EP0420922B1

EP0420922B1 - Bogie ferroviaire a stabilite et comportement en courbe ameliores

Info

Publication number: EP0420922B1
Application number: EP89907768A
Authority: EP
Inventors: Charles René Durand; Jérôme Charles Durand
Original assignee: ANF-Industrie; ANF Industrie
Current assignee: ANF-Industrie
Priority date: 1988-06-17
Filing date: 1989-06-19
Publication date: 1994-01-19
Anticipated expiration: 2009-06-19
Also published as: DE68912588D1; WO1989012566A1; DE68912588T2; CA1330279C; EP0420922A1; US5235918A

Abstract

L'invention concerne l'industrie des véhicules ferroviaires. Les boîtes d'essieux (20) à roues frettées sont liées à un châssis rigide (2, 4) du bogie par une liaison primaire horizontale comportant une bielle (18) attelée au longeron (2) du châssis par une rotule élastique (14). L'une au moins des quatre boîtes d'essieux (20) peut coulisser longitudinalement par rapport au longeron (2). Les mouvements de coulissement sont contrôlés par une tringlerie (22, 24, 26, 30) ayant son organe d'entrée (22) solidaire de la caisse du véhicule, ou bien par un amortisseur et un rappel élastique placés en parallèle l'un de l'autre. L'invention favorise l'inscription en courbe des bogies dont les essieux sont à roues frettées sur l'axe.

Description

L'invention concerne un bogie pour véhicule ferroviaire qui comprend un châssis réglable à longerons et deux essieux à roues frettées tourillonnant dans des boîtes d' essieu reliées chacune au châssis par une suspension primaire comportant une bielle ayant une extrémité liée à la boîte d'essieu et l'autre extrémité liée à un longeron du châssis par l'intermédiaire d'une rotule élastique. De tels bogies sont par exemple les bogies Y32 des voitures CORAIL françaises. L'invention concerne plus spécialement des moyens de montage d'au moins l'une des boîtes d'essieu pour lui conférer un degré de liberté de mouvement relatif sensiblement horizontal par rapport au châssis.
La technique ferroviaire actuelle a permis de mettre au point des bogies ferroviaires à roues frettées sur les essieux axes conservant de bonnes caractéristiques de stabilité jusqu'à des vitesses de 400 km/h et même au-delà. De tels bogies sont basés sur le principe d'une double suspension : une suspension primaire et une suspension secondaire, ces deux suspensions étant séparées par un mobile intermédiaire entre les essieux et la caisse du véhicule désigné par châssis de bogie.
Il est connu que les mouvements d'instabilité à grande vitesse (ou mouvements biconiques des essieux non amortis) peuvent être réprimés notamment par des raideurs primaires élevées de la suspension primaire considérée dans le plan horizontal.
Malheureusement, le raidissement des liaisons flexibles horizontales qui maintiennent les boîtes d'essieux par rapport au châssis de bogie a pour contrepartie d'entraîner une mauvaise inscription des bogies concernés dans les courbes, c'est-à-dire que les essieux se décentrent par rapport aux deux files de rails et les boudins de roues viennent en butée sur le rail extérieur à la courbe, spécialement la roue de l'essieu avant de chaque bogie.
Un inconvénient de ce phénomène est que le contact des boudins de roues entraîne une usure, à la fois des boudins de roues eux-mêmes, mais aussi des tables de roulement des roues. Un deuxième inconvénient est que, en courbe, les essieux concernés par le contact boudin-rail extérieur recopient les défauts sur le congé intérieur du rail avec lequel le contact se produit et la suspension transmet des efforts indésirables vers la caisse.
L'adoption du graissage des boudins de roue, ou des rails en courbe, permet de combattre le premier inconvénient, mais non le second. Un souci des concepteurs est donc de proposer une solution pour positionner correctement les essieux par rapport à la voie, même en courbe, les centres des boîtes d'essieux étant disposés aux quatre sommets d'un rectangle.
C'est ainsi que pour améliorer le passage en courbe un certain nombre de spécialistes ont proposé des systèmes mécaniques à embiellage utilisant le mouvement relatif en rotation de l'équipage constitué par les deux essieux d'un bogie (ou même de chaque essieu pour les matériels à essieux) par rapport à la caisse placée à son aplomb. Ces systèmes à embiellage ont pour objectif de modifier la disposition relative des boîtes d'essieux les unes par rapport aux autres en fonction du rayon de courbe, de manière à obtenir en courbe, une géométrie du bogie plus favorable à son inscription en courbe.
Ainsi, le document GB-A-2 193 941 fait connaître un bogie sensiblement du type des bogies Y32 mentionnés plus haut, munis d'un embiellage destiné à modifier l'orientation des essieux. La suspension primaire doit de ce fait être notablement assouplie pour permettre cette déformation (faute de quoi les roues dérapent en courbe) : on retrouve alors les problèmes d'instabilité à grande vitesse.
Mais les systèmes proposés à ce jour visent surtout à créer en courbe établie une géométrie favorable du bogie pris à l'état libre, c'est-à-dire sans tenir compte des forces de semiglissement apparaissant au contact des roues et des rails.
Dans un certain nombre de solutions proposées, la position d'équilibre ne peut être atteinte, même si la géométrie des roues obtenue en courbe par un mouvement "forcé" correspond à un bogie bien inscriptible dans la courbe considérée, tout simplement parce que le bogie proposé n'est pas conçu morphologiquement pour une recherche automatique d'un positionnement correct des essieux par rapport à la voie. Ainsi, par exemple, il ne suffit pas de faire converger, dans le bon sens, les axes de deux essieux d'un bogie pour leur faire former un angle égal à l'angle au centre sous lequel est vu, à partir du centre de la courbe considérée, un segment égal à l'empattement du bogie pour que ce bogie ait un bon comportement dans la courbe considérée. Faute d'avoir pris certaines précautions d'ordre constructif, dont le détail constitue une caractéristique de la présente invention et qui sera exposé dans ce qui suit, un bogie, selon l'exemple cité ci-dessus, présente un risque de se mettre en travers dans la voie en courbe et d'avancer en crabe.
On connaît par exemple par les documents DE-A-3 424 531 ou EP-A-165 752, des bogies du type mentionné en tête de ce mémoire, pourvus de moyens de montage des boîtes d'essieu destinés à permettre aux essieux de prendre en courbe une certaine inclinaison par rapport à l'axe longitudinal du châssis. Mais ces moyens, disposés en parallèle avec la suspension primaire, consistent en des embiellages qui brident entre elles au moins deux boîtes d'essieu. Les suspensions primaires sont nécessairement assouplies, et la timonerie exerce sur les boîtes des contraintes importantes, transmises par des organes de tringlerie nombreux, fragiles et susceptibles de prendre du jeu, donc d'une manière non satisfaisante.
La présente invention vise à améliorer le comportement en courbe de bogies aptes à de grandes vitesses et dont la stabilité en lacet a été obtenue par un raidissement convenable des liaisons mécaniques de suspension primaire dans le plan horizontal (raideurs désignées traditionnellement par les gradients Kx et Ky). Tel est le cas notamment des bogies Y32 équipant en France les voitures CORAIL, des bogies TGV, des bogies des turbotrains français, etc.
Il est connu que les deux essieux de tels bogies exécutent chacun sur une voie en ligne droite des mouvements transversaux et angulaires couplés (autour de l'axe vertical) en sinusoîdes amorties, dits mouvements biconiques ou encore mouvements de lacet, la position amortie étant une position d'équilibre ou de relaxation des contraintes horizontales, à la fois des contraintes internes prenant leur source dans les forces de contact entre roues et rail et de celles, fortement attractives celle-là, générées par les écarts que prennent les quatre boîtes d'essieux par rapport aux quatre foyers d'attraction correspondant aux liaisons élastiques primaires horizontales (selon les gradients Kx et Ky précités). Pour un bogie bien construit, cette position de relaxation correspond à des foyers d'attraction disposés selon les sommets d'un rectangle horizontal et c'est donc vers cette figure géométrique que viennent se disposer les centres des boîtes d'essieux lorsque le bogie circule sur une voie rectiligne et parfaite, c'est-à-dire sans défauts propres de géométrie.
Si l'on considère que la section de voie rectiligne ne comporte que des perturbations géométriques localisées, le mouvement biconique amorti est réamorcé à chaque perturbation, l'amortissement se faisant d'ailleurs de moins en moins bien au fur et à mesure que la vitesse du véhicule s'approche de la vitesse d'instabilité du fait de l'effet nocif que jouent dans le mouvement les forces d'inerties attachées aux mobiles en jeu.
La présente invention est fondée sur le principe, étayé par des calculs non reproduits ici, que pour des raideurs primaires horizontales données, notées traditionnellement par des coefficients Kx (longitudinalement) et Ky (transversalement), le mouvement est sensiblement du même type que celui décrit ci-dessus autour de la position d'équilibre, c'est-à-dire que les essieux recherchent automatiquement leur position d'équilibre; encore faut-il que celle-ci soit compatible avec le jeu présenté par chaque essieu à l'intérieur des rails. Une caractéristique de l'invention consiste à déformer en courbe la disposition rectangulaire précitée des foyers d'attraction primaire par déplacement ou chariotage de l'un au moins des foyers d'attraction par rapport au rectangle, alors que selon la technique connue des documents DE-A-34 24 531 ou EP-A-165 752, on bridait les essieux sans pour autant déplacer les foyers d'attraction qui restaient disposés aux sommets d'un rectangle (ce qui explique les contraintes existant dans ce type de liaisons).
Pour la courbe de plus petit rayon à négocier et donc de déformation maximale du rectangle, on vérifiera que la figure d'équilibre des essieux (sinon de relaxation) soit telle qu'aucun des boudins ne vienne en contact avec le rail. La détermination exacte du chariotage à effectuer dépend des données géométriques et mécaniques du problème posé.
Ce calcul non développé ici met en jeu les raideurs primaires déjà citées ainsi que - bien que dans une moindre mesure - les raideurs horizontales de la suspension secondaire, les coefficients de Kalker du contact roue-rail - essentiellement les deux coefficients de semi-glissement longitudinal et transversal - et le profil des bandages.
Dans la pratique, une valeur approchée de l'amplitude du chariotage correspond à la convergence vers le centre de la courbe des deux côtés non parallèles du trapèze obtenu à partir du rectangle précité grâce précisément au chariotage. Du point de vue de la construction, pour permettre le déplacement des foyers d'attraction, l'invention se caractérise en ce que les moyens de montage des boîtes d'essieu assurant la liberté sélective longitudinale sont interposés, pour chaque boîte concernée, entre la bielle et soit la boîte d'essieu, soit le longeron du châssis. Autrement dit, le montage se fait en série avec la suspension primaire et non plus en parallèle.
Selon l'invention, il est possible non seulement de charioter comme il vient d'être indiqué un, deux, trois ou les quatre foyers d'attraction primaire d'un bogie, mais encore de faire ce chariotage selon une courbe quasi quelconque, l'amplitude elle-même du mouvement en fonction de la courbe pouvant répondre à une fonction, elle aussi, quelconque à déterminer par le calcul. Les seules limitations à respecter sont de faire les mouvements de chariotage de manière à respecter la coplanarité des quatre foyers et les limites de contraintes imposées par les composants en jeu (rotules, roulements d'essieux, limite de fatigue des fusées d'essieux, etc.).
L'invention a pour objet un bogie conforme aux revendications annexées 1 à 4.
Selon l'invention, il n'est pas nécessaire de modifier par une commande mécanique la position des foyers d'attraction primaire. La modification de position des foyers est obtenue par les essieux eux-mêmes, ceux-ci constituant les organes à la fois moteurs et de contrôle des chariots porteurs des foyers. Les dispositions d'ordre constructif à prévoir consistent alors à contraindre le mouvement du (ou des) chariot(s) par deux actions agissant parallèlement et consistant, l'une, à freiner les mouvements des chariots au moyen d'amortisseurs très puissants et, l'autre, à créer un rappel du chariot vers une position moyenne. La première de ces actions, étouffant les mouvements rapides et pulsatoires qui sans elle prendraient naissance, n'empêche pas le mouvement biconique amorti des essieux de s'éffectuer et, en particulier, la recherche automatique par les essieux de leur position d'équilibre tant en ligne droite qu'en courbe. En revanche, l'action fortement amortissante empêche les mouvements d'instabilité qui apparaissent aux vitesses élevées de se produire. La seconde des actions visées plus haut, qui est une action de rappel élastique, est destinée à équilibrer les efforts de traction ou de freinage.
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le rappel de la boîte d'essieu vers sa position moyenne est obtenu par un effet de gravité, mais il est entendu que ce rappel peut aussi être obtenu par un ressort suffisamment dimensionné pour pouvoir s'opposer aux efforts développés à la jante.
Avantageusement, on obtient à la fois le mouvement longitudinal désiré et le rappel par gravité grâce à un montage de la boîte d'essieu des paliers lisses d'axe excentré par rapport à l'axe de l'essieu.
L'amortisseur est fixé, de préférence sensiblement verticalement, entre des tourillons d'attache respectivement liés à la boîte d'essieu et à la bielle.
Selon une autre variante encore, l'extrémité de bielle comporte, du côté essieu, un alésage dans lequel roule la boîte d'essieu en y étant maintenue par un ou plusieurs plots de centrage disposés sur la génératrice supérieure de l'alésage précité.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante d'un mode particulier de réalisation.
Il sera fait référence aux dessins annexés sur lesquels :

la figure 1 est une vue en plan prise par en-dessous d'un châssis de bogie auquel s'applique l'invention.
La figure 2 représente dans une vue en plan prise par en-dessous du châssis de bogie, le principe de l'orientation exposé ci-dessus, appliqué à une seule boîte d'essieu d'un bogie, le mouvement du chariot étant un mouvement de translation rectiligne et longitudinal, l'amplitude étant de plus sensiblement proportionnelle à la courbure de la voie.
La figure 3 montre à titre d'illustration de l'invention, le détail en vue latérale des moyens de montage de la boîte d'essieu conformément à l'invention.
La figure 4 montre au moyen d'une coupe par un plan vertical longitudinal une autre manière de réaliser les liaisons entre châssis de bogie et boîte d'essieu selon l'invention.

Reprenant la figure 1, on y reconnaît un châssis de bogie constitué par deux longerons 2 reliés par des traverses 4. L'appui de la suspension secondaire, non représentée, se fait sur des élargissements circulaires 6 des longerons de châssis.
L'entraînement de caisse est réalisé de manière classique par un balancier 8 tourillonnant sur un pivot de caisse et relié à ses extrémités aux traverses 4 grâce à des barres 10.
Les liaisons primaires entre des essieux 12 et le châssis de bogie sont assurées également de manière classique par quatre rotules élastiques 14 dont les axes transversaux 16 sont maintenus rigidement par rapport aux longerons 2. Ces rotules maintiennent élastiquement les paliers d'essieux au moyen de quatre bielles de boîtes d'essieux 18 solidaires des boîtes d'essieux 20 en sorte que, en l'absence d'efforts horizontaux exercés sur les boîtes d'essieux, les centres de celles-ci se disposent selon les sommets d'un rectangle.
Sur la figure 2 qui dérive de la disposition traditionnelle représentée sur la figure 1, l'une des quatre rotules, celle placée en haut à gauche de la figure, disposée à l'intérieur d'un chariot ou tiroir 36, peut coulisser longitudinalement dans des glissières solidaires de la branche supérieure du longeron 2, placé à gauche sur la figure. Le mouvement de très faible amplitude (de l'ordre du centimètre) à partir d'une position moyenne, est obtenu par le mouvement de rotation relative entre caisse et bogie grâce à un levier 22 solidaire de la caisse et sensiblement à la même côte de hauteur que le balancier d'entraînement ou les axes des essieux. Il est fixé rigidement, par exemple, sur le pivot de caisse et actionne un connecteur longitudinal 24, puis un levier transversal 26 qui tourillonne autour d'un axe 28 fixe par rapport au longeron 2 et enfin un connecteur longitudinal 30 qui entraîne le tiroir dans lequel est montée la rotule 14.
Les articulations 32 des différents connecteurs et balanciers cités ne comportent que le minimum de jeu et peuvent éventuellement recevoir des garnitures flexibles, mais dans ce dernier cas, la flexibilité de ces garnitures ne doit pas modifier sensiblement la flexibilité recherchée sur la boîte d'essieu en cause qui est celle donnée par la rotule 14.
Conformément à l'invention, la liaison primaire d'au moins l'une des boîtes d'essieu 20 comporte, interposés entre la bielle 18 et la boîte 20 considérée, des moyens de montage détaillés sur la figure 3, autorisant un mouvement relatif horizontal entre la bielle - et partant, le châssis - et la boîte d'essieu 20.
La bielle de boîte 18 comporte, côté essieu, une assise 45 à sa partie supérieure, permettant de recevoir et de centrer le ressort 41 de suspension primaire affecté à la boîte d'essieu considérée 20 et supportant, de manière classique et non représentée, une extrémité de longeron 2 du châssis de bogie.
Par ailleurs, la bielle de boîte 18 maintient la boîte d'essieu 20 au moyen de deux flasques verticaux 42 qui constituent également des paliers lisses dont l'axe d'alésage représenté par le point O est excentré par rapport à l'axe de l'essieu 12 représenté par le point C sur la figure 3. l'excentrement est, typiquement, d'environ 3 à 5 cm.
En l'absence d'effort de propulsion ou de freinage, le centre C de l'essieu 12 se situe à la verticale, et au-dessus, du centre O du palier excentré de la boîte d'essieu.
En revanche, sous l'effet des forces de propulsion ou de freinage, le segment CO prend une inclinaison par rapport à la verticale, donnant le débattement longitudinal nécessaire (de l'ordre du centimètre, par exemple). L'essieu 12 est alors rappelé vers sa position primitive sous l'effet de gravité, par une force de rappel fonction du poids vertical exercé sur la boîte d'essieu 20 en cause, de l'excentrement CO et du déplacement de la boîte d'essieu 20 par rapport à sa position primitive ou position moyenne.
Par ailleurs, le corps de boîte 20 comporte, sur une saillie appropriée, une attache inférieure 43 de l'amortisseur 34, l'attache supérieure 44 étant fixée à la bielle 18 de boîte. Ces deux attaches 43 et 44 sont constituées par des tourillons.
On remarquera que la figure 3 représente un amortisseur dont l'axe est proche de la verticale. Une telle disposition, sans être obligatoire, permet de se prémunir contre les risques de fuite de l'amortisseur, celui-ci étant alors noyé de manière classique dans un réservoir d'huile qui fait office de nourrice de réalimentation de l'amortisseur.
Il est à noter enfin que l'utilisation d'amortisseurs visqueux permet d'atteindre une relaxation quasi-totale des efforts à la jante en régime établi soit en ligne droite, soit en courbe établie. Mais il est possible d'utiliser également des amortisseurs à effet de friction. Dans ce cas il subsiste des efforts résiduels, même en régime établi. En revanche de tels amortisseurs à friction ne sont pas exposés à des risques de fuite de liquide et présentent de ce fait une sécurité de fonctionnement maximale.
Sur la figure 4, la mobilité longitudinale de la boîte d'essieu 20 par rapport à la bielle de boîte 18 est obtenue par roulement sans glissement de la boîte d'essieu 20 dans un alésage transversaI pratiqué dans la bielle de boîte côté essieu. L'axe de cet alésage correspond à la trace C dans le plan de coupe de la figure 4. Le roulement sans glissement de la boîte d'essieu dans l'alésage précité est obtenu au moyen d'un ou plusieurs plots de centrage 46 pris entre la bielle de boîte et le corps de la boîte d'essieu et placés suivant la génératrice de contact de ces deux pièces. Le fait de disposer de plusieurs plots de centrage permet de pallier le désaxement de la boîte d'essieu et de l'alésage susceptible de se produire sous l'effet des efforts transversaux.
La disposition représentée sur la figure 4 a l'avantage de réduire fortement l'effet des frottements secs.

Claims

Bogie pour véhicule ferroviaire qui comprend un châssis rigide (2,4) à longerons (2) et deux essieux (12) à roues frettées tourillonnant dans des boîtes d'essieu (20), ces dernières étant reliées chacune au châssis (2,4) par une suspension primaire comportant une bielle (18) ayant une extrémité liée à la boîte d'essieu (20) et l'autre extrémité articulée sur un longeron (2) du châssis par l'intermédiaire d'une rotule élastique (14), suffisamment raide pour étouffer les mouvements de lacet aux vitesses les plus élevées rencontrées en service, caractérisé en ce que sont insérés entre au moins l'une des boîtes d'essieu (20) et la ou les bielles correspondantes (18) des moyens de montage autorisant un déplacement relatif entre ces pièces sensiblement longitudinal, ces moyens de montage étant constitués par un amortisseur (34) et des organes mécaniques de rappel de la boîte d'essieu vers sa position d'équilibre, l'amortisseur (34) étant placé en parallèle avec lesdits organes.
Bogie selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits organes de rappel utilisent un effet de gravité par le montage de la boîte d'essieu (20) en pendule inversé dans l'extrémité de bielle (18), ladite extrémité de bielle (18) comportant deux flasques verticaux (42) constituant pour les boîtes d'essieu (20) des paliers lisses d'axe (O) excentré par rapport à l'axe (C) de l'essieu (12).
Bogie selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rappel de la boîte d'essieu (20) est obtenu par un effet de gravité consistant à faire rouler sans glissement la boîte d'essieu (20) à l'intérieur d'un alésage pratiqué dans l'extrémité de bielle (18), du côté essieu, le roulement sans glissement de la boîte d'essieu dans son alésage étant obtenu par au moins un plot de centrage (46) disposé sur la génératrice supérieure de l'alésage précité.
Bogie selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'amortisseur (34) est disposé sensiblement verticalement.