Brevet FR2687098A1 — publié le 19930813

La présente invention est relative à une roue monobloc pour véhicule ferroviaire et notamment pour train à grande vitesse. On connaît de très nombreuses roues monobloc pour véhicule sur rail composées d'un moyeu, d'une jante et d'un disque ou toile assurant la liaison entre le moyeu et la jante Toutes ces roues peuvent se classer en deux catégories: les roues à moyeu, jante et toile centrés par rapport à un même plan médian perpendiculaire à l'axe de la roue, les roues à moyeu, jante et toile décentrés. La première catégorie a l'avantage de permettre l'utilisation de fusées d'essieu courtes donc peu sensi- bles à la fatigue en flexion rotative, mais qui entraînent des contraintes importantes dans la toile en particulier au moment du freinage; du fait de ces contraintes, les roues doivent avoir des toiles relativement épaisses et sont donc lourdes. La deuxième catégorie conduit à des contraintes au cours du freinage beaucoup plus faibles ce qui permet de diminuer l'épaisseur de la toile et donc d'alléger la roue; en revanche, ces roues nécessitent des fusées longues plus sensibles à la fatigue en flexion rotative que les fusées courtes. Or, en particulier pour les trains à grande vitesse, il est souhaitable tout à la fois de limiter au maximum les masses non suspendues, donc d'alléger les roues, et de limiter le plus possible la sensibilité à la fatigue en flexion rotative des fusées. L'invention a donc pour but de proposer une roue à la fois allégée et limitant la fatigue en flexion rota- tive de la fusée. L'objet de l'invention est une roue monobloc allégée pour véhicule ferroviaire qui est du type à moyeu et jante centrés et à toile décentrée par rapport à un même plan médian perpendiculaire à l'axe de la roue; la jante comportant de manière habituelle un boudin sur l'un de ses côtés latéraux, la liaison entre la toile et la jante est de préférence déportée latéralement du côté opposé au boudin et la liaison entre la toile et le moyeu du côté du boudin. La courbe génératrice de la toile qui est la courbe médiane de la section méridienne de la toile comporte un point d'inflexion I En appelant 1 la distance du point d'inflexion I à la surface externe du moyeu dans la direction radiale de la roue, L la distance radiale entre la surface externe du moyeu et la partie interne de la jante, h la distance dans la direction axiale du point d'inflexion I au plan perpendiculaire à l'axe de la roue et passant par le point C de rencontre de la courbe géné- ratrice de la toile avec la partie interne de la jante, H la distance axiale entre le point D de rencontre de la courbe génératrice de la toile avec la surface externe du moyeu, et le plan perpendiculaire à l'axe de la roue pas- sant par le point de rencontre C de la courbe génératrice de la toile avec la partie interne de la jante, la posi- tion du point d'inflexion I est caractérisée par les rela- tions: 1 1 h 1 > et L 2 H 2 De préférence, la courbe génératrice de la toile est une courbe d'équation y = y + (x L)2 (H ( 2 x + L) + x 2 (ax + 1)) L 3 a et P étant solutions du système de deux équations à deux inconnues: a 1 ( 10 12 12 1 L + 3 L 2) + 2 ( 6 12 6 1 L + L 2) = 3 H 21 -( 1 L 2 L h H 13 a + 12 p= ( 21 + L) (L-1)2 L 3 dans ces équations, x représente la distance radiale d'un point de la courbe génératrice à la surface externe du moyeu, y représente la distance algébrique d'un point de la courbe génératrice parallèlement à l'axe de la roue, au plan médian du moyeu et de la jante, y, est la distance algébrique du point C de jonction de la courbe génératrice et de la partie interne de la jante au plan précédemment défini, 1, L, h, H sont les grandeurs définies précédemment. La figure 1 est une demi-vue en coupe d'une roue selon l'invention, par un plan passant par l'axe de rotation de la roue. La roue repérée généralement par 1 est symétri- que de révolution autour de l'axe AA' Elle comporte une jante 2 comportant une partie en saillie par rapport à sa surface de roulement 6 sur un de ses côtés latéraux cons- tituant un boudin 3, un moyeu 4 et une toile 5. La roue peut être considérée comme construite autour d'un plan médian perpendiculaire à l'axe AA' et dont l'intersection avec le plan de coupe est la droite BB' Si l'on excepte le boudin 3 et le profil d'usinage de la surface de roulement 6, le plan passant par BB' est un plan de symétrie à la fois pour la jante 2 et pour le moyeu 4 On dit que la roue est à jante et à moyeu cen- trés. Par contre, la toile 5 est construite autour d'une surface gauche de révolution dont l'intersection avec le plan de coupe axial est la courbe génératrice CD. Cette courbe n'est pas rectiligne et c'est une courbe généralement médiane pour la section méridienne de la toile de la roue représentée sur la figure 1; on l'appel- lera courbe génératrice de la toile Le point C représente le point dé jonction de la toile et de la jante; le point C est situé à l'intersection de la courbe génératrice avec la génératrice 2 ' de la partie interne de la jante 2 constituée par une surface cylindrique d'axe AA'; par rapport au plan médian passant par BB', il est déporté du côté opposé au boudin 3 Le point D représente le point de jonction de la toile et du moyeu; le point D est situé à l'intersection de la courbe génératrice avec la généra- trice 4 ' de la surface externe du moyeu 4 constituée par une surface cylindrique d'axe AA'; par rapport au plan passant par BB', il est déporté du côté du boudin 3. On dit que la toile 5 est décentrée. On obtient ainsi une roue à jante et moyeu cen- trés et à toile décentrée. Le moyeu et la jante étant centrés, la fusée de l'essieu sur lequel est montée la roue est courte et de ce fait les efforts de flexion sont limités, ainsi, la fusée de l'essieu de cette roue subit une fatigue en flexion rotative limitée; la roue présente donc une bonne tenue en service. La toile étant décentrée, la surface qu'elle offre pour le refroidissement au cours du freinage est plus grande que celle d'une roue à toile centrée Cette plus grande surface conduit à un échauffement moindre et à des contraintes thermiques moindres. De plus, on a constaté qu'en décentrant la toile de la façon indiquée par la présente invention, on réduit notablement les contraintes dans les zones de raccordement 7 et 8 par rapport à une roue à toile centrée ou une roue à toile décentrée dans une disposition inverse et symétri- que de la disposition suivant l'invention, c'est-à-dire avec une zone de raccordement de la toile et de la jante du côté du boudin et une zone de raccordement de la toile et du moyeu du côté opposé au boudin, ainsi qu'il ressort de calculs de simulation Il est ainsi -possible de réduire l'épaisseur de la toile et d'alléger la roue. Pour la roue objet de l'invention, la courbe génératrice peut être représentée dans le repère (ox, oy), o étant le point d'intersection de la droite BB' avec la génératrice 4 ' du cylindre constituant la surface externe du moyeu, x la distance radiale d'un point de la courbe génératrice au point o, y la distance de ce point au point o le long de la génératrice du moyeu. Cette courbe présente en D (x = o) une tangente parallèle à la doite ox Elle présente également au point C d'abscisse x C = L, une tangente parallèle à ox. La courbe CD présente de plus entre D et C un point d'inflexion I. Soient: x D = o et y D les coordonnées du point D x I = 1 et y, les coordonnées du point I x C = L et yc les coordonnées du point C dans le repère (ox, oy). On pose: y, y C = h YD YC = H. On a constaté que pour minimiser les contraintes dans la toile de la roue en particulier lors du freinage par application d'un sabot sur la jante, il fallait que H soit le plus grand possible et qu'on ait h/H 1/2 c'est-à-dire que le point d'inflexion I soit déporté d'une part vers la jante 2 et d'autre part vers le côté opposé au boudin 3. La courbe DC se représente par l'équation sui- vante: y = y + (x L)2 (H ( 2 x + L) + x 2 (ax + p)) L 3 a et 1 étant solutions du système de deux équations à deux inconnues: a 1 ( 10 12 12 1 L + 3 L 2) + p ( 6 12 6 1 L + L 2) = 3 H 21 -( 1). L 2 L h H 13 a + 12 P= ( 21 + L) (L-1)2 L 3 Dans ces équations les symboles ont les signifi- cations données plus haut. Avec une courbe de ce type, on a réalisé une roue de diamètre extérieur 920 mm dont le poids de 292 kg est inférieur de 86 kg au poids d'une roue à jante, moyeu et toile centrés de même diamètre et pouvant supporter la même charge De plus, les contraintes maximales enregis- trées dans la jante lors de freinages intensifs sont sensiblement inférieures à celles auxquelles sont soumises les roues selon l'art antérieur. REVENDICATIONS 1. Roue monobloc pour véhicule ferroviaire, notamment pour train à grande vitesse du type comprenant une jante ( 2) munie d'un boudin ( 3) en saillie par rapport à sa surface de roulement ( 6) sur un de ses côtés laté- raux, un moyeu ( 4) et une toile ( 5), caractérisée en ce que la jante ( 2) et le moyeu ( 4) sont centrés et en ce que la toile ( 5) est décentrée par rapport à un même plan médian BB' perpendiculaire à l'axe AA' de la roue. 2 Roue selon la revendication 1, caractérisée en ce que la zone de liaison entre la toile ( 5) et la jante ( 2) et le boudin ( 3) sont situés de part et d'autre du plan médian et que la zone de liaison entre la toile ( 5) et le moyeu ( 4) et le boudin ( 3) sont situés d'un même côté du plan médian. 3. Roue selon la revendication 2, caractérisée en ce que la courbe médiane de la section méridienne de la toile ( 5) appelée courbe génératrice de la toile ( 5) comporte un point d'inflexion I, et en ce que la position du point d'inflexion I est caractérisée par les rela- tions: l/L > 1/2, h/H ( 5) avec la partie interne de la jante ( 2). 4. Roue selon la revendication 3, caractérisée en ce que la courbe génératrice de la toile ( 5) est une courbe d'équation: y = yo + (x L)2 (H ( 2 x + L) + x 2 (ax + f)) L 3 a et p étant solutions du système de deux équations à deux inconnues: a 1 ( 10 12 12 1 L + 3 L 2) + p ( 6 12 6 1 L + L 2) = 3 H 21 ( 1). L 2 L h H 13 a + 12 p= ( 21 + L) (L-l)2 L 3 x étant la distance radiale d'un point de la courbe géné- ratrice à la surface externe du moyeu ( 4), y étant la distance algébrique d'un point de la courbe génératrice dans la direction axiale de la roue, au plan médian BB' du moyeu ( 4) et de la jante ( 2), yc étant la distance algébrique dans la direction axiale entre le point C de rencontre de la courbe génératrice avec la partie interne de la jante ( 2) et le plan médian BB'.