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Ensemble de frein à captation de particules avec déflecteur
Domaine Technique
La présente invention est relative aux systèmes de
freinage non polluants, destinés notamment à être utilisés
sur des véhicules routiers ou ferroviaires. L'invention
concerne en particulier des systèmes de freinage aptes à
capter par aspiration des particules et poussières,
résultant de l'abrasion, émises par le freinage à friction.
Il est connu que ces particules dispersées dans le
milieu ambiant sont nocives pour la santé des individus. La
progression des motorisations électriques pour les
véhicules automobiles ont renforcé le besoin de traiter les
particules et poussières résultant de l'abrasion des
systèmes de freinage à friction.
Art Antérieur
Le document W02014072234 divulgue un dispositif simple
et entièrement autonome, basé sur le principe d'une
aspiration au plus près de l'interface plaquette / disque.
Il s'avère toutefois que le taux de captation n'est pas
optimum, car ce dernier dépend des conditions aérologiques
et notamment du vent relatif qui règne aux abords immédiats
de la plaquette de frein.
Il est donc apparu un besoin d'améliorer les solutions
pour bien capter les particules et poussières résultant du
freinage en vue de supprimer tout ou partie des
inconvénients susmentionnés.
Résumé de l'invention
A cet effet, selon la présente invention, il est
proposé un ensemble de frein non polluant, comprenant :
- un support d'étrier,
- un disque rotor, tournant autour d'un axe X, par rapport
auquel une direction radiale R est définie,
- deux patins mobiles destinés à venir en appui sur ledit
disque pour le freiner sous une force de serrage fournie
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par un étrier, les patins comprenant du matériau de
friction susceptible de relâcher des particules résultant
de l'abrasion,
- et un dispositif d'aspiration agencé au moins en partie à
proximité du support d'étrier et attaché à ce dernier,
le dispositif d'aspiration comprenant au voisinage de
chaque patin une zone d'aspiration délimitée par un
déflecteur, et dans laquelle une dépression est créée,
caractérisé en ce que le déflecteur comprend au moins une
première extension située en position radiale extérieure
par rapport au patin.
Grâce à ces dispositions, il est possible d'augmenter
le taux de captation des particules dans diverses
conditions aérologiques autour de l'ensemble de frein.
En effet, plus précisément, on note que la zone
d'aspiration ZA est située principalement sur l'avant du
patin par rapport au sens de rotation normal FW du disque,
mais selon l'aérologie locale changeante, les particules ne
sortent pas toutes selon une direction tangentielle et
avantageusement la première extension permet de capter des
particules qui ont tendance à dévier vers l'extérieur.
Dans divers modes de réalisation de l'invention, on
peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à
l'autre des dispositions suivantes :
- le déflecteur comprend au moins une deuxième extension
située en position radiale intérieure par rapport au patin.
On optimise ainsi encore la zone d'aspiration ZA, notamment
pour les particules qui ont tendance à dévier vers
l'intérieur ;
- le dispositif d'aspiration peut être agencé entièrement à
proximité du support d'étrier, et attaché à ce dernier, et
le dispositif d'aspiration comprend alors en outre :
- au moins un réservoir pour collecter les
particules,
- une conduite menant des zones d'aspiration jusqu'au
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réservoir,
- une turbine entraînée par des moyens d'entrainement
et configurée pour créer une dépression dans le réservoir ;
moyennant quoi l'intégration mécanique et l'autonomie sont
améliorés ;
- les moyens d'entrainement peuvent être mécaniques et
comprennent alors un galet frottant sur le disque ; on a
ainsi une complète autonomie.
- les moyens d'entrainement peuvent être électriques et
comprennent un moteur électrique commandé par une unité de
commande. On obtient ainsi souplesse et flexibilité pour
la commande.
- le déflecteur présente une bordure la plus proche du
disque qui se situe avantageusement à une distance (H) par
rapport à la surface du disque comprise entre 1 et 2 mm ;
- selon une réalisation, le déflecteur peut être issu
intégralement de moulage du support d'étrier ; ceci
simplifie l'architecture de la solution et permet de
diminuer le coût ; nota : cela n'exclut pas une reprise
d'usinage ;
- dans ce cas, la conduite peut être formée en partie par
un trou traversant dans le support d'étrier ; on améliore
encore la compacité de la solution ;
- le déflecteur est une pièce distincte réalisée en matière
de type fonte aluminium ; cette matière supporte les
températures élevées qui peuvent régner à cet endroit ;
- selon une réalisation, la bordure libre du déflecteur
épouse continûment l'extrémité avant de la garniture de la
plaquette et au moins en partie la portion radiale
intérieure et la portion radiale extérieure, la bordure
libre du déflecteur étant à une distance (K) de la
garniture dans la direction tangentielle comprise entre 0,5
mm et 1,5 mm ; on dispose ainsi d'un jeu nécessaire et
suffisant pour prendre en compte les dispersions
statistiques de fabrication et la qualité de la captation.
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Brève description des dessins
D'autres aspects, buts et avantages de l'invention
apparaîtront à la lecture de la description suivante de
deux de ses modes de réalisation de l'invention, donnés à
titre d'exemples non limitatifs. L'invention sera également
mieux comprise en regard des dessins joints sur lesquels :
- la figure lA est une vue générale d'un ensemble de
frein selon un premier mode de réalisation de l'invention,
- la figure 1B est une vue générale, analogue à a
figure 1A, d'un ensemble de frein selon un second mode de
réalisation de l'invention,
- la figure 2 est une vue en coupe tangentielle,
- la figure 3 illustre un diagramme explicatif des
trajectoires des particules,
- la figure 4A est une vue éclatée de l'ensemble de
frein selon le premier mode de réalisation,
- la figure 4B est une vue éclatée de l'ensemble de
frein selon le second mode de réalisation,
- la figure 5 illustre la zone de captation,
- la figure 6 illustre la zone d'interface entre la
plaquette et le déflecteur.
Description détaillée de l'invention
Sur les différentes figures, les mêmes références
désignent des éléments identiques ou similaires. Il faut
noter que les dessins ne sont pas nécessairement à
l'échelle, certaines dimensions ont été exagérées pour la
clarté de l'exposé, notamment certains jeux ou distances de
garde.
La figure lA montre un ensemble de frein 10 selon un
premier mode de réalisation de l'invention qui concerne une
configuration de frein à disque. Une telle configuration de
frein à disque est très courante dans les automobiles, les
véhicules utilitaires, les véhicules poids lourds, les
autobus ainsi que dans le matériel roulant ferroviaire, et
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aussi sur les deux-roues. Dans cette configuration,
l'action de freinage s'opère sur un rotor appelé 'disque'
solidaire de la jante de la roue mais distinct de celle-ci.
Les particules émises par les systèmes de freinage sont
5 de plus en plus nombreuses en raison de l'augmentation de
la circulation des véhicules notamment dans les zones
urbaines. Des études médicales confirment la nocivité de
ces particules pour le système respiratoire des individus
et pour la santé en général. Il apparaît donc important de
réduire fortement l'émission de ces particules dans le
milieu ambiant, ce à quoi s'attache la présente invention.
Même si on s'efforce d'utiliser, quand c'est possible,
des systèmes de freinage sans friction, comme un freinage
électrique récupératif ou à courants de Foucault, il
s'avère que l'on ne peut pas se passer des systèmes de
freinage à friction, car ils sont efficaces à toutes les
vitesses, et ils permettent de maintenir le véhicule à
l'arrêt, et fournissent une solution adéquate et efficace
en cas de besoin de freinage de secours.
S'agissant d'un freinage à friction, celui-ci est basé
sur un rotor 2 tournant autour d'une axe de roue X sur
lequel deux patins agissent par friction pour diminuer sa
vitesse en transformant l'énergie cinétique en chaleur. La
rotation autour de l'axe X permet de définir une direction
tangentielle (ou circonférentielle) T et une direction
radiale R (localement orthogonale à l'axe et à la direction
tangentielle T).
On définit aussi un sens de rotation normal FW qui
correspond à la marche avant. On note que pour les
matériels ferroviaires qui circulent indifféremment dans
les 2 sens, le dispositif d'aspiration qui sera décrit plus
loin peur être doublé pour traiter le sens inverse à FW.
Comme illustré aux figures lA à 43, et en commun aux
différents modes de réalisation, l'ensemble de frein 10
comprend un rotor 2 sous forme de disque d'épaisseur
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constante solidaire de la roue à freiner (ou des roues de
l'essieu à freiner), et deux patins 5,5B (aussi appelés
'plaquettes de frein') destinés à venir en appui sur ledit
rotor pour le freiner grâce à l'action d'un étrier de frein
9.
Le disque comprend un moyeu, une première face latérale
annulaire notée 21 perpendiculaire à l'axe X, et une
deuxième face annulaire 22 parallèle à la première ; les
bords radialement extérieurs des faces latérales sont
reliées par une bordure appelée tranche de disque 23.
L'étrier de frein 9 est attaché par un montage
flottant à un support d'étrier 1. Ce montage flottant selon
X, par exemple à tiges 95 (aussi appelées 'colonnettes'),
est bien connu et donc non détaillé.
Le support d'étrier 1 comprend une chape 11, destinée à
être fixée rigidement au bras de suspension ou au porte-
fusée, et des pontets (aussi appelé parfois 'cavaliers') en
forme de U à cheval sur le disque : plus précisément un
premier pontet 12 du côté avant, un deuxième pontet 13 du
côté arrière, et un arc de liaison 19 qui relie les pontets
à l'opposé de la chape.
Pour le cas d'un véhicule routier, la chape 11 est
agencée du côté intérieur du véhicule par rapport au disque
2, et l'arc de liaison 19 est agencé du côté extérieur du
véhicule par rapport au disque 2. La chape 11 est destinée
à être fixée au bras de suspension ou au porte-fusée,
grâce à des trous 17 qui reçoivent des vis de fixation.
Les patins 5 sont montés mobiles selon X par rapport au
support d'étrier 1 mais ils sont substantiellement
immobilisés dans la direction circonférentielle T et dans
la direction radiale R grâce à des complémentarités de
formes qui seront détaillées plus loin.
Les patins 5 sont logés à l'intérieur de l'étrier de
frein 9, et ils encadrent le disque 2, avec leurs
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garnitures situées en vis-à-vis respectivement de la
première face de disque 21 et de la deuxième face de disque
22.
Comme connu en soi, les deux patins 5,5B peuvent être
sollicités l'un en direction de l'autre pour prendre le
rotor 2 en sandwich sous l'effet d'un piston 91, en
produisant ainsi un effort PF dirigé parallèlement à la
direction axiale de roue X. L'étrier présente une forte
générale en U et comprend un corps 90 et des doigts 92
agencés à l'opposé du piston 91.
Chaque patin 5 comporte une embase métallique 50 et un
corps d'appui 51 comprenant du matériau de friction
susceptible de relâcher des particules 8 résultant de
l'abrasion dû à la friction. Le corps d'appui est aussi
appelé garniture 51 et le matériau parfois usuellement
appelé ferodo . La face frottante est notée 52, elle se
déplace progressivement au fur et à mesure de l'usure de la
garniture 51 en direction de la semelle 50.
La semelle 50 comprend un tenon 56 à chaque extrémité,
chaque tenon étant reçu par complémentarité de forme dans
un logement 14 du support d'étrier 1. On obtient ainsi une
immobilisation selon les directions tangentielle T et
radiale R et le logement autorise un mouvement du tenon
selon la direction axiale X.
Selon l'invention, l'ensemble de frein 10 comprend un
dispositif d'aspiration 3 apte à capter les particules et
poussières 8 constituant les résidus de l'abrasion
résultant du freinage.
Le dispositif d'aspiration 3 présente des dimensions
adaptées qui facilitent son intégration
dans
l'environnement immédiat du support d'étrier 1.
Le dispositif d'aspiration 3 comprend plus
précisément :
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- une zone d'aspiration ZA avec un déflecteur 4, ce qui
permet de définir une zone de captation au plus près de la
garniture de la plaquette,
- un réservoir collecteur 38 pour collecter les particules
du matériau de friction 8,
- une conduite 31,32 menant de la zone d'aspiration ZA
jusqu'au réservoir collecteur 38, à savoir une première
conduite 31 pour un côté et une deuxième conduite 32 pour
l'autre côté, dont éventuellement un tronc commun qui mène
au réservoir,
- une turbine 36, entraînée par des moyens d'entrainement
qui seront vus plus loin, et qui peut ainsi créer une
dépression dans le réservoir.
Il est prévu un filtre dans le réservoir, le filtre
laisse passer l'air créant la dépression mais pas les
particules 8.
Une dépression est créée dans le réservoir 38 par la
rotation de la turbine. Cette dépression règne aussi dans
la conduite, dans la bouche d'aspiration 47 et dans la zone
de captation ZA délimitée par le déflecteur 4. La
dépression est suffisante pour attirer les particules
depuis zone de captation ZA vers le réservoir 38.
Dit autrement, le déflecteur 4 délimite, avec le disque
2 et la garniture 51, un espace quasi fermé appelé zone
d'aspiration ZA.
Avantageusement, et contrairement à certaines solutions
de l'art antérieur, on n'utilise aucun soufflage qui
conduirait à disperser les particules.
Selon un aspect avantageux, le déflecteur comprend une
première extension 41 située en position radiale extérieure
par rapport au patin.
On peut aussi prévoir que le déflecteur comprend une
deuxième extension 42 située en position radiale intérieure
par rapport au patin.
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Comme illustré sur la figure 3, selon l'aérologie qui
prévaut à un instant t, l'éjection des particules ne se
fait pas nécessairement strictement selon une configuration
à éjection tangentielle ET. Dans certain cas assez
fréquents, on constate une éjection centrifuge EF, et dans
d'autres cas plus rare on peut même constater une éjection
centripète EP. Bien entendu, on peut avoir une dispersion
des trajectoires importantes avec au même instant des
éjections centrifuge et centripète.
On voit que la couverture des extensions 41,42, situées
respectivement en position radiale extérieure et
intérieure, est assez importante sur la figure 3, mais
moins importante sur la figure 6.
En pratique, la garniture présente un bord extérieur 58
en arc de cercle centré sur X ce bord extérieur ayant une
extrémité avant 59, et l'inventeur a déterminé que
l'extension extérieure 41 doit s'étendre au moins jusqu'à
cette extrémité avant 59 (cf Figure 6). Préférentiellement,
l'extension extérieure 41 recouvre l'extrémité avant 59 du
bord extérieur 58 en arc de cercle.
Comme illustré sur la figure 2, le déflecteur 4
présente une bordure la plus proche du disque qui se situe
à une distance H par rapport à la surface du disque
comprise entre 1 et 2 mm. Autrement dit, H est la hauteur
du déflecteur 4 par rapport à la surface du disque. On note
que sur la figure 2, le porte-étrier 1 n'est pas
représenté.
La bordure libre 45 du déflecteur épouse continûment
l'extrémité avant 54 de la garniture de la plaquette et au
moins en partie la portion radiale intérieure et la portion
radiale extérieure. Selon une réalisation avantageuse, la
bordure libre du déflecteur est à une distance K de la
garniture comprise entre 0,5 mm et 1,5 mm.
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La couverture du déflecteur est au juste nécessaire,
l'impact sur le refroidissement de la plaquette et des
autres composants est minime.
On note que le disque 2 également être sujet à l'usure
5 et relâche des particules métalliques qui sont également
captées par le dispositif d'aspiration.
On note que jusqu'ici la description est commune aux
différents modes.
Selon le premier mode de réalisation représenté
10 particulièrement aux figures lA et 4A, les moyens
d'entrainement sont basés sur une solution mécanique déjà
évoqué dans le document W02014072234. On dispose un galet
39 en appui sur la tranche 23 du rotor, le galet étant
entrainé par frottement. Un montage à ressort permet de
doser la pression d'appui. Il peut être prévu un engrenage
multiplicateur/réducteur de manière à obtenir un
coefficient de proportionnalité entre la vitesse du disque
et la vitesse de la turbine satisfaisant pour la dépression
souhaitée.
Dans l'exemple illustré, le déflecteur 4 est une pièce
distincte réalisée en matière de type fonte aluminium.
Selon un second mode de réalisation représenté aux
figures 1B et 4B, on utilise comme moyen d'entraînement de
la turbine un moteur électrique 35. Ce moteur électrique
est commandé par une unité de commande (non représentée)
comprenant du logiciel configuré pour activer le moteur
électrique par exemple en fonction de l'action de freinage
du conducteur sur la pédale de frein.
Selon une variante non représentée, on utilise un
élément générateur de dépression dans une unité centralisée
reliée par des tuyaux à chacun des ensembles de frein.
Dans l'exemple illustre, le déflecteur 4 est une pièce
distincte réalisée en matière de type fonte aluminium.
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Dans les deux modes illustrés, les déflecteurs 4,43
sont montés rigidement par rapport au support d'étrier 1.
Comme la position du support d'étrier est bien précise par
rapport au disque, la position des déflecteurs 4,48 est
bien maîtrisée par rapport au disque, et ce quel que soit
le degré d'usure de la plaquette (du patin) ; on peut ainsi
obtenir une cote H et une cote K (cf supra) bien
maitrisées, quelle que soit l'épaisseur résiduelle de la
garniture 51 du patin 5.
Dans les deux modes illustrés, les déflecteurs 4,4B
sont formés comme des pièces distinctes réalisées en
matière de type fonte aluminium.
Selon une variante non représentée, le déflecteur est
issu intégralement de moulage du support d'étrier 1. Dans
ce cas comme dans le cas représenté à la figure 4B, on peut
prévoir que la conduite est formée en partie par un trou 18
traversant dans le support d'étrier.
On note que, selon une variante non représentée,
l'étrier peut être monté de manière fixe sur le support
d'étrier.
