EP2174856B1 - Longeron de bogie - Google Patents

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EP2174856B1
EP2174856B1 EP09290769.0A EP09290769A EP2174856B1 EP 2174856 B1 EP2174856 B1 EP 2174856B1 EP 09290769 A EP09290769 A EP 09290769A EP 2174856 B1 EP2174856 B1 EP 2174856B1
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EP
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spar
side frame
core
bogie
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61F—RAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F5/00—Constructional details of bogies; Connections between bogies and vehicle underframes; Arrangements or devices for adjusting or allowing self-adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves
    • B61F5/50—Other details
    • B61F5/52—Bogie frames

Definitions

  • the present invention relates to a reinforced spar for a bogie especially for freight wagons.
  • a bogie consists essentially of longitudinal members which are joined in the vicinity of their center by a pivot crossbar.
  • a bogie 1 As represented on the figure 1 , comprises two longitudinal members 2, each of which is provided with a light near their center, and joined at the level of said light by a pivot crossbar 4. The latter ensures the connection of the bogie 1 with the wagon through 5.
  • the longitudinal members 2 comprise at each of their ends, housing 3 adapted to receive axle bearing boxes, which accommodate axles.
  • the bogie also includes other elements, well known to those skilled in the art, which have been deliberately omitted not to unnecessarily burden the figure, such as dampers, brake systems.
  • Such a bogie is for example known from WO 01/85522 .
  • the longitudinal members 2 have, as a general rule, a vertical section in the overall shape of I or double T and are composed of a core 6, an upper sole 7 and a lower sole 8 welded assemblies and dimensioned to support said loads.
  • the purpose of the present invention is therefore to overcome this disadvantage by reinforcing the spar 2.
  • the present invention relates to a reinforced bogie beam, intended in particular for freight wagons, having a generally I-shaped section and comprising a core, an upper sole and a lower sole joined by welding, said spar being remarkable in that the spar comprises a reinforcing means for moving the maximum stress zone of the weld zone between the core and the bottom flange to a zone in full metal.
  • the reinforcing means consist of a specific shape of the lower sole.
  • the specific shape of the lower sole is a notch made along each longitudinal edge of the lower sole of the spar on both sides of the core. This notch is preferably progressive.
  • full metal zone used in the context of the present invention means that said zone is located in the core or soles, with the exception of their edges and the contact surfaces between said webs and soles.
  • reinforcement means used in the scope of the present invention means that these means allow reinforcement of the spar by less stressing the weak part of said spar namely the junction between the core and the lower flange, at the weld.
  • the invention therefore consists in optimizing said indentations so that the reinforcement obtained compensates for and is greater than the increase in the generated flexibility.
  • the spar according to the invention is particularly interesting in that its manufacture is easy and does not require addition of material, which would have the effect of increasing its weight and price.
  • This spar 10 has a shape similar to the spar 2 according to the prior art shown in FIG. figure 1 .
  • it has a vertical section in the overall shape of I or double T and is composed of a vertical core 11, an upper sole 12 and a lower sole 13, all three of generally parallelepipedal shape, welded together and dimensioned to support in particular the loads recommended by the rules of construction.
  • Said top 12 and lower soles 13 are generally horizontal.
  • the spar 10 is provided, on the one hand, with a light 14 near the middle of its core 11 to accommodate a pivot crossbar which ensures the connection of the bogie with the wagon and, secondly, at each of its ends, housing 15 adapted to receive axle boxes, which accommodate axles for moving the bogie on rails.
  • said spar 10 differs fundamentally from the prior art in that it comprises reinforcing means for moving the zone of maximum stress of the weld zone between the core 11 and the lower flange 13 towards a zone in full metal.
  • This configuration makes it possible to increase the resistance of the bogie. Indeed, one can increase the value of said maximum stress since the latter is no longer at the weld seam which is located on either side of the core 11 and which is a zone of lesser resistance.
  • These reinforcement means advantageously consist of a specific form of the lower sole 13.
  • the specific shape of the lower sole 13 consists of a notch 16 formed along each longitudinal edge of the lower sole 13 of the spar 10 on either side of the core 11 substantially to the right of the light 14 of the core 11.
  • Said notch 16 is preferably made by removing material on both sides of the core 11 in a generally circular shape of large radius. However, it is understood that these material removal should not be too large so as to have a lower sole 13 wide enough to be compatible with mechanical stresses.
  • the spar 10 is, in normal use, subjected to a complex combination of multiple mechanical stresses of the shear, bending, compression and torsion type. It is therefore necessary to use a finite element calculation to understand the mechanical stresses of the spar when it is subjected to such efforts.
  • the finite element calculation makes it possible to optimize the shape of the indentations 16 as a function, in particular, of the type of spar 10, so that the reinforcement obtained compensates and is greater than the increase in flexibility.
  • the notches 16 will be made progressively, that is to say that the connection of the circular shapes with each of the edges of the lower sole 13 is made by another large radius circular shape that is tangent to the adjacent surfaces.
  • the longitudinal members 10 according to the invention may be incorporated in any known type of bogie, and in particular in accordance with the bogie shown in FIG. figure 1 , in respect of elements other than longitudinal members.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Body Structure For Vehicles (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Train Traffic Observation, Control, And Security (AREA)
  • Butt Welding And Welding Of Specific Article (AREA)

Description

  • La présente invention concerne un longeron renforcé pour un bogie notamment destiné aux wagons de transport de marchandises.
  • On sait que la structure d'un bogie est essentiellement constituée de longerons qui sont réunis au voisinage de leur milieu par une traverse pivot.
  • Selon l'état de la technique, un bogie 1, tel que représenté sur la figure 1, comprend deux longerons 2, qui sont pourvus chacun d'une lumière à proximité de leur milieu, et réunis, au niveau de ladite lumière, par une traverse pivot 4. Cette dernière assure la liaison du bogie 1 avec le wagon par le biais d'une crapaudine 5. Afin d'assurer la liaison du wagon aux rails, les longerons 2 comportent, à chacune de leurs extrémités, des logements 3 aptes à recevoir des boîtes de roulements des essieux, qui accueillent des essieux. Le boggie comprend aussi d'autres éléments, bien connus de l'Homme de l'Art, qui ont été volontairement omis pour ne pas alourdir inutilement la figure, tels que notamment des amortisseurs, des systèmes de frein.
  • Un tel bogie est par exemple connu de WO 01/85522 .
  • Afin de pouvoir supporter des charges importantes, les longerons 2 ont, en règle générale, une section verticale en forme globale de I ou en double T et sont composés d'une âme 6, d'une semelle supérieure 7 et d'une semelle inférieure 8 assemblées par soudure et dimensionnées pour supporter lesdites charges.
  • Toutefois, concernant ce dernier point, traditionnellement, les zones de fortes contraintes dues auxdites charges apparaissent dans les longerons 2 notamment dans la zone médiane du bogie à la jonction 9 entre l'âme 6 et la semelle inférieure 8, au niveau de la soudure. Ceci a pour effet de fragiliser ledit longeron 2, car les caractéristiques de résistance de la soudure sont moindres que celles de l'acier constituant l'assemblage.
  • Le but de la présente invention est donc de remédier à cet inconvénient en renforçant le longeron 2.
  • A cet égard, la présente invention concerne un longeron de bogie renforcé, destiné notamment aux wagons de transport de marchandises, ayant une section en forme générale de I et comprenant une âme, une semelle supérieure et une semelle inférieure assemblées par soudure, ledit longeron étant remarquable en ce que le longeron comporte un moyen de renfort permettant de déplacer la zone de contrainte maximale de la zone de soudure entre l'âme et la semelle inférieure vers une zone en plein métal.
  • Selon un mode de réalisation préféré, les moyens de renfort consistent en une forme spécifique de la semelle inférieure.
  • Selon ce mode de réalisation préféré, la forme spécifique de la semelle inférieure est une échancrure réalisée le long de chaque bord longitudinal de la semelle inférieure du longeron de part et d'autre de l'âme. Cette échancrure est de préférence progressive.
  • On comprend bien qu'en changeant la forme du longeron et surtout celle de sa semelle inférieure, on va modifier la répartition des contraintes et notamment en déplaçant la contrainte maximale de la zone soudée inférieure vers une zone en plein métal dans laquelle les contraintes admissibles sont plus élevées.
  • Le terme « zone en plein métal » utilisé dans le cadre de la présente invention, signifie que ladite zone se situe dans l'âme ou les semelles, à l'exception de leurs bords et des surfaces de contact entre lesdites âmes et semelles.
  • De plus, le terme « moyens de renfort » utilisé dans le cadre de la présente invention, signifie que ces moyens permettent un renforcement du longeron en sollicitant moins la partie faible dudit longeron à savoir la jonction entre l'âme et la semelle inférieure, au niveau de la soudure. Toutefois, on comprend bien que le fait de réaliser une échancrure sur la semelle inférieure du longeron, de part et d'autre de l'âme, a pour effet de rendre le longeron plus flexible. L'invention consiste donc à optimiser lesdites échancrures pour que le renforcement obtenu compense et soit plus important que l'augmentation de la flexibilité générée.
  • Le longeron selon l'invention est particulièrement intéressant en ce que sa fabrication est aisée et ne nécessite pas d'adjonction de matière, ce qui aurait pour effet d'augmenter son poids et son prix.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
    • la figure 1, déjà décrite, est une vue en perspective partielle d'un bogie selon l'état de la technique connu,
    • la figure 2 est une vue en perspective d'un longeron selon l'invention,
    • la figure 3, est une vue en perspective partielle d'une simulation d'un longeron sans moyen de renfort de l'art antérieur, ce longeron étant soumis à des contraintes mécaniques, cette simulation étant issue d'un calcul par éléments finis,
    • la figure 4 est une vue en perspective partielle d'une simulation d'un longeron avec moyens de renfort selon l'invention, ce longeron étant soumis à des contraintes mécaniques, cette simulation étant issue d'un calcul par éléments finis. En référence à la figure 2, le longeron 10 de bogie renforcé selon l'invention, est destiné aux wagons de transport de marchandises.
  • Ce longeron 10 a une forme similaire au longeron 2 selon l'art antérieur représentée sur la figure 1. Ainsi, il présente une section verticale en forme globale de I ou de double T et est composé d'une âme 11 verticale, d'une semelle supérieure 12 et d'une semelle inférieure 13, toutes trois de forme globalement parallélépipédique, assemblées par soudure et dimensionnées pour supporter notamment les charges préconisées par les règles de construction. Lesdites semelles supérieure 12 et inférieure 13 sont globalement horizontales.
  • En outre, le longeron 10 est pourvu, d'une part, d'une lumière 14 à proximité du milieu de son âme 11 afin d'accueillir une traverse pivot qui assure la liaison du bogie avec le wagon et, d'autre part, à chacune de ses extrémités, de logements 15 aptes à recevoir des boîtes d'essieux, qui accueillent des essieux pour assurer le déplacement du bogie sur des rails.
  • L'homme du Métier n'aura aucune difficulté pour choisir un matériau adapté et déterminer les dimensions des différents éléments constitutifs du longeron 10 selon l'invention en fonction desdites charges.
  • Cependant, ledit longeron 10 diffère fondamentalement de l'art antérieur en ce qu'il comporte des moyens de renforts permettant de déplacer la zone de contrainte maximale de la zone de soudure entre l'âme 11 et la semelle inférieure 13 vers une zone en plein métal. Cette configuration permet d'accroître la résistance du bogie. En effet, on peut augmenter la valeur de ladite contrainte maximale puisque que cette dernière ne situe plus au niveau du cordon de soudure qui est situé de part et d'autre de l'âme 11 et qui est une zone de moindre résistance.
  • Ces moyens de renforts consistent avantageusement en une forme spécifique de la semelle inférieure 13.
  • Dans un mode de réalisation préféré, la forme spécifique de la semelle inférieure 13 consiste en une échancrure 16 réalisée le long de chaque bord longitudinal de la semelle inférieure 13 du longeron 10 de part et d'autre de l'âme 11 sensiblement au droit de la lumière 14 de l'âme 11. Ladite échancrure 16 est de préférence réalisée en enlevant de la matière de part et d'autre de l'âme 11 suivant une forme générale circulaire de grand rayon. Toutefois, on comprend que ces enlèvements de matière ne doivent pas être trop importants de manière à avoir une semelle inférieure 13 suffisamment large pour être compatible avec les contraintes mécaniques.
  • On comprend bien que le fait de réaliser de telles échancrures 16 sur la semelle inférieure 13 du longeron 10 a pour effet de diminuer localement le moment quadratique d'inertie du longeron 10, d'augmenter la flexibilité dudit longeron 2 et donc de diminuer le niveau de contrainte dans ladite zone des échancrures 16.
  • Le longeron 10 est, en utilisation normale, soumis à une combinaison complexe de multiples efforts mécaniques de type cisaillement, flexion, compression et torsion. Il faut donc faire appel à un calcul par élément finis pour appréhender les sollicitations mécaniques du longeron lorsque celui-ci est soumis à de tels efforts.
  • Ainsi, en référence aux figures 3 et 4, un calcul par éléments finis permet de visualiser, par des isolignes, la répartition des zones de contraintes entre un longeron 2 de l'art antérieur (figure 3) et un longeron 10 selon l'invention (figure 10). Ce calcul permet donc de mettre nettement en évidence que les échancrures 16 permettent non seulement de diminuer le niveau de contraintes mais aussi de modifier la répartition des contraintes et de déplacer la contrainte maximale 17 de la zone soudée inférieure vers une zone en plein métal dans laquelle les contraintes admissibles sont plus élevées, ce qui a finalement pour effet de renforcer le longeron 10.
  • Par ailleurs, le calcul par éléments finis permet optimiser la forme des échancrures 16 en fonction notamment du type de longeron 10, pour que le renforcement obtenu compense et soit plus important que l'augmentation de la flexibilité.
  • De plus, pour éviter d'avoir un coefficient de concentration de contrainte trop élevé, les échancrures 16 seront réalisées de façon progressive, c'est-à-dire que le raccordement des formes circulaires avec chacun des bords de la semelle inférieure 13 se fait par une autre forme circulaire à grand rayon qui est tangent aux surfaces adjacentes.
  • Par rapport au longeron 2 selon l'art antérieur, tel que représenté sur la figure 1, le longeron 10 selon l'invention présente des avantages importants :
    • on augmente la résistante mécanique de l'ensemble du longeron 10 à moindre coût,
    • on réduit le poids du longeron 10 (suppression de matière due aux échancrures 16).
  • On comprend bien que le surcoût d'un longeron 10 selon l'invention est limité, car il suffit juste de réaliser une échancrure 16 de part et d'autre de l'âme 11 sans ajout de matière : il n'y a donc pas de surcoût de matière et le surcoût de main-d'oeuvre reste raisonnable car on peut pratiquer lesdites échancrures 16 avant soudage du longeron 10.
  • Les longerons 10 selon l'invention peuvent être incorporés à tout type connu de bogie, et notamment conforme au bogie représenté sur la figure 1, en ce qui concerne les éléments autres que les longerons.

Claims (3)

  1. Longeron (10) de bogie renforcé, destiné notamment aux wagons de transport de marchandises, ayant une section en forme générale de I et comprenant une âme (11), une semelle supérieure (12) et une semelle inférieure (13) assemblées par soudure, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de renfort consistant en une échancrure (16) obtenue par enlèvement de matière et réalisée le long de chaque bord longitudinal de la semelle inférieure (13) du longeron de part et d'autre de l'âme (11).
  2. Longeron (10) renforcé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les échancrures (16) sont réalisées suivant une forme générale circulaire de grand rayon.
  3. Longeron (10) renforcé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les échancrures (16) sont réalisées de façon progressive, c'est-à-dire que le raccordement des formes circulaires avec chacun des bords de la semelle inférieure 13 se fait par une autre forme circulaire à grand rayon qui est tangent aux surfaces adjacentes.
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