FR2777612A1 - Revetement de friction pour des dispositifs de transmission de couple - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne des revêtements de friction pour des dispositifs de transmission de couple, en particulier pour des embrayages à friction, constitués d'un matériau composite comprenant une matrice en verre ou en vitrocéramique, des fibres de renforcement minérales et d'une ou de plusieurs charges céramiques, vitreuses ou métalliques.
Description
Revêtement de friction pour des dispositifs de transmission de couple
La présente invention concerne des revêtements pour des dispo-
sitifs de transmission de couple, en particulier pour des embrayages à fric-
tion, constitués d'un matériau composite minéral.
Des dispositifs de transmission de couple, par exemple des embrayages à friction, doivent avoir une bonne capacité de transmission
de couple.
Des critères essentiels pour l'évaluation de revêtements de fric-
tion d'embrayages, en particulier d'embrayages de véhicules automobiles, sont - le coefficient de frottement ou de friction gI, - l'usure, - la résistance mécanique et la ténacité, - et la vitesse rotative d'éclatement,
- la tendance aux vibrations de frottement autogénérées (brou-
tage) et aux bruits de frottement,
- la résistance thermique.
Ceci signifie en particulier
La valeur du coefficient de friction!L doit être la plus élevée pos-
sible et doit dépendre le moins possible des conditions de fonctionnement et des conditions environnantes. Comme les forces transmissibles sont proportionnelles au produit du coefficient de frottement par la pression (Ix x FA), un embrayage peut être d'autant plus petit que le coefficient de
frottement!x est important, tout en maintenant la valeur des forces de pres-
sion. Le coefficient de frottement du revêtement de friction dépend du contre-élément de friction. Des contre-éléments typiques dans le domaine
des embrayages d'automobiles sont en fonte grise ou en acier. Les revête-
ments de friction utilisés actuellement dans les embrayages de véhicules automobiles présentent, dans la pratique, des coefficients de frottement I, contre de la fonte grise, compris entre 0,2 et 0,4. Lors de la conception de l'embrayage, on se base sur une valeur de 0,25, qui est compensée par des facteurs de sécurité. Le coefficient de frottement doit être le plus constant possible lorsque les conditions de température, d'humidité, de pression et
de vitesse angulaire varient.
L'usure des revêtements doit être la plus faible possible. La valeur indicative pour la durée de vie d'un revêtement, pour une utilisation conforme de l'embrayage, est la durée de fonctionnement du véhicule. Il va de soi que le contre-élément de friction ne doit pas non plus être usé trop vite par le revêtement. L'usure est exprimée par le taux d'usure
Une résistance mécanique élevée et une ténacité à la rupture éle-
vée sont nécessaires en particulier lorsque les revêtements sont fixés par rivetage. La vitesse de rotation limite à laquelle éclate le revêtement (vitesse rotative d'éclatement) doit avoir une valeur environ 1,7 à 2 fois supérieure au régime du moteur, c'est-à-dire généralement une valeur
d'environ 15 000 tours par minute, car de telles vitesses de rotation du dis-
que d'embrayage peuvent se produire en cas d'erreur de changement de vitesse, par exemple lorsqu'un conducteur d'un véhicule automobile passe
directement de la cinquième à la première vitesse.
Le phénomène de broutage fait partie des problèmes qualitatifs les plus graves dans le domaine des embrayages. On parle de broutage lorsque la fréquence propre fondamentale du groupe motopropulseur est excitée si fortement que des résonances longitudinales du véhicule se font sentir. La quantification du broutage n'est pas facile, mais ce phénomène
est d'une grande importance pour l'impression subjective du conducteur.
L'intensité d'un broutage ne dépend pas du seul revêtement, mais égale-
ment de l'architecture du système global que forme l'embrayage et de ses éléments ressorts, le broutage lié au revêtement représentant cependant
une fraction essentielle.
Pour des embrayages ne présentant pas de tendance au broutage ou seulement une tendance très faible, on dit qu'ils permettent un grand
confort de conduite.
Les revêtements de friction d'embrayages doivent pouvoir sup-
porter en pratique des contraintes thermiques très élevées sans subir des dommages, c'est-à-dire sans se déformer. L'objectif est d'augmenter le
plus possible la température limite à laquelle se produisent des phénomè-
nes dits de "patinage" (manque d'adhérence).
Un autre aspect, la compatibilité écologique des matériaux utili-
sés, peut être considéré comme résolu car il est actuellement possible de se passer de la présence d'amiante, autrefois couramment utilisé dans des
revêtements d'embrayage.
Les revêtements de friction d'embrayages de véhicules automo-
biles actuellement sur le marché sont des matériaux composites organi-
ques. ls sont constitués de fils incorporés au coeur d'un ciment de friction en résine, de caoutchoucs et de charges telles que la suie, le graphite ou le
kaolin. Les fils sont constitués de préférence de fibres en poly(acryloni-
trile), de fibres aramides, de fibres de cellulose, de fibres de verre et
d'autres types de fibres et de fils de laiton ou de cuivre. De tels revête-
ments de friction permettent un assez bon confort de conduite mais ont une
résistance thermique insatisfaisante en raison de leur constituants organi-
ques, en particulier de leur matrice organique, de sorte que la valeur du coefficient de friction diminue lorsqu'on franchit certaines limites de température pendant les changements de vitesse, et on constate alors une dégradation du confort de conduite due à un "broutage de revêtement" et finalement des phénomènes de patinage (manque d'adhérence du disque d'embrayage). La persistance des sollicitations aboutit à l'autodestruction du revêtement de friction et à une défaillance totale de la fonction
d'embrayage.
Pour certains véhicules utilitaires, par exemple des camions
poubelle, on utilise des revêtements métalliques frittés à base de cuivre.
Les revêtements frittés se distinguent par un coefficient de frottement élevé (environ 0,3 - 0,6) et une faible usure. Ils entraînent cependant une
usure considérable des surfaces des contre-éléments de friction.
Le document EP 0 469 464 B 1 divulgue un matériau composite pour revêtements de friction dans lequel la matrice de liant est consituée
d'un mélange de SiO2 et de silicates au moins partiellement hydrosolu-
bles, par exemple des silicates de métaux alcalins (verres solubles), que
l'on fait durcir en présence d'eau. Un tel matériau présentera une résis-
tance insuffisante à l'hydrolyse, ce qui peut avoir des répercussions défa-
vorables en cas de présence d'eau de condensation lorsqu'on franchit le
point de rosée.
Le document US 4 341 840 divulgue des verres renforcés par des
fibres de graphite destinés à des paliers, des joints et des freins. Ces maté-
riaux composites auront une résistance thermique insuffisante et offriront
un confort de conduite insatisfaisant.
La présente invention avait pour objectif de mettre au point un revêtement de friction pour embrayages à friction, en particulier pour embrayages à friction de véhicules automobiles, qui présente un meilleur profil de propriétés, et surtout une meilleure résistance thermique et, en relation avec ceci, la capacité de transmettre un couple plus grand pour
une surface de revêtement de friction donnée.
Il s'est avéré de manière surprenante, qu'un matériau composite purement minéral constitué d'une matrice en verre ou en vitrocéramique,
de fibres de renforcement minérales et d'une ou de plusieurs charges céra-
miques, vitreuses ou métalliques, peut remplacer des revêtements de fric-
tion habituels d'embrayages et leur est même supérieur de certains points
de vue.
La fabrication de verres renforcés par des fibres ou de vitrocéra-
miques renforcées par des fibres est bien connue et décrite dans de nom-
breuses publications parmi lesquelles on peut citer à titre d'exemples les
brevets US 4 610 917, US 4 626 515 et US 5 079 196.
Il en va de même pour l'addition de ce que l'on appelle charges ou charges fonctionnelles, appelées ci-après simplement charges, qui est connue par exemple de la demande EP 0 469 464 B 1. Ces charges jouent le rôle de matières lubrifiantes, de modificateurs du coefficient de friction
ou sont simplement des charges inertes, et sont incorporées lors du pro-
cédé de fabrication, par exemple dans la barbotine.
En principe, n'importe quel verre peut être renforcé par des fibres céramiques. Pour éviter ou diminuer les tensions internes, il est conseillé de choisir des matériaux ayant des coefficients d'expansion
thermique relativement proches. Comme les fibres de renforcement fré-
quemment utilisées sont des fibres de carbure de silicium et des fibres de carbone avec des coefficients d'expansion thermique faibles, on préfère comme matrice des verres qui ont un coefficient d'expansion thermique
/300 inférieur à 10 x 10-6/K.
La température maximale admissible pour un tel matériau com-
posite renforcé dépend de ses composants concrets ainsi que de sa struc-
ture. La température de transition vitreuse Tg du verre utilisé en tant que
matrice constitue une valeur d'orientation pour la température d'utilisa-
tion continue maximale. Le renforcement par des fibres peut cependant améliorer la résistance thermique, de sorte que des verres renforcés par des fibres peuvent supporter des températures supérieures à la Tg de la
matrice vitreuse.
Des verres particulièrement appropriés en tant que matrice sont des verres contenant de l'acide borique. Les verres borosilicatés, dont les représentant les plus connus sont commercialisés sous les dénominations Duran et Pyrex& , ont un coefficient d'expansion thermique c20/300 faible compris dans l'intervalle allant d'environ 3 à 5 x 10-6/K et une Tg comprise
entre environ 500 C et 600 C.
Ces verres contiennent généralement (en % en poids en termes d'oxydes) de 70 - 80 % de SiO2, de 7 - 13 % de B203, de 4 - 8 % d'oxydes de
métaux alcalins et de 2 - 7 % d'A1203.
On peut également utiliser comme verre de matrice des verres alumninosilicatés, en particulier des verres contenant (en % en poids en termes d'oxyde) environ 50 - 55 % de SiO2, de 8 - 12 % de B203, de 10 -
% d'oxydes de métaux alcalino-terreux et de 20 - 25 % d'A1203, car ces ver-
res ont une grande résistance thermique. Leur Tg est comprise entre envi-
ron 650 C et 750 OC.
Mais on peut également utiliser avec succès comme matrice vitreuse du matériau composite de la présente invention, des verres de silicate de métaux alcalins et alcalmino-terreux (contenant par exemple environ 74 % en poids de SiO2, 16 % en poids de Na2O, 10 % en poids de CaO) ayant une T d'environ 540 C et un coefficient OC20/300 d'environ 9 x - 6/K. Un autre verre approprié en tant que matrice est le verre de
basalte.
Conviennent également comme matrice, des verres utilisés pour des tubes de télévision, et en particulier pour la partie en entonnoir et pour l'écran.
Les verres formant l'écran sont généralement des verres de sili-
cates de métaux alcalins et alcalino-terreux ayant une forte teneur en SrO
et/ou en BaO. Les verres formant l'entonnoir sont le plus souvent des ver-
res du même type qui contiennent en plus de faibles quantités de PbO. Les
verres formant le col de tubes de télévision, dits "verres de col", présen-
tent au contraire des teneurs élevées en PbO et sont donc pour des raisons
écologiques moins appropriés pour la présente invention.
Les vitrocéramiques utilisées en tant que matrice ont une résis-
tance thermique encore plus élevée. Les vitrocéramiques et leur fabrica-
tion par cristallisation contrôlée sont connues depuis des dizaines
d'années.
Des systèmes dc matières appropriés pour des matrices en vitro-
céramique sont par exemple: Li2O - A1203 - SiO2, MgO - A1203 - SiO2, CaO A1203 - SiO2 ou MgO - CaO - BaO - A1203 - SiO2, qui peuvent être modifiés de différentes manières connues par des additifs. La matrice en vitrocéramique peut également être constituée d'un verre à borates contenant des cristaux Li2O - A1203 - SiO2ou d'autres verres cristallisables. De tels composites présentent l'avantage de pouvoir
être mis en oeuvre à des températures relativement basses mais de présen-
ter, après cristallisation, une bonne résistance thermique.
Les fibres de renforcement pour verres et vitrocéramiques sont également connues et pour la présente invention conviennent tous les types de fibres de renforcement minérales. On utilise principalement des
fibres contenant en tant que composants principaux un ou plusieurs com-
posés choisis parmi C, SiC, BN, Si3N4, A1203, ZrO2, mullite, en particu-
lier celle riche en Si de composition 3 A1203 x 2 SiO2, silicates de calcium (x CaO. y SiO2), verre quartzeux, verre à haute teneur en SiO2, c'est-à-dire un verre ayant une teneur en SiO2 supérieure à 80 % en poids, verre A, C, S ou E, ou laine de pierre, par exemple de la laine de basalte, auxquels on ajoute éventuellement des additifs Si, Ti, Zr, Al, O, C, N, par exemple des
fibres de type Sialon (Si, AI, O, N).
Le verre E est un verre alumino-borosilicate de calcium presque exempt de métaux alcalins. Le verre S est un verre aluminosilicate de magnésium, le verre C est un verre borosilicate de sodium et de calcium et
le verre A est un verre de silicate de calcium et de sodium.
Sont particulièrement intéressants des fibres en carbone et/ou en
carbure de silicium. L'utilisation d'une grande proportion de fibres de car-
bone diminue le coût du matériau composite.
On préfère tout particulièrement des matériaux composites
contenant à la fois des fibres en carbure de silicium et des fibres en car-
bone car ceci diminue l'usure et les fibres en carbone bon marché permet-
tent un ajustement des propriétés de friction.
On préfère en particulier un rapport SiC/C d'environ 1 / 4. Un abaissement de la teneur en SiC à 1/5 permet une réduction considérable du coût de fabrication du matériau composite sans que cela n'entraîne une dégradation des propriétés.
Les fibres de renforcement peuvent être pourvues d'un revête-
ment, le plus souvent mince, par exemple en carbone, en carbures, en SiO2, en A1203 ou en d'autres oxydes, dans le but d'améliorer les propriétés de
friction et le confort d'utilisation du revêtement de friction.
La teneur en fibres du matériau composite est comprise entre environ 5 et 55 % en poids. Un taux plus élevé ne peut être obtenu qu'au prix d'une augmentation considérable des coûts. Pour une teneur en fibres inférieure à 5 %, les modifications des propriétés dues au renforcement par des fibres, en particulier l'augmentation de la résistance mécanique, ne sont que très faibles et il est difficile d'obtenir une répartition régulière
des fibres dans la matrice.
Pour des raisons techniques et économiques, on préfère une
teneur en fibres allant d'environ 25 à 45 % en poids.
Lorsqu'on utilise plusieurs types de fibres différents, on obtient
ce que l'on appelle un composite hybride.
Le revêtement de friction de la présente invention contient, en plus de la matrice en verre/vitrocéramique et des fibres de renforcement minérales, une ou plusieurs charge(s) minérale(s) utilisée(s) sous forme
de poudre. Il peut s'agir de charges céramiques, vitreuses ou encore métal-
liques. On indique ci-dessous les principales charges à titre d'exemples.
On utilise du SiO2, sous forme de quartz cristallin, de verre
quartzeux ou de silice fondue, du A1203, du ZrO2, ou des oxydes similai-
res, mais aussi du Fe203 et du Cr203, des silicates de calcium tels que la wollastonite (CaO x SiO2), 2 CaO x SiO2, 3 CaO x SiO2, des silicates de magnésium et les hydrates correspondants, par exemple du talc (3 MgO x 4 SiO2 x H20), du silicate de zirconium, du mica, de la dolomite, des alumino-silicates tels que la mullite, la sillimanite, le kaolin ou l'argile, et d'autres alumninosilicates de calcium, aluminosilicates de
potassium et aluminosilicates de magnésium, par exemple de la cordié-
rite, ou encore du ciment, de l'oxyde de magnésium, du carbonate de magnésium et les hydrates correspondants, de l'aluminate de magnésium, de la chromite, de l'oxyde de titane, par exemple de la rutile, du titanate d'aluminium, d'autres carbontes tels que la chaux, également de la chaux calcinée (CaO), des sulfates comme par exemple du BaSO4, du gypse, en particulier sous forme de semi-hydrate ou anhydrite, des sulfures tels que MoS2 ou CuS, des nitrures comme par exemple BN, des carbures comme
par exemple SiC, B4C et TiC, du carbone sous forme de graphite, mais éga-
lement de la suie et de la poudre de coke, ainsi que des métaux, par exem-
ple du cuivre, de l'aluminium, du magnésium, du fer ou encore de l'acier,
ou des semi-métaux tels que le silicium et/ou des alliages de ceux-ci.
On utilise de préférence comme charges du SiO2, du A1203, du ZrO2, des silicates de magnésium et les hydrates de celui-ci, des silicates de calcium, de la mullite, du kaolin, du SiC, du TiC, du BaSO4, du BN, du carbone, de la suie ou de la poudre de coke. Parmi ceux-ci, les matières dures présentent l'avantage d'augmenter la résistance à l'usure, tandis que
les composants moins durs améliorent le confort de conduite.
On préfère tout particulièrement des mélanges de charges conte-
nant du SiO2 et du kaolin, du kaolin et du talc, du kaolin et du carbone, de la suie ou de la poudre de coke, ou du ZrO2, et du carbone, de la suie ou de la
poudre de coke.
Il est particulièrement intéressant d'utiliser une ou plusieurs
charge(s) choisie(s) dans le groupe formé par SiC, ZrO2, A1203, de la pou-
dre de carbone et de la suie.
Dans un mode de réalisation particulièrement intéressant, on utilise comme charge de la poudre de carbone ou de la suie en combinaison
avec un composant choisi dans le groupe SiC, ZrO2, A1203.
La teneur en charges dans le matériau composite est au moins
égale à environ 5 % en poids et au plus égale à 50 % en poids.
Pour des teneurs plus faibles, leur efficacité est insuffisante, des
teneurs plus élevées conduisent à des difficultés de fabrication.
On préfère en particulier une teneur en charges d'environ 25 % à
% en poids.
Un choix motivé et approprié de la matrice, des fibres et des charges permet généralement d'adapter le matériau composite à l'usage
qui en sera fait. Il est ainsi possible d'ajuster et de faire varier entre certai-
nes limites un grand nombre de propriétés physiques telles que l'expan-
sion thermique, la conductivité thermique, le fluage en cas de sollicitation thermique, le comportement tribologique etc. Les fibres incorporées dans le matériau composite permettent une grande variabilité, non seulement en ce qui concerne leur composition chimique mais également en ce qui concerne leur microstructure et leur
géométrie extérieure.
La microstructure des fibres détermine (pour une même compo-
sition chimique) leurs propriétés physiques. Ainsi, les fibres de carbone englobent par exemple des fibres à module élevé ou des fibres à haute
ténacité, dont le taux de graphitisation modifie leur comportement tribo-
logique et thermique. Il existe ainsi, pour un même type de fibres utilisé, des possibilités de variation limitées permettant d'optimiser certaines
propriétés du matériau composite.
Des possibilités de variation particulièrement riches sont liées à la géométrie (forme et dimension) des fibres de renfort et à la disposition
de ces fibres dans le composite.
Ainsi, le renforcement des verres et vitrocéramiques peut être obtenu au moyen de trichites (whiskers), de fibres courtes, de fibres longs
ou de fibres sans fin. On peut également utiliser des mats de fibres, des tis-
sés, ainsi que des non tissés (feutrines). Il est en outre possible d'adapter
la disposition des fibres dans le matériau à la géométrie de la pièce fabri-
quée à partir de celui-ci, par exemple en fabricant par embobinage des structures annulaires rondes ou présentant une autre forme ou des pièces
annulaires.
La répartition des trichites ou des fibres courtes (ayant une lon-
gueur pouvant atteindre environ 5 mm) dans le matériau composite est le plus souvent isotrope, ce qui se traduit par des propriétés isotropes. Mais il est également possible de leur conférer une orientation partielle par exemple par extrusion de brins à température élevée. Les trichites et les fibres courtes ne permettent pas d'obtenir des ténacités très élevées. Des
fibres longues ou des fibres sans fin au contraire sont disposées parallèle-
ment, au moins dans les grandes parties de la pièce composite, ce qui amé-
liore considérablement les propriétés mécaniques du matériau composite dans cette direction, mais presque pas dans la direction perpendiculaire à celle-ci. Une structure de type stratifié dans laquelle les fibres longues ou les fibres sans fin sont disposées à un certain angle les unes par rapport aux autres permet d'obtenir une certaine isotropie des propriétés, au moins
dans un plan.
La fabrication et la mise en forme d'un composite contenant des
fibres longues ou sans fin est généralement plus difficile que la fabrica-
tion de composites contenant des trichites ou des fibres courtes, mais elle
permet en retour l'obtention de propriétés mécaniques exceptionnelle-
ment bonnes dans certaines directions préférentielles. Un choix approprié de l'architecture des fibres permet de fabriquer des pièces adaptées à la sollicitation attendue. L'homme de métier peut déduire l'architecture des fibres dans ces pièces renforcées par des fibres, par exemple du domaine
des pièces en matières plastiques renforcées par des fibres.
L'utilisation de tissés ou de non tissés de fibres aboutit à des
matériaux composites qui ne présentent, certes, que des propriété de résis-
tance mécaniques moyennes par rapport à celles de matériaux composites
contenant des fibres longues ou sans fin, mais qui permettent une fabrica-
tion très économique. Il est ainsi possible d'infiltrer des tissés ou des non tissés par exemple avec des verres fondus ou avec des solutions sol-gel qui peuvent ensuite être transformées par un traitement thermique adéquat en
verre ou vitrocéramique.
La technique de fabrication du matériau, c'est-à-dire l'utilisa-
tion de trichites, de fibres longues ou courtes, de fibres sans fin, de tissés ou de non tissés, dépend des sollicitations physiques et techniques réelles auxquelles il sera exposé, et bien entendu des coûts de production qui
déterminent le prix du matériau et par conséquent sa rentabilité.
Compte tenu des exigences particulières concernant les spécifi- cations techniques et de la nécessité d'une production rentable, on utilise de préférence pour le revêtement de friction de la présente invention des fibres courtes à orientation aléatoire, mais on peut également obtenir de
bons résultats avec des architectures de fibres orientées.
Les propriétés mécaniques telles que la résistance mécanique et le module d'élasticité de verres ou vitrocéramiques renforcés par des fibres dépendent essentiellement de la quantité et de la disposition des fibres qu'ils contiennent. Les propriétés thermomécaniques telles que le coefficient d'expansion thermique, et les propriétés thermique telles que la conductivité thermique, dépendent, comme les propriétés tribologiques
telles que le coefficient de friction et l'usure, de la composition du compo-
site global, c'est-à-dire de la teneur et des propriétés de chacun des com-
posants.
Ainsi, on obtient avec des fibres de carbone ou des fibres en car-
bure de silicium disposées selon une seule direction et pour une teneur en
fibres d'environ 40 %, des résistance à la rupture en flexion-traction supé-
rieures à 1200 MPa et des modules d'élasticité supérieurs à 130 GPa, accompagnés d'une augmentation du travail de rupture par rapport à des
verres ou vitrocéramiques purs, non renforcés par des fibres. Pour des dis-
positions multridirectionnelles ou aléatoires des fibres, ou pour des teneurs en fibres différentes, on obtient des résistances mécaniques et des modules d'élasticités plus faibles qui dépendent de la teneur du matériau
composite en fibres disposées dans le sens de la contrainte.
Des verres renforcés uniquement par des fibres en SiC ont une conductivité thermique anisotrope très faible d'environ 1,5 W x m-1 x K- 1, qui peut être modifiée par introduction de composants supplémentaires et ceci de manière dépendante de la teneur de ceux-ci. Ainsi, l'addition de fibres de carbone et/ou de poudre de carbone, de poudres métalliques et/ou céramiques, améliore la conductivité thermique et également l'expansion
thermique. L'addition de composants ayant une faible conductivité ther-
mique et une faible expansion thermique tels que le verre quartzeux per-
met de diminuer la valeur de ces paramètres. Les matériaux composites permettent unusinage mécanique facile, de sorte qu'ils peuvent être montés facilement sur le disque
d'embrayage par exemple par rivetage, vissage ou collage.
Les matériaux composites minéraux décrits ayant une matrice insoluble dans l'eau résistent particulièrement bien aux sollicitations
thermo-tribo-mécaniques combinées particulières auxquelles sont expo-
sées les revêtements d'embrayages. Ils satisfont également aux exigences
concernant la vitesse rotative d'éclatement.
Il est surprenant que ces revêtements ne sont pas seulement très
résistants aux températures élevées mais satisfont à l'ensemble des exi-
gences. Ainsi, en plus d'une résistance mécanique suffisante, ils présen-
tent un coefficient de friction élevé et constant et une faible usure, et per-
mettent un grand confort de conduite. En particulier cette dernière pro-
priété n'était pas prévisible.
Concrètement, ces matériaux composites se distinguent des
revêtements de friction d'embrayages habituels à base de matériaux orga-
niques par une meilleure résistance à la chaleur continue, une usure contre de la fonte grise inférieur à 5.10-5 mm3/Nm, un coefficient de friction g
contre de la fonte grise compris entre 0,3 et 0,8 ainsi qu'une grande cons-
tance du coefficient de friction pour des vitesses de glissement allant de 4 à 40 m/s. Le coefficient de friction et le taux d'usure ont été déterminés avec un dispositif bloc-anneau, o l'anneau joue le rôle de contre-élément métallique complémentaire, à des pressions pouvant atteindre 5 MPa et avec des vitesses relatives pouvant atteindre 5 m/s. Des mesures avec un
dispositif pion-disque o le disque joue le rôle de contre-élément métalli-
que donnent les mêmes résultats.
Les matériaux composites conviennent donc parfaitement en tant que revêtements de friction pour des embrayages à friction. Pour cet
usage, ils sont supérieurs aux matériaux utilisés jusqu'ici. Ils se distin- guent des revêtements organiques utilisés habituellement par leur résis-
tance élevée à la chaleur continue. Ils se distinguent des revêtements en métal fritté par le bon confort de conduite qu'ils offrent, ainsi que par la
faible usure du contre-élément de friction.
Les matériaux composites décrits constitués uniquement de
composants minéraux possèdent donc l'ensemble des propriétés avanta-
* geuses exigées que l'on ne trouvait que partiellement réalisées pour les matériaux connus. Ils conviennent par conséquent parfaitement pour des
embrayages à friction très différents.
L'embrayage de véhicule à moteur habituel est l'embrayage à
friction à sec qui permet d'isoler le moteur du reste de la chaîne de propul-
sion et de l'y relier de nouveau sans à-coups avec une contrainte de couple.
Des embrayages à friction à sec sont utilisés surtout dans des véhicules
automobiles et des véhicules utilitaires. Pour ces embrayages, les revête-
ments de friction de la présente invention conviennent parfaitement.
L'architecture standard d'un embrayage de véhicules à moteur comprend un diaphragme vissé au volant d'inertie, un disque d'embrayage glissant axialement sur l'arbre d'entrée de la boîte de vitesse et pourvu de deux revêtements de friction, un amortisseur de torsion intégré dans le disque d'embrayage et un dispositif de débrayage qui transmet, via la
butée à billes, la course de débrayage des éléments de commande non rota-
tifs au diaphragme. Le volant d'inertie joue le rôle de contre-surface de
friction du disque d'embrayage.
Les matériaux composites décrits conviennent comme revête-
ments de friction aussi bien pour ces embrayages standard que pour des embrayages perfectionnés tels que des embrayages à volant d'inertie à deux masses, des embrayages de "pontage" pour convertisseurs de couple
ou des embrayages de boîtes de vitesses automatiques.
Un autre type d'embrayage est l'embrayage dit "humide". On le
trouve en particulier dans certains types de véhicules automobiles et véhi-
cules utilitaires tels que les motos et des tracteurs. Les matériaux compo-
sites décrits conviennent également très bien comme revêtement de fric-
tion pour ce type d'embrayage "humide".
Les matériaux composites décrits peuvent également être utili-
sés dans des embrayages de différents types de véhicules spécialisés, par exemple ceux utilisés dans des mines et des exploitations à ciel ouvert, les véhicules militaires, par exemple des affûts automoteurs, ou encore des
véhicules agricoles.
L'actionnement automatique d'embrayages nécessite également
des revêtements de friction. Les matériaux composites décrits convien-
nent également très bien pour cette application.
Les matériaux composites ne conviennent pas seulement comme revêtement de friction pour des accouplements de véhicules automobiles
utilisés en tant qu'embrayages de démarrage et/ou d'embrayages de chan-
gement de vitesse, mais également comme revêtement de friction pour d'autres embrayages de propulsion, par exemple pour des turbomachines et des machines de fabrication, par exemple des machines de pression et des machines pour l'industrie textile, ainsi que pour des installation de
transport, d'acheminement et de levage.
nI est bien connu que des revêtements de friction pour embrayage à friction, modifiés de manière appropriée, conviennent également pour
des freins.
Exemples
L'invention est illustrée ci-après à l'aide d'exemples de réalisa-
tion. On a fabriqué de manière habituelle, à savoir selon un procédé
sol-gel à partir d'une barbotine, pour différentes combinaisons de matiè-
res, des matériaux composites renforcés par des fibres disposées de
manière aléatoire.
On a évalué différentes propriétés mécaniques et tribologiques par des essais sur banc d'essai et dans des véhicules à moteur. On a mesuré des résistances mécaniques comprises entre 150 et 250 MPa et des modules d'élasticités allant jusqu'à 100 GPa, valeurs qui
varient en fonction des différentes compositions.
Les pourcentages de composition indiqués ci-après sont des
pourcentages en poids.
D'un côté, on a fabriqué des matériaux composites exempts de charges, constitués de 50 % d'une matrice en verre borosilicaté (Duran ) et de 50 % de fibres courtes en SiC et/ou C, ayant une longueur de 1 à 50 mm, présentes en différentes proportions: V1 à V5. Les teneurs en fibres et les résultats des mesures (coefficient de friction et taux d'usure) sont
rassemblés dans le Tableau 1.
En partant de V 1 (uniquement des fibres SiC) présentant un coef-
ficient de friction de 0,4, un taux d'usure de 2.10-6 mm3/Nm et un confort de conduite insuffisant, un accroissement de la teneur en fibres de carbone permet certes d'augmenter la valeur du coefficient de friction jusqu'à 0,8 (V5, uniquement des fibres de carbone), mais on constate également une
augmentation du taux d'usure jusqu'à une valeur de 3.10-5 mm3/Nm (V5).
Le confort de conduite n'est que légèrement amélioré.
Tableau 1
Coefficient de friction et taux d'usure de matériaux composites constitués de 50 % d'une matrice en verre borosilicaté et de 50 % de fibres.
V1 V2 V3 V4 V5
fibres: SiC 50 % 40 % 25 % 10 % -
C - 10% 25 % 40 % 50 %
coefficient de friction 0,4 0,45 0,58 0,65 0,8 taux d'usure (mm3/Nm) 2.10-6 4.10-6 7.10-6 10.10-6 30. 10-6 0W On a fabriqué d'autre part des matériaux composites comprenant % d'une matrice en verre borosilicaté (Duran ), 30 % de fibres dont 6 % en carbure de silicium et 24 % en carbone, et 30 % de différentes charges et
mélanges de charges.
Lorsqu'on les compare aux exemples comparatifs exempts de charges qui donnent de bons résultats en ce qui concerne le coefficient de friction et le taux d'usure mais un confort de conduite moins satisfaisant, on constate que le coefficient de friction reste élevé (environ 0,4 - 0,6), que le taux d'usure est maintenu voire même réduit, et que le confort de
conduite est amélioré.
Plus précisément Lorsque la charge est une poudre de SiC, ZrO2 ou A1203 ou un mélange de telles poudres, le coefficient de friction est élevé (pouvant atteindre environ 0,7) et on constate surtout une diminution de l'usure, qui est abaissée par exemple pour 30 % de ZrO2 à une valeur de 1.10-6
mm3/Nm. Le confort de conduite se trouve également un peu amélioré.
Le Tableau 2 montre les valeurs du coefficient de friction et de
taux d'usure pour deux exemples (B1, B2).
Lorsqu'on utilise, comme charge, de la poudre de carbone et/ou de la suie, le coefficient de friction est amélioré ou reste élevé. Le confort de conduite se trouve également amélioré. Le taux d'usure augmente cependant un peu mais reste dans des limites supportables. Les exemples
B3 et B4 du Tableau 2 illustrent ces constatations. Le kaolin fait égale-
ment partie de cette famille de charges.
Lorsque la charge est constituée d'un mélange comprenant d'une part une poudre de carbone, de suie ou de kaolin, et d'autre part une poudre de SiC, ZrO2 ou d'A1203, avec une proportion globale de la charge égale à 30 %, on constate une amélioration du confort de conduite. Le coefficient de frottement et le taux d'usure restent suffisamment bons ou sont même
améliorés (voir Tableau 2, BS - B8).
Le revêtement de friction constitué d'une matrice, de fibres et de charges offre par conséquent, en comparaison avec les exemples exempts de charges, un meilleur confort de conduite et présente à la fois de bons coefficients de friction, c'est-à-dire des coefficients de friction élevés, et
une bonne, c'est-à-dire faible, usure.
Tableau 2 Coefficient de friction et taux d'usure de différents matériaux composites comprenant 40 % d'une matrice en verre borosilicaté, 30 % de
fibres (6 % de SiC, 24 % de C) et 30 % de charges.
charge coefficient de usure friction g (mm3/Nm) B 1 30 % ZrO2 0,43 1.10-6
B2 30 % A1203 0,42 5.10-6
B3 30 % C 0,58 11.10-6
|B4 30 % suie 0,46 14.10-6 B5 27 % de ZrO2 0,45 2.10-6 3 % de suie B6 15 % de ZrO2 0,6 30.10-6 % de kaolin
B7 15 % A1203 0,63 27.10-6
L_ _ 15%C I
B8 15 % SiC 0,43 5.10-6 l_ _ 15%C
Claims (18)
1. Revêtement de friction pour des dispositifs de transmission de
couple, en particulier pour des embrayages à friction, constitué d'un maté-
riau composite minéral, le matériau composite minéral étant constitué d'une matrice en verre ou en vitrocéramique, de fibres de renforcement minérales et d'une ou de plusieurs charges céramiques, vitreuses ou métalliques.
2. Revêtement de friction selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la matrice vitreuse est composée de verre borosilicaté, de
verre alumnino-silicaté, de verre de silicate de métaux alcalins et alcalino-
terreux ou de verre de basalte.
3. Revêtement de friction selon la revendication 1, caractérisé
par le fait que la matrice vitrocérarnmique est constituée d'une vitrocérami-
que appartenant aux systèmes Li2O - A1203 - SiO2, MgO - A1203 - SiO2,
CaO - A1203 - SiO2 ou MgO - CaO - BaO - A1203 - SiO2, ou de verres à bora-
tes contenant des cristaux Li2O - A1203 - SiO2.
4. Revêtement de friction selon l'une des revendications 1 à 3,
caractérisé par le fait que les fibres de renforcement contiennent, comme composants principaux, un ou plusieurs composés choisis parmi C, SiC, BN, Si3N4, A1203, ZrO2, mullite, silicates de calcium, verre quartzeux, verre ayant une teneur en SiO2 supérieure à 80 % en poids, verre A, C, S ou E, ou laine de pierre, et éventuellement comme additifs du Si, Ti, Zr, AI, C,
NouO.
5. Revêtement de friction selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les fibres de renforcement sont en carbone et/ou en carbure
de silicium.
6. Revêtement de friction selon la revendication 4 ou 5, caracté-
risé par le fait que les fibres de renforcement sont pourvues d'un revête-
ment en carbone, en carbures, en SiO2 ou en A1203.
7. Revêtement de friction selon l'une quelconque des revendica-
tions 1 à 6, caractérisé en ce que la teneur en fibres est comprise entre 5 et
% en poids.
8. Revêtement de friction selon la revendication 7, caractérisé
par le fait que la teneur en fibres est comprise entre 25 et 45 % en poids.
9. Revêtement de friction selon l'une quelconque des revendica-
tions 1 à 8, caractérisé par le fait que la ou les charges sont constituées de poudres de SiO2 (sous forme de quartz cristallin, de verre quartzeux ou de
silice fondue), d'A1203, de ZrO2, de Fe203, de Cr203, de silicates de cal-
cium, de silicates de magnésium et des hydrates correspondants, de silica-
tes de zirconium, d'aluminosilicates, d'aluminosilicates de calcium, d'aluminosilicates de potassium, d'alumino-silicates de magnésium, de mica, de ciment, d'oxyde de magnésium, de carbonate de magnésium et des hydrates correspondants, d'aluminate de magnésium, de chromite, de dolomite, d'oxyde de titane, de titanate d'aluminium, de carbonates, de sulfates, de carbures, de sulfures, de nitrures, de carbone (sous forme de
graphite), de suie ou de poudre de coke, de fer, d'acier, de cuivre, d'alumi-
nium, de silicium, de magnésium et/ou d'alliages de ceux-ci.
10. Revêtement de friction selon la revendication 9, caractérisé par le fait que le ou les charges sont constituées de poudre de SiO2,
d'A1203, de ZrO2, de silicates de magnésium ou des hydrates correspon-
dants, de silicates de calcium, de mullite, de kaolin, de SiC, de TiC, de
BaSO4, de BN, de carbone, de suie ou de poudre de coke.
11. Revêtement de friction selon la revendication 10, caractérisé
par le fait que les charges sont constituées d'un mélange de SiO2 et de kao-
lin, d'un mélange de kaolin et de talc, d'un mélange de kaolin et de car-
bone, de suie ou de poudre de coke, ou d'un mélange de ZrO2 et de carbone,
de suie ou de poudre de coke.
12. Revêtement de friction selon la revendication 10, caractérisé par le fait que la ou les charges sont constituées de SiC et/ou de ZrO2 et/ou
d'A1203 et/ou de poudre de carbone et/ou de suie.
13. Revêtement de friction selon la revendication 12, caractérisé par le fait que les charges sont constituées d'un mélange de poudre de car-
bone ou de suie et d'un composant choisi parmi SiC, ZrO2 et A1203.
14. Revêtement de friction selon l'une quelconque des revendi-
cations 1 à 13, caractérisé par le fait que la teneur en charges est comprise
entre 5 et 50 % en poids.
15. Revêtement de friction selon la revendication 14, caractérisé
par le fait que la teneur en charges est comprise entre 25 et 40 % en poids.
16. Revêtement de friction selon l'une quelconque des revendi-
cations 1 à 15, caractérisé par le fait que le matériau composite présente un coefficient de friction t contre de la fonte grise au moins égal à 0,3, mesuré dans un dispositif bloc-anneau ou pion-disque, o l'anneau ou le
disque jouent le rôle de contre-élément de friction métallique, à des pres-
sions allant jusqu'à 5 MPa et des vitesses relatives allant jusqu'à 5 m/s, qu'il présente un coefficient de frottement constant pour des vitesses de
glissement de 4 - 40 m/s, et un taux d'usure inférieur à 5.10-5 rmm3/Nm.
17. Utilisation du revêtement de friction selon l'une quelconque
des revendications 1 à 16, pour des accouplements de véhicules automobi-
les utilisés en tant qu'embrayages de démarrage et/ou d'embrayages de
changement de vitesse.
18. Utilisation du revêtement de friction selon la revendication 17 pour des embrayages à friction à sec dans des véhicules automobiles et
des véhicules utilitaires.
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