Brevet FR2669598A1 — publié le 19920529

"Essieu de chemin de fer muni d'un détecteur intégré pour détecter la vitesse de rotation" La présente invention concerne un essieu de chemin de fer de type traditionnel dans la structure duquel est intégré un détecteur destiné à détecter la vitesse de rotation de la roue (dans le cas de bogies à roues indépendantes) ou des roues (dans le cas de bogies en pont rigide traditionnel) montées de façon fixe sur l'essieu. Il est bien connu que le problème consistant à empêcher les roues de se bloquer pendant le freinage, avec la perte d'adhérence qui en résulte, se rencontre aujourd'hui non seulement sur les véhicules routiers mais encore sur les trains à grande vitesse modernes Par suite, on a développé des systèmes de freinage anti-blocage, appelés dispositifs ABS qui peuvent être utilisés sur des bogies de chemin de fer dont les locomotives et les wagons sont équipés Comme cela est bien connu, ces bogies comprennent généralement une paire d'essieux supportant chacun une paire de roues Dans les bogies en pont rigide, les deux roues sont portées par un arbre unique muni d'une roue à chaque extrémité, et cet arbre est monté en rotation libre par des supports respectifs reliés par un système de suspension muni de bras d'absorption de chocs, à la structure de support du bogie elle-même reliée au wagon ou à la locomotive Au contraire, dans des bogies à roues indépendantes, chaque roue de chaque essieu est supportée par son arbre propre monté de manière à faire saillie à travers un support correspondant Ces supports sont portés par des bras de suspension comme dans le cas précédent. Dans les deux types de bogies, la vitesse de rotation de la roue est détectée par un détecteur placé dans une position fixe en face d'une roue dentée, connue sous le nom de "roue phonique" ou "anneau d'impulsions", réalisée dans un matériau magnétique et montée sur l'arbre Lorsqu'on fait tourner l'arbre, une succession de parties vides et pleines déterminées par la présence des dents sur la roue phonique, passent successivement en face de la bobine et provoquent la création d'un signal électrique variable à ses bornes La fréquence de ce signal est proportionnelle au nombre de dents qui passent devant le détecteur par unité de temps, et par conséquent à la vitesse de rotation de la roue ou des roues montées sur l'arbre en même temps que la roue phonique Le signal produit par le détecteur est ensuite traité par un bloc de traitement central électronique qui, en le comparant aux signaux générés par les autres roues du bogie, est capable de détecter un phénomène de blocage de roue pendant le freinage, et par conséquent de commander le dispositif de freinage d'une manière convenable. La disposition décrite ci-dessus n'est cependant pas complètement dénuée d'inconvénients En particulier, les détecteurs et les roues phoniques associées sont encombrants et difficiles à régler Le montage est donc onéreux en ce sens qu'il faut s'assurer d'un centrage parfait entre le détecteur généralement porté par le capot de fermeture du carter portant l'arbre, et la roue phonique portée par ce dernier, sinon le système fonctionne mal Enfin, les détecteurs ont une faible sensibilité à basse vitesse de sorte que le système ABS du train ne détecte pas de vitesses au-dessous de cinq à sept Km/h. Le but de la présente invention est de créer un essieu de chemin de fer portant, intégré dans sa structure, un détecteur permettant de détecter la vitesse de rotation de l'arbre ou plutôt de l'élément rotatif sur lequel les roues sont montées, de manière à supprimer les problèmes d'encombrement et de montage décrits ci-dessus L'invention a également pour but de créer un essieu du type dans lequel le détecteur de vitesse intégré soit capable de générer un signal efficace même à faible vitesse. Ce but est atteint par l'invention qui concerne un essieu de chemin de fer portant, intégré à celui-ci, un détecteur sensible à la vitesse de rotation d'un élément tournant de l'essieu et supporté par un élément fixe par l'intermédiaire d'au moins un palier d'éléments de roulement associé logé dans un siège formé entre l'élément tournant et l'élément fixe de l'essieu, ce palier étant muni, vers l'extérieur du siège, d'un dispositif d'étanchéité destiné à protéger les corps de roulement du palier, essieu caractérisé en ce qu'un élément annulaire du dispositif d'étanchéité est fixé pour tourner avec l'élément tournant de l'essieu et comporte un certain nombre de zones de discontinuité présentant sensiblement la même largeur et disposées périphériquement à un pas sensiblement constant; et en ce qu'on utilise en outre, à l'intérieur du siège et tout près de l'élément annulaire du dispositif d'étanchéité, un détecteur porté par l'élément fixe de l'essieu et destiné à être excité par le passage des zones de discontinuité devant celui-ci pour produire un signal périodique de fréquence proportionnelle au nombre de ces zones qui passent devant le détecteur par unité de temps. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, l'élément annulaire du dispositif d'étanchéité est muni de zones magnétisées bipolaires définissant des pôles Nord et Sud alternés, le détecteur étant un détecteur à effet Hall ou un détecteur à magnéto- résistance. Selon une autre caractéristique encore de l'invention, l'élément annulaire du dispositif d'étan- chéité est muni de zones magnétisées unipolaires définissant toutes des pôles Nord ou toutes des pôles Sud espacées périphériquement les unes des autres de manière à être séparées par des zones non magnétisées, le détecteur étant un détecteur à effet Hall ou un détecteur du type à magnéto-résistance. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, l'élément tournant est défini par un arbre et l'élément fixe est défini par un support de l'arbre à l'intérieur duquel est formé le siège, tandis que le dispositif d'étanchéité est placé vers une extrémité de l'arbre tournée vers l'extérieur du siège; l'élément annulaire muni des zones de discontinuité fait partie d'un premier écran rigide du dispositif d'étanchéité monté dans une position centrale sur un anneau d'écartement centré sur l'extrémité de l'arbre et maintenu en contact avec un anneau intérieur du palier par un élément de blocage axial porté de façon fixe par l'extrémité de l'arbre; ce premier écran rigide étant formé par un élément annulaire dont la concavité est tournée vers l'anneau d'écartement et qui se bloque entre celui-ci et l'anneau intérieur du palier; le dispositif d'étanchéité comprenant un second écran rigide formé par un élément annulaire concave muni, radialement et vers l'extérieur, d'un prolongement annulaire permettant de fixer ce second écran à un anneau extérieur du palier de façon que sa concavité soit tournée vers le premier écran; ce second écran supportant le détecteur. Selon une autre caractéristique encore de l'invention, le premier écran et le second écran sont partiellement emboîtés axialement l'un dans l'autre de manière à définir entre eux un joint d'étanchéité à labyrinthe; une partie annulaire radiale extérieure du premier écran étant introduite dans la concavité du second écran et supportant de façon fixe l'élément annulaire muni des zones de discontinuité, et le détecteur étant logé, par l'intermédiaire de la concavité du second écran, dans une position axiale correspondant à celle de l'élément muni des zones de discontinuité, mais décalées radialement vers l'extérieur de celui-ci. Selon une autre caractéristique encore de l'invention, l'élément annulaire du dispositif d'étan- chéité muni des zones de discontinuité, est réalisé dans un caoutchouc chargé d'un matériau magnétisable, et s'applique de façon fixe à l'écran; le détecteur étant muni de moyens de détection des signaux ainsi émis, ces moyens partant du second écran et se logeant dans le support. Selon une autre caractéristique enfin de l'invention, l'élément annulaire du dispositif d'étan- chéité muni des zones de discontinuité, est formé par frittage de poudres magnétiques, et se fixe à l'écran; le détecteur étant muni de moyens de détection des signaux ainsi émis, ces moyens partant du second écran et se logeant dans le support. Pour mieux comprendre l'invention, on décri- ra maintenant un exemple non limitatif de réalisation de celle-ci en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels: la figure 1 est une vue en élévation et en coupe transversale d'une partie terminale d'un essieu de chemin de fer réalisé selon l'invention; et les figures 2 à 4 illustrent différentes formes de réalisation d'un détail de l'essieu montré à la figure 1. En se référant à la figure 1, la référence 1 désigne d'une façon générale un essieu de chemin de fer présentant une structure d'ensemble essentielle- ment connue dont on n'illustrera donc que la partie terminale pour plus de simplicité L'essieu 1 comprend un élément fixe constitué dans cet exemple spécifique par un support 2 relié de manière connue, non représentée pour plus de simplicité, à un bogie de chemin de fer pouvant se fixer à un wagon ou à une locomotive, également connu et non représenté pour plus de simplicité, et un élément tournant constitué dans cet exemple spécifique par un arbre 3 dont seule la partie voisine de l'extrémité 4 est illustrée, cet arbre étant logé dans un siège 5 formé dans le support 2 L'arbre 3 porte au moins une roue montée sur celui- ci de manière connue non représentée pour plus de simplicité, et cet arbre est monté en rotation libre sur le support 2 par au moins un palier de roulement 6 comprenant un anneau intérieur 7 monté pour tourner avec l'arbre 3, par exemple par un emboîtement en force sur celui-ci, un anneau extérieur 8 fixé au support 2 monté dans le siège 5, et un certain nombre de corps de roulement 9 interposés entre les anneaux 7 et 8 L'arbre 3 peut par exemple être supporté par une paire de paliers à rouleaux coniques opposés, par un anneau de rouleaux ou par un palier à rouleaux coniques unique muni de deux anneaux de rouleaux Le siège 5 est fermé par un capot 10 fixé au support 2 d'une manière connue non représentée, par exemple par des vis, et un dispositif d'étanchéité 12 de type à labyrinthe généralement connu, est disposé à l'extrémité 4 ou plutôt à l'extrémité tournée vers le capot 10 et vers l'extérieur du siège 5. Plus particulièrement, le dispositif d'étan- chéité 12 comprend un premier écran rigide 15 monté et par conséquent centré sur un anneau d'écartement 16 monté dans une position centrale sur l'extrémité 4 et maintenu en contact avec l'anneau intérieur 7 par un élément de verrouillage axial supporté de façon fixe par l'extrémité 4 et défini par une rondelle 18 fixée à la face d'extrémité de l'arbre 3 par des vis 19, et un second écran rigide 20 fixé de manière connue directement à l'anneau extérieur 8 L'écran 15 est constitué par un élément annulaire à section radiale en forme de C dont la concavité est tournée vers l'anneau d'écartement 16, et qui se trouve bloqué entre ce dernier et l'anneau intérieur 7 du palier, de manière à être fixé axialement et angulairement à l'arbre 3 D'autre part, l'écran 20 est constitué par un élément annulaire à section radiale en forme de U et muni d'un prolongement annulaire 22 faisant saillie radialement vers l'extérieur, ce prolongement annu- laire à section en forme de L étant couplé à l'anneau 8 en étant par exemple serré dans un siège 23 de celui-ci De cette manière, l'écran 20 est fixé axialement et angulairement à l'anneau 8 et disposé de façon que sa concavité soit tournée vers l'écran 15, celui-ci et l'écran 20 étant de plus partiellement emboîtés axialement l'un dans l'autre de manière à former entre eux un joint d'étanchéité à labyrinthe destiné à protéger les corps de roulement 9 des éléments de contamination extérieurs tels que l'eau et la poussière pouvant pénétrer dans le siège 2, et en même temps à retenir entre les anneaux 7, 8 une certaine quantité de graisse de lubrification en contact avec les corps de roulement 9. Dans cet exemple particulier, une partie annulaire radialement extérieure 25 de l'écran 15 est introduite avec jeu dans la concavité de l'écran 20, tandis qu'une partie annulaire radialement intérieure 26 de ce dernier est emboîtée avec jeu dans la concavité de l'écran 15, dans l'espace annulaire situé entre la partie 25 et l'anneau 16, qui pénètre partiellement dans la cavité de l'écran 15 et vient par conséquent pratiquement en face de la partie 25. On créé ainsi dans le siège 5, entre les anneaux 7, 8 et les écrans 15, 20, une chambre pratiquement étanche 28 vers laquelle est tournée la concavité de l'écran 20. Selon l'invention et en se référant également aux figures 2 à 4, le dispositif d'étan- chéité 12 comprend en outre un élément annulaire 30 fixé pour tourner avec l'arbre 3 ou plutôt l'élément rotatif de l'essieu 1, et muni d'un certain nombre de zones de discontinuité constituées dans le cas présent par des zones magnétisées de façon permanente présentant sensiblement la même largeur et disposées périphériquement avec un pas pratiquement constant A l'intérieur du siège 5 et tout près de cet élément annulaire 30 est disposé un détecteur connu 31 monté de façon fixe sur l'élément fixe de l'essieu 1, c'est à dire sur le support 2, et destiné à être excité par le passage des zones magnétisées devant celui-ci pour produire un signal périodique de fréquence proportionnelle au nombre de ces zones qui passent devant le détecteur par unité de temps. Dans l'exemple particulier représenté ici, l'élément annulaire 30 est supporté par la partie annulaire 25 de l'écran 15, du côté tourné vers la partie 22 de l'écran 20, tandis que le détecteur 31 est supporté par ce dernier en étant logé par l'écran à l'intérieur de sa concavité, dans une position axiale correspondant à celle de l'élément 30 mais décalée radialement vers l'extérieur par rapport à celle-ci Enfin, l'élément 30 et le détecteur 31 sont tous deux logés à l'intérieur de la chambre étanche 28 en venant très près l'un en face de l'autre, l'élément étant libre de tourner, avec l'écran 15, les anneaux 7, 16 et l'arbre 3, par rapport au détecteur 31 qui, au contraire, reste fixe avec l'anneau 8 et le support 2. Comme illustré, de façon non limitative à la figure 2, l'élément 30 est muni de zones magnétisées bipolaires 33, 34 qui définissent alternativement les zones de pâle Nord 33 et les zones de pâle Sud 34. Dans ce cas, on utilise sur l'essieu 1 un détecteur 31 du type à magnétorésistance connu ou, de préférence, du type à effet Hall Selon deux variantes possibles illustrées aux figures 3 et 4, l'élément 30, au lieu d'être magnétisé bipolairement, peut n'être muni que de zones magnétisées unipolairement, constituées par exemple uniquement par des zones 33 définissant toutes des pôles Nord (figure 3), ou au contraire uniquement des zones 34 définissant toutes des pâles Sud (figure 4) Dans ce cas, les zones 33 (ou 34) sont formées de manière à être espacées périphériquement les unes des autres et à se trouver ainsi séparées des zones non magnétisées 35 pour former ainsi la discontinuité voulue Dans ces variantes, un détecteur 31 du type à effet Hall ou, de préférence, du type à magnéto- résistance, tous bien connus de la technique, sont utilisés dans l'essieu 1. Dans une forme préférée de réalisation, l'élément 30 est formé suivant l'une quelconque des manières illustrées aux figures 2 à 4, en utilisant un caoutchouc chargé d'un matériau magnétisable tel que par exemple une poudre de métal, d'oxyde ou d'alliage pour aimant permanent, qu'on traite par des techniques de mise en forme connues telles que par exemple le moulage par injection ou la compression En variante, on peut également utiliser une matière plastique chargée comme ci-dessus, ou encore l'élément 30 peut être complètement formé par frittage à partir de matériaux de poudres magnétiques Après avoir été réalisé sous la forme d'un anneau, l'élément 30 peut être fixé solidement à la partie 25, radialement à l'extérieur de celle-ci, par exemple par collage pendant une étape de vulcanisation selon des techniques connues Dans une variante possible non représentée pour plus de simplicité, l'élément 30 peut cependant être réalisé d'une seule pièce avec l'écran et être constitué dans ce cas par la partie 25 elle- même Dans chaque cas, les zones à magnétisation permanente 33, 34 sont toujours obtenues en utilisant les mêmes techniques qui sont bien connues et ne seront donc pas décrites ici pour plus de simplicité. Il suffit d'indiquer que ces techniques consistent à soumettre les zones à magnétiser à des champs magnétiques localisés intenses de manière à produire une magnétisation par l'effet d'hystérésis magnétique. Dans tous les cas, le détecteur 31 est monté sur l'écran 20 et comporte, pour récupérer le signal produit par celui-ci, un câble 40 partant de l'écran du côté extérieur de la chambre 28 et logé dans le support 2. il En cours d'utilisation, la rotation des roues du train provoque la rotation de l'arbre 3 et par conséquent de l'écran 15, tandis qu'au contraire l'écran 20 ne tourne pas car il est fixé au support 2. Par suite, l'écran 15 qui, comme décrit ci-dessus, est coaxial avec l'écran 20, tourne par rapport à celui-ci à l'intérieur de sa concavité en produisant d'une part une action d'étanchéité hydraulique et, d'autre part, le passage des zones 33, 34 devant le détecteur 31 Si l'on utilise un détecteur à effet Hall, celui-ci est alimenté de l'extérieur par un circuit électronique connu convenable, non représenté pour plus de simplicité, et se comporte comme un interrupteur qui s'ouvre et se ferme à chaque passage d'une zone 33 puis d'une zone 34 ou vice versa. Dans toutes les conditions, et par consé- quent même à des vitesses de rotation très basses, cela produit un signal pulsé d'amplitude constante dont la fréquence dépend de la vitesse de rotation de l'arbre 3 qui peut donc être calculée par un circuit convenable et envoyée, par exemple par le câble 40, à une unité de commande centrale d'un bloc ABS connu non représenté pour plus de simplicité Dans le cas du détecteur à magnéto-résistance, le résultat final est le même (production d'un signal dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de rotation de l'écran 15 et dont l'intensité est toujours élevée et bien détectable) mais nécessite la modification des circuits électroniques de commande et de détection, ces circuits étant, dans les deux cas, bien connus et pouvant être montés à l'extérieur du siège 5, ou encore miniaturisés et montés directement avec le détecteur 31 sur l'écran 20. D'après ce qui a été décrit ci-dessus, les avantages liés à l'invention apparaissent clairement. Les coûts et les problèmes de montage et d'encombre- ment résultant de la présence des roues phoniques montées sur l'extrémité 4 de l'arbre 3, et des détecteurs électromagnétiques montés sur le capot 10, comme dans les dispositifs connus de l'art antérieur, sont complètement supprimés En fait, le détecteur constitué de l'élément 30 et du détecteur 31, est intégré dans un bloc étanche 12 de petites dimensions qui serait nécessaire dans tous les cas pour des raisons de protection du palier 6. On supprime également tous les problèmes liés aux coûts des travaux nécessaires pour s'assurer du positionnement correct du détecteur par rapport à l'élément phonique En fait, dans l'invention, ces opérations sont effectuées par deux écrans qui doivent toujours être correctement placés l'un par rapport à l'autre pour des raisons d'étanchéité, de sorte qu'on exploite le centrage offert par les anneaux 8 et 16. Enfin, on crée un système capable de détecter la vitesse de rotation avec précision même à basse vitesse Si cela est nécessaire, les zones de discontinuité nécessaires pour le fonctionnement du détecteur peuvent également être définies par des zones vides (aubes) alternées avec des zones pleines (dents), toutes ces zones étant magnétisées ou non comme dans les anneaux à impulsions traditionnels. R E V E N D I C A T I O N S ) Essieu de chemin de fer portant, intégré à celui-ci, un détecteur ( 31) sensible à la vitesse de rotation d'un élément tournant de l'essieu et supporté par un élément fixe par l'intermédiaire d'au moins un palier d'éléments de roulement associé logé dans un siège formé entre l'élément tournant et l'élément fixe de l'essieu, ce palier étant muni, vers l'extérieur du siège, d'un dispositif d'étanchéité ( 12) destiné à protéger les corps de roulement du palier, essieu caractérisé en ce qu'un élément annulaire du dispositif d'étanchéité ( 12) est fixé pour tourner avec l'élément tournant de l'essieu et comporte un certain nombre de zones de discontinuité présentant sensiblement la même largeur et disposées périphéri- quement à un pas sensiblement constant; et en ce qu'on utilise en outre, à l'intérieur du siège et tout près de l'élément annulaire du dispositif d'étan- chéité ( 12), un détecteur ( 31) porté par l'élément fixe de l'essieu et destiné à être excité par le passage des zones de discontinuité devant celui-ci pour produire un signal périodique de fréquence proportionnelle au nombre de ces zones qui passent devant le détecteur par unité de temps. 2 e) Essieu de chemin de fer selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément annulaire du dispositif d'étanchéité est muni de zones magnétisées bipolaires définissant des pôles Nord et Sud alternés, le détecteur ( 31), étant un détecteur à effet Hall ou un détecteur à magnéto-résistance. ) Essieu de chemin de fer selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément annulaire du dispositif d'étanchéité ( 12), est muni de zones magnétisées unipolaires définissant toutes des pôles Nord ( 33) ou toutes des pôles Sud ( 34) espacées périphériquement les unes des autres de manière à être séparées par des zones non magnétisées, le détecteur ( 31) étant un détecteur à effet Hall ou un détecteur du type à magnéto-résistance. 40) Essieu de chemin de fer selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'élément tournant est défini par un arbre et l'élément fixe est défini par un support de l'arbre ( 3) à l'intérieur duquel est formé le siège ( 5), tandis que le dispositif d'étanchéité ( 12) est placé vers une extrémité de l'arbre tournée vers l'extérieur du siège, essieu caractérisé en ce que l'élément annulaire muni des zones de discontinuité fait partie d'un premier écran rigide ( 15) du dispositif d'étanchéité monté dans une position centrale sur un anneau d'écartement ( 16) centré sur l'extrémité de l'arbre et maintenu en contact avec un anneau intérieur du palier par un élément de blocage axial porté de façon fixe par l'extrémité de l'arbre; ce premier écran rigide ( 15) étant formé par un élément annulaire dont la concavité est tournée vers l'anneau d'écartement ( 16) et qui se bloque entre celui-ci et l'anneau intérieur du palier; le dispositif d'étan- chéité ( 12) comprenant un second écran rigide ( 20) formé par un élément annulaire concave muni, radialement et vers l'extérieur, d'un prolongement annulaire permettant de fixer ce second écran à un anneau extérieur du palier de façon que sa concavité soit tournée vers le premier écran; ce second écran supportant le détecteur. ) Essieu de chemin de fer selon la revendication 4, caractérisé en ce que le premier écran ( 15) et le second écran ( 20) sont partiellement emboîtés axialement l'un dans l'autre de manière à définir entre eux un joint d'étanchéité à labyrinthe; une partie annulaire radialement extérieure du premier écran étant introduite dans la concavité du second écran et supportant de façon fixe l'élément annulaire muni des zones de discontinuité, et le détecteur étant logé, par l'intermédiaire de la concavité du second écran, dans une position axiale correspondant à celle de l'élément muni des zones de discontinuité, mais décalées radialement vers l'extérieur de celui-ci. ) Essieu de chemin de fer selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément annulaire du dispositif d'étanchéité ( 12) muni des zones de discontinuité, est réalisé dans un caoutchouc chargé d'un matériau magnétisable, et s'applique de façon fixe à l'écran; le détecteur ( 31) étant muni de moyens de détection des signaux ainsi émis, ces moyens partant du second écran et se logeant dans le support. ) Essieu de chemin de fer selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément annulaire du dispositif d'étanchéité ( 12) muni des zones de discontinuité, est formé par frittage de poudres magnétiques, et se fixe à l'écran; le détecteur étant muni de moyens de détection des signaux ainsi émis, ces moyens partant du second écran et se logeant dans le support.