Brevet FR2473448A1 — publié le 19810717

"Frein à patin électromagnétique comportant une bobine d'électro-aimant dont l'excitation attire le patin sur une surface de freinage ferromagnétique, et application d'un tel frein pour un véhicule ferroviaire." La présente invention se rapporte à un frein à patin électromagnétique comportant une bobine d'électro-aimant dont l'excitation attire le patin sur une surface de freinage fer- romagnétique. Dans un véhicule ferroviaire un tel frein pst par exem- ple nécessaire lorsqu'une décélération de freinage suffisante ne peut pas être obtenue par le seul freinage des roues. En pareil cas, grâce à ce frein à patin, on produit des efforts de freinage supplémentaires par frottement de son patin sur le champignon du rail sous l'effet de forces d'attraction électromagéntiques appropriées entre le patin et le rail. Pour une utilisation du frein à patin en tant que frein de secours, il faut d'une part respecter un effort de freinage minimal qui est normalement plus grand que l'effort de freinage maxi- mal du frein de service (électrique) du véhicule ferroviaire. Il faut, d'autre part, que l'effort de freinage maximal du frein de secours ou du frein à patin ne soit que légèrement supérieur à son effort de freinage minimal. Comme cependant cet effort de freinage minimal doit être dimensionné en fonc- tion d'un coefficient de frottement minimal entre le patin et le rail pour obtenir la décélération de freinage au moins né- cessaire du véhicule ferroviaire pour chaque coefficient de frottement, en cas de coefficients de frottements normaux au moins quatre fois supérieurs, les efforts de freinage (propor- tionnellement plus importants) provoquent des décélérations exagérément grandes du véhicule avec pour conséquence non seulement une diminution préjudiciable de la sécurité des voyageurs, mais aussi une charge excessive du corps de voie ou de la voie; cette dernière nécessitant dans certains cas un surdimensionnement de la construction, en particulier dans le cas d'une construction de voien'absorbant que de façon limitée les charges longitudinales, d'un véhicule de grande vitesse, par exemple un véhicule à sustentation magnétique. Par conséquent, un frein à patin conçu d'après la pre- mière exigence ne pourra naturellement pas satisfaire à la seconde exigence réclamant même en cas de coefficients de frottement normaux desefforts de freinage maximals tels que les décélérations du véhicule correspondent à celles obtenues en cas d'effort de freinage minimal du frein à patin. La présente invention a par conséquent pour objet de réaliser un frein à patin du type précité qui compense les variations du coefficient de frottement entre le patin et la surface de freinage y associée dans leur action sur l'objet à freiner et qui soit par conséquent capable de satisfaire de façon identique à toutes les exigences précitées. Ce résultat est atteint selon l'invention par le fait que la bobine de l'électro-aimant est associée à un noyau magnétique comportant au moins deux branches polaires de po- larité alternée et que le patin est formé par des joues ferromagnétiques isolées magnétiquement les unes par rapport aux autres et insérées entre les faces des branches polaires et la surface de freinage (champignon du rail), joues ferro- magnétiques qui sont raccordées au noyau magnétique par un assemblage sans frottement ou à faible frottement vis-à-vis des faces polaires de ce dernier et par conséquent peuvent être déplacées par frottement sur la surface de freinage (champignon de rail) à l'encontre de l'action d'un ressort précontraint en fonction d'un effort de freinage prédéterminé. Par conséquent, selon l'invention, le patin attiré, c'est-à- dire frottant, contre la surface de freinage, par exemple un champignon de rail, lors de l'excitation de la bobine de l'électro-aimant est maintenu par un ressort et ce, jusqu'à ce que soit atteinte la précontrainte de celui-ci-correspon- dant-de préférence à l'effort de freinage minimal (précité) dans une position (de consigne) par rapport au noyau magnéti- que, position dans laquelle le champ électromagnétique, fermé par la surface de freinage, de la bobine de l'électro-aimant est sensiblement non déformé. Cela est avantageusement valable pour le cas, servant de base au dimensionnement de l'effort de freinage, minimal, du coefficient de frottement minimal entre le patin et la surface de freinage. Lors du dépassement de ce coefficient de frottement minimal et de l'augmentation consé- cutive correspondante de la force longitudinale du patin agissant sur le ressort, la précontrainte de ce dernier est sur-montée et par conséquent le patin sous l'action du frotte- ment sur la surface de freinage est extrait de la position de consigne par rapport au noyau magnétique ou à ses faces polaires. Il en résulte, d'une part, une distorsion du champ magnétique et une augmentation du flux de dispersion électro- magnétique entre la bobine de l'électro-aimant et la surface de freinage selon le degré de déplacement du patin (en fonc- tion de la résistance du ressort), et, d'autre part, une di- minution correspondante de la surface de section transversale entre le noyau magnétique et le patin (ou ces joues magnéti- ques) pour le flux électromagnétique utile avec pour consé- quence une augmentation de l'entrefer effectif entre la bobi- ne de l'électro-aimant et la surface de freinage, ce dernier effet ayant l'avantage qu'il intervient indépendamment de la position du noyau magnétique par rapport au sens du mouvement relatif entre ce dernier et la surface de freinage. Ces deux effets se traduisent par une diminution des forces d'attrac- tion électromagnétiques entre le patin et la surface de freina- ge et par conséquent par une limitation de l'effort de freina- ge. Dans le frein à patin selon l'invention, les forces d'at- traction électromagnétiques sont donc automatiquement réglées en fonction des coefficients de frottement ou de la modifica- tion du coefficient de frottement entre le patin et la surface de freinage avec pour résultat une limitation des efforts de freinage correspondant à la valeur prédéterminée de l'effort de freinage minimal. En pareil cas, le temps de réaction du frein à patin est d'autant plus faible que la vitesse relative entre le patin et la surface de freinage est plus grande, de sorte que le frein à patin convient particulièrement à un véhicule ferroviaire de grande vitesse, en particulier à un véhicule à sustentation magnétique; Par ailleurs, un tel frein à patin réglé passivement en ce qui concerne la pression d'application de son patin sur la surface de freinage ou son effort de freinage présente par rapport à un frein avec réglage actif des efforts de pression déterminant l'effort de freinage, l'avantage de la sécurité absolue contre les défaillances. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la descrip- tion d'un mode de réalisation pris comme exemple, mais non limitatif, et illustré.par le dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 représente en vue latérale un tronçon de rail (voie) avec placé dessus un frein à patin monté sur un châssis de véhicule; - la figure 2 représente l'agencement selon la figure 1, avec patin extrait de sa position de consigne dans le sens opposé à celui du déplacement (F) du frein à patin; - la figure 3 ne représente en vue frontale que le pa- tin et une section du noyau magnétique d'un frein à patin conforme à celui selon les figures 1 et 2. Sur la figure 1, le frein de secours d'un véhicule fer- roviaire se déplaçant dans le sens F est un frein à patin électromagnétique 1 qui est suspendu au-dessus d'un rail 4 d'une voie, par exemple de façon usuelle au moyen de cylindres de manoeuvre 3 s'articulant sur le châssis du véhicule ou sur un châssis de bogie 2, les ressorts de compression 3.1 dans les cylindres de manoeuvre assurant le maintien du frein à patin à l'état desserré, tandis que, dans le sens horizontal, le raccordement au châssis de bogie 2 est réalisé par des entraîneurs 5. Pour l'actionnement du frein à patin 1, la bo- bine d'électro-aimant 1.1 est excitée par une source de courant continu non représentée avec pour conséquence que, selon la figure 1, le patin 1, 2 est attiré vers le rail 4 sur lequel il vient donc frotter. La pression de serrage ainsi engendrée du patin 1.2 sur le champignon-4.1 du rail servant de surface de freinage ou l'effort de freinage en résultant du frein à patin 1 est réglé automatiquement en fonction de la variation du coefficient de frottement entre son patin et le champignon de rail: à cet effet, d'une part, la bobine d'électro-aimant 1.1 est associée à un noyau magnétique 1.3 comportant (au moins) deux branches polaires 1.4 de polarité alternée et, d'autre part, le patin 1.2 est formé par des Spues ferroma- gnétiques 1.6 insérées entre les faces 1.5 des branches polai- res 1.4 et le rail 4 ou le champignon de rail 4.1, ces joues 2 473448 ferromagnétiques étant mutuellement isolées par un matériau amagnétique 1.7 (par exemple en aluminium). Ces Joues fer- romagnétiques 1.6 sont montées sur le noyau magnétique 1.3 de façon à pouvoir se déplacer pratiquement sans frottement par rapport aux faces 1. 5 des branches polaires 1.4, ce qui est obtenu en suspendant le patin 1.2 au moyen de manivelles parallèles 6, avec le patin formant barre d'accouplement et le noyau magnétique formant bâti. La faculté de déplacement, assurée par cette suspension du patin 1.2 par frottement sur le champignon 4.1 du rail n'est limitée que par un autre raccordement du patin au châssis de bogie 2 par l'intermé- diaire d'un ressort 7 qui se trouve sous une précontrainte en compression mesurée en fonction de l'effort de freinage minimal recherché du frein à patin 1 pour un coefficient de frottement minimal entre le patin 1.2 et le champignon 4.1 du rail. Ce n'est donc que lorsque ce coefficient de frotte- ment minimal et par conséquent l'effort longitudinal, agis- sant sur le ressort 7, du patin 1.2 surmonte la précontrainte du ressort, que le patin est déplacé, par exemple selon la fi- gure 2, par rapport au noyau magnétique 1.3 ou à ses bran- ches polaires 1.4. Les forces d'attraction électromagnétiques entre le patin 1.2 ou ses joues ferromagnétiques 1.6 et le champignon 1.4 du rail diminuent en fonction du degré de dé- placement déterminé par la grandeur du coefficient de frot- tement intervenant avec pour conséquence que l'effort longi- tudinal du patin ou l'effort de freinage du frein à patin agissant sur le ressort 7 est réduit à l'effort de freinage minimal. - Cette action du frein à patin en vertu de laquelle en cas d'augmentation du coefficient de frottement, les forces d'attraction entre le patin 1.2 et le champignon 4.1 du rail diminuent automatiquement dans la même proportion et par con- séquent l'effort de freinage effectif ou la décélération du véhicule n'est pas sensiblement dépassé; nécessite, avec le critère de la plus grande absence de frottement possible entre le patin 1.2 at les faces 1.5 du noyau magnétique 1.3, l'entrefer 8 dans la position de consigne, représentée sur la figure 1, du patin. Un entrefer effectif aussi petit que possible que l'on s'efforce de réaliser dans cette position de consigne peut être obtenu selon la figure 3 par une con- figuration du patin 1.2 ou de ses joues ferromagnétiques 1.6 faisant saillie sur les c6tés longitudinaux des branches po- laires 1.4 du noyau magnétique 1.3. Pour la circulation dans les deux sens d'un véhicule, on prévoit deux ressorts précontraints 7, c'est-à-dire un res- sort pour chaque direction, auquel cas sur les deux ressorts, un seul est toujours effectif (selon le sens du déplacement). Le frein à patin 1 qui vient d'être décrit n'est bien entendu pas limité à un véhicule ferroviaire, mais peut par exemple être également utilisé comme frein à disque, c'est-à- dire être un organe stationnaire par rapport à une surface de freinage mobile. R E V E N D I C A T I O N S 1.- Frein à patin électromagnétique comportant une bobine d'électroaimant dont l'excitation attire le patin sur une surface de freinage ferromagnétique, caractérisé par le fait que la bobine de l'électroaimant (1.1) est associée à un noyau magnétique (1.3) comportant au moins deux branches po- laires (1.4) de polarité alternée et que le patin (1.2) est formé par des joues ferromagnétiques (1.6) magnétiquement isolées les unes par rapport aux autres et insérées entre les faces (1.5) des branches polaires et la surface de frei- nage (champignon 4.1 du rail), joues ferromagnétiques qui sont reliées au noyau magnétique (1.3) par un assemblage sans frottement ou à faible frottement vis-à-vis des faces polai- res (1.5) de ce dernier et par conséquent peuvent être dépla- cées par frottement sur la surface de freinage (champignon 4.1 du rail) à l'encontre de l'action d'un ressort (7) pré- contraint en fonction d'un effort de freinage prédéterminé. 2.- Frein à patin selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la précontrainte du ressort est dimensionnée en fonction d'un effort de freinage minimal. 3.- Frein à patin selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le patin (1.2) sans contact vis-à-vis des faces polaires (1.5) sert de barre d'accouplement à des mani- velles parallèles (6) dont le bâti est le noyau magnétique (1.3). 4.- Frein à patin selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le patin (1.2) ou les joues ferromagnétiques (1.6) comportent des branches faisant saillie des deux côtés du noyau magnétique (1.3) ou de ses branches polaires (1.4). 5.- Utilisation d'un frein à patin électromagnétique selon la revendication 1 en tant que frein de rail suspendu élastiquement d'un véhicule ferroviaire, en particulier à grande vitesse.