Brevet FR2513583A1 — publié le 19830401

i L'un des problèmes posés à l'industrie du trans- port est la tenue en courbe d'un bogie moteur classique sur rail pour véhicule urbain lourd et rapide L'un des problèmes posés par la tenue en courbe est la vitesse d'usure élevée des boudins de roues et des champignons de rails résultant du passage de véhicules ferroviaires rapides et lourds sur des courbes de faible rayon Un autre problème peutêtre encore plus grave que la vitesse d'usure élevée est le crissement ou grincement aigu se produisant au passage de courbes serrées (courbure habituellement supé- rieure à 8 ou d'un rayon supérieur à environ 210 m). Le crissement et la plus grande partie de l'usure du boudin de roue et du champignon du rail se produisant avec des bogies classiques à essieux parallèles sont dus à l'orientation non radiale dans laquelle l'essieu avant négocie des courbes de faible rayon Cette orientation non radiale a pour résultat une erreur de piste ou l'établisse- ment d'un angle d'attaque entre la roue et le rail L'angle d'attaque roue/rail et le mouvement latéral associés (glisse- ment) provoquent du bruit, de l'usure et l'apparition d'une force latérale inutilement élevée entre le boudin de roue et le rail De plus, dans une position de roulement non radiale, il existe une vitesse de frottement relative- ment importante entre le rail et le boudin, entraînant une usure et un bruit supplémentaires. Le problème du bruit peut être atténué au moyen de roues élastiques, de diverses autres mesures de suppres- sion des bruits et d'une lubrification de l'interface roue/rail Il est évident que les roues élastiques ou les barrières a 3 ti-bruit ne suppriment pas le problème de l'usure et qu'une lubrification doit être contrôlée de façon très précise car, dans le cas contraire, il peut apparaître un accroissement de la formation de méplats sur les roues par suite de glissements de ces dernières lors du freinage. Cependant, l'addition d'un mécanisme directeur résout le problème à sa source en supprimant l'erreur de piste et le mouvement latéral associé roue/rail La vibration qui engendre le bruit n'est pas générée Les- forces du boudin sont plus faibles et le frottement est supprimé Etant donné qu'il n'est plus nécessaire de procéder à la lubrification roue/rail, les performances de traction et de freinage deviennent plus uniformes. Les avantages envisagés de l'utilisation de bogies directeurs sur des véhicules de transports urbains sont: une usure réduite du boudin de roue, une usure réduire du champignon du rail, un bruit roue/rail réduit et une consommation d'énergie réduite lors du passage en courbe Dans les cas o les véhicules effectuent une grande partie de leur parcours sur des voies en courbe, les économies pouvant être réalisées sur l'usure des roues et des rails peuvent être très substantielles. Des bras dits directeurs ont été utilisés pour diriger des bogies Le concept du bras directeur peut avoir deux modes de fonctionnement qui sont connus comme étant la direction automatique et la direction forcée (positive) Dans le mode à direction automatique, la com- mande de direction provient exclusivement de l'action de centrage automatique du bi-cône formé par l'essieu monté. Les forces directrices sont générées par les forces de glissement développées au point de contact roue/rail Par conséquent, la commande de direction automatique est une fonction directe des limites d'adhérence et de la géo- métrie du contact Dans le mode à direction forcée, la commande de direction provient d'une tringlerie qui réagit au pivotement du bogie par rapport à la caisse du véhicule lors du passage en courbe De par sa géométrie, la tringle- rie positionne les essieux radialement lorsque le véhicule est en courbe L'action de direction automatique est éga- lement présente et aide en fait le mode à direction forcée. L'invention a trait à des bogies à direction forcée. Des bogies à direction forcée ont été utilisés dans le passé Par exemple, les brevets des Etats-Unis d'Amérique N O 3 789 770 et No 4 131 069 concernent des bogies directeurs pour véhicules ferroviaires. Les brevets précités décrivent l'utilisation d'un bras de direction dans une position de réglage prédéterminée qui dépend de l'entraxe des essieux et de l'entraxe des bogies pour maintenir la roue orientée radialement au rail. Cependant, il peut être souhaitable de produire un mouvement excessif ou insuffisant d'orientation Par exemple, en créant des angles d'attaque entre le boudin de roue et le rail, on engendre des forces qui tendent à éloigner le boudii de roue du rail Par exemple, il peut être souhaitable de produire un mouvement excessif d'orientation au cours de courbes de faible rayon, et un mouvement insuffisant d'orientation lors d'une circulation à grande vitesse Il est donc souhaitable de pouvoir connaître le parcours d'un véhicule ferroviaire proposé pour déterminer les conditions globales de roulement, comprenant les vitesses et les rayons des courbes, puis de pouvoir concevoir les bogies pour tenir compte des conditions existantes, par exemple produire une orientation forcée lorsque les roues du bogie se déplacent radialement aux rails ou produire une orienta- tion excessive ou insuffisante. Il convient également de noter qu'il existe des milliers de véhicules ferroviaires dont les essieux ne sont pas ou sont peu orientables, et qui sont susceptibles de rester en service pendant encore de nombreuses années. Etant donné que les bogies ont des conceptions fixes pour tenir compte des structures des caisses de véhicules et qu'ils portent généralement de nombreux équipements tels que des moteurs et des boites de transmission nécessaires à la propulsion du véhicule, une reprise complète de la'conception serait normalement nécessaire pour équiper les bogies existants du dispositif d'orientation forcée. Il est souhaitable de pouvoir équiper ou conce- voir des bogies à orientation forcée tout en utilisant un grand nombre des éléments pour la propulsion des véhicules, ainsi que de tenir compte des conceptions nor- males des véhicules qui ont donné satisfaction pendant de longues périodes de temps Un type de bogie ferroviaire comportant des longerons de châssis, des traverses -4 danseuses et d'autres éléments classiques rencontrés dans des véhicules ferroviaires classiques, est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 2 908 230. L'invention a pour objet un bogie orientable perfectionné qui peut être aisément modifié pour produire une orientation normale forcée, une orientation excessive ou une orientation insuffisante et qui est destiné à des véhicules ferroviaires fonctionnant dans différentes condi- tions. L'invention a également pour objet un bogie orientable perfectionné pouvant être équipé d'une traverse danseuse, d'essieux montés, de moyens de propulsion et de freins à sabots classiques. L'invention concerne donc un bogie orientable pour véhicule ferroviaire comprenant un châssis principal fixé au-dessous de la caisse du véhicule Le châssis principal comporte deux longerons auxquels une traverse danseuse est reliée Deux faux-châssis en forme de "C" sont reliés l'un à l'autre et montés de-manière à pouvoir tour- ner autour d'un pivot sur le châssis principal Des essieux montés et divers moteurs de propulsion et bottes de trans- mission sont montés sur les faux-châssis Les essieux montés sont disposés entre les bras des faux-châssis de forme en "C" Les extrémités des bras des faux-châssis sont montées de façon à pouvoir coulisser dans les extré- mités des longerons du châssis principal Une biellette directrice est montée entre la traverse danseuse de la caisse du véhicule et l'un des faux-châssis et peut être placée de façon à produire une orientation excessive, une orienta- tion insuffisante ou une orientation normale lorsque les roues sont maintenues radialement aux rails. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limi- tatif et sur lesquels: W la figure 1 est une vue de dessus d'un bogie orientable selon l'invention; la figure 2 est une vue de dessous du bogie représenté sur la figure 1; la figure 3 est une élévation du bogie des figures 1 et 2 sur lequel repose une caisse de véhicule la figure 4 est une vue de dessous des faux- châssis orientables, non reliés au châssis principal du bogie représenté sur les figures 1, 2 et 3; la figure 5 est une coupe longitudinale par- tielle en direction du centre du bogie; la figure 6 est une coupe transversale partielle orientée de l'avant vers le centre du bogie; la figure 7 est une vue en perspective des faux-châssis d'orientation représentés sur les figures précédentes, et conformes à l'invention; les figures 8 a et 8 b représentent une broche destinée à recevoir un bras directeur monté dans différentes positions par rapport à l'axe ceatral de la broche pour permettre un guidage excessif ou insuffi J-sant des essieux montés; la figure 9 est une courbe illustrant le fonctionnement des plots de cisailleîient utilisé dans la présente invention; et la figure 10 est une courbe perxfeettant de compa- rer les plots de cisaillement utilisant la présente inven- tion avec des plots de cisaillement d'une conception différente, ne présentant pas les caractéristiques des plots de cisaillement de la prêssente invention. Comme représenté sur les figures 1 et 2, le châssis principal 10 du bogie comprend fondamentalement deux longerons 12 et 14 et une traverse danseuse 16 Ces éléments existent dans de nombreux bogies classiques de chemin de fer. Le châssis principal 10 tel que représenté sur la figure 3 est destiné à supporter une caisse 18 de véhi- cule La caisse 18 repose sur la traverse danseuse 16 au moyen de deux ressorts pneumatiques dont un seul est représenté sur la figure 3, à savoir le ressort pneumati- que 20 Ainsi qu'on peut le voir plus clairement sur la figure 1, les longerons 12 et 14 du chassis comportent des parties 22 et 24 qui font saillie vers l'intérieur. Cette disposition est parfois appelée disposition en "Hl' et elle est illustrée dans le brevet N O 2 908 230 précité. La traverse danseuse 16 repose sur les longerons 12 et 14 au moyen de lisoirs dont un seul est illustré sur la figure 3, à savoir le lisoir 26 Les divers éléments décrits jusqu'à présent sont relativement classiques Jus- qu'à maintenant, le châssis principal fondamental 10 du bogie était conçu pour être équipé d'essieux montés, d'unités de propulsion et d'unités de freins à sabots, ainsi que de diverses autres pièces Selon l'invention, les diverses pièces supplémentaires associées au châssis principal ont été séparées de ce dernier pour constituer un dispositif de guidage ou d'orientation forcée, ainsi que pour supporter les divers éléments qui étaient supportés jusqu'à présent par le châssis principal. Comme montré sur les figures 1 et 2, divers autres éléments reliés à la traverse danseuse 16 comprennent des frotteurs 28 et 30 de prise de courant par troisième rail qui, eux-mêmes, sont portés par des bras 36 et 38 de support fixés par des blocs isolateurs 32 et 34 aux longerons 12 et 14 du châssis. Comme représenté sur la figure 2, une plaque cen- trale 40 est fixée à la traverse danseuse 16 Deux faux- châssis 42 et 44 sont reliés au châssis principal 10, au- dessous de ce dernier, par des moyens décrits ci-après, et sont utilisés pour produire l'action d'orientation ou de direction forcée selon l'invention. De plus, les faux-châssis 42 et 44 sont destinés à supporter les divers éléments qui étaient jusqu'à présent supportés par le châssis principal dans de nombreux bogies classiques. Les faux-châssis 42 et 44 comprennent des bras directeurs et ont des structures en forme de "C" Ces fauxchâssis 42 et 44 reçoivent deux essieux montés 46 et 48, respectivement Des ensembles 50 et 52 à boites de transmission sont reliés aux essieux montés 46 et 48, res- pectivement, et sont fixés aux faux-châssis 42 et 44 par des moyens classiques, en des points 54 et 56 de liaison. Des moteurs 58 et 60 sont également reliés aux structures 42 et 44 de forme en "C", par des pattes ou des éléments 62 et 64 de support Des freins à sabots 66 et 68 sont fixés au faux-châssis 42 et des freins à sabots 70 et 72 sont fixés au faux-châssis 44 par des moyens classiques tels que les éléments de montage représentés. Les bras directeurs ou faux-châssis 42 et 44 sont reliés l'un à l'autre,au centre du bogie, par un pivot 74. Sur la figure 2, des bras 76 et 78 sont reliés par une broche 80, également illustrée sur la figure 7 Les liaisons peuvent être réalisées au moyen d'une bague du type "Metalastic" La liaison entre les faux- chassis 42 et 44 assure des mouvements angulaires égaux, mais opposés, des deux faux-châssis Cette liaison transmet également les charges latérales, longitudinales et verticales entre les faux-châssis Les bras directeurs ou faux-chassis,,- comme mentionné, sont reliés aux essieux montés 46 et 48 par un dispositif de bridage qui est enclenché avec l'anneau de choc existant autour de la boite d'essieu Ces fixations sont classiques et existent dans de nombreux bogies anté- rieurs et elles ne seront donc pas décrites ni représentées plus en détail. Le bras directeur 42 peut être considéré comme comportant deux tronçons 39 et 41 qui font saillie d'une partie 43 de liaison D'une manière analogue, le faux- châssis 44 peut être considéré comme comportant deux bras et 47 en saillie, reliés par une partie de liaison 49. On a donc décrit séparément, jusqu'à présent, le châssis principal 10 et les faux-châssis 42 et 44. Une caractéristique importante de l'invention réside dans la façon dont les faux-châssis 42 et 44 sont reliés aux longerons 12 et 14 du châssis Les dispositions concernant les extrémités ou les quatre angles des longerons 12 et 14 sont sensiblement similaires à celles des longerons de bogies existants, à l'exception de l'addition d'ensembles à plots de cisaillement qui sont insérés dans les extrémités des longerons. Les angles ou extrémités des longerons 12 et 14 du châssis présentent des ouvertures destinées à recevoir ou à s'enclencher avec des sections en saillie 82 et 84 reliées aux extrémités du faux-châssis 44 et des saillies 86 et 88 reliées aux extrémités des bras du faux-châssis 42 (figure 7) Les sections 82, 84, 86 et 88 font partie de structures d'extrémité 90, 92, 94 et 96 des faux- châssis Les dessus des parties principales 90, 92; 94 et 96 comportent des saillies supérieures 98, 100, 102 et 104 Ces saillies supérieures positionnent les bras directeurs 42 et 44 à l'intérieur des ensembles à boîtes de cisaille- ment logés dans les extrémités des longerons 12 et 14, un ensemble à boite de cisaillement étant représenté sur la figure 6. Un ensemble à plot de cisaillement est disposé à chacune des quatre extrémités des longerons 12 et 14. Un ensemble typique 105 à plot de cisaillement est relié au longeron 12 Cet ensemble 105 comprend une coque métalli- que supérieure ou extérieure 106 et une coque métallique inférieure ou intérieure 107, auxquelles un élément 108 en élastomère, par exemple en caoutchouc, est lié. La partie principale 94 du faux-châssis 44 (figure 7) comporte deux éléments horizontaux 109 et 110 de glissement La saillie supérieure 102 comporte-deux éléments verticaux 111 et 112 de glissement Les ensembles à plots de cisaillement permettent les mouvements longi- tudinaux nécessaires à l'obtention de l'orientation forcée souhaitée L'action des ensembles:à plots de cisail- lement peut être mieux comprise en regard des figures 9 et 10. Fondamentalement, si l'élément 108 de caoutchouc était utilisé seul, sans les éléments de glissement à faible frottement, la caractéristique de force en fonction de la déviation sera analogue à celle montrée sur la figure 10 Une résistance d'une certaine amplitude est opposée au mouvement longitudinal par l'élément de caoutchouc. Cette résistance est beaucoup trop élevée pour permettre une orientation forcée convenable L'addition des éléments de glissement à l'élément de caoutchouc a pour résultat une courbe de la force en fonction de la déviation telle que montrée sur la figure 9 Initialement, l'action de cisaillement du caoutchouc prédomine jusqu'à un certain niveau de force Lorsque ce niveau de force est dépassé, l'action des éléments de frottement devient prédominante, ce qui a pour résultat un niveau fixe permettant une orien- tation forcée convenable Fondamentalement, les mécanismes de glissement sont en série avec l'élément à ressort en caoutchouc longitudinal pour limiter les forces demandées pour l'orientation En l'absence des éléments à faible frottement, les forces demandées pour l'action d'orienta- tion ne pourraient etre produites en prati Tle. Ainsi, les e;trém tcs des fazlx-chàssis 42 et 44 sont supportées par les extré"mités des longerons 12 et 14, L'agencement comprenant les ensefalbes dappui de cisaille- ment permet des mrouve;;ents relatifs entre es -ezrnités des longerons 12 et '4 et les extrémités des fsux-ch sis 42 et 44 Ces mouvements relatifs sont ns esnaire&s pour obtenir l'orientation forcée et -o ur permettre aux faux- chassis 42 et 44 de se déplacer radiale-ment iuï p, r rapport à l'autre pendant une opération d orientation ou de direction forcée. Outre que leurs extrmitz-t S D ssupportées par les longerons, les fauxchâssis 42 est 44 sont égalertent reliés au châssis principal par,ieu?' éléents ver ticaux 114 et 116 de suspension Comme 2 ursent sur la figure 6 l'élément vertical 114 de suspension est monh:entre le faux-châssis 42 et la saillie J ntrieure 22 u châassis principal D'une manire analogu, l llemenvertical 17 de suspension est monté entre le fau 1 & châssis 44 et la saillie intérieure 24 du chassis principal Comxe repré- senté sur la figure 1, les sai:Llies 22 et 24 sont reliées aux longerons 12 et 14, respectivement Ces saillies 22 et 24 sont reliées l'une à l'autre par un ensemble 118 à vis et écrou qui maintient latéralement les deux longe- rons La figure 6 représente également des butées 119 portées par la traverse danseuse 16 et destinées à la caisse du véhicule. Un bras ou une bielle 120 de direction (figure 6) est articulé et peut tourner autour d'une broche 122, à une extrémité, et est fixé à un support 124 à son extré- mité opposée Le support 124 est fixé au faux-châssis 42. La liaison avec le support 124 comprend des rondelles flexibles 126 qui permettent un léger mouvement angulaire de la bielle de direction 120 à l'intérieur du support 124, comme cela a lieu au cours d'une opération d'orienta- tion Les rondelles ou anneaux flexibles et élastiques 126 sont maintenus en place sur la bielle 120 par des ensembles classiques à écrous et rondelles. La broche 122 est fixée dans un élément 128 qui fait saillie de la plaque 40 de la traverse danseuse. Lorsque la caisse 18 du véhicule négocie des courbes, la traverse danseuse 16 tend à conserver la même position relative que 'Le véhicule En raison de la présence de la bielle ou tige 120 de direction, la caisse du véhicule tend à former un certain angle par rapport aux longerons 12 et 14. Lorsque le véhicule ferroviaire négocie des courbes, la bielle ou tige 120 oblige le bras directeur 42 à se déplacer angulairement par rapport au véhicule. La bielle 120 est conçue pour tourner sur la broche 122 et autour des plots 126 de caoutchouc. Lorsque la position angulaire du faux-châssis 42 change, comme montré sulr la figure 4, ce faux-châssis 42 oblige le faux-châssis 44 à se d 6 placer également d'un certain angle comme montré sur la figure 4 L'action des faux-châssis directeurs 42 et 44 provoque un déplacement des roues des essieux i iontés 46 et 48 sur un petit angle afin qu'ils conservent leurs positions radiales par rapport au rail courbe. Comme représenté sur les figures 4 et 7, lorsque l'un des faux-chassis 42 et 44 est déplacé, l'autre faux- châssis doit également se déplacer, en raison des liaisons entre le bras 76 du faux-châssis 42 et le bras 78 du faux-châssis 44 avec le pivot 80. 1 1 La bielle 120 de direction est normalement disposée sur la broche 122 de façon à assurer l'orientation radiale des essieux montés 46 et 48 Si l'on souhaite, pour l'une des raisons indiquées précédemment, donner une orientation excessive ou insuffisante aux essieux montés, la position de la broche et de l'extrémité de la bielle de direction peut être déplacée longitudinalement vers l'avant ou vers l'arrière par rapport à celle illustrée sur la figure 6 Dans ces cas, la broche 22 peut être placée dans différentes positions pour produire l'orienta- tion excessive ou insuffisante, si souhaité La figure 5 illustre la broche 122 comme étant placée sur son axe central 123 La figure 8 a illustre la broche 122 décalée vers la gauche de l'axe central 123 pour produire un mouve- ment d'orientation excessif La figure 8 b illustre la broche 122 décalée vers la droite de l'axe central 123 pour produire un mouvement d'orientation insuffisant. La présente invention concerne donc une forme de réalisation montrant qu'il est mécaniquement faisable de modifier un bogie existant pour qu'il puisse être orienté ou dirigé Un grand nombre des éléments classiques utilisés dans des véhicules ferroviaires sont repris, y compris la traverse danseuse et les longerons de châssis De plus, les faux-châssis sont conçus pour porter le moteur et la transmission ainsi que diverses autres parties du bogie. L'invention tient également compte du fait qu'il est parfois souhaitable d'orienter de façon excessive ou insuffisante les essieux et elle propose un mécanisme relativement simple, dont la position peut être modifiée pour permettre l'obtention de cette caractéristique, sans affecter l'une quelconque des autres pièces du véhicule ou du bogie. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au bogie décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATION S 1 Bogie orienté par guidage forcé pour une caisse ( 18) de véhicule ferroviaire, caractérisé en ce qu'il comporte un châssis principal ( 10) relié à la caisse du véhicule et comprenant deux longerons ( 12, 14) et une tra- verse danseuse ( 16) reliée aux longerons, deux faux-châssis orientables ( 42, 44) de forme en "C" comprenant chacun deux bras ( 39, 41; 45, 47) faisant saillie d'une partie de liaison ( 43; 49), des moyens ( 80) pour relier entre elles les parties de liaison des faux-châssis, un élément ( 74) pour articuler les parties de liaison du châssis principal, un essieu monté ( 46, 48) monté entre les deux bras de chaque fauxchâssis, des moyens pour relier les deux bras de chaque faux-châssis aux extrémités des longerons, une bielle ( 120) de direction montée entre le châssis principal et l'un des faux-châssis orientables, cette bielle de direction étant destinée à être reliée en des points diffé- rents du châssis principal pour produire un guidage d'orien- tation excessif ou insuffisant afin que les faux-châssis orientables soient déplacés à force en fonction du mouvement de la caisse du véhicule par rapport à ces faux-châssis. 2 Bogie selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de liaison comprennent des saillies ( 82, 84, 86, 88) situées aux extrémités des bras et disposées sur des ensembles ( 105) à plots de cisaillementreliés aux extrémités des longerons. 3 Bogie selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque ensemble à plot de cisaillement comprend un élément en élastomère ( 108) monté en série avec des éléments de glissement ( 109, 110, 111, 112). 4 Bogie selon la revendication 3, caractérisé en ce que le châssis principal comporte des organes de support ( 22, 24) faisant saillie vers l'intérieur des longerons pour supporter une plaque centrale ( 40) de tra- verse danseuse. Bogie selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens d'articulation comprennent un élément vertical ( 114, 116) de suspension monté entre chaque bras et le châssis principal. 6 Bogie selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'un pivot vertical ( 112) fait saillie de la plaque de la traverse danseuse, en ce qu'un support ( 124) est relié à l'un des faux-châssis d'orientation et en ce que la bielle de direction est articulée sur le pivot vertical par une extrémité, et est montée élastiquement sur le support ( 124) à l'autre extrémité. 7 Bogie selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une boite de transmission, un moteur et des dis- positifs de freinage sont montés sur chacun des faux- châssis. 8 Bogie selon la revendication 7, caractérisé en ce que des ressorts pneumatiques ( 20) sont disposés sur la traverse danseuse pour supporter la caisse du véhicule.