FR3049999B1 - Disque de frein allege - Google Patents

Abstract

Un disque de frein (1) comporte un bol (2) avec son axe de rotation (3). Le bol (2) a une paroi (5) annulaire avec au moins deux trous (7). Les trous (7) ont un axe de symétrie coplanaire (4) avec l'axe de rotation (3) et sont répartis sur la paroi annulaire (5). La périphérie (8) des trous (7) consiste en trois congés de raccordement (9, 10, 11) tangents à trois surfaces (12, 13, 14) formant un triangle.

Description

DISQUE DE FREIN ALLEGE

[0001] L’invention porte sur un disque de frein allégé et sur un véhicule comprenant ce disque de frein allégé.

[0002] L’invention vise notamment mais pas limitativement, des applications dans le domaine des systèmes de freinage des véhicules automobiles et en particulier les disques de frein des roues de ces véhicules.

[0003] Dans ce domaine, réduire les masses tournantes permet de diminuer l’énergie consommée pour la mise en rotation de ces masses. Les roues, les disques de frein, les moyeux, les arbres de transmission, et toute la transmission jusqu’aux pièces tournantes des moteurs d’une façon générale, font partie des pièces en rotation qu’il est avantageux d’alléger. Parmi ces pièces, les disques de frein cumulent des contraintes mécaniques importantes dues à l’action du freinage, mais également des contraintes thermiques dues à la transformation de l’énergie absorbée en chaleur, et des contraintes mécaniques de dilatation thermique différentielle, contraintes que l’on peut réunir sous le terme de contraintes thermomécaniques.

[0004] Le brevet FR-A-2 500 553 divulgue un disque de frein, comportant un anneau de frottement et, s'étendant sur une direction parallèle à l'axe de rotation, un pot pour solidariser en rotation l'anneau de frottement à un corps à freiner, ce pot comportant à son extrémité côté anneau de frottement, des barreaux qui sont délimités par plusieurs fentes orientées axialement. Ce type de disque présente l’inconvénient de concentrer les contraintes thermomécaniques dans la partie la plus fragile du pot.

[0005] Le but de l’invention est de remédier à cet inconvénient, notamment en optimisant le compromis entre l’allégement du disque et la répartition des contraintes thermomécaniques.

[0006] A cet effet, l’invention a pour objet un disque de frein comportant un bol avec son axe de rotation, le bol ayant une paroi annulaire avec au moins deux trous, ces trous ayant un axe de symétrie coplanaire avec l’axe de rotation et étant répartis sur la paroi annulaire, le disque de frein étant tel que la périphérie des trous consiste en trois congés de raccordement tangents à trois surfaces formant un triangle.

[0007] Ces trous de forme triangulaire, ainsi que leur symétrie, permettent de réduire les concentrations de contraintes dans la paroi annulaire du bol, en déplaçant des contraintes thermomécaniques élevées vers des zones du bol plus résistantes. Les congés de raccordement évitent les concentrations de contraintes aux sommets des triangles.

[0008] Ainsi, tout en optimisant une répartition de ces contraintes thermomécaniques, on allège le disque de frein en enlevant un maximum de matière de la paroi annulaire, garantissant un allongement de la durée de vie d’un tel disque de frein.

[0009] De préférence, ces trous sont uniformément répartis sur la paroi annulaire.

[0010] En effet, la répartition uniforme des trous sur la paroi annulaire permet une répartition des contraintes thermomécaniques optimale.

[0011] Dans une variante, chacune des surfaces précitées présente un rayon de courbure prédéterminé.

[0012] En effet, ces rayons de courbure contribuent aussi à limiter les concentrations de contraintes.

[0013] Dans une variante, les surfaces précitées sont deux surfaces planes et une surface présentant un rayon de courbure prédéterminé.

[0014] En effet, les deux surfaces planes permettent d’accentuer le déplacement des contraintes thermomécaniques vers le fond du bol ou dans le sens opposé, selon l’orientation du sommet du triangle. La surface présentant le rayon de courbure prédéterminé permet de lisser les concentrations de contraintes d’une zone moins résistante de la paroi annulaire du bol.

[0015] De préférence, les rayons de courbure sont compris entre 9 et 20 mm.

[0016] Dans une variante, les trous sont borgnes.

[0017] En effet, il est avantageux de garder un fond de matière dans les trous, car tout en allégeant le bol, les trous borgnes apportent une meilleure résistance aux contraintes thermomécaniques du bol.

[0018] Dans une variante, les trous sont débouchants.

[0019] En effet, lorsqu’une ventilation du bol est nécessaire, ou si l’on souhaite accentuer l’allégement du disque, il est avantageux que les trous soient débouchants. L’air peut ainsi s’écouler à travers les trous tout en apportant un allégement maximal.

[0020] De préférence, les congés de raccordement ont des rayons compris entre 1 et 8 mm.

[0021] De préférence, l’angle du sommet du triangle est compris entre 70 et 140°.

[0022] En effet, la valeur de cet angle permet de déterminer le déplacement des contraintes thermomécaniques vers le fond du bol ou dans le sens opposé, selon l’orientation du sommet du triangle. Pour un même nombre de trous dans une même configuration, plus l’angle est fermé, moins le déplacement des contraintes thermomécaniques est marqué.

[0023] De préférence, le disque de frein avec la périphérie comprenant au moins une arête en interface avec la paroi annulaire, est tel que l’arête comprend un arrondi sur la totalité de son périmètre.

[0024] En effet, cet arrondi permet d’éviter les concentrations de contraintes thermomécaniques tout en apportant un allégement du disque.

[0025] De préférence, le disque de frein est réalisé en une seule pièce.

[0026] En effet, le disque de frein en une seule pièce favorise la répartition homogène des concentrations de contraintes thermomécaniques, en évitant des fixations ou des interfaces génératrices de ces concentrations de contraintes.

[0027] Dans une variante, le sommet du triangle est orienté vers le fond du bol.

[0028] En effet, en orientant le sommet du triangle vers le fond du bol, on réduit les concentrations de contraintes thermomécaniques d’une zone de la paroi annulaire située vers le fond du bol.

[0029] Dans une variante, la base du triangle est orientée vers le fond du bol.

[0030] En effet, en orientant la base du triangle vers le fond du bol, on déplace des contraintes thermomécaniques vers la zone de la paroi annulaire située vers le fond du bol.

[0031 ] Dans une variante, les triangles sont disposés en quinconce.

[0032] De préférence, le disque de frein comportant en outre un anneau de freinage, comporte une région déformable en interface avec le bol.

[0033] En effet, cette région déformable améliore l’homogénéisation des contraintes thermomécaniques en absorbant les dilatations radiales de l’anneau de freinage.

[0034] L’invention a également pour objet un véhicule comprenant un disque de frein tel que succinctement décrit ci-dessus.

[0035] D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description des exemples de réalisation non limitatifs qui vont suivre, faite en référence aux figures 1 à 6 annexées, qui représentent : - Figure 1 : un disque de frein suivant un mode de réalisation de l’invention. - Figure 2 : un disque de frein selon l’invention comportant un trou selon un mode de réalisation. - Figure 3 : un disque de frein selon l’invention comportant un trou selon un mode de réalisation. - Figure 4 : un disque de frein vu en coupe, suivant un mode de réalisation de l’invention. - Figure 5 : un disque de frein selon l’invention comportant des trous agencés selon un mode de réalisation de l’invention. - Figure 6 : graphique illustrant l’allégement du disque de frein par rapport à des solutions de l’art antérieur.

[0036] L’ensemble représenté sur la figure 1 comporte un disque de frein 1 comportant un bol 2 avec son axe de rotation 3, le bol 2 ayant une paroi annulaire 5 avec au moins deux trous 7, les trous 7 ayant un axe de symétrie coplanaire 4 avec l’axe de rotation 3 et étant répartis sur la paroi annulaire 5. La périphérie 8 des trous 7 consiste en trois congés de raccordement 9, 10,11, tangents à trois surfaces 12, 13, 14 formant un triangle. Dans cet exemple, les surfaces 12, 13, 14, sont deux surfaces 12, 13, planes et une surface 14 présente un rayon de courbure prédéterminé 24. Le sommet du triangle est orienté vers le fond 15 du bol 2. Le disque de frein 1 comporte un anneau de freinage 16 solidaire de l’extrémité du bol 2 opposée au fond 15 du bol 2. La paroi annulaire 5 comporte une surface annulaire extérieure 18, qui correspond à une surface regroupant les plus grands diamètres de la paroi annulaire 5.

[0037] L’anneau de freinage 16 est un anneau ventilé mais pourrait tout autant être un anneau de freinage plein.

[0038] Les rayons des congés de raccordement 9, 10, 11, sont dans un plan courbé de la surface extérieure 18, c’est-à-dire que les trois surfaces 12, 13, 14 et les trois congés de raccordement 9, 10 et 11 présentent des surfaces sensiblement orthogonales à la surface extérieur 18.

[0039] On comprendra par intervalle 50, 51, dans toute la suite de ce document, la distance la plus courte entre deux périphéries 8 de deux trous 7 successifs dans un plan donné orthogonal à l’axe de rotation 3 et passant par les trous 7.

[0040] Les trous 7 ont leur axe de symétrie 4 coplanaire avec l’axe de rotation 3, et la forme triangulaire associée à cet axe de symétrie 4 impose par construction géométrique que l’axe de symétrie 4 soit sensiblement parallèle à la génératrice d’une surface de la paroi annulaire 5 du bol 2, par exemple la surface extérieure 18 de la paroi annulaire du bol 2.

[0041] La répartition des trous 7 est de préférence, mais pas nécessairement, uniforme : tous les intervalles 50, 51, appartenant au même plan orthogonal à l’axe de rotation 3 sont égaux entre eux, ce qui réalise la répartition uniforme des trous 7 autour de la paroi annulaire 5. Une répartition non uniforme permet d’arrêter des débuts de fissuration du bol 2.

[0042] L’orientation du sommet de ce triangle selon cet axe de symétrie 4, va permettre de déplacer une partie des contraintes thermomécaniques vers le fond 15 du bol 2 ou vers l’anneau de freinage 16. Dans cet exemple, le sommet du triangle est orienté vers le fond 15 du bol 2, de sorte que l’intervalle 50 proche de l’anneau de freinage 16 et entre deux trous successifs 7, est plus petit que l’intervalle 51 proche du fond du bol 15. La longueur de ces intervalles 50, 51, varie en fonction de la position axiale, selon l’axe de rotation 3, du plan auquel ils appartiennent. En combinaison avec l’épaisseur de la paroi annulaire 5, ces intervalles 50, 51, forment des sections résistantes évolutives qui permettent l’homogénéisation des contraintes thermomécaniques.

[0043] Selon la configuration du disque 1, on peut être amené à orienter les trous 7 vers un côté opposé au fond 15 du bol 2, en orientant le sommet du triangle vers l’anneau de freinage 16.

[0044] Les trous 7 sont réalisés dans l’épaisseur de la paroi annulaire 5, si bien que la périphérie 8 des trous est fermée. Il y a une continuité de la matière de la paroi annulaire 5 sur toute la périphérie 8 des trous 7, dans le but de ne pas créer de concentrations de contraintes.

[0045] Dans tout ce document, on comprendra l’expression longueur des surfaces 12, 13, 14, comme étant la longueur d’un segment défini par une intersection entre la surface annulaire extérieure 18 et les surfaces 12, 13, 14.

[0046] Le nombre de trous 7 et la longueur des surfaces 12, 13, 14, dépend du dimensionnement général du disque et du niveau de contrainte thermomécanique maximal que l’on souhaite ne pas dépasser.

[0047] Pour un disque de frein 1 de type automobile, qui est l’exemple illustré sur cette figure, la longueur des surfaces 12, 13, 14, peut être comprise entre 2,5 et 14 mm, et le nombre de trous 7 entre 6 et 17. Dans cet exemple toujours, le congé 9 a un rayon de 6 mm, et les congés 10 et 11 ont un rayon de 4 mm. Les surfaces 12 et 13 sont deux surfaces planes, alors que la surface 14 présente un rayon de courbure 24 de 16,5 mm.

[0048] Le trou 7 représenté sur la figure 2 est un trou selon un mode de réalisation de l’invention, pour le disque de frein 1, avec la longueur des surfaces 12, 13, 14, comprise entre 2,5 et 11 mm, et le nombre de trous 7 entre 6 et 17. Dans cet exemple toujours, le congé 9 a un rayon de 7 mm, et les congés 10 et 11 ont un rayon de 5 mm. Les surfaces 12, 13 et 14 présentent respectivement un rayon de courbure 22, 23, et 24 de 12,16mm, 12,16mm, et 9,54 mm.

[0049] Par rapport à la solution illustrée de la figure 1, ce trou 7 est moins directif, et accentue moins le déplacement des contraintes thermomécaniques, mais permet d’optimiser l’allégement pour un bol ayant de par sa forme initiale, une meilleure homogénéisation des contraintes thermomécaniques que le bol de la figure 1.

[0050] Le trou 7 représenté sur la figure 3 représente un trou 7 selon un mode de réalisation de l’invention, pour le disque de frein 1 de type automobile, avec la longueur des surfaces 12, 13, 14, comprise entre 6 et 10 mm, et le nombre de trous 7 entre 6 et 17. Dans cet exemple toujours, le congé 9 a un rayon de 1,5 mm, et les congés 10 et 11 ont un rayon de 4 mm. Les surfaces 12 et 13 sont planes alors que la surface 14 présente un rayon de courbure 24 de 15,04 mm.

[0051 ] Par rapport à la solution illustrée de la figure 1, ce trou 7 est plus directif, est accentue plus le déplacement des contraintes thermomécaniques, tout en optimisant l’allégement pour un bol ayant de par sa forme initiale, une moins bonne homogénéisation des contraintes thermomécaniques que le bol de la figure 1.

[0052] La figure 3 illustre également l’angle 30 du sommet du triangle. Plus cet angle 30 est ouvert, plus le déplacement des contraintes thermomécaniques est prononcé. A l’inverse, plus l’angle 30 est fermé, moins le déplacement des contraintes thermomécaniques est prononcé. Sa valeur est comprise entre 70 et 140° pour tous les modes de réalisation de l’invention.

[0053] L’ensemble représenté sur la figure 4 comporte le disque de frein 1 dans un mode de réalisation conforme à la présente invention. La figure 4 est une vue en coupe du disque de frein 1 selon un plan comprenant l’axe de rotation 3 et l’axe de symétrie de l’un des trous 7. L’ensemble comporte le bol 2 autour de l’axe de rotation 3 et le fond 15 du bol 2, l’anneau de freinage 16, la paroi annulaire 5 avec les trous 7, la peau extérieure 18 de la paroi annulaire 5 et une surface intérieure 19 de la paroi annulaire 5 du bol 2, en opposition à la surface extérieur 18 de la paroi annulaire 5.

[0054] L’anneau de freinage 16 est dans cet exemple un anneau ventilé mais pourrait tout autant être un anneau de freinage plein.

[0055] La figure 4 représente également une arête, qui est l’intersection entre la surface extérieure ou intérieure 18, 19 et la périphérie 8 du trou 7. En effet, les trous sont sécants à la surface de la paroi annulaire du bol 18, 19 et la périphérie 8 des trous 7 forme l’arête en interface avec cette surface 18, 19. Cette surface est par exemple la surface extérieure 18 de la paroi annulaire 5. Cette surface est par exemple la surface intérieure 19 de la paroi annulaire du bol 5. Un arrondi 40, dont le rayon est orthogonal à l’arête, est sur toute la périphérie 8 du trou 7. Ce rayon peut être fonction de l’épaisseur de la paroi annulaire 5, et peut aller jusqu’à 50% de l’épaisseur. On notera que dans le cas d’un trou 7 débouchant, on a deux arêtes et donc, au moins un arrondi 40. On peut prévoir un tel arrondi 40 dans les autres modes de réalisation de l’invention.

[0056] La figure 4 représente aussi une région déformable 17 de l’anneau de freinage 16, en interface avec le bol 2. Cette région déformable 17 peut prendre la forme d’une gorge ou d’un col de cygne comme sur cet exemple, et permet d’absorber des dilatations radiales de l’anneau de freinage 16. Bien que déformable, cette région 17 est rigide comparativement aux sollicitations autres que la dilatation radiale de l’anneau de freinage 16. Les trous 7 sont dans la matière du bol 2, et sont en dehors de la cette région déformable 17. Cette région 17 n’appartient pas à la paroi annulaire 5, mais réalise une liaison rigide sur tous les degrés de liberté, entre la paroi annulaire 5 et l’anneau de freinage 16. On peut prévoir une telle région déformable 17 dans les autres modes de réalisation de l’invention.

[0057] On notera que, dans cet exemple, l’anneau de freinage 16, et le bol 2, sont réalisés en une seule pièce. On peut cependant avoir des pistes de frictions rapportées ou surmoulées sur l’anneau de freinage 16 sans sortir de la portée de l’invention. On peut également avoir le bol 2 et l’anneau de freinage 16 en deux parties assemblées.

[0058] La figure 4 représente en plus un trou de passage 60 dans le fond du bol 15, ce trou servant classiquement pour le passage d’un goujon de roue venant serrer une jante de roue et un moyeu de roue sur les deux faces du fond de bol 15.

[0059] La figure 5 représente les trous 7 en quinconce dans un mode de réalisation conforme à la présente invention.

[0060] La figure 6 est un graphique illustrant un gain en allégement pour plusieurs réalisations de disques identiques entre eux, à l’exception de la réalisation des trous 7 dans le bol 2. Ce gain est exprimé en écart par rapport à un disque de référence identique aux précédents, mais avec un bol sans trous. Ce graphique a été construit en simulant la dilatation radiale de l’anneau de freinage 16 dans un calcul mécanique à iso-sollicitation pour tous ces disques. L’axe des abscisses représente le gain en masse en kg par rapport au disque de référence. L’axe des ordonnées représente le gain en contraintes Von Mises internes au disque 1 en MPa par rapport au disque de référence. Le point origine est le disque de référence. L’ensemble des points 93 a été construit à partir de trois disques selon trois variantes de l’invention. L’ensemble des points 94 a été construit à partir de trois disques avec des trous oblongs dans la paroi annulaire 5. L’ensemble des points 95 a été construit à partir de trois disques avec des trous ronds dans la paroi annulaire 5.

[0061] On constate que pour un allégement en masse équivalent, le disque 1 de l’invention a le meilleur gain en contraintes internes, ce qui permet un allongement considérable de la durée de vie d’un tel disque 1.

[0062] Enfin, à titre d’exemple, par rapport au disque de référence, on obtient un gain en masse de l’ordre de 0,076 kg et une réduction de contraintes de l’ordre de 30 MPa. Ainsi, à iso-sollicitation, l’invention permet de réduire significativement la masse du disque 1 tout en homogénéisant les contraintes à un niveau plus bas, améliorant la tenue mécanique du disque, en particulier la tenue à la fatigue.

Claims (9)

1. Revendications

   1. Disque de frein (1) comportant un boi (2) avec son axe de rotation (3) , ledit bol (2) ayant une paroi annulaire (5) avec au moins deux trous (7), lesdits trous (7) ayant un axe de symétrie coplanaire (4) avec ledit axe de rotation (3) et étant répartis sur ladite paroi annulaire (5), dans lequel la périphérie (8) desdits trous (7) consiste en trois congés de raccordement (9, 10, 11) tangents à trois surfaces (12, 13, 14) formant un triangle, ladite périphérie (8) comprenant au moins une arête en interface avec ladite paroi annulaire (5), caractérisé en ce que ladite arête comprend un arrondi (40) sur la totalité de son périmètre.
2. 2. Disque de frein (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune desdites surfaces (12, 13, 14) présente un rayon de courbure prédéterminé (22, 23, 24).
3. 3. Disque de frein (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que iesdites surfaces (12, 13, 14) sont deux surfaces (12, 13) planes et une surface (14) présentant un rayon de courbure prédéterminé.
4. 4. Disque de frein (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est réalisé en une seule pièce.
5. 5. Disque de frein (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le sommet dudit triangle est orienté vers le fond (15) dudit bol (2).
6. 6. Disque de frein (1) seion l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la base dudit triangle est orientée vers le fond (15) dudit bol (2),
7. 7. Disque de frein (1) selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits triangles sont disposés en quinconce.
8. 8. Disque de frein (1) selon l’une des revendications précédentes comportant en outre un anneau de freinage (16), caractérisé en ce que ledit anneau de freinage (16) comporte une région déformable (17) en interface avec ledit boi (2).
9. 9. Véhicule caractérisé en ce qu’il comprend au moins un disque de frein (1) selon l’une des revendications précédentes.