Brevet FR2633235A1 — publié le 19891229

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR L'ASSERVISSEMENT DE L'INCLINAISON DE CAISSE POUR LES VEHICULES FERROVIAIRES La présente invention concerne l'industrie des véhicules ferroviaires et elle vise un procédé ainsi qu'un dispositif pour asservir l'inclinaison de caisse sur un tel véhicule Il est rappelé que l'inclinaison de caisse est un moyen utilisé sur certains véhicules ferroviaires voyageurs pour réduire l'inconfort pour les passagers résultant de ce que le véhicule franchit les courbes à une vitesse supérieure - et parfois inférieure - a la vitesse d'équilibre correspondant au devers naturel de la voie.Selon que les véhicules franchissent la courbe au-dessus ou en-dessous de la vitesse d'équilibre, les passagers sont exposés a des accélérations qui sont par rapport au plancher de la voiture respectivement centrifuges ou centripètes, et ceci d'autant plus que les voitures sans équipement d'inclinaison de caisse et a suspension classique selon un plan d'appui bas, s'inclinent dans le mauvais sens (elles penchent vers l'extérieur de la courbe lorsque la vitesse est supérieure à la vitesse d'équilibre, elles penchent vers l'intérieur de la courbe dans le cas contraire). Si l'on écarte tout d'abord les systèmes passifs dont le plan de suspension est plus élevé que le centre de gravit de caisse et dont les performances sont médiocres du fait des inerties en jeu et de l'action relativement faible de rappel des forces de gravité, il existe un certain nombre d'études, et mEme de réalisations, basées sur des dispositifs actifs dont le rôle est de ramener la caisse vers- une position de consigne plus rapidement que ne le font les systèmes passifs précités. La position de consigne correspond dans certains cas a une composante nulle de la gravité apparente (résultante de la gravit terrestre et de l'accélération centrifuge due a la courbe) suivant le plancher de la voiture, dans d'autres, elle correspond a une composante plafonnée en valeur de cette même composante, le critère étant toujours de minimiser l'effet sur le voyageur des accélérations transversales parallèles au plancher du véhicule, lequel constitue en quelque sorte une référence spatiale pour le voyageur placé a l'intérieur du véhicule. L'intérêt commercial de l'inclinaison de caisse est d'améliorer le confort du voyageur pour des vitesses données dans les courbes ou bien encore, à confort donné, augmenter les vitesses dans les courbes. Les systèmes actifs, dont relève aussi la présente invention, utilisent des accélérométres palpant les accélérations transversales, parfois aidés par des gyromètres détectant le relèvement du rail extérieur dans les entrées de courbe. Les organes de puissance dont la mission est d'incliner la caisse sont généralement des vérins hydrauliques soutenus par une réserve de puissance constituée par des accumulateurs hydrauliques. Les systèmes proposés ou en service sont tels que les organes de puissance, donc les vérins hydrauliques, exercent leurs efforts entre la caisse et un mobile intermédiaire totalement suspendu par rapport a la voie (selon une suspension primaire et une suspension secondaire), ou alors ces vérins exercent leurs efforts entre un mobile intermédiaire faiblement suspendu par rapport a la voie (du type chassis de bogie suspendu par une suspension primaire) et un deuxième mobile (genre traverse constituant assise inférieure de la suspension secondaire) sur laquelle repose la caisse par l'intermédiaire de la suspension secondaire. Dans le premier cas, la mise en rotation de la caisse autour de son axe longitudinal est perturbée par l'appui mou de l'extrémité du vérin opposée å la caisse. L'appui se dérobe un peu lors des mises en mouvement et, de manière générale, l'appui a ses fréquences propres qui interviennent dans le bouclage du servomécanisme d'inclinaison. Dans le second cas, la caisse n'est pas dans la boucle du servomécanisme, mais se trouve en porte-a-faux par rapport å la boucle ; autrement dit, la caisse est asservie en channe ouverte aux déplacements en rotation autour de l'axe longitudinal au support inférieur de la suspension secondaire et sa position est donc affectée par la flexibilité de la suspension secondaire. L'invention a pour but de-remédier a ces inconvénients. La présente invention a pour objet de proposer une inclinaison de caisse faite par des vérins hydrauliques prenant appui sur la caisse, d'une part, et, d'autre part, sur un mobile aussi peu suspendu que possible par rapport au rail. De manière idéale du point de vue de la performance de l'asservissement d'inclinaison de caisse, l'attache du vérin hydraulique opposée à la caisse devrait être fixée sur une boite d'essieu qui est un mobile non suspendu par rapport au rail. Mais ceci peut avoir quelques autres inconvénients d'un autre ordre qui sont l'augmentation des masses non suspendues et également le fait que la bote d'essieu, surtout sur les bogies a plus d'un essieu, se débat de manière importante par rapport a la partie de caisse qui se trouve a l'aplomb et qu'il n'est donc pas toujours facile de placer le vérin hydraulique de manière a obtenir le découplage de son mouvement par rapport a celui généré par le debattement de la roue sous la caisse. Dans tous les cas où ces inconvénients ne peuvent être neutralisés, l'extrémité du vérin côté opposé a la caisse est a fixer sur un organe faiblement suspendu. Pour réduire au maximum l'interférence des mouvements ci-dessus, il est avantageux de fixer les attaches aussi bien sur chassis de bogie que sur caisse préférentiellement dans le plan transversal contenant le pivot de bogie (ou de l'essieu s'il s'agit d'un matériel a essieux). Selon la caractéristique ci-dessus de l'invention, les vérins hydrauliques, complétés d'ailleurs de manière classique par une réserve d'énergie sous forme d'accumulateur hydraulique pour permettre la mise en oeuvre d'une puissance instantanée importante, sont placés en parallèle de la suspension secondaire (éventuellement de la suspension primaire et de la suspension secondaire si l'appui est pris sur une pièce non suspendue} Dans ces conditions, l'orientation de caisse autour de l'axe longitudinal se fera donc avec mise en jeu d'énergie non seulement pour mettre la caisse en mouvement, mais aussi pour comprimer la suspension sur une file de rail alors que la suspension sur l'autre file de rail se détend. Cette énergie est fournie, bien entendu, par les vérins d'inclinaison. Pour les angles d'inclinaison faibles, il y a une certaine compensation entre I'énergie nécessaire pour comprimer la suspension d'un coté et celle libérée par la décompression de la suspension du coté opposé. Pour les angles d'inclinaisDn plus élevés, cette compensation peut ne pas être totale a cause des non linéarités des ressorts. Selon une autre caractéristique de l'invention, il peut être intéressant de neutraliser, lorsque cela est possible, les énergies mises en cause dans la compression et la décompression des ressorts, ou pour le moins, de les minimiser de manière a réduire la capacité de l'accumulateur hydraulique. Cela est possible pour la suspension pneumatique où les non-linéarités sont les plus importantes Il suffit pour cela de mettre en communication les coussins par une conduite a large section et une valve qui sera ouverte chaque fois que la différence de pression entre les deux coussins dépassera un seuil prédéterminé, mais tout autre critère annonciateur d'un mouvement d'orientation important pourra servir de même à commander l'ouverture de la valve précitée. L'invention selon les caractéristiques développées ci-dessus peut donner lieu a des réalisations faisant également usage des caractéristiques décrites dans la demande de brevet français n4 88.07418 déposée le 3 Juin 1988 au nom de MM. DURND Charles et DURND Dérame relative à l'amortissement des mouvements oscillatoires d'un véhicule ferroviaire avec récupération d'énergie. De plus, la stabilisation en rotation autour de l'axe longitudinal d'une caisse ferroviaire peut vitre réalisée conjointement avec un système d'amortissement du mouvement vertical selon procédé décrit dans la demande de brevet français précitée. Ceci permet la mise en commun d'un certain nombre d'organes conditionnes par les deux stabilisations et sera décrit plus en détail dans ce qui suit. Une autre caractéristique de la présente invention est que en cas de fonctionnement conjoint du système d'inclinaison de caisse objet de la présente demande de brevet français et du système d'amortissement du mouvement vertical selon procédé précité, il peut être intéressant de contraler, et éventuellement de corriger, la hauteur de caisse en ligne droite comme en courbe Dans ce cas, il convient de supprimer les détecteurs de niveau sur la suspension secondaire, s'ils existent, et de les remplacer, le cas échéant, par un détecteur de hauteur unique par bogie (éventuellement par essieu s'il s'agit d'un matériel à essieux) placé en son centre et qui délivrera un signal électrique positif ou négatif selon que la hauteur de caisse est plus grande ou plus petite que la hauteur de consigne fixée.L'information de ce détecteur de hauteur, ou toise électrique, sera injectée à l'entrée de l'amplificateur hacheur moduleur de la chaine électronique de traitement de l'accélération verticale de manière a déplacer le point d'équilibre vertical. Cette dernière caractéristique permet de stabiliser en hauteur meme les suspensions secondaires en acier et de maintenir la hauteur de véhicule, même en courbe, ce qui n'est pas le cas des suspensions conventionnelles. Si la suspension secondaire est une suspension pneumatique, le maintien de sa caractéristique est alors contré par un pressostat et la consommation d'air comprimé est extremement faible. Un autre intérêt d'une stabilisation en hauteur performante est qu'elle permet une utilisation maximale en hauteur du gabarit des obstacles. L'invention va entre explicitée par les figures et commentaires qui suivent. La figure 1 est une coupe transversale de caisse de matériel ferroviaire. La figure 2, qui complète la précédente, montre de manière schématique comment fonctionne l'asservissement d'inclinaison. La figure 3 montre le schéma de fonctionnement d'une stabilisation de caisse combinée avec une stabilisation verticale. La figure 4 montre, sous forme de tableau, les différentes situations rencontrées et comment elles sont traitées par les asservissements représentés sur la figure 3. La figure 5 montre comment il est possible d'inclure dans une stabilisation verticale un contre le de hauteur moyenne de caisse. Revenant à la figure 1, on y reconnait en coupe transversale une caisse de matériel ferroviaire 2 reposant sur un châssis de bogie 4 par l'intermédiaire d'une suspension secondaire 6 Le chassis de bogie lui-même est supporté, par l'intermédiaire d'une suspension primaire non représentée, au moyen de roues 8 qui roulent sur des rails 10.Des vérins hydrauliques d'inclinaison 12 sont pris entre la caisse 2 et le chassis de bogie 4 et provoquent une rotation autour de l'axe longitudinal selon les ordres donnés par un servomécanisme représenté de manière schématique sur la figure 2 et recevant lui-mime l'information d'accélération transversale d'un accélérometre 40 à axe sensible transversal solidaire de la caisse et disposé dans celle-ci aussi près que possible de l'axe de rotation longitudinal. Lorsque le signal accélerometrique délivré par l'accélérométre 40 correspond à une accélération significative de la caisse dirigée vers la droite (par exemple dans une courbe à droite, le vérin 12, placé à droite de la caisse se met en compression pendant que le vérin 12 de gauche se met en extension de manière à compenser par la composante de la gravité terrestre au moins une partie de la force centrifuge. La situation s'inverse lorsque l'accélération transversale de caisse change elle-meme de sens. Enfin, lorsque l'accélération transversale de caisse se situe en-dessous d'un seuil minimal aucun ordre n'est donné aux vérins d'inclinaison. Dans le cas où la suspension secondaire est une suspension pneumatique, il peut etre avantageux d'insérer entre les deux coussins pneumatiques 6 d'une valve différentielle, repérée 6 bis sur la figure 1 afin de diminuer, selon une caractéristique de l'invention, l'effort à vaincre pour positionner la caisse en rotation autour de l'axe longitudinal. Bien entendu, il convient simultanément dans ce cas de neutraliser les valves de nivellement associées, de façon classique, aux coussins pneumatiques (dont la fonction est de maintenir une hauteur constante des coussins par gonflage ou dégonflage pneumatique). Sur la figure 2 a 9té représenté schématiquement le fonctionnement de l'asservissement qui est d'un type classique. Le signal délivré par l'accéléromètre 40 est introduit dans un circuit de traitement 42 constitué d'un filtre 44 (selon les résultats d'essais ce filtre pourra éventuellement itre supprimé) suivi d'un amplificateursaturateur recevant, de manière classique, en-dehors du signal accélérométrique un signal d'anticipation.Ce dernier pourra être prélevé sur un accéléromètre placé en amont dans le meme convoi pour être réinjecté, avec la temporisation convenable, dans l'amplificateur-saturateur 46. n sa sortie du circuit de traitement 42, le signal est envoyé sur un organe moteur à 3 positions commandant, par le même arbre mécanique, 3 boisseaux 50, 52 et 54 qui ouvrent les circuits hydrauliques comme indiqué sur la figure 2 vers les deux vérins b double effet 12 déjà mentionnés, placés de part et d'autre de la caisse. Les branchements hydrauliques sont réalisés vers, d'une part, un réservoir d'huile haute pression 26 - appelé également accumulateur hydraulique - et, d'autre part, vers une nourrice d'huile basse pression mise à l'atmosphère, repérée 28.La réserve d'huile haute pression est reconstituée grâce à une pompe 38 commandée par un manostat de manière à maintenir une pression constante dans l'accumulateur 26. Le branchement est réalisé par les boisseaux 50 et 52 en fonction du sens du signal délivré par l'amplificateur-saturateur 46 de manière à provoquer les mouvements de rotation désirés lorsque les vérins doivent accélérer le mouvement de rotation de la caisse dans un sens ou dans l'autre. Lorsque, au contraire, la vitesse de rotation de la caisse est convenable, c'est-à-dire si le signal délivré par le circuit de traitement est inférieur à un seuil fixé, les 2 vérins 12 sont isolés de l'accumulateur et de la nourrice et mis en court-circuit gr3ce au boisseau 54. On remarquera que le système décrit est un système de compensation totale de l'accélération transversale. Il a été choisi à titre d'exemple a cause de sa simplicité, mais comme précisé plus haut, d'autres critères de compensation peuvent être retenus s'ils sont plus adaptés pour les passagers du point de vue physiologique que la compensation totale. Le choix des critères ne relève pas de la présente invention et leur mise en oeuvre est justiciable des techniques habituelles en matière de servomécanismes. On remarquera par ailleurs que le mouvement de caisse est obtenu par un système prélevant sur sa réserve d'énergie ou, au contraire, en la régénérant, au moins partiellement, selon les phases du mouvement et suivant le même principe que celui exposé dans la demande de brevet français ne 88.07.418 déposé le 3.06.1988 au nom de MM. DURAND Charles et DURANT Dérame. Les canalisations hydrauliques seront dimensionnées le plus largement possible pour augmenter au maximum la régénération d'énergie. Une autre observation suggérée par l'examen du schéma de principe de le figure 2 est que l'effort de poussée des vérins étant constant, pour accélérer la caisse dans un sens ou dans l'autre, il parait ne pas être dosé en proportion de l'effort à fournir qui, dans une modulation en amplitude, devrait logiquement être en proportion de l'écart angulaire existant entre la position de la verticale apparente et la position de la caisse.En fait l'équipement électronique repéré 46 est un amplificateur-hacheur faisant aussi office de modulateur temporel (ou modulateur d'impulsions en largeur d'impulsion) les impulsions, positives ou négatives, d'amplittde donnée, sont modulées en durée pour obtenir l'effet recherché, leur durée étant d'autant plus grande que l'effet recherché est plus important selon une technique classique en matiere d'asservissement. Le signal d'anticipation de source extérieure,, qui est indiqué sur la figure 2, c'est-a-dire le signal prélevé sur un véhicule en amont ou de source autonome (selon une technique classique en matière d'asservissement relevant par exemple du controle tachymétrique) conduit après une perturbation à amorcer la phase de freinage, donc de récupération, avant que la caisse n'ait rejoint sa position de consigne (d'accélération transversale nulle en l'occurence parallèlement au plancher). On notera enfin que le mouvement de rotation tel qu'il vient d'être décrit n'interfère guère sur le mouvement général vertical résultant de la suspension de caisse. Tout au plus y-a-t-il un certain freinage des mouvements verticaux du fait des pertes de charge dans les canalisations. Si ces freinages ne sont pas suffisants pour freiner les mouvements verticaux de caisse, il convient d'ajouter des amortisseurs classiques agissant conjointement avec les vérins. Ils ne sont pas représentés sur la figure 1. Les figures 3 et 4 montrent à titre d'exemple comment peuvent fonctionner conjointement une stabilisation en inclinaison de caisse selon caractéristique de la présente invention et une stabilisation en mouvement vertical d'ensemble selon disposition objet de la demande de brevet précitée. Une chaine de contrôle tachymétrique identique a celle décrite dans ce dernier brevet élabore un signal tachymétrique (de vitesse verticale) qui est envoyé sur une logique 56 sur laquelle on reviendra. cette chai ne comprend un accélérometre à axe sensible vertical 14, un filtre éventuel 20 puis un intégrateur 22 et son circuit de décharge 22 bis puis un amplificateur-hacheur-moduleur 24 qui élabore le signal de l'information vitesse verticale de caisse. Par ailleurs, en ce qui concerne l'asservissement d'inclinaison, on retrouve sur la figure 3 la même chaîne de traitement électronique que celle figurant sur la figure 2, repérée 42 sur cette dernière figure. Chacune des channes élabore, en modulation temporelle, sans synchronisme dans le cadencement, des informations discrètes pouvant prendre chacune 3 valeurs prises par convention égales aux chiffres ci-après et qui sont appliquées à une logique 56. Chaîne activée par l'accéléromètre à axe sensible vertical la caisse s'élève nettement : le signal est : 3 la caisse n' a pas de mouvement sensible : le signal est : 2 la caisse descend nettement le signal est 1 Chaîne attivée l'accéléromètre à axe sensible horizontal la caisse doit être accélérée dans le sens inverse des aiguilles d'une montre : le signal est 3 la caisse est sensiblement à la bonne vitesse de rotation : le signal est : 2 la caisse doit être accélérée dans le sens des inverse des aiguilles d'une montre : le signal est 1 La logique 56 calcule les produits suivants (signal issu de la chaîne ) signal issu de la Pb = initiée par l'accéléromètre X chaîne initiée par # # # à axe sensible vertical l'accéléromètre à sensible horizontal signal issu de la chaîne) (complément a 4 du signal Pt = initiée par l'accéléro- X issu de la chaîne initiée # # # mètre à axe sensible par l'accéléromètre à axe vertical Q horizontal Le premier produit Pb sert à positionner des boisseaux 50b 52b et 54b qui alimentent un vérin 12b placé à babord, le second, soit Pt, sert à positionner des boisseaux 50t, 52 t et 54 qui alimentent un vérin 12t placé à tribord. Les 2 vérins 12b et 12t sont pris entre caisse et châssis de bogie (ou organe de roulement). Selon la valeur des produits Pb et Pt la logique b 56 ordonne par des organes moteurs respectivement 48 et 48t le positionnement des boisseaux 50b 52b ,54b , d'une part, 50t , 52t et 54t, d'autre part de manière à alimenter convenablement, si nécessaire, les vérins 12b et 12t.Ainsi, pour (i ou 2 : la chambre inférieure du vérin en cause est alimentée en huile haute pression Pb ou Pt @3 ou 4 : le vérin n'est pas alimenté en huile, les @ chambres sont en court-circuit 6 ou 9 la chambre supérieure du vérin en cause est alimentée en huile haute pression La figure 4 montre les 9 cas possibles, la valeur des produits Pb et Pt et l'alimentation en huile haute pression des vérins, ceux-ci étant placés dans chaque case dans leur position spatiale respective, le vérin à babord du véhicule à gauche le vérin à tribord à droite dans la case. En consultant la figure 5 on reconnaîtra le mime arrangement que celui représenté sur la figure 3 auquel il a été ajouté une toise électrique (ou détecteur de hauteur de caisse par rapport au chassis de bogie) schématisée et repérée 58. L'information électrique d'altitude de caisse est introduite dans la channe de régulation d'altitude de manière à corriger la valeur moyenne d'altitude il est clair enfin que pour les dispositifs décrits à propos des figures 3 et 5 il n'est plus besoin d'amortisseurs conventionnels pour amortir les mouvements verticaux d'ensemble de la caisse. REVENDICATIONS 1) Procédé consistant à incliner une caisse ferroviaire (2) dans les courbes par utilisation de vérins hydrauliques (12), complétés par une réserve d'énergie sous forme d'accumulateur hydraulique (26), attachés d'une part sur la caisse (2), caractérisé en ce que les dits vérins sont attachés, d'autre part, sur un appui aussi peu suspendu que possible par rapport au rail, notamment boite d'essieu ou châssis (4) du bogie. 2) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qutil consiste, selon les phases du mouvement, à prélever l'énergie fournie aux vérins hydrauliques (12) dans l'accumulateur hydraulique (26) ou à la restituer à cet accumulateur par l'emploi de boisseaux (50, 52, 54) ou de vannes commandées par un asservissement d'inclinaison (40, 42) grâce à quoi le fonctionnement est réversible du point de vue de la mise en jeu de l'énergie. 3) Procédé suivant l'une des revendications 1 ou 2 consistant de plus à combiner l'asservissement de rotation de caisse avec celui de stabilisation verticale par la mise en commun de certains au moins des composants, notamment vérins hydrauliques (12), accumulateur (26), nourrice basse pression (28), pompe (38). 4) Procédé suivant la revendication 3 consistant à utiliser la stabilisation verticale, combinée avec l'inclinaison de caisse, pour stabiliser la caisse- non seulement verticalement, mais encore pour fixer la hauteur moyenne de caisse par rapport au rail en introduisant dans cette stabilisation verticale un signal significatif de la position en hauteur de caisse par rapport au rail. 5) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 3, caractérisé : en ce qu'il comporte deux vérins hydrauliques d'inclinaison (12t, 12b) attachés d'une part sur la caisse (2) et, d'autre part, sur un appui aussi peu suspendu que possible par rapport au rail, notamment boite d'essieu ou châssis (4) du bogie; en ce qu'il comporte un accéléromètre (40) à axe sensible transversal et un accéléromètre (14) à axe sensible vertical ; et en ce que les signaux issus desdits accéléromètres sont appliqués à une logique de calcul (56) commandant les actionneurs (48t, 48b) de deux groupes (50t, 52t, 54t - 50b, 52b, 54b) de valves de commutation commandant l'alimentation ou la mise à la purge des chambres des deux vérins hydrauliques d'inclinaison (12t, 12b). 6) Dispositif suivant la revendication 5, adapté à contrôler l'inclinaison de caisse sur un véhicule ferroviaire dans lequel la suspension secondaire, interposée entre la caisse et le châssis du bogie, est consistué par un coussin pneumatique (6) caractérisé en ce que-la résistance du dit coussin à 11 inclinaison de caisse est neutralisée dans les courbes, au moins partiellement, lorsque l'inclinaison de caisse commandée par l'asservissement (42, 48, 50, 52, 54) devait conduire à des efforts trop importants sur les coussins. 7) Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'une valve différentielle (6bis) est interposée entre les deux coussins (12), ladite valve s'ouvrant en réponse à une différence de pression entre les deux coussins dépassant un seuil prédéterminé.