Brevet FR2656580A1 — publié le 19910705

L'invention concerne une articulation d'accouplement entre véhicules ferroviaires reposant sur un bogie médian, commun, articulation réalisée par l'intermédiaire d'éléments élastiques feuilletés. Les articulations entre véhicules ferroviaires dans des rames dites articulées, o deux extrémités de caisses reposent sur un seul bogie médian, peuvent faire appel à une rotule à portée sphérique, liée à un véhicule reposant sur l'autre, lui-même suspendu et rappelé en roulis par une suspension sur ledit bogie médian Ces articulations portant une charge élevée, par l'intermédiaire d'organes en élastomère feuilleté et fretté par plusieurs armatures intermédiaires, éventuellement précontraintes, nécessitent beaucoup d'usinages et sont d'un prix de revient élevé, pour un filtrageantivibratoire assez réduit, du fait de leur rigidité notable. Le document FR 2 357 409 d'Alsthom prévoit plusieurs articulations séparées autour de deux axes verticaux et un troisième axe, horizontal, tous solidaires d'un compartiment d'intercirculation; cette disposition est utilisée dans le cas o deux caisses de véhicules consécutifs demeurent liées en roulis par un système à la cardan. L'organe en élastomère portant la charge permanente, est alors astreint à des rotations autour du seul axe vertical reliant une caisse et un demicompartiment d'intercirculation Ses performances angulaires ne demandent donc que la moitié de l'angle entre caisses, le compartiment posé sur le bogie médian par son axe horizontal restant bissecteur de cet angle. La pièce n'a, en conséquence, que des performances limitées à satisfaire dans ce cas, qui n'est pas applicable à une rame de plus de deux caisses successives, car aucune flexibilité en roulis ou gauche de voie ne les sépare Par ce fait, l'application reste limitée aux tramways ou automotrices à deux caisses indissociables. Le document FR 2 631 917, également d'Alsthom, répond, au contraire, aux besoins d'une rame longue, en prévoyant une pièce torique de surface tronconique dans sa zone inférieure 1 - et une pièce de support venant envelopper celle-ci, reliée à l'autre véhicule sur lequel elle est fixée Un élément d'articulation torique en matériau composite élastique, formé de plaques métalliques "en sandwich entre des couches de matériau élastique" est prévu, "entourant et au contact" de la surface externe tronconique Une variante y est décrite, dont les plaques métalliques et les couches du matériau sont en forme de secteur sphérique. La présente invention a pour objet l'optimisation d'un dispositif d'articulation pour répondre aux besoins spécifiques découlant de l'emploi sur véhicules articulés ayant des bogies médians en commun, l'optimisation ayant porté sur le nombre et la disposition angulaire des couches de matériau élastique ainsi que sur la loi d'évolution de leurs dimensions. L'invention porte donc sur une articulation d'accouplement entre véhicules ferroviaires reposant sur un bogie médian, reliés par l'intermédiaire d'éléments élastiques, interposés entre une pièce support, solidaire de l'un des véhicules, et une, armature interne, constituant la surface d'assemblage en appui de l'autre véhicule sur le premier, l'élément en matériau composite élastique comportant des frettes métalliques prenant en sandwich des couches en composition élastomérique. L'invention est caractérisée en ce que ledit élément en matériau composite élastique est formé de sept couches en composition élastomérique prises en sandwich par six frettes métalliques d'épaisseur constante, les surfaces de contact étant en forme de troncs de cône. L'armature interne, qui constitue la surface d'assemblage en appui de la pièce torique, ainsi que l'armature externe, de section droite triangulaire, qui supporte l'élément en matériau composite élastique, sont liées intimement, par adhérisation au cours de la réticulation, à ladite composition élastomérique Par ailleurs, l'angle desdits troncs de cône, formant surface de contact, est voisin de vingt-cinq degrés par rapport à l'axe de l'articulation. 2 - L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description accompagnant la figure unique. La figure est une coupe, par un plan vertical passant par l'axe d'articulation, qui sert d'axe de révolution pour l'articulation conforme à l'invention. La pièce support ( 1) qui fait partie intégrante du premier véhicule comporte un rebord vertical cylindrique ( 2) dans lequel est fixée, par des boulons tels que ( 3), une armature externe ( 4), de section droite triangulaire, supportant l'élément en matériau composite élastique ( 5) Celui-ci comporte six frettes métalliques ( 6), d'épaisseur constante, en forme de troncs de cônes Lesdites frettes métalliques ( 6), préférentiellement réalisées en tôle d'acier roulée soudée, prennent en sandwich sept couches en composition élastomérique ( 7), préférentiellement en caoutchouc naturel ou en-polyisoprène synthétique, de grande résilience et de tenue à la fatigue alternative améliorée par le choix de charges appropriées pour le renforcement de la composition élastomérique. De la même façon que l'armature externe ( 4), de section droite triangulaire, sert d'appui sur la pièce support ( 1), une armature interne ( 8) constitue la surface d'assemblage en appui ( 9), venant en contact sur la partie inférieure d'une pièce torique ( 10), solidaire du véhicule adjacent. L'armature externe ( 4) et l'armature interne ( 8), ainsi que chaque face des frettes métalliques ( 6), toutes en forme de troncs de cônes, sont intimement liées par le phénomène physico-chimique dit adhérisation aux couches en composition élastomérique ( 7). Par convention, une bonne qualité de ladite adhérisation est obtenue lorsque la rupture se produit en pleine gomme en essai destructif de traction Un essai dit "bond-test" permet, sous une sollicitation de traction opposée à la charge normale pour laquelle la pièce est conçue, de vérifier l'absence de dégradation, sans destruction. Préférentiellement, l'armature interne ( 8), constituant la surface d'assemblage en appui ( 9), devant, pour des raisons 3 - d'encombrement, occuper le moins d'épaisseur possible entre ladite surface d'assemblage en appui ( 9) et l'élément en matériau composite élastique ( 5), est d'épaisseur constante et au plus égale à l'épaisseur de chacune des couches en composition élastomérique ( 7). La fonction principale de l'articulation objet de l'invention étant la rotation alternée autour de l'axe des troncs de cônes, sous une charge permanente de compression, l'optimisation vise des taux de cisaillement géométrique le plus possible égaux dans la matière, lors de cette rotation entre les différents solides reliés par les couches en composition élastomérique ( 7) Il en résulte, pour chacune des sept couches en composition élastomérique ( 7), la nécessité d' une rigidité de torsion inversement proportionnelle à leurs épaisseurs, ladite épaisseur étant constante dans une couche, mais différente d'une couche à l'autre. En toute rigueur, la rotation angulaire étant la même à chaque extrémité d'une couche en composition élastomérique ( 7), le cisaillement du matériau, resté de même épaisseur, se fait à un taux qui est proportionnel, plus précisément, au rayon considéré en chaque point Cependant, la valeur moyenne de ce taux de cisaillement géométrique, pour des rayons moyens des couches qui sont différents ne peut être maintenue que si la contrainte est sensiblement la même dans le matériau de module constant Ceci implique que la section de la couche en composition élastomérique varie en fonction inverse du bras de levier (ou rayon moyen) , qui soumet chaque couche au même couple de rotation, les liaisons élastiques se trouvant, en série, soumises à celui-ci. Cette condition vient en contradiction avec un taux de sollicitation identique sous l'effet de la charge verticale, ainsi que sous des efforts horizontaux En effet, cette condition exigerait une section des couches en composition élastomérique ( 7) constante entre chaque frette métallique ( 6), ce qui conduirait à choisir une largeur des couches en composition élastomérique ( 7) inversement proportionnelle au rayon moyen Cette condition, peu pénalisante, n'a pas besoin 4 - d'être satisfaite avec la même rigueur que celle dictée par l'optimisation en rotation alternée. Pour satisfaire couple de rotation identique et taux de cisaillement identique, sensiblement, dans chaque couche en rotation, la loi privilégie une épaisseur des couches inversement proportionnelle au rayon moyen et une largeur inversement proportionnelle au carré dudit rayon moyen La même loi régit la hauteur des frettes métalliques ( 6), également inversement proportionnelle au carré dudit rayon moyen. Il est à remarquer qu'une meilleure homogénéité au sein de chaque couche exigerait, pour le même cisaillement géométrique, une épaisseur proportionnelle au rayon, c'est à dire des angles de cône différents ayant tous le même sommet. Le choix d'un cône d'angle identique, pour chaque frette métallique ( 6), est donc une approximation, permettant de limiter les coûts de telles armatures à des valeurs réalistes, en maintenant également à leurs tôles des épaisseurs constantes Ces dispositions ont comme conséquence, mais comme second objectif aussi, d'affecter à chaque couche en composition élastomérique ( 7) un facteur de forme constant, communiquant à chacune un rapport des rigidités, entre la compression pure et le cisaillement pur, constant Le facteur de forme résulte, en effet, du rapport entre la surface de liaison entre le métal de la frette métallique ( 6) et l'élastomère de la couche en composition ( 7) d'une part et la surface libre aux extrémités de l'épaisseur de chaque couche, d'autre part La rigidité axiale, verticalement, qui est de façon prépondérante due à la projection sur l'axe d'une compression normale de la matière élastique, est donc répartie, d'une couche à l'autre, de la même façon que le cisaillement Les courses élastiques de déformation se répartissent donc de façon inversement proportionnelle au carré du rayon moyen pour chaque couche, sous la même charge axiale, évidemment en série. Pour satisfaire l'optimisation, le nombre de couches nécessité par les besoins de l'application ne peut être quelconque, car - une épaisseur cumulée des couches en composition élastomérique notable est nécessaire mais limitée par la géométrie. Dans un exemple d'application o le grand diamètre de l'articulation mesure 400 millimètres, la hauteur totale à l'état libre ne dépassant pas 200 millimètres, l'épaisseur cumulée des sept couches en composition élastomérique ( 7) atteint 61 millimètres, chaque frette métallique ( 6) ayant une épaisseur de 2,5 millimètres, soit une épaisseur de la partie élastique de l'articulation de 76 millimètres mesurée normalement entre faces en regard de l'armature externe ( 4) et de l'armature interne ( 8) Par ailleurs, il résulte de la même optimisation que l'angle des troncs de cône est d'environ 25 degrés par rapport à l'axe, c'est à dire un angle au sommet du cône de 50 degrés, environ. Dans le même exemple d'application, les épaisseurs des différentes couches en composition élastomérique sont décroissantes de la couche la plus interne ( 7 a) à la couche la plus externe ( 7 g), en prenant les valeurs ci-dessous: La couche 7 a présente une épaisseur de 11,2 millimètres. La couche 7 b présente une épaisseur de 10,1 millimètres. La couche 7 c présente une épaisseur de 9,1 millimètres. La couche 7 d présente une épaisseur de 8,3 millimètres. La couche 7 e présente une épaisseur de 7,8 millimètres. La couche 7 f présente une épaisseur de 7,4 millimètres. La couche 7 g présente une épaisseur de 7,1 millimètres. Un nombre de couches plus élevé que sept obérerait la rigidité torsionnelle, en aggravant l'hétérogénéité des contraintes au sein de chaque couche et, procurant une rigidité conique plus élevée, limiterait exagérément le gauche possible entre deux caisses. Un nombre plus faible ferait participer insuffisamment la compression normale aux différentes rigidités, par réduction du facteur de forme Un module du matériau plus élevé, qui permettrait de compenser cet effet, aurait pour conséquence une tenue insuffisante à la fatigue alternée. Pour la même raison, il n'a pas été reconnu opportun d'envisager un module différent d'une couche à l'autre de la 6 - composition élastomérique Cette variante aurait été rendue possible par un mode de réalisation de la pièce en moulage par compression d'ébauches, elles- mêmes peu commodes à réaliser du fait de la forme conique, mais, toutefois, d'épaisseur constante dans chaque couche, toutes les épaisseurs étant alors différentes d'une couche à l'autre. Le procédé de fabrication le plus intéressant pour la réalisation de l'articulation selon l'invention est donc le moulage par transfert, dans un moule préchauffé, contenant les armatures métalliques préalablement traitées et enduites des colles nécessaires à l'adhérisation, chaque frette métallique ( 6) étant encollée sur ses deux faces, l'armature interne ( 8) et l'armature externe ( 4) n'étant encollées que sur leur face destinée à entrer en contact avec la couche en composition élastomérique ( 7 a) ou ( 7 g), adjacente. Toutes les liaisons physico-chimiques sont ainsi réalisées, au cours de la vulcanisation, sous température et pression contrôlées L'articulation, débarrassée de ses bavures et picots, se trouve directement prête à l'emploi après démoulage et refroidissement. L'articulation selon l'invention permet toutes les déformations élastiques d'un accouplement, entre véhicules ferroviaires d'un train articulé sur des bogies communs aux deux extrémités de caisses en vis-à- vis Elle est optimisée pour la meilleure durée de vie sous sollicitations dynamiques et un bon filtrage des vibrations parasites entre lesdites caisses Elle apporte une solution rationnelle et optimisée à la conception d'articulations nécessaires dans ce type de rames ferroviaires intégrées, dites rames articulées, tout en simplifiant les opérations de couplage et découplage. 7 - Revendications 1 Articulation d'accouplement entre véhicules ferroviaires reposant sur un bogie médian, reliés par l'intermédiaire d'un élément élastique interposé entre une pièce support ( 1), solidaire de l'un des véhicules et une armature interne ( 8) constituant la surface d'assemblage en appui ( 9) de l'autre véhicule sur le premier, comportant un élément en matériau composite élastique ( 5) dans lequel des frettes métalliques ( 6) prennent en sandwich des couches en composition élastomérique ( 7), caractérisée en ce que ledit élément en matériau composite élastique ( 5) est formé de sept couches en composition élastomérique ( 7) prises en sandwich par six frettes métalliques ( 6), d'épaisseur constante, les surfaces de contact étant en forme de troncs de cône. 2 Articulation d'accouplement entre véhicules ferroviaires selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'armature interne ( 8), qui constitue la surface d'assemblage en appui ( 9) de la pièce torique ( 10) est liée intimement, par adhérisation au cours de la réticulation, à la couche en composition élastomérique la plus interne ( 7 a) par une surface de contact en forme de tronc de cône de même angle que la surface d'assemblage en appui ( 9) et en ce que ladite armature interne ( 8) présente une épaisseur constante, au plus égale à l'épaisseur des couches en composition élastomérique ( 7). 3 Articulation d'accouplement entre véhicules ferroviaires selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'armature externe ( 4), de section droite triangulaire, qui supporte l'élément en matériau composite élastique ( 5), est liée intimement, par adhérisation au cours de la réticulation, à la couche en composition élastomérique la plus externe ( 7 g) par sa surface de contact en forme de tronc de cône. 4 Articulation d'accouplement entre véhicules ferroviaires selon la revendication 1, caractérisée en ce que la variation de la hauteur des frettes métalliques ( 6) et, 8 - donc, de la largeur des couches en composition élastomérique ( 7) se fait de façon inversement proportionnelle au carré de leur rayon moyen, en vue de privilégier le taux de cisaillement le plus homogène possible en sollicitations de torsion autour de l'axe des cônes. Articulation d'accouplement entre véhicules ferroviaires selon la revendication 1, caractérisée en ce que la variation de l'épaisseur des couches en composition élastomérique ( 7) se fait de façon inversement proportionnelle à leur rayon moyen, en vue d'équilibrer les couples de torsion autour de l'axe des cônes à une valeur la plus constante possible entre chaque couple de frettes métalliques ( 6), intermédiaires, voisines. 6 Articulation d'accouplement entre véhicules ferroviaires selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'angle des troncs de cône est voisin de vingt-cinq degrés par rapport à l'axe de l'articulation. _ 9 _