Brevet FR2622164A1 — publié le 19890428

Bogie pour véhicule sur rail, à essieux à roues indépendantes et à orientation asservie La présente invention concerne un bogie pour véhicule ferroviaire, à essieux à roues indépendantes et à orientation asservie. Le développement universel du chemin de fer a été favorisé par la simplicité et la rusticité de la technique qu'il utilise l'essieu monobloc à roues coniques en acier. On a coutume de considérer qutil 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 entraine 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 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 these. DELFT. 1967). La fonction principale de l'essieu monobloc est d'assurer le suivi des courbes de la voie, au moyen de cet asservisssement 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 frottements ni usures. 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 amortis sements naturels qui sont inversement proportionnelles à la vitesse. Lorsque la vitesse est grande, les forces d'amortissement naturelles, liées au rail, ne sont plus suffisantes pour assurer la stabilité des essieux qui doit être obtenue en les assemblant par paires dans un sous ensemble appelé bogie et constitué d'un châssis auquel les essieux sont reliés par les 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, les deux essieux d'un bogie de deux mètres d'entr'axe doivent, par exemple, former entr'eux un angle de 40 milliradians qui induirait des 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 amplifiant le moment de lacet de leurs forces de contact. Ces développements sont connus sous l'appellation générique de "bogies à essieux orientables". Toutefois, ces améliorations n'apportent pas entière satisfaction car, en amplifiant les moments de forces de rappel des contacts roues/rails, elles tendent aussi à augmenter les instabilités aux grandes vitesses. 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. I1 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 naturelle ment. I1 est donc nécessaire de leur ajouter un dispositif d'orientation capable de leur faire prendre les courbes sans glissements. 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 apparait 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 aux moins deux catégories : les véhicules à grandes vitesse qui ne sont pas aptes à prendre les courbes serrées et les véhicules urbains qui seraient très inconfortables aux plus grandes vitesses. Pour pallier ces inconvénients, on a proposé d'orienter un essieu à roues indépendantes 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 I'orientation i de l'essieu à sa position transversale y (par rapport au sol) de la forme = Gy + Dy' de sorte que les forces de contact F de l'essieu soient, y à grande vitesse, égales à Fy = 2 C22 : 2C22 Gy + 2 C22 Y 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 (2 C22 D), 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 présente un certain nombre d'inconvé nients : 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. En outre, cette solution n'offre pas les avantages attachés habituellement à l'usage des bogies (meilleur confort vertical, augmentation de la charge). Enfin, elle fait appel à un rail de guidage supplémentaire pour coopérer avec le timon, rail qui en interdit l'application sur le réseau ferroviaire existant. Un but de la présente invention est d'améliorer cette situation en proposant un bogie à roues indépendantes dont l'orientation est asservie au moyen de capteurs coopérant avec les rails de roulement traditionnels pilotant des organes de correction d'orientation eux-mêmes coopérant avec les rails de roulement. Un autre but de l'invention est de réaliser, à l'aide des essieux du type précités un bogie stabilisé en galop. En réalisant ces objectifs, la présente invention permet d'améliorer les conditions de confort dans les véhicules et la maintenance des matériels roulants et de la voie. L'invention a pour objet un bogie pour véhicule sur rail comprenant au moins deux essieux orientables à roues indépendantes reliés par un châssis caractérisé en ce qu'il comprend au moins un capteur de la position du bogie par rapport au rail, lié audit châssis, au moins un organe de mesure de la position angulaire d'un desdits essieux par rapport au châssis et au moins un actionneur lié audit essieu pour modifier l'orientation de l'essieu par rapport au rail en prenant sa réaction sur le rail, ledit actionneur étant commandé par un circuit électronique d'asservissement recevant en entrée des signaux desdits organes de mesure. L'invention sera bien comprise par la description ci-après d'un mode préféré de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 représente schématiquement en élévation un bogie comprenant deux essieux selon un premier mode de réalisation de l'invention - la figure 2 représente une vue du même bogie en coupe selon la ligne II-II de la figure 1. - les figures 3 et 4 représentent schématiquement en vue de dessus et en élévation un bogie selon une variante de réalisation de l'invention. - les figures 5, 6 et 7 représentent schématiquement, respectivement en élévation de face et de dessus un bogie selon une autre variante de réalisation. - la figure 8 représente un détail agrandi en coupe de la figure 6, montrant la position d'un électro-aimant par rapport au rail. Dans les figures 1 et 2, les références 1 et 2 désignent deux rails d'une voie ferrée sur laquelle roule un bogie comprenant deux essieux 10 et 20 reliés par un châssis 30. Les références 10A, 10B et 20A, 20B désignent les roues du bogie les références 11 et 21 désignent les traverses d'essieu. Les essieux sont classiquement reliés au châssis par des bras de suspension tels que 12 et 22 avec rotules 12A et 22A et par des plots en élastomère, tels que 13, essentiellement souples dans le sens longitudinal et le sens transversal afin que les traverses d'essieu soient susceptibles de pivoter selon un axe vertical. La caisse, non représentée, du véhicule, est portée par l'intermédiaire d'une suspension secondaire symbolisée par le zig-zag 40. La flèche montre le sens d'avancement du bogie. Dans la variante représentée dans les figures 3 et 4, où les éléments communs à ces figures et aux figures 1 et 2 ont reçus les mêmes numéros de référence, les traverses d'essieux sont fixées au châssis par des bielles 17 et 27 transversales. Le bogie comprend deux détecteurs 14A et 24A de position du châssis par rapport au rail, respectivement placés à l'avant et à l'arrière du bogie. Ces capteurs sont avantageusement du type comprenant un aimant pouvant pivoter autour d'un axe solidaire du châssis ; l'aimant est placé à proximité d'un rail de la voie ferrée de telle sorte qu'il est assujetti à rester dans la même position transversale vis-à-vis du rail ; un organe de mesure de l'angle de rotation de l'axe de l'aimant, fournit une mesure de la position du châssis par rapport à la voie. Un tel capteur a été décrit dans la demande de brevet français n087 13380 déposé le 28 septembre 1987. Les signaux fournis par les capteurs sont des signaux électriques respectivement YC1 (position du capteur avant) et YC2 (position du capteur arrière) dont on peut obtenir les dérivés temporelles YC1' et YCZ'. Le bogie de l'invention comprend en outre des dispositifs de mesure des angles que forment les deux traverses d'essieu avec le châssis. Dans l'exemple décrit dans la figure 1, ce dispositif comprend deux capteurs électriques 18 et 28. Dans la figure 3, il y a quatre capteurs 14, 24, 18 et 28. On déduit aisément des signaux électriques fournis par les organes 18 et 28 (ou 14, 18, 24 et 28) des signaux électriques représentatifs des angles i 2 que forment à tout instant les deux essieux avec le châssis. Ces signaux sont dérivés pour obtenir les signaux ' et + '2 qui seront utilisés par un circuit électronique non représenté dans la loi d'asservissement du bogie. Les essieux sont munis d'actionneurs permettant de les orienter. Selon l'invention, les actionneurs 15, 16 25, 26 sont liés aux traverses d'essieux et prennent leur réaction sur le rail de roulement 1. Il s'agit d'électro-aimants à l'avant et à l'arrière parcourus par un courant dont l'intensité est ajustée pour obtenir des forces d'amplitudes dictées par l'asservissement. Par exemple pour chaque paire d'aimants (à l'avant j = 1, à l'arrière j = 2) du premier (i = 1) ou du second (i = 2) essieu Fij = pijî Yc7 + pij2 Yc2 + dij1 Y'cî + dij2 Y'c2 + qijo(i + rij pijî, pij2, dij1, dij2, qij et rij sont des facteurs éventuellement fonctions de la vitesse. Les termes proportionnels p et q peuvent être nuls pour les paires d'aimants à l'arrière de chaque essieu. Les figures 5 à 7 illustrent un autre mode de réalisation de l'invention. Les éléments communs à ces figures et aux figures précédentes ont reçu les mêmes numéros de référence. Les extrémités des essieux portent des fausses boites d'essieu 60, 70, 80, 90 reliées à deux longerons 51 et 52 par l'intermédiaire de biellettes telles que 61, 62, 63 et 64, formant parallélogrammes et obligeant les longerons à rester parallèles aux rails aussi bien qu'aux boites à rester dans une position angulaire exempte de mouvement de galop (rotation autour d'un axe OY faisant partie d'un système de coordonnées trirectangles OXY où OX est la direction de la voie et OY la transversale). Les longerons sont reliés par des traverses de châssis 55a et 55b avec les rotules 81a e 81b pour les prises de gauches aux traverses sont fixés des bras 53 et 54 articulés sur les traverses d'essieu. Une traverse 57 repose sur les longerons par les soufflets 56 qui assurent la suspension verticale de la caisse (non représentée) et la souplesse angulaire nécessaire à la prise des courbes. Les actionneurs sont maintenus par des bras tels que 65 et 66 fixés (deux électro-aimants par roues) à la traverse et à la boîte d'essieu. Les capteurs de position 14A, 24A sont liés aux longerons par des bras tels que 71 et 72. La référence 100 désigne le circuit électronique d'asservissement, reliés par des traits non référencés aux divers capteurs et actionneurs. La figure 8 montre en vue agrandie, le rail 1 et un actionneur 35 comprenant un circuit magnétique 35A et un bobinage 32B. Comme précédemment, les électro-aimants prennent leurs efforts de réaction directement sur les rails de roulement. Les angles nécessaires pour obtenir les efforts suffisants au maintien des essieux dans la voie, compte tenu de la grande valeur des coefficients C22 ne dépassent pas quelques milliradians typiquement 3 milliradians. Ces 3 milliradians sont faibles comparés aux 40 milliradians évoqués ci-dessus et qui apparaissent entre les deux essieux dans une courbe de 50 m de rayon. Ils sont encore faibles comparés aux 20 milliradians entre chaque essieu et le châssis du bogie.Ainsi, en prenant leur réaction sur les rails, les actionneurs, liés aux essieux n'ont à assurer leurs efforts que sur une course de quelques millimètres correspondant à la somme du déplacement transversal de l'essieu, y, et du déport L correspondant à l'effet du bras de levier de longueur L au bout duquel agissent les actionneurs (a,= angle de la traverse d'essieu et due la perpendiculaire à la voie). Pour un levier de 500 mm et un Jeu de 2 x 10 mm, la course des actionneurs sera inférieure à +ou -11,5 mn. De telles courses sont compatibles avec l'action d'électro-aimants placés au dessus des rails, en position décentrée, et fournissant un effort de recentrage, proportionnel au courant traversant leur bobinage par effet de réluctance. Deux électro-aimants au moins, agissant de préférence sur chacun des rails de roulement, sont nécessaires pour obtenir une action à double effet sur l'angle Comme précédemment, pour assurer la stabilité de la régulation, le circuit électronique comprend un boucle d'asservissement sec-r-e re utilisant la dérivée temporelle de la mesure fournie par les capteurs. Si les capteurs utilisés ont un niveau bruit de fond ne permettant par de dériver le signal avec suffisamment de précision, on pourra intégrer le signal d'un accéléromètre fixé sur l'essieu. REVENDICATIONS 1/ Bogie pour véhicule sur rail comprenant au moins deux essieux orientables à roues indépendantes reliés par un châssis caractérisé en ce qu'il comprend au moins un capteur de la position du bogie par rapport au rail, lié audit châssis, au moins un organe de mesure (14A) de la position angulaire d'un desdits essieux par rapport au châssis et au moins un actionneur (15) lié audit essieu pour modifier ltorientation de l'essieu par rapport au rail en prenant sa réaction sur le rail, ledit actionneur étant commandé par un circuit électronique d'asservissement recevant en entrée des signaux desdits organes de mesure. 2/ Bogie selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit actionneur (15) est une paire d'électro-aimants au-dessus d'un rail de roulement (1) et décentrés par rapport au rail. 3/ Bogie selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit actionneur (15) est solidaire de la traverse d'essieu (11). 4/ Bogie selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque actionneur (35) est disposé à l'extrémité de deux bras (65, 66) respectivement reliés à la traverse d'essieu (11) et à une faUsse boîte d'essieu (60).