FR3132337A1 - Plaquette de frein à refroidissement optimisé - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne une plaquette (10) pour étrier de frein à disque, la plaquette (10) comprenant une tôle support (11). Selon l’invention, la tôle support (11) présente des ailettes de refroidissement (17), créant ainsi une zone de convection (16). Figure pour l’abrégé : Fig. 3

Description

Plaquette de frein à refroidissement optimisé
L’invention se rapporte au domaine technique des freins à disque, et en particulier aux plaquettes équipant de tels freins.
 Art antérieur
Dans le domaine des freins à disque, l’effort de freinage est directement lié à des paramètres tels que :
- le matériau des plaquettes ;
- le matériau du disque ;
- la superficie de la zone de friction des plaquettes sur le disque ;
- l’effort de serrage des plaquettes sur le disque.
La performance du freinage quant à elle est liée, entre autres :
- à l’effort de freinage obtenable ;
- à des paramètres cinétiques, tels que la vitesse de rotation du disque, l’énergie cinétique du véhicule embarquant le frein considéré et en particulier l’énergie cinétique à dissiper à chaque freinage ;
- à la fréquence d’utilisation du frein au cours du temps ;
- aux paramètres thermiques du frein, et notamment sa capacité à résister à la chaleur générée lors de la conversion de l’énergie cinétique en énergie thermique, ou encore à dissiper cette chaleur.
Les progrès apportés aux plaquettes de frein leur permettent de générer des efforts de freinage plus importants. Cependant, cette augmentation implique une augmentation de la chaleur générée par le freinage. Lors d’utilisations intensives, par exemple en sport mécaniques tel que des courses de moto, ou en aéronautique sur les trains d’atterrissage d’avions, notamment d’avions légers, les plaquettes et les disques de frein peuvent atteindre des températures très élevées, de l’ordre de 700°C. Cette chaleur est transmise à l’étrier et à ses composants, qui peuvent être dégradés par de telles températures.
Il est connu de mettre un isolant thermique entre la plaquette et les composants qui génèrent l’effort de serrage sur celles-ci. Mais cet isolant, par nature, empêche l’évacuation de la chaleur générée par le freinage, et limite donc la capacité de la plaquette de refroidir. Ces solutions peuvent donc être améliorées.
L’un des buts de l’invention est de pallier les inconvénients de l’art antérieur, en proposant des plaquettes de frein performantes, mais dont la haute température en cas d’utilisation intensive ne dégrade pas les composants de l’étrier.
À cet effet, il a été mis au point une plaquette pour étrier de frein à disque, la plaquette comprenant une tôle support.
Selon l’invention la tôle support présente des ailettes de refroidissement, créant ainsi une zone de convection. Les ailettes de refroidissement sont simples à fabriquer sur la tôle support, et elles augmentent considérablement la surface d’échange par convection entre la plaquette et l’air ambient qui entoure la plaquette.
De cette manière, la zone de convection permet d’évacuer de la chaleur par convection, ce qui permet d’utiliser la plaquette de manière intensive et que la chaleur générée lors du freinage soit dissipée. Il n’y a pas de dégradation des autres composants de l’étrier.
Pour augmenter la superficie de la zone de convection, la tôle support présente une face arrière avec une zone d’appui, la zone d’appui est isolée thermiquement d’autres composants de l’étrier par un isolant thermique, et l’isolant thermique ne recouvre qu’une partie de la face arrière, en laissant une zone arrière découverte qui fait également partie de la zone de convection. Ainsi, les composants mécaniques qui génèrent l’appui sur les plaquettes sont protégés de la chaleur, et la zone de convection est agrandie.
Dans le même but, la tôle support présente une face avant recevant une garniture avec une zone de friction, et la garniture ne recouvre qu’une partie de la face avant en laissant une zone avant découverte, qui fait également partie de la zone de convection.
Afin de pouvoir évacuer suffisamment de chaleur, la zone arrière découverte représente au moins 10% de la superficie de la face arrière, et de préférence au moins 20%.
De préférence, la zone de convection est située de part et d’autre de la zone d’appui. Ainsi, les calories sont correctement drainées depuis la zone d’appui qui est chaude, car recouverte par l’isolant, en direction des différentes portions de la zone découverte.
Afin de présenter des caractéristiques de résistances thermique et mécaniques suffisantes, la tôle support est réalisée dans un acier faiblement allié, comprenant moins de 0,3% en masse de carbone, et de préférence moins de 0,2%, et du vanadium dans une quantité comprise entre 0,2 et 0.3% en masse, le reste étant de préférence du fer avec éventuellement les impuretés raisonnablement prévisibles. La tôle est par exemple réalisée en acier 15CDV6. La présence de vanadium améliore notamment la tenue à chaud de la tôle.
Dans le but d’obtenir un montage compact et léger, mais que la protection des composants de l’étrier soit suffisante, l’isolant comprend du mica, et se présente sous la forme d’une feuille maintenue par un clinquant encliqueté sur la tôle support.
L’invention concerne également un étrier pour frein à disque, intégrant des plaquettes selon les caractéristiques précitées. Un tel étrier permet d’obtenir de meilleures performances de freinage que les dispositifs de l’art antérieur, car la contrainte de résistance thermique de ses composants a été affranchie. Il est par exemple possible d’appliquer un effort de serrage plus important.
est une vue en perspective, vue de derrière, d’une tôle support d’une plaquette de frein selon l’invention.
est une vue en perspective, vue de derrière, d’une tôle support d’une autre plaquette de frein selon l’invention.
] est une vue en perspective, vue de derrière, d’une telle plaquette.
est une vue de face de la tôle support.
est une vue de face partielle d’un étrier selon l’invention.
est une vue en perspective d’un tel étrier.
 Description détaillée de l’invention
En référence aux figures 1 à 6, l’invention consiste essentiellement à concevoir, pour une plaquette (10) de frein, une disposition de l’isolant thermique (13) telle qu’au moins une zone arrière découverte (12b) soit apparente, c’est-à-dire qu’elle n’est pas recouverte par l’isolant thermique (13).
On rappelle que cet isolant (13) est nécessaire pour protéger de la chaleur les autres composants de l’étrier (20), mais limiter sa présence au strict nécessaire, c’est-à-dire à la zone d’appui (12a) uniquement (l’interface entre la face arrière (12) et les pièces appliquant l’effort de serrage) permet de créer au moins une zone de convection (16) permettant d’évacuer la chaleur générée lors du freinage.
L’isolant thermique (13) comprend avantageusement du mica, ce qui permet d’obtenir un isolant performant, même avec une faible épaisseur. La feuille de mica est maintenue en position sur la tôle (11) au moyen d’un cliquant (18), qui est encliqueté sur la tôle (11).
En pratique, il est avantageux de concevoir une tôle support (11) qui soit surdimensionnée, dans le sens où elle est plus large que ne l’imposent les dimensions de la garniture (15) ainsi que les dimensions de la zone d’appui (12a).
On a représenté sur les figures 1, 2 et 4 les enveloppes correspondant aux dimensions de la garniture (15) sur la face avant (14), et correspondant à la zone d’appui (12a) sur la face arrière (12). Une dimension suffisante pour la tôle support (11) est la plus petite géométrie qui englobe lesdites enveloppes, tel qu’illustré .
En référence aux figures 2 et 4, la tôle (11) est surdimensionnée de manière que :
- sur la face arrière (12), des portions importantes dépassent de l’isolant (13), formant des zones arrière découvertes (12b) de grandes dimensions ;
- sur la face avant (14), des portions importantes dépassent de la garniture (15), formant des zones avant découvertes (14b) de grandes dimensions.
Cela permet d’augmenter considérablement la superficie de la zone de convection (16), ce qui augmente de manière linéaire l’énergie pouvant être dissipée par ladite zone (16).
On ne s’intéresse pas spécifiquement aux surfaces fonctionnelles permettant de relier la tôle (11) à l’étrier (20), qui ne sont pas recouvertes par l’isolant (13) ou par la garniture (14), car l’invention réside surtout dans le rajout des ailettes (17), et de préférence dans la rajout supplémentaire de zones arrière découvertes (12b) et de zones avant découvertes (14b).
Il y a généralement de la place disponible sur les côtés d’une plaquette (10) pour procéder à un tel surdimensionnement. On n’envisage bien entendu pas d’augmenter l’épaisseur de la tôle (11), car sa tranche, même si elle participe aux échanges thermiques par convection, ne permettrait pas d’obtenir des gains significatifs si on augmentait l’épaisseur. De plus, l’encombrement dans cette direction est limité.
La superficie de la zone arrière découverte (12b) représente au moins 10% de la superficie de la face arrière (12), et de préférence au moins 20%. Dans le mode illustré, la superficie de la zone arrière découverte (12b) représente environ 40% de la superficie de la face arrière (12).
Si la garniture (15) ne recouvre pas toute la face avant (14), la superficie de la zone avant découverte (14b) représente au moins 10% de la superficie de la face avant (14), et de préférence au moins 20%. Dans le mode illustré, la superficie de la zone avant découverte (14b) représente environ 30% de la superficie de la face avant (14).
Ces ratios garantissent que la zone de convection (16) sera suffisamment grande pour évacuer la chaleur générée lors du freinage.
Afin que la chaleur s’évacue plus facilement, il est avantageux de ne pas disposer la zone de convection (16) que d’un seul côté de la tôle (11), mais plutôt de part et d’autre. Sur les modes de réalisation illustrés, la zone de convection (16) est disposée à droite et gauche. En fonction de l’encombrement disponible, il est également envisageable d’étendre la zone de convection (16) vers le haut et vers le bas.
La plaquette (10) ainsi conçue est capable de supporter des efforts de freinage très importants, générant une très grande quantité de chaleur, puis de dissiper cette chaleur rapidement. Il est donc important que le matériau qui la constitue soit adapté à subir de telles contraintes thermiques, qui sont délétères du fait :
- de la valeur des températures atteintes (parfois supérieures à 700°C), et
- par la fréquence des freinages pratiqués (typiquement de 5 à 10 freinages par minute lors d’une utilisation en sport mécanique).
Un matériau adapté pour répondre à de telles contraintes thermiques, et bien entendu mécaniques, est un alliage d’acier 15CDV6.
Notamment, des tests ont été effectués par le Demandeur en comparaison d’un acier connu sous le nom « Imex700 », ou S 690 QL selon la norme européenne EN 10025-6 : Mars 2005, et initialement utilisé pour réaliser la tôle (11) et le 15CDV6.
Les tests effectués résident dans des essais de flexion sur des éprouvettes en Imex700 et des éprouvettes en 15CDV6. Les éprouvettes possèdent des dimensions identiques, à l’exception de l’épaisseur en 4 mm pour l’Imex 700 et en 3 mm pour le 15CDV6. Lors du test de flexion, l’éprouvette est maintenue horizontalement et fixement à une extrémité par une bride et une masse est suspendue à l’autre extrémité de l’éprouvette. Une section de l’éprouvette, proche de la bride, a été réduite pour garantir que l’éprouvette plie à cet endroit. La distance entre l’extrémité libre de l’éprouvette et la zone de section réduite est de 150 mm
L’éprouvette est d’abord testée à une température de 21°C en suspendant des masses jusqu’à déformation plastique de la section réduite.
Ensuite une nouvelle éprouvette est testée en suspendant des masses et en chauffant la section réduite à 600°C. L’éprouvette est ensuite laissée refroidir à l’air libre et sa rectitude est contrôlée pour savoir si la limite élastique est dépassée. Les essais sont répétés avec des masses différentes jusqu’à trouver la limite entre la déformation élastique et plastique.
Les résultats des tests sont compilés dans le tableau ci-dessous, en notant qu’étant donné la différence d’épaisseur entre les éprouvettes, la contrainte induite calculée a été normalisée pour tenir compte de ladite différence.
Acier Epaisseur (mm) Poids en flexion (kg) Contrainte induite (Mpa) Tordue Chauffe
15CDV6 3 14,06 1970 Oui 21°C
15CDV6 3 7,02 984 Oui 600°C
15CDV6 3 5,6 785 Non 600°C
Imex700 4 17 1340 Oui 21°C
Imex700 4 8,62 680 Oui 600°C
Imex700 4 5,82 459 Non 600°C
On constate donc que le 15CDV6 résiste à une contrainte induite de 785 Mpa en étant chauffé à 600°C alors que l’Imex 700 ne résiste qu’à une contrainte de 459 Mpa. Le 15CDV6 est donc 70% plus résistant que le Imex700.
La plaquette (10) étant conçue pour supporter des efforts de freinage très importants, il est nécessaire de renforcer les zones assurant sa liaison cinématique avec l’étrier (20). En l’occurrence, une liaison cinématique de type glissière, est obtenue par des oreilles hémicylindriques présentes dans la tôle (11) et coopérant avec des douilles (21) de l’étrier (20). Cependant, la direction des freinages importants est toujours la même, celle de l’avance du véhicule : il n’est donc pas judicieux de renforcer la liaison des deux côtés de la plaquette (10).
La plaquette (10) est, dans le mode illustré, dissymétrique : une seule portion renforcée (19) est présente, disposée de manière à retenir la plaquette (10) selon la direction de freinage (DF) illustrée .
Les plaquettes (10) étant dissymétriques, il convient de ne pas les monter à l’envers sur l’étrier (20). Des moyens de détrompage sont donc présents. En référence à la , il peut s’agir par exemple d’une butée (22) montée sur l’étrier (20), et la portion renforcée (19) est configurée pour buter contre la butée (22). Il n’est donc pas possible de monter la plaquette (10) à l’envers.
Par ailleurs, la plaquette (10) et l’étrier (20) peuvent être conformés différemment des exemples donnés sans sortir du cadre de l’invention, qui est défini par les revendications.
En outre, les caractéristiques techniques des différents modes de réalisation et variantes mentionnés ci-dessus peuvent être, en totalité ou pour certaines d’entre elles, combinées entre elles. Ainsi, la plaquette (10) et l’étrier (20) peuvent être adaptés en termes de coût, de fonctionnalités et de performances.

Claims (8)

  1. Plaquette (10) pour étrier (20) de frein à disque, la plaquette (10) comprenant une tôle support (11) caractérisée en ce que la tôle support (11) présente des ailettes de refroidissement (17), créant ainsi une zone de convection (16).
  2. Plaquette (10) selon la revendication 1, caractérisé e en ce qu e la tôle support (11) présente une face arrière (12) avec une zone d’appui (12a), la zone d’appui (12a) est isolée thermiquement d’autres composants de l’étrier (20) par un isolant thermique (13), et l’isolant thermique (13) ne recouvre qu’une partie de la face arrière (12), en laissant une zone arrière découverte (12b), qui fait également partie de la zone de convection (16).
  3. Plaquette (10) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la tôle support (11) présente une face avant (14) recevant une garniture (15) avec une zone de friction, et la garniture (15) ne recouvre qu’une partie de la face avant (14) en laissant une zone avant découverte (14b), qui fait également partie de la zone de convection (16).
  4. Plaquette (10) selon la revendication 2, caractérisée en ce que la zone arrière découverte (12b) représente au moins 10% de la superficie de la face arrière (12), et de préférence au moins 20%.
  5. Plaquette (10) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la zone de convection (16) est située de part et d’autre de la plaquette (10).
  6. Plaquette (10) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la tôle support (11) est réalisée dans un acier faiblement allié, comprenant moins de 0,3% en masse de carbone, et de préférence moins de 0,2%, et du vanadium dans une quantité comprise entre 0,2 et 0.3% en masse.
  7. Plaquette (10) selon la revendication 2, caractérisée en ce que l’isolant (13) comprend du mica, et se présente sous la forme d’une feuille maintenue par un clinquant (18) encliqueté sur la tôle support (11).
  8. Etrier (20) pour frein à disque équipé d’une plaquette (10) selon l’une des revendications précédentes.
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