Anatomie du véhicule ferroviaire et de la voie

La différence principale entre un véhicule ferroviaire et les autres matériels roulants (automobile, aviation en manœuvre au sol) est le guidage par rail des trains. Une autre spécificité du transport ferré est l’épaisseur de la roue et de la surface de roulement (rail) qui sont de dimensions relatives beaucoup plus petites que pour des véhicules automobiles.

Figure 3 - Diagramme adhérence/glissement. Cas en traction d'une adhérence sollicitée (en rouge) inférieure à l'adhérence disponible. Le triangle bleu représente le cône d’adhérence (triangle dans un problème 2D). tant que l’adhérence sollicitée reste dans ce cône, il n’y a pas de glissement.

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4.1 Le bogie, l’essieu et la roue

Le bogie (ou boggie) est un chariot situé sous un véhicule ferroviaire. Il désigne l’ensemble composé par la structure et les essieux (et donc les roues) qui y sont fixés (Figure 4). Il sert de liaison mobile entre les essieux et le châssis du véhicule (locomotive ou motrice, wagon ou voiture). La fonction essentielle des bogies est de faciliter l'inscription en courbe. En effet, les bogies peuvent pivoter indépendamment les uns des autres, ce qui autorise des rayons de courbure plus faibles, et un éloignement plus important entre les essieux (qu'ils soient moteurs ou porteurs). Le bogie assure aussi les rôles de freinage, d'interface entre la signalisation sur voie et la caisse, de suspension de la voiture ou de la motrice, et parfois de traction.

Les essieux sont les organes essentiels des dispositifs de roulement des engins sur rails. Ils supportent les véhicules, permettent leur déplacement, leur guidage, et transmettent les efforts de traction et de freinage grâce à l'adhérence de leurs roues sur les rails (ORLOVA et BORONENKO 2006).

On distingue sur un essieu un axe cylindrique qui supporte le poids du véhicule, deux roues solidaires de l'axe et, suivant la technologie de freinage, deux disques. L'ensemble rigide formé par ces différentes parties assemblées porte le nom « d'essieu monté ». Le montage garantit la solidité de l'ensemble, le comportement dynamique aux différentes sollicitations et le respect de l'écartement des rails.

L'axe tourne avec les roues. Ceci est une différence importante entre le matériel roulant ferré et les modes de transports routiers pour lesquels les roues tournent autour des moyeux fixes. Cette disposition des essieux montés de chemins de fer est nécessaire pour maintenir l'écartement des roues rigoureusement constant ainsi que par le montage des essieux aux extrémités du boggie.

Les roues sont constitutives d'essieux rigides, les inscriptions en courbe sont réalisées par le profil conique de la roue. Le déplacement latéral est limité par les boudins de roue qu'il faut graisser pour éviter une usure prématurée des rails. Le boudin est la partie intérieure d’une roue, qui assure le guidage sur la voie ferrée et réduit les risques de déraillement (Figure 6).

Dans les courbes, le rail extérieur a un rayon plus important que celui du rail intérieur. Cela signifie qu’une roue cylindrique doit parcourir une plus grande distance sur le rail extérieur que sur le rail intérieur. Comme les deux roues d’un essieu ont la même vitesse linéaire au contact du rail, un tel

Figure 4 - Schéma d'un bogie ferroviaire (image Siemens). On y retrouve les roues, montées sur des essieux. Le boudin des roues est aussi visible.

Roue

Essieu

Essieu monté

Boudin de roue

20 | P a g e déplacement ne peut pas arriver en roulement cylindrique : l’une des deux roues devra rentrer en glissement, introduisant une résistance au roulement et causant une usure de la roue et du rail. Pour éviter l’usure prématurée des roues, la solution est d’avoir une table de roulement conique par rapport à l’axe de l’essieu. Cette géométrie de roue permet la variation du rayon du cercle de roulement en contact avec le rail dans les courbes, et compense ainsi la différence de longueur parcourue par les deux roues du même essieu. Cette conicité sert également à recentrer dynamiquement l’essieu entre les rails (ALACOQUE et CHAPAS 2005).

Les éléments variables de la roue influant sur l'adhérence roue-rail sont : - Une dissymétrie, même faible, des profils de roues d'un même essieu

- Une dissymétrie excessive de diamètres des roues entre essieux d'un même bogie - La vitesse

- La charge à l'essieu

- La propreté du bandage de la roue

4.2 Le rail à patin

Le rail à patin, répondant au standard de l’UIC (Union Internationale des Chemins de fer), est le plus utilisé en France de nos jours. Il se compose de trois parties (Figure 5) :

- Le champignon - L’âme

- Le patin

Le profil du champignon de rail et celui du bandage de la roue sont étudiés en vue de réaliser les meilleures conditions de roulement. Le profil de la surface du rail est un arc de cercle qui offre à la roue une surface de roulement légèrement bombée.

Si les rails étaient plantés verticalement, du fait de la conicité des roues, ils subiraient une poussée supplémentaire, puisque le chargement de la roue exerce son poids sur le rail perpendiculairement à sa surface de contact. Par conséquent les rails sont inclinés vers l’intérieur de la voie (1/20 ou 1/40) de sorte que leur profil soit perpendiculaire à la surface des roues coniques.

Le contact roue-rail se fait sensiblement au milieu du champignon, c’est-à-dire dans l’axe du rail, avec des surfaces de roue et de rail neuves. Si la surface du rail était plane, le contact n’aurait lieu que sur le bord du champignon et la charge s’exercerait en porte-à-faux ce qui nuirait à la stabilité du rail.

Parmi les matériaux de la voie, le rail est l’élément essentiel de la sécurité. L’acier utilisé doit être homogène, non fragile et résistant à l’usure.

Figure 5 - Schéma d'une section de rail

Surface (ou table) de roulement Champignon

Ame

Patin

21 | P a g e Pour faire fonctionner de tels véhicules de manière efficace, économique et sûre, l'adhérence roue-rail doit être maintenue autour d’un certain seuil. Selon les conditions de roulement du véhicule, le « contact roue-rail » peut désigner deux zones sur le rail: le contact de la roue avec la surface du champignon de rail (table de roulement) et le contact du boudin de la roue sur le bord intérieur du rail (Figure 6). Dans la plupart des cas, le contact du boudin nécessite un faible coefficient d'adhérence pour réduire au maximum l’usure (des dispositifs de graissage peuvent être sur le boudin pour le passage de courbe à faible rayon), tandis que le contact sur la bande de roulement nécessite un coefficient d'adhérence relativement élevé pour obtenir une bonne capacité de traction et de freinage.