Brevet FR2633577A1 — publié le 19900105

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA STABILISATION TRANSVERSALE DES VEHICULES FERROVIAIRES SUR LES TRAJETS SINUEUX La présente invention concerne 1'industrie des vehicules ferroviaires et elle vis. un procédé ainsi qu'un dispositif pour la stabilisation transversale de ces véhicules sur les trajets sinueux. Un phénomène accompagnateur de l'augmentation de vitesse sur les lignes sinueuses doit Entre pris en compte conjointement avec l'inclinaison de caisse lorsque l'on veut pratiquer effec- tivement des vitesses plus élevées sur de telles lignes. Le constat qui est fait, et qui est bien connu, vient de ce que en augmentant la vitesse dans une courbe donnée, les efforts transversaux transis a la voie varient d'une manière incon- tournable comme le carré de la vitesse. En dehors des sollicitations sur la voie elle-même, le matériel roulant rattrape tous les jeux disponibles transversalement d'où il résulte une dégradation du confort, ainsi qu'il va être expliqué. Les jeux en cause ont essentiellement deux sources i le jeu des essieux dans le rail et le jeu entre butées de la suspension secondaire. La suspension primaire, elle, est conçue pour avoir une certaine raideur conditionnée par la stabilité et, n'ayant généralement pas de butées, n'est pas gênante. Le rattrapage des jeux en courbe sur les essieux est causé par un mauvais positionnement des essieux ; de ce fait l'essieu avant de chaque bogie recopie les défauts sur le congé intérieur du rail extérieur de la courbe. Il est, dans ces conditions1 recommandable de se conformer aux dispositions constructives décrites dans la demande de brevet français n 8B-08132 déposée le 17 Juin 1988 au nom de MM. DURAND Charles et DURAND Jérôme. Pour ce qui concerne les suspensions secondaires conventionnelles, c'est-v-dire passives, elles sont basées sur le principe d'une grande flexibilité, aussi bien d'ailleurs verticalement que transversalement, de manière à filtrer les défauts de la voie. Mais le filtrage ne se fait plus pour les accident. géographiques. Ainsi, en courbe, la suspension secondaire talonne de manière désagréable au moment de l'entrée en courbe et, ceci d'autant plus, que la suspension transversale secondaire est plus souple et, d'autre part, du fait du rabotage du rail extérieur par le boudin des roues. Le talonnement, mime sur butée élastique, est la cause d'une transmission vers l'intérieur de la caisse de vibrations désagréables durant tout le temps que dure le passage en courbe. La présente invention permet de résoudre ce problème en complétant les efforts exercés par la suspension, en particulier les efforts de rappel horizontaux et transversaux de la suspension secondaire exercés sur la caisse, par des efforts complémentaires horizontaux et transversaux, eux-aussi, fonction du parcours. L'invention peut s'appliquer aux véhicules pourvus d'une suspension transversale passive conventionnelle, mais elle est particulièrement avantageuse dans le cas des véhicules pourvus d'une suspension transversale active ; c'est pourquoi le principe de l'invention va itre illustré en prenant, a titre d'exemple non limitatif, une suspension du type proposé dans la demande de brevet français ne BS 07418 du 3.06.1988, déposée au nom de MM. DURAND Char les et DURAND Jerome et dont le principe est rappelé ici brièvement. Cette demande de brevet décrit un système d'amortissement pour calmes les mouvements oscillatoires d'une caisse de véhicule ferroviaire. Bien que ce système s'applique å l'amortissement de tous les mouvements oscillatoires, quelle que soit leur direction, on a surtout décrit dans cette demande de brevet l'application a l'amortissement des mouvements verticaux de la caisse. Comme on le verra dans ce qui suit, notamment a propos des figures I et 2, l'application pure et simple des systèmes ci-dessus a l'amortissement des mouvements transversaux de la caisse donne des résultats satisfaisants pour des véhicules ferroviaires circulant sur des voies peu sinueuses mais n'apporte pas une stabilisation transversale aussi complète qu'on pourrait le souhaiter dans le cas des trajets sinueux. La présente invention permet de remédier a cet inconvénient grace au système décrit å propos des figures 3 et 4. La figure 1 montre en coupe transversale une caisse de matériel ferroviaire reposant sur ses rails et l'implantation d'un vérin de stabilisation latérale de caisse. La figure 2 montre le schéma de principe de la stabilisation, associé a la figure 1, selon une caractéristique exposée dans la demande de brevet précitée. La figure 3 montre, en reprenant le schéma de la figure 2, le complément qui lui a été apporté en conformité avec la caractéristique de la présente demande de brevet. La figure 4 montre une variante du schéma de la figure 3. En consultant la figure 1, on y verra une caisse 2 reposant sur un châssis de bogie 4 (éventuellement d'essieu pour les matériels a essieux} par l'intermédiaire d'une suspension secondaire 6. Le chassies 4 repose (par l'intermédiaire d'une suspension primaire, éventuellement, non représentée) sur des roues 8 qui roulent sur des rails 10. La caisse est stabilisée par un vérin hydraulique a double effet 12 exerçant des efforts horizontaux et transversaux entre la caisse 2 et le châssis 4. Le verin 12 est alimente par un réservoir Haute-Pression 26, l'huile Basse-Pression étant recueillie dans un réservoir BP 28. L'asservissement de stabilisation latérale représenté sur la figure 2 est réalisé a partir du signal donné par un accélérométre 14 a axe sensible horizontal fixé sur la caisse. Le signal accélérométrique est traité dans un circuit de traitement 18 comprenant éventuellement un filtre 20 (passe-haut), un intégrateur 22 et son circuit de décharge 22 bis délivrant l'information vitesse de caisse transversale et un amplificateur hacheur de modulation temporelle de l'information vitesse repéré 24. Le signal issu de ce circuit de traitement 18, positif, négatif ou nul, sert a positionner, grâce a un organe moteur 36, les boisseaux repérés 30, 32 et 34 selon trois positions distinctes sur lesquelles on revienda dans ce qui suit. De l'huile sous haute pression stockée dans un accumulateur 26 est dirigée par les boisseaux 30 et 32 selon le sens du vecteur vitesse horizontale et transversale de caisse dans l'une ou l'autre des chambres du vérin 12. Ainsi, par exemple, si la caisse a un mouvement dirigé vers la droite, les boisseaux 30 et 32 prennent la position représentée sur la figure 2. Le résultat en est que c'est la chambre de gauche 139 qui est mise en pression pendant que le chambre de droite 13d est vidée vers une nourrice basse pression repérée 28 sur la figure 2 la caisse est bien freinée. Si, au contraire, la caisse a un mouvement transversal de sens contraire, les boisseaux, calés sur le mEme axe, sont entrasses par l'organe moteur 36 d'un quart de tour dans le sens des aiguilles d'une montre et la situation s'inverse : la la caisse est encore freinée. Enfin, si le mouvement de caisse est inférieur en valeur absolue a un seuil à fixer, le signal délivré par le hacheur 24 est nul et les boisseaux prennent une position intermédiaire. Dans cette situation, le boisseau 34 met les deux chambres du vérin 12 en court-circuit.La caisse ne subit pas, dans ce cas, d'effort significatif de la part du vérin 12. La majeure partie de la pression dans le réservoir haute-pression 26 est régénérée par les mouvements relatifs entre caisse et châssis de bogie, cependant on prévoit une pompe 60 commandée par un manocontact de manière à regonfler le réservoir 26 lorsque la pression descend dans ce réservoir au-dessous d'une limite à fixer. La stabilisation transversale, telle qu'elle vient d'entre décrite, est conçue essentiellement pour des véhicules circulant sur des lignes relativement droites. En ligne droite, et pour autant que l'asservissement de stabilisation soit bien conçu et donc efficace, la caisse ne s'écarte pratiquement pas latéralement de sa position moyenne malgré les perturbations apportées par les rails. La stabilisa tion, par ses effets correcteurs, enlève toute signification à le notion de fréquence propre, tranversalement, que dans les suspensions conventionnelles, on cherche à réduire le plus possible ( & 1 Hz et moins). Par extension de langage, on peut encore dire que la fréquence propre du système est nulle, mime Si la flexibilité des ressorts n'est pas aussi grande qu'elle doit litre sur les suspensions traditionnelles, ce qui constitue, d'ailleurs, un avantage non négligeable de la stabilisation telle que rappelée ci-dessus a cause des avantages de poids et de volume qui en résultent. En revanche, lorsque le véhicule équipé d'une suspension a stabilisation latérale aborde une courbe après une ligne droite, la stabilisation provoque l'application sur la caisse d'une force dirigée vers l'extérieur de la courbe et ceci encore d'autant plus que l'inclinaison de la caisse vers l'extérieur de la courbe introduit dans 1'accéléromètre une composante transversale de la gravitation terrestre perçue au même titre que l'accélération transversale de caisse et qui accentue encore la réaction de l'asservissement qui a pour effet de vouloir maintenir la caisse sur une trajectoire rectiligne. Si la stabilisation n'a pas gain de cause en définitive, et cela est heureux, c'est a cause de l'effet de saturation de l'effort transversal ou du fait des butées transversales qui se mettent en jeu lorsque les débattements transversaux de caisse dépassent certaines limites. Le meme phénomène se produit d'ailleurs avec les suspensions classiques, et cela d'autant plus, que la flexibilité transversale est importante. Dans la mesure ou le véhicule est amen a circuler sur des trajets sinueux, il convient pour éviter les mises en butées, et selon la caractéristique de l'invention exposée plus haut, de corriger la suspension transversale de caisse en appliquant a la caisse, en complément a cette suspension, une force horizontale transversale F dirigée vers le centre de la courbe et dont l'intensité algébrique est égale a ou M représente la fraction supportée par le bogie en cause de la valeur moyenne de la masse de la caisse (égale, par exemple), à la moyenne des masses en charge normale et vide en ordre de marchez, V la vitesse d'avancement du véhicule, R le rayon de la courbe considérée, d la valeur du dévers de la voie exprimé en millimètres (voie standard dont la largeur est de 1.500 mm) et g l'accélération due à la gravité terrestre. Dans la formule ci-dessus, le premier terme a représente la R force centrifuge, dynamique, et le 2ème terme od d représente 1500 la force centripète, statique. Dans ces conditions le schéma représenté sur la figure 3 reprend celui de la figure 2 avec cependant l'addition d'une branche fonctionnelle supplémentaire dont l'objectif est d'ajouter sur le vérin hydraulique 12 à action horizontale et transversale une force "F", à variation lente, selon l'expression donnée ci-dessus et calculable å partir des données fournies par un système de mesure qui sera désigné dans ce qui suit sous le terme de "centrale de tachymétrie et de localisation", a savoir : vitesse V d'avancement du véhicule, courbure # du rail et dévers de la voie d å l'instant considéré. Comme "centrale de tachymétrie et de localisation", on utilise de préférence le systeme décrit dans la demande de brevet français ne 88-07419 déposée le 3 Juin 1988 aux noms des mimes inventeurs. Cette branche fonctionnelle nouvelle par rapport au schéma de la figure 2 comprend (voir figure 3) une centrale de tachymétrie et de localisation 38 délivrant les informations V, et d à un calculateur 40 qui calcule un signal électrique représentatif de l'effort précité. Ce signal est introduit dans l'amplificateur-hacheur-modulateur 24 en mBme temps que le signal vitesse transversale issu de l'intégrateur 22 (signal à variation plus rapide que le précédent) qui représente le contrôle tachymétrique de l'asservissement. Le reste du schéma de la figure 3 est inchangé par rapport à celui de la figure 2. A défaut de disposer de l'information de courbure (par exemple, dans le cas où on n'utilise pas une centrale tachymétrique et de localisation" du type décrit dans le brevet précité), il est possible d'obtenir directement un terme approché de la correction de force centrifuge soit V2 ou encore uu V, w R désignant la vitesse angulaire avec laquelle le centre du bogie se déplace autour du centre instantané de la courbe. Si l'on confond la tangente à la voie avec l'axe longitudinal de la caisse supporté par le bogie en cause, on peut avoir l'approximation suivante : V2 # # v R # désignant la variation temporelle du cap du véhicule. Désignant par ailleurs par bel'angle de roulis de la caisse (autour de l'axe longitudinal de caisse), par t l'angle de tangage (autour de l'axe transversal lié à la caisse, orienté vers babord), par # et t les dérivées temporelles des anglest et t ci-dessus et par e la vitesse de rotation de la caisse autour de son axe vertical, dite encore vitesse de lacet (# # # : # est la vitesse de caisse autour de son axe dit "vertical", mais qui ne l'est pas au cours du mouvement, alors que Dans le ces général, les termes k t et t# sont faibles par rapport a # et l'on peut pousser encore un peu plus loin l'approximation précédente soit ou encore : v2 # #v R Le schéma fonctionnel correspondant est repris sur la figure 4. La vitesse angulaire # V e est mesurée par un gyromètre 44 solidaire de la caisse et à axe sensible selon l'axe vertical de caisse. Le signal de sortie du gyrometre 44 est multiplié par le signal vitesse V dans un multiplicateur 46. La vitesse est obtenue ici à l'aide d'un tachymètre classique 42. Le dévers est élaboré par ailleurs grace à un gyromètre 48 solidaire de la boite d'essieu (éventuellement du châssis de bogie) à axe sensible longitudinal. Le signal de sortie de ce gyromètre est intégré dans l'intégrateur 50 pour remonter à l'angle de dévers. Celui-ci, après multiplication par g est ajouté, avec le signe qui convient, au terme V2/R calculé comme indiqué plus haut dans l'additionneur 52.Le signal de sortie de l'additionneur est ensuite dirigé comme précédemment dans l'amplificateur moduleur 24 conjointement avec le signal de controle tachymétrique. pour compléter ce concept spatial et inertiel du déplacement des véhicules ferroviaires, il convient de signaler que le recentrage du véhicule en courbe, ctest-à-dire dans le plan horizontal, se pose aussi, au moins théoriquement, dans le plan vertical lorsque le véhicule est amené à négocier un "nid de poule" ou un "dos d'âne" à l'échelle géographique. Il faut cependant noter que les accélérations verticales dans ces derniers cas sont beaucoup plus réduites que dans le plan horizontal et, d'autre part, l'inconfort, généré par le contact roue-rail en courbe, ne se produit pas dans le cas des simples variations d'altitudes. En pratique la correction du centrage vertical peut-être omise. On a indiqué dans ce qui précéde, à propos des figures 1 et 2, que le vérin hydraulique 12, constituant l'organe moteur de recentrage de la caisse, était interposé entre la caisse 2 et le châssis 4 du bogie (ou éventuellement l'essieu, pour les matériels à essieux) et que la majeure partie de la pression dans le réservoir haute pression 26 était régénérée par les mouvements relatifs entre caisse et châssis de bogie. On a indiqué également dans ce qui précéde, à propos de la figure 4, que le gyromètre 48, détectant les variations de dévers, était solidaire de la boîte d'essieu ou, éventuellement, du châssis du bogie. Il est bien entendu que, sans sortir du cadre de l'invention, le vérin de recentrage 12, aussi bien que le gyromètre 48, peuvent être attelés à tout organe ou partie "peu ou pas suspendue" du bogie. De même, la pression dans le réservoir 26 peut être régénérée par les mouvements relatifs entre la caisse 2 (suspendue) et une partie "peu ou pas suspendue" du bogie. R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé pour la stabilisation transversale, sur les trajets sinueux, d'un véhicule ferroviaire comportant une suspension secondaire transversale, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer, sur ladite suspension transversale, lorsque ledit véhicule est en courbe, un effort supplemen- taire de centrage transversal et horizontal (F) qui est opposé et égal a la force centrifuge que subit la masse du véhicule, déduction faite de la force centripète résultant du dévers de la voie. 2. Procédé suivant la revendication 1, pour la stabilisation d'un véhicule dans lequel la suspension secondaire transversale est une suspension active comportant un organe moteur de recentrage (12) de la caisse S2) du véhicule, interpose entre ladite caisse et un élément peu suspendu (4) du bogie dudit véhicule, caractérisé en ce que l'effort supplémentaire de centrage précité (F > est appliqué à la caisse par le même dit organe moteur (12). 3. Procédé suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'effort supplémentaire de centrage précité (F) est calculé à partir des éléments de base nécessaires : vitesse d'avancement du véhicule (V), courbure du rail (#), dévers de la voie (d) délivrés par un système de mesure S38) du type "centrale de tachymétrie et de localisation. 4. Procédé suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'effort supplémentaire de centrage précité (F > est calculé a partir d'informations gyrométriques issues de deux capteurs (44, 48) solidaires, l'un (44) de la caisse (2) du véhicule et détectant la variation de cep, l'autre (48) d'un organe (4) peu ou pas suspendu par rapport à la voie et détectant les variations de dévers (d). 5. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le recentrage de la suspension transversale dans les courbes est associé a un système de stabilisation latérale active dans lequel l'organe moteur de recentrage est un vérin hydraulique (12) à double effet alimenté par un réservoir de haute-pression (26) et dans lequel la majeure partie de la pression régnant dans ledit réservoir est régénérée par les mouvements relatifs entre la caisse (2) du véhicule et une partie peu ou pas suspendue (4) du bogie du véhicule. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une des revendications 2 å 5, qui comprend un système de stabilisation latérale comprenant un vérin hydraulique (12) contrôlé par des valves de commutation (30,32) actionnées par un actionneur (36 > sous la commande d'un circuit de traitement (18) en réponse aux signaux issus d'un accéléromètre (14) à axe sensible horizontal transversal, ledit circuit comprenant un circuit (24) amplificateur et de mise en forme du signal qui attaque l'actionneur (36) ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit (30,40 ou 42,44,46,48,50) d'élaboration et de calcul d'un signal supplémentaire représentatif de la force centrifuge que subit le véhicule dans une courbe, déduction faite de la force centripète résultant du dévers de la voie, ledit signal supplémentaire étant également appliqué audit circuit (24) amplificateur et de mise en forme du signal.