé de canaux ayant de telles formes. Selon encore une autre variante illustrée par la figure 17, le disque rotor 20 comprend une âme centrale métallique annulaire 21 et deux parties de friction annulaire 21 ', 21 " de part et d'autre de l'âme centrale. Les parties de friction 21 ', 21 " sont en matériau composite thermostructural, par exemple en composite C/C. Elle peuvent être munies de crantages, à leur couronne intérieure, ainsi que l'âme 21 , pour assurer la liaison avec un organe tournant. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire de relier les faces de l'âme aux faces en regard des parties de friction. L'âme et les parties de friction sont alors montées flottantes en direction axiale, comme décrit dans le document FR-A-2 615 259. Des canaux de ventilation 219 peuvent être ménagés dans l'âme métallique, également comme décrit dans ce document. Il est possible en variante de relier les parties de friction à l'âme métallique et d'assurer la liaison en rotation avec un organe tournant uniquement par l'intermédiaire de l'âme.
Bien que l'on ait envisagé une application d'un ensemble de friction conforme à l'invention à un dispositif de freinage, un tel ensemble peut aussi être utilisé, comme déjà indiqué, pour un dispositif de transmission ou un dispositif ralentisseur, également pour poids lourd.
Un frein de transmission est illustré très schématiquement par la Figure 18. On retrouve un ensemble de friction très semblable à celui du frein des figures 1 à 13 avec un disque rotor 120 situé entre deux disques stators 130, 140, les disques étant identiques à ceux des figures 2 à 5.
Une première structure d'appui 150 en forme de cloche coopère avec la face extérieure du disque stator 130, tandis qu'une deuxième structure d'appui 180 en forme de plaque annulaire coopère avec la face extérieure du disque stator 140. Les liaisons entre la partie de fond de la cloche 150 et le disque 130 et entre la face d'appui de la plaque 180 et le disque 140 sont réalisées au moyen respectivement de clavettes et de rainures (non représentées) qui coopèrent avec des rainures radiales formées dans les faces extérieures des disques 130, 140, en ménageant des lames d'air, comme précédemment.
La cloche 150 est une pièce de fonderie métallique avec une partie de jupe 170 munie d'ailettes de refroidissement 174 et de lumières de ventilation (non représentées). A son extrémité, la jupe 170 est reliée à un support de frein 200. Des actionneurs 190 sont montés dans le support de frein pour agir axialement contre la face extérieure de la structure d'appui 180 formant plaque de poussée.
Le support de frein 200 est relié en outre à sa périphérie, par des oreilles de fixation 201 , à une structure de support 118 en forme de bol, qui est montée sur un arbre de transmission 114 par l'intermédiaire de roulements 116. Le disque rotor 120 engrène par ses crantages intérieurs avec une couronne 110 solidaire en rotation de l'arbre 114.
Le fonctionnement de ce frein de transmission est identique à celui du frein de roue décrit plus haut. Comme également envisagé précédemment, le rotor pourra être muni de canaux de ventilation 220 et/ou être réalisé en plusieurs parties.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Ensemble de friction à disques comprenant : un premier et un deuxième disques stators (30, 40 ; 130, 140) ayant chacun une face extérieure d'appui (34, 44) et une face intérieure de frottement (32, 42) et un disque rotor (20 ; 120) disposé entre les disques stators et ayant deux faces de frottement (22, 24), les disques étant en matériau composite thermostructural au moins dans des parties d'usure adjacentes aux faces de frottement ; une première et une deuxième structures d'appui (50, 80 ; 150, 180) respectivement pour les faces extérieures d'appui des disques stators ; et un dispositif d'actionnement (90 ; 190) destiné à agir sur au moins l'une des structures d'appui pour provoquer un serrage mutuel des disques, caractérisé en ce que : - la première structure d'appui (50 ; 150) présente une forme de cloche avec une partie de fond (52) sur laquelle s'appuie le premier disque stator (30 ; 130) et une partie de jupe (70 ; 170) qui se raccorde à la partie de fond et entoure les disques (20, 30, 40 ; 120, 130, 140) , la structure en forme de cloche présentant des moyens de refroidissement (72, 74) pour favoriser l'évacuation de la chaleur produite par le frottement mutuel des disques ; - la deuxième structure d'appui (80 ; 180) a une partie en forme de plaque d'appui annulaire sur laquelle s'appuie le deuxième disque stator (40 ; 140) ; et - la partie de fond (52) de la structure en forme de cloche et la plaque d'appui (80 ; 180) sont munies de clavettes (60) ou nervures radiales (84) qui coopèrent avec des logements radiaux correspondants (36) formés dans les faces extérieures (34, 44) des disques stators afin d'immobiliser ceux-ci en rotation par rapport aux structures d'appui.
2. Ensemble de friction selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les moyens de refroidissement comprennent des ouvertures de ventilation (72) formées dans la structure en forme de cloche (50).
3. Ensemble de friction selon ia revendication 2, caractérisé en ce que les ouvertures ont la forme de lumières (72) formées dans la partie de jupe (70).
4. Ensemble de friction seion l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement comprennent des ailettes (74).
5. Ensemble de friction selon la revendication 4, caractérisé en ce que les ailettes (74 ; 174) sont formées à la périphérie de la partie de jupe
(70 ; 170).
6. Ensemble de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la structure en forme de cloche (50 ; 150) est constituée par une pièce métallique venue de fonderie.
7. Ensemble de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la partie de fond (52) de la structure en forme de cloche est munie de clavettes rapportées (60) montées dans des logements radiaux de la partie de fond.
8. Ensemble de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les faces extérieures (34, 44) des disques stators
(30, 40) s'appuient sur la partie de fond (52) de la structure en forme de cloche (50) et sur la plaque d'appui (80) par contact entre les clavettes (60) ou nervures radiales (84) et les fonds des logements radiaux correspondants, en ménageant des lames d'air (66, 86) dans les intervalles entre clavettes ou nervures radiales.
9. Ensemble de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une structure de support (100 ; 200) ayant une partie en forme de couronne (1 10) qui est reliée à la partie de jupe (70) de la structure d'appui en forme de cloche (50).
10. Ensemble de friction seion la revendication 9, caractérisé en ce que la structure de support (100) est munie d'ouvertures de ventilation (107).
1 1 . Ensemble de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'au moins l'un des disques est formé de plusieurs secteurs.
12. Ensemble de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 , caractérisé en ce qu'au moins le disque rotor présente des canaux de ventilation.
13. Ensemble de friction selon la revendication 12, caractérisé en ce que des canaux de ventilation (220 ; 224a, 224k 1 226a, 226k : 228a, 228k) font communiquer la couronne extérieure (20b) du disque (20) avec la couronne intérieure (20a) du disque.
14. Ensemble de friction selon la revendication 13, caractérisé en ce que les canaux de ventilation comprennent des paires de canaux formées chacune de deux canaux (224a, 224k) qui s'ouvrent par des orifices séparés à ia couronne extérieure (20k) du disque (20) et convergent l'un vers l'autre pour s'ouvrir par un même orifice à la couronne intérieure (20a) du disque.
15. Ensemble de friction selon la revendication 13, caractérisé en ce que les canaux de ventilation comprennent des ensembles de canaux formés chacun d'un premier et d'un deuxième canal distincts (226a, 226k) reliant la couronne extérieure (20k) du disque (20) à la couronne intérieure (20a) du disque, et d'un troisième et d'un quatrième canal (228a, 228k) qui s'ouvrent par un orifice commun à la couronne extérieure du disque, entre le premier et le deuxième canal, et qui divergent l'un par rapport à l'autre pour rejoindre le premier et le deuxième canal, respectivement.
16. Ensemble de friction selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce qu'au moins le disque rotor (20) présente des canaux de ventilation borgnes (222) s'ouvrant à la couronne extérieure (20k) du disque.
17. Ensemble de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que le disque rotor (20) est formé de deux demi- disques (20', 20") accolés.
18. Ensemble de friction selon la revendication 17, caractérisé en ce que des rainures sont formées dans les faces en regard des demi-disques
(20', 20") pour constituer des canaux de ventilation (229).
19. Ensemble de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que le disque rotor (20) comprend une âme métallique centrale (21) et deux parties de friction (21 ', 21 ") situées de part et d'autre de l'âme métallique et réalisées en matériau composite thermostructural.
20. Dispositif de freinage, notamment pour poids lourd, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un ensemble de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 19.
21. Dispositif de transmission, notamment pour poids lourd, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un ensemble de friction seion l'une quelconque des revendications 1 à 19.
22. Dispositif ralentisseur notamment pour poids lourd, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un ensemble de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 19.
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