EP0318923B1

EP0318923B1 - Véhicule à essieux orientables

Info

Publication number: EP0318923B1
Application number: EP88119888A
Authority: EP
Inventors: Hugues Chollet; Jean-Louis Maupu; Jean-Michel Petit
Original assignee: Institut National de Recherche sur les Transports et leur Securite INRETS; GEC Alsthom SA
Current assignee: Alstom Holdings SA; Institut National de Recherche sur les Transports et leur Securite INRETS
Priority date: 1987-12-03
Filing date: 1988-11-29
Publication date: 1992-07-15
Anticipated expiration: 2008-11-29
Also published as: FR2624081A1; ES2034129T3; ATE78223T1; CA1299019C; EP0318923A1; US4982671A; DE3872842T2; DE3872842D1

Description

La présente invention est relative à un véhicule à essieux orientables à roues indépendantes.
Le développement universel du chemin de fer à été favorisé par la simplicité et la rusticité de la technique qu'il utilise : l'essieu monobloc en acier à roues coniques en acier roulant sur deux rails en acier. On a coutume de considérer qu'il va de soi que les rails guident le train. Ce n'est pas exact, le train est, en fait capable de rouler sur les rails et de suivre leur tracé, sans entrer en contact latéral avec eux, grâce à l'essieu monobloc.
En utilisant le différentiel de vitesse linéaire des points de contact de ses deux roues, engendré par leur conicité, et lié à tout déport transversal dans la voie, l'essieu monobloc réalise un asservissement mécanique de sa position transversale : tout déport latéral entraîne un moment de forces tendant à orienter l'essieu dans le sens qui le guidera vers le centre de la voie par des forces latérales fonction de l'angle obtenu. Ces efforts contiennent des termes d'amortissement de type visqueux qui malheureusement diminuent avec la vitesse d'avancement du train. L'étude dynamique de la stabilité des essieux, soumis aux forces de contact et aux forces de liaison avec un châssis, constitue le domaine de la dynamique ferroviaire. Le contact est étudié expérimentalement et entre dans les modèles de calcul par la représentation de KALKER qui a remplacé sa représentation cinématique traditionnelle. (J.J. KALKER "On the rolling contact of two elastic bodies in the presence of dry friction "Thèse DELFT - 1967).
La fonction principale de l'essieu monobloc est d'assurer le suivi des courbes de la voie, au moyen de cet asservissement de l'orientation à la position, par l'effet de la conicité, sans qu'il y ait contact latéral des roues et des rails, donc sans frottement ni usure. Mais, pour augmenter la vitesse, on est gêné par les instabilités engendrées par la croissance du déséquilibre entre les forces de rappel angulaire constantes et celles des amortissements naturels qui sont inversement proportionnelles à la vitesse.
Lorsque la vitesse est grande, les forces d'amortissement naturelles, liées au contact roue-rail, ne sont plus suffisantes pour assurer la stabilité des essieux qui doit être obtenue d'un châssis auquel les essieux sont reliés par des liaisons élastiques appelées suspensions primaires. La raideur de ces liaisons doit être grande pour améliorer la stabilité aux grandes vitesses. Mais cette grande raideur contrarie l'orientation relative des deux essieux qui est nécessaire pour assurer un roulement sans glissement en courbe.
Ainsi, pour s'inscrire dans une courbe de 50 mètres de rayon, deux essieux avec entr'axe de deux mètres doivent former entre eux un angle de 40 milliradians qui induirait de forces de rappel des suspensions trop grandes pour être vaincues par les seules forces de contact.
Jusqu'à présent, de nombreux efforts ont été faits pour favoriser l'orientation correcte des essieux monoblocs dans les courbes en orientant mécaniquement les essieux en se référant par exemple à l'angle entre le châssis de bogie et la caisse. Ces développements sont connus sous l'appellation générique de "bogies à essieux orientables". Toutefois, ces solutions n'apportent pas entière satisfaction car elles tendent à augmenter les instabilités aux grandes vitesses et fonctionnent médiocrement dans les zones de variation de rayon de courbure. En outre, même lorsqu'elles permettent une bonne radialité des essieux dans les courbes, elles ne peuvent pas éviter les glissements qui se produisent lorsque la conicité des roues et le jeu des essieux ne permettent plus de compenser la différence des chemins à parcourir sur les deux rails.
Il a également été proposé, pour éviter notamment ce dernier inconvénient, de désolidariser en rotation les deux roues d'un même essieu pour réaliser des "essieux à roues indépendantes". De telles réalisations sont restées assez rares car les essieux à roues indépendantes ne sont plus sensibles aux effets de la conicité et n'ont plus de moment de forces capables de les orienter naturellement. Il est donc nécessaire de leur ajouter un dispositif d'orientation capable de leur faire prendre les courbes sans glissement.
Ces dispositifs sont jusqu'à présent mécaniques et cherchent à orienter chaque essieu selon la direction tangente à la voie que l'on détecte en observant une portion du véhicule précédent. Bien entendu, ces dispositifs créent des difficultés aux extrémités du train.
D'autres dispositifs ont été proposés mais il apparaît à l'usage que lorsqu'ils améliorent la prise des courbes, ils sont défavorables à la stabilité et vice-versa. Ainsi, l'usage a consacré la spécialisation des matériels roulants entre au moins deux catégories : les véhicules à grande vitesse qui ne sont pas aptes à prendre les courbes serrées et les véhicules urbains qui seraient très inconfortables aux plus grandes vitesses.
Pour palier ces inconvénients, on a proposé dans le document WO.A. 88/02712 d'orienter un essieu à roues indépendantes et totalement libre de tourner par rapport à la caisse du véhicule par le moyen d'un asservissement électronique comportant un timon perpendiculaire à l'axe des roues, supportant des électro-aimants et des capteurs de position coopérant avec un rail placé au centre de la voie.
A l'aide de cet asservissement, il est possible de réaliser une fonction de transfert reliant l'orientation α de l'essieu à sa position transversale y (par rapport au sol) de la forme :

$α = Gy + Dy'$

de sorte que les forces de contact Fy de l'essieu soient, à grande vitesse, égales à :

$Fy = 2C₂₂ α = 2C₂₂ Gy + 2C₂₂ Dy'$
On voit ainsi que l'asservissement permet de résoudre les deux problèmes : il fait apparaître un terme de recentrage proportionnel au déplacement latéral y (ce terme remplace la conicité des roues) et cela rend l'essieu apte à prendre les courbes, et il introduit un amortissement (2C₂₂D), indépendant de la vitesse d'avancement qui permet de stabiliser l'essieu aux grandes vitesses sans faire appel à des forces de liaison avec le châssis.
Cependant, le dispositif précité présente un certain nombre d'inconvénients ; le timon relié à l'essieu ne peut pas être stabilisé en tangage ou "galop" sans liaisons avec la caisse du véhicule et ce couplage introduit des vibrations difficiles à filtrer et gênantes pour le confort.
D'autre part, pour conserver les électro-aimants de taille acceptable, il est nécessaire de réduire les couples parasites sur l'essieu dus au freinage ou à la propulsion.
On utilise alors un moteur linéaire centré dont l'induit peut être le rail de guidage. Enfin, la présence du rail de guidage rend difficile l'application sur les réseaux ferroviaire existants.
Rappelons que les véhicules guidés peuvent déraper et venir en butée transversale sur la voie au moyen des mentonnets, ce qui implique la nécessité de suspension ayant une bonne flexibilité transversale et conduit à rechercher une trajectoire commune à tous les essieux ; certaines solutions simples utilisées pour les engins filoguiés ne leur sont pas applicables.
Le but de la présente invention est d'améliorer cette situation en proposant un véhicule à essieux dont l'orientation est asservie à partir de capteurs de position sans contact coopérant avec les rails traditionnels et à l'aide d'actionneurs coopérant non plus avec la voie mais entre les essieux, soit directement, soit indirectement via le châssis de bogie ou celui du véhicule. Tout en conservant à la fois des vitesses critiques élevées et la prise de courbes serrées sans usure des roues, ce dispositif améliore le confort et la maintenance de la voie, et permet l'utilisation des roues pour la propulsion et le freinage et voire même l'utilisation de roues à bandages pneumatiques sans roulettes de guidage.
Nous appelons ici "véhicule" une entité autonome au moins du point de vue sustentation et guidage.
L'invention a pour objet un véhicule guidé sur voie comprenant

au moins une paire d'essieux à roues indépendantes,
au moins deux organes de mesure de la position transversale du véhicule par rapport à la voie,
au moins un organe de mesure d'angle d'essieux par rapport à des références liées à des parties du véhicule,
au moins deux organes actionneurs permettant de corriger ces angles, chaque actionneur agissant sur l'un des essieux en prenant appui sur l'autre,
et un circuit d'asservissement recevant les signaux des dits organes de mesure et élaborant des signaux de commandes des dits organes actionneurs.

L'invention sera mieux comprise avec la description ci-après de trois modes de réalisation en référence aux dessins annexés dans lequel :

La figure 1 est une vue de dessus schématique d'un bogie selon un premier mode de réalisation ;
La figure 2 est une vue de dessus d'un essieu du bogie de la figure 1, avec pour chaque roue, un moteur et un carter de transmission formant bras de suspension ;
La figure 3 est une vue de dessus d'un bogie constitué par deux essieux réalisés selon la figure 1 ;
La figure 4 est une vue en élévation du même bogie ;
La figure 5 est une vue de face du même bogie ;
La figure 6 est une vue de face d'un bogie du type précédent muni, en plus des roues métalliques, de roues pneumatiques ;
Les figures 7 et 8 représentent schématiquement en vue de dessous et selon deux positions, un bogie selon une variante de réalisation.

Dans les figures 1 à 6, l'axe de rotation entre les essieux du bogie est défini mécaniquement par une rotule ; le bogie ne comprend qu'un seul capteur de l'angle entre essieux, l'un des essieux servant de référence pour la mesure de cet angle.
Le bogie ne comprend qu'un seul actionneur, prenant appui sur les essieux pour corriger l'angle entre essieux.
Le bogie schématisé à la figure 1 comprend un châssis 1 et deux essieux articulés entre eux à l'aide d'une rotule 11 placée en centre du bogie par souci de symétrie (bogie bidirectionnel). Chaque essieu comprend une traverse 2 ou 5 et deux roues indépendantes 3 et 4 ou 6 et 7 et un pseudo-châssis 9 ou 10 reliant la traverse 2 ou 5 à la rotule 11. Entre les deux pseudo-châssis 9 et 10 sont articulés un actionneur 21 et un capteur d'angle 20.
L'actionneur peut être, par exemple, un vérin hydraulique ou électrique.
Sur chacune des traverses 2 et 5 est fixé, au voisinage de la roue correspondante, un capteur dit capteur de rail 14, 15 mesurant le déplacement de l'essieu par rapport au rail correspondant non représenté.
Les capteurs de rail 14 et 15 sont avantageusement du type décrit dans le brevet français n° 87 13380 déposé le 28 septembre 1987 au nom des demanderesses.
De tels capteurs comprennent un aimant ayant vis à vis de l'essieu un degré de liberté tangent à la direction de mesure et étant assujetti à rester dans la même position transversale par rapport au rail ; la mesure du déplacement de l'aimant par rapport l'essieu fournit la mesure du déplacement de l'essieu par rapport au rail.
Les capteurs 14 et 15 peuvent, en variante être fixés sur les éléments 9 et 10 du pseudo-châssis.
Les capteurs fournissent les signaux électriques suivants :

Y1 :: l'écart de position transversale du capteur 14 par rapport à la voie,
Y2 :: l'écart de position transversale du capteur 15 par rapport à la voie,
α :: l'angle relatif des deux essieux déduit du capteur 20.

Le circuit électronique non représenté fournit un signal de consigne d'effort à l'actionneur par exemple de type :

$F = AY1 + BY2 + CY′1 + DY′2 + Eα + Fα′$

où A B C D E F sont des facteurs dépendant éventuellement de la vitesse du véhicule et Y′1, Y′2, α ′ sont les dérivées temporelles de Y1, Y2 et α respectivement.
Par analogie avec ce qui a été dit en préambule, l'expression de l'angle entre les essieux, ou angle de consigne, est ici :

$α = -(AY1 + BY2 + CY′1 + DY′2)/E$
Le signal du capteur à l'arrière du bogie n'est pas indispensable mais permet de mieux centrer le bogie en courbe et sous les efforts transversaux (B non nul) et d'augmenter la vitesse critique du bogie (D non nul) surtout si les constantes de temps de l'électronique et de l'actionneur asservi en force ne sont pas négligeables (supérieures à 10 microsecondes par exemple).
Les efforts longitudinaux de propulsion ou de freinage sont avantageusement transmis directement à la caisse 8 du véhicule sans passer par le châssis de bogie 1 à l'aide de la bielle 12 articulée sur la caisse 8 et au niveau de la rotule 11 à l'un des pseudo-châssis 9 ou 10.
Le châssis 1 n'a alors qu'un rôle de distribution des efforts transversaux et verticaux de sustentation et de guidage de la caisse aux deux extrémités de chaque traverse d'essieu.
La figure 2 illustre, en vue de dessus, un essieu destiné à la réalisation d'un bogie selon le principe décrit en référence à la figure 1.
Les éléments communs aux figures 1 et 2 ont reçu les mêmes numéros de référence.
L'essieu comprend deux moteurs, pour chacune des roues, enfermés dans des carters 31 et 32.
La transmission est effectuée par des chaînes enfermées dans des carters 41 et 42. Les ensembles 31-41 et 32-42 jouent le rôle des pseudo-châssis 9 et 10 de la figure 1.
On distingue encore dans la figure 2, les freins à disques comprenant les moteurs 51 et 52 et leurs étriers respectifs 61 et 62.
Un capteur de position de rail 15A est solidaire du carter 42.
A l'aide de deux essieux du type précité, on réalise un bogie comme il est montré dans les figures 3 et 5.
Les éléments communs aux figures 1 à 5 ont reçu les mêmes numéros de référence.
On distingue les traverses 2 et 5, les roues 3, 4, 6 et 7, les capteurs de rails 14, 14A, 15 et 15A.
On distingue les moteurs sont référencées 23 et 24 ;
les carters des moteurs sont référencés 33, 36, les carters des transmissions 43, 44, 46 et 47, les moteurs de freinage 53, 54, 56 et 57 et les étriers 63, 64, 66 et 67.
Les carters moteurs et ceux des transmissions, accolés dos à dos, constituent les pseudo-châssis 9 et 10 de la figure 1. Ils sont articulés par la rotule 11 en partie basse et par un plot 70 en élastomère en partie haute.
On a représenté dans la figure 4 la chaîne 93 constituant la transmission du moteur 23 de la roue 3 ; on distingue également le moteur 26 de la roue 6.
Le châssis comprend deux longerons 1A et 1B et deux traverses 1C et 1D. Le châssis repose sur les carters de transmission 41 à 44, au droit des traverses d'essieu 2 et 5, par l'intermédiaire de suspensions 71 à 74 équivalentes aux suspensions primaires classiques mais caractérisées par une grande flexibilité longitudinale.
La caisse, non représentée, s'articule classiquement sur le châssis avec une suspension secondaire comprenant, par exemple, une couronne à bille 1E, une traverse de charge 1F et des paires de plots en élastomère tels que 88.
On notera que le pseudo-châssis, constitué par les carters de moteur et de transmission, par la rotule 11 et par le plot 70, réalise une suspension indépendante du châssis de bogie, des moteurs, actionneurs, capteurs et freins, par rotation entre pseudo-châssis d'axe transversal et par compression du plot 70, en même temps qu'elle matérialise l'orientabilité relative des essieux grâce à la rotation d'axe vertical par flexion du plot 70 et autorise la prise de gauche, c'est-à-dire une rotation entre essieux d'axe longitudinal, par cisaillement du plot 70. La rotule est ainsi précontrainte.
Pour obtenir une redondance et ne pas trop solliciter la rotule 11, deux actionneurs 21A et 21B type servovérin électrique ou électrohydraulique, incluant de préférence le capteur d'angle, sont placés de part et d'autre de la rotule dans le même plan horizontal qu'elle, pour que le servomécanisme ainsi obtenu interfère le moins possible avec les mouvements de rotation autres que celui d'axe vertical qu'il est sensé maîtriser. Ils s'articulent sous les carters de transmission 41 à 44.
Le servovérin peut être un vérin hydraulique commandé, par exemple, par une servovalve de pression asservie en pression, pour un asservissement en force tel que cité, ou un vérin électrique par exemple à deux étages comme dans la figure 10 avec un premier étage rapide pour la correction des écarts de faible amplitude, typiquement une paire d'électro-aimants agissant sur une plaque solidaire du pseudo-châssis d'essieu et porté par une vis avec écrou entraîné par un servomoteur constituant le deuxième étage plus lent. Ce dernier fournit les grandes amplitudes pour les prises de courbes.
Une bielle 12 de transmission d'effort de propulsion et freinage est articulée sur un des pseudo-châssis près de la rotule et le plus bas possibles pour limiter le couple de tangage et interférer le moins possible avec la suspension des moteurs et le servomécanisme.
La figure 6 représente un bogie selon le principe de réalisation de la figure 1, équipé de roues pneumatiques 3A et 4A ; pour des raisons d'encombrement, les transmissions et leurs carters 33 et 34 sont placés entre les roues 3 et 4 d'un essieu ; les moteurs 23A et 34A, ne pouvant plus être collés dos à dos, se trouvent l'un sur l'autre.
Les figures 7 et 8 représentent schématiquement vu de dessous un bogie selon une variante qui permet aux servomécanismes de s'affranchir des mouvements du châssis.
Le bogie est montré dans deux orientations des essieux.
Il s'agit d'un bogie d'architecture comparable à celui des figures 1 à 6. Il conserve les pseudo-châssis 9 et 10 associés aux essieux mais la rotule 11 qui définissait un centre de rotation relative entre essieux est remplacée par une bielle longitudinale 11A s'articulant sur les deux pseudo-châssis 9 et 10 pour donner un nouveau degré de liberté de translation relative entre essieux. Cette bielle continue de coopérer avec le plot 99 pour donner une suspension des moteurs, actionneurs et capteurs, et les prises de gauche, et avec l'actionneur 21 pour exercer des couples purs sur les essieux. A cet effet, la bielle se trouve sensiblement dans le même plan horizontal que l'actionneur linéaire et est de même longueur à angle nul entre essieux. Pour lier longitudinalement les deux pseudo-châssis sans couple parasite excessif, elle est de préférence centrée. Le capteur 21 de longueur équivalente à la bielle fournit l'information sur l'angle entre les essieux. Un deuxième actionneur 21A, de faible course, avec son capteur de position permet de déplacer le centre de rotation relative entre essieux. Il s'articule sur les deux pseudo-châssis 9 et 10 et son axe est transversal afin d'exercer, au centre du bogie, des poussées transversales sur chacun des essieux. L'actionneur peut être un vérin hydraulique mais, compte tenu des faibles courses, cet actionneur peut être constitué d'une paire d'électro-aimants fixés sur un des pseudo-châssis et agissant sur au moins une plaque fixée sur l'autre pseudo-châssis.
Le plot (figure 4 et 5) peut être conservé. Il doit avoir une bonne flexibilité transversale (en cisaillement) et l'actionneur 21 est disposé légèrement en dessous ou de part et d'autre dans le cas d'électro-aimants.
La bielle 12 s'articule toujours sur un des pseudo-châssis près de l'une des articulations de la bielle 11A et est reliée à la caisse 8 du véhicule.
De cette façon, les actionneurs et capteurs ne prennent plus appui sur le châssis de bogie.
L'invention permet de réaliser des véhicules stables à haute vitesse et pouvant prendre des courbes à grande vitesse sans usure excessive des mentonnets.

Claims

Véhicule guidé sur voie comprenant
- au moins une paire d'essieux à roues indépendantes,

- au moins deux organes (14, 15) de mesure de la position transversale du véhicule par rapport à la voie,

- au moins un organe de mesure (20) d'angle d'essieux par rapport à des références liées à des parties du véhicule,

- au moins deux organes actionneurs (21) permettant de corriger ces angles, chaque actionneur agissant sur l'un des essieux en prenant appui sur l'autre,

- et un circuit d'asservissement recevant les signaux des dits organes de mesure et élaborant des signaux de commandes des dits organes actionneurs.
Véhicule selon la revendication 1, du type dans lequel chaque essieu (2, 5) de ladite paire est associé à un pseudo-châssis (9, 10), caractérisé en ce que lesdits pseudo-châssis étant articulés entre eux selon un axe sensiblement vertical, lesdits organes de mesure d'angle (20) et actionneurs (21) prenant appui chacun sur les deux pseudo-châssis.
Véhicule selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque roue (3, 4, 6, 7) est associée à un moteur d'entraînement disposé dans un carter (33, 34, 36, 37) et muni d'un organe d'entraînement (93, 94, 96, 97) placé dans un carter d'entraînement (43, 44, 46, 47), lesdits carters constituant au-moins une partie desdits pseudochâssis (9, 10).
Véhicule selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'articulation des pseudo-châssis (9, 10) comprend une rotule (11) et un plot en élastomère (70).
Véhicule selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une bielle (12) de reprise des efforts de propulsion et de freinage articulée entre l'un desdits pseudochâssis (9, 10) et la caisse (8) du véhicule.
Véhicule selon l'une des revendications 2 à 5 caractérisé an ce que la caisse est suspendue au moyen d'une suspension primaire comprenant deux longerons (1A, 1B) solidarisés de manière flexible au carters d'entraînement (43, 44, 46, 47) et d'une suspension secondaire comprenant une traverse de charge (1F) solidarisée aux longerons par des moyens élastiques (88).
Véhicule selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'il comprend en plus des roues métalliques, des roues (3A, 4A) à pneumatiques.
Véhicule selon la revendication 1 dans lequel chaque essieu (2, 5) de ladite paire est associé à un pseudo-châssis (9, 10), caractérisé en ce que lesdits pseudo-châssis sont reliées par une bielle (11A) s'articulant sur chacun d'eux, lesdits pseudo-châssis étant reliés par un premier actionneur (21) qui associé à ladite bielle excerce un couple entre les deux essieux et par un second actionneur (21A) exerçant une force transversale entre les essieux.