Brevet FR2691938A1 — publié le 19931210

DISPOSITIF DE FREINAGE D'UNE ROUE FERROVIAIRE, ET SYSTEME DE FREINAGE DE L'ESSIEU D'UN BOGIE La présente invention concerne un dispositif de freinage d'une roue ferroviaire, et un système de freinage de l'essieu d'un bogie, notamment pour les trains à grande vitesse. Dans ce domaine, on sait que la vitesse des trains est plus limitée par les exigences de sécurité que par les moyens de motorisation qui peuvent atteindre de hautes performances Parmi les exigences de sécurité figure l'aptitude au freinage, et c'est sur ce point précis que porte l'invention. Une première fonction que doit remplir tout système de freinage ferroviaire est l'arrêt complet du train, ainsi que son maintien à l'arrêt sur pente La réalisation de cette fonction n'est possible qu'en utilisant des mécanismes à friction, car le serrage des freins peut être maintenu lors de l'arrêt du train De tels mécanismes transforment intégralement l'énergie cinétique du train en chaleur, cette énergie devant ensuite être évacuée dans l'atmosphère ambiante par échange thermique Actuellement, les systèmes de freinage comportent plusieurs disques montés sur l'essieu portant les roues à freiner, ces disques étant freinés par l'action de serrage de patins Les disques connus sont soit non ventilés, soit, dans le meilleur des cas, ventilés grâce à des ailettes. Cependant, ces systèmes de frottement classique à sec ne répondent pas à bon nombre de contraintes liées bien souvent à la vitesse élevée du train, parmi lesquelles figurent: une faible puissance absorbée à vide, c'est-à-dire en dehors des périodes de freinage; l'absorption d'énergies considérables lors des freinages d'urgence, sachant que cette énergie est proportionnelle au carré de la vitesse; l'évacuation rapide de l'énergie transformée en chaleur à la suite d'un freinage d'urgence, de façon à parer éventuellement un second freinage dans un intervalle de temps court; une grande résistance aux vibrations pour ne pas faire de bruit, tant en période de freinage qu'en rotation libre (période hors freinage); des performances stables, faiblement influencées par la vitesse du train et par la température et indépendantes de l'usure et du sens de rotation de l'essieu. En outre, lorsque la quantité d'énergie et la puissance initiale sont très importantes, il devient trop difficile, dans un frottement classique à sec de maintenir les critères suivants dans leurs limites de bon fonctionnement: flux thermique ou puissance par unité de surface de friction; gradient de température et contraintes dans les pièces soumises au frottement (disques et patins); température dans l'interface de frottement. La présente invention a pour but de pallier les inconvénients et limitations précitées. Plus précisément l'invention concerne un dispositif de freinage d'une roue ferroviaire portée par un essieu d'axe XX' suspendu au bogie d'un wagon, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte: une poulie tournante calée en rotation sur la roue; un organe de freinage embrayable constitué d'un galet de friction calé en rotation sur un arbre d'axe X 1 X'1, d'un frein multidisques destiné à freiner l'arbre, et de moyens de serrage de ce frein, le frein étant immergé dans un liquide contenu dans un carter étanche suspendu au bogie par des moyens de suspension laissant au carter la possibilité de basculer en rotation autour d'un axe de suspension X 2 X'2; des moyens d'embrayage de l'organe de freinage contrôlés par un dispositif de commande et faisant basculer le carter autour de son axe de suspension X 2 X'2 pour amener le galet de friction en contact tangentiel avec la poulie tournante; des moyens de contrôle actionnant les moyens de serrage du frein seulement lorsque le contact tangentiel est établi. Un second objet de l'invention est un système de freinage complet d'un essieu d'axe XX' suspendu au bogie d'un wagon, et portant deux roues ferroviaires, le système étant caractérisé en ce 1 o qu'il comporte deux dispositifs de freinage selon l'invention, placés sur deux arbres coaxiaux d'axe Xl X'1 et symétriques par rapport à l'axe longitudinal du bogie. L'invention et ses avantages seront mieux compris au vu de la description suivante, faite en référence aux figures annexées: la figure la est une vue longitudinale d'une des extrémités d'un bogie ferroviaire, équipée d'un dispositif de freinage selon l'invention, le dispositif étant au repos; la figure lb est une vue longitudinale de l'autre extrémité du bogie, équipée du dispositif de freinage selon l'invention, en fonctionnement; la figure 2 est une vue de dessus du bogie de la figure ib, sur laquelle apparaît un système complet de freinage de deux roues d'un essieu selon l'invention; la figure 3 est une coupe partielle selon un plan contenant l'axe X 1 X'1, de la structure d'un frein immergé selon l'invention. Nous nous limiterons dans un premier temps à la description d'un mode de réalisation d'un dispositif de freinage selon l'invention, puis d'un système de freinage complet, étant entendu que le dispositif de freinage vise à freiner une roue d'un essieu de bogie, alors que le système de freinage freine les deux roues de l'essieu simultanément. Pour une meilleure compréhension, les éléments communs à toutes les figures portent les mêmes références. Les figures 1 a et 1 b sont respectivement des vues longitudinales de la partie avant et de la partie arrière d'un bogie ferroviaire 1, équipées d'un dispositif de freinage selon l'invention. Ces deux parties sont symétriques par rapport à l'axe vertical YY' représenté sur les deux figures Cependant, on a représenté, sur la figure la, le dispositif de freinage au repos, et sur la figure 1 b, ce même dispositif en fonctionnement On s'aidera également de la figure 2 pour mieux comprendre la structure générale d'un bogie ferroviaire Rappelons qu'un bogie 1 de chemin de fer est classiquement constitué de deux longerons la (dont un seul apparaît sur les figures la et lb) assemblés entre eux par deux entretoises 1 b, l'une dans la partie avant du bogie 1, l'autre, dans la partie arrière Chaque partie du bogie supporte un essieu 2 d'axe XX' par des moyens de suspension classiques non représentés. Chaque essieu 2 porte à ses extrémités deux roues ferroviaires 3, préférentiellement calées en rotation avec l'essieu 2. Le dispositif de freinage selon l'invention comporte tout d'abord une poulie tournante 4, calée en rotation sur la roue à freiner 3. Il comporte également un organe de freinage déporté par rapport à l'essieu, qui va venir freiner préférentiellement la poulie tournante 4, et consécutivement, la roue 3 Il peut être envisagé également de venir freiner directement la roue 3 Plus précisément, l'organe de freinage est constitué selon l'invention d'un galet de friction 5 calé en rotation sur un arbre 6 d'axe X 1 X'1, et d'un frein multidisques 7 destiné à freiner l'arbre 6 sous l'action de moyens de serrage 8 (voir figure 3) Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le frein multidisques 7 est immergé dans un liquide contenu dans un carter étanche 10 Le carter 10 est lui-même suspendu au bogie 1 par tous moyens de suspension 11 laissant au carter la possibilité de basculer en rotation autour d'un axe de suspension X 2 X'2 Pour actionner le freinage, un dispositif de commande non représenté contrôle des moyens d'embrayage 12 de l'organe de freinage permettant de faire basculer le carter 10 autour de son axe de suspension X 2 X'2, et d'amener ainsi le galet de friction 5 en contact tangentiel avec la poulie tournante 4 de l'essieu 2. Dans le mode de réalisation préférentiel mais non limitatif représenté sur les figures, les axes XX' de l'essieu 2, X 1 X'1 de l'arbre 6 et X 2 X'2 de suspension du carter 10 sont choisis sensiblement parallèles, le galet de friction 5 et la poulie tournante 4 étant respectivement concentriques des axes X 1 X'1 et XX' Avantageusement, l'axe de suspension X 2 X'2 appartient au plan tangent commun au galet de friction 5 et à la poulie tournante is 4, lorsque ceux-ci sont en contact Cette disposition permet au dispositif de freinage d'avoir des performances indépendantes du sens de rotation des roues Les moyens d'embrayage 12 sont par exemple constitués d'un vérin d'appui dont une extrémité 12 b est fixée au bogie 1, par l'intermédiaire de l'entretoise lb, et l'autre extrémité 12 a est reliée au carter 10 Sous l'action du dispositif de commande de freinage, le vérin d'appui 12 exerce une force dirigée de façon à faire basculer le carter 10 autour de son axe de suspension Dans le mode préférentiel représenté, le vérin exerce une force verticale sur un prolongement du carter 10. Une fois que le contact tangentiel a été établi, le galet de friction 5 est entraîné en rotation par la poulie tournante 4, et entraîne de ce fait, par tous moyens connus de l'homme de l'art à base de moyeux 5 a et de cannelures 5 b, l'arbre 6 Comme on peut le voir sur l'exemple de réalisation de la figure 3, les efforts de contact sont supportés par une fusée 5 c solidaire du carter 10, à l'aide de roulements 5 d, à bille ou à galet, connus en soi Un écrou e permet de retenir latéralement le galet de friction 5 sur la fusée c. Conformément à l'invention, les moyens de serrage 8 du frein 7 sont alors actionnés de manière à freiner l'arbre 6, le galet de friction 5, la poulie tournante 4, et finalement la roue 3. La figure 3 est une coupe partielle selon un plan contenant l'axe X 1 X'1 de l'arbre 6, de la structure du frein immergé 7 selon l'invention, cette structure étant symétrique par rapport à l'axe X 1 X'1: le frein multidisques 7 comprend un empilage de disques 70, 73 concentriques sur l'axe X 1 X'1 de l'arbre 6, l'empilage étant-constitué plus précisément de disques intérieurs 70 et de disques extérieurs 73 Les disques intérieurs 70 sont solidaires en rotation de l'arbre 6 par tous moyens de solidarisation connus de l'homme de l'art Il peut s'agir par exemple, comme représenté sur la figure 3, d'un moyeu 71 fixé sur l'arbre 6, et de cannelures 72 permettant l'entraînement en rotation de ce moyeu Les disques extérieurs 73 sont, quant à eux, intercalés entre les disques intérieurs 70, et solidaires du carter 10 par l'intermédiaire, par exemple, de colonnettes 74 parallèles à l'arbre 6 et fixées à leurs extrémités par des flasques 75 eux-mêmes solidaires du carter 10. L'arbre 6 est lui-même désolidariser en rotation du carter 10 grâce à un palier 76. Pour le serrage du frein 7, des moyens de contrôle 8 ' actionnent des moyens de serrage 8 des disques 70, 73 les uns contre les autres Les moyens de contrôle 8 envoient par exemple un liquide sous pression du type air ou huile contenu dans une cavité 8 a Le liquide sous pression vient pousser au moins un piston 8 b, lequel va exercer une force de pression sur l'empilage des disques La force de pression est préférentiellement exercée sur le rayon moyen de la surface de contact entre les disques intérieurs et extérieurs 73 Les disques extérieurs 73 freinent de cette manière la rotation des disques intérieurs 70, donc celle de l'arbre 6 et du galet de friction 5. Comme il a été dit précédemment, une caractéristique essentielle de l'invention réside dans la présence d'un liquide dans s le carter 10, ce liquide immergeant le frein multidisques 7 Le carter est équipé d'un joint d'étanchéité 20. L'utilisation d'un frein multidisques immergé n'est rendu possible que par le caractère débrayable de l'organe de freinage par rapport à l'essieu En effet, un tel frein positionné directement sur l'essieu 2 constituerait une masse non négligeable, et nécessiterait en outre une puissance mécanique d'entraînement à vide importante. Le liquide utilisé peut être de l'huile, mais l'invention prévoit de préférence de l'eau additionnée de liquides antigel, par exemple du type glycol, et d'additifs possédant avantageusement des qualités anticorrosives Les avantages conférés par l'utilisation d'un frein immergé sont nombreux. Le liquide permet tout d'abord, jusqu'au freinage complet, d'accumuler la chaleur de friction tout en limitant l'échauffement des disques de friction Il lubrifie de plus les matériaux de friction. Enfin, par une mise en circulation du liquide lorsque le frein 7 est débrayé, la chaleur accumulée est évacuée dans l'atmosphère ambiante Cette mise en circulation peut être faite grâce à la rotation propre des disques, ou par une pompe auxiliaire. On peut également, comme le montrent les figures la et lb, équiper le dispositif de freinage d'une poulie 13 tournant à faible vitesse, et venant en contact tangentiel avec le galet de friction 5 lorsque l'organe de freinage est débrayé Ce mouvement de rotation permet d'agiter le liquide pour favoriser son refroidissement, et accessoirement, d'éviter le dépôt du givre sur le galet de friction 5. Pour accélérer le refroidissement, on peut également envisager d'utiliser une pompe amenant le liquide à traverser un radiateur soumis au vent de marche du train. Des améliorations du dispositif de freinage précédemment décrit sont possibles On peut par exemple équiper le dispositif d'un automatisme d'asservissement contrôlant la pression exercée sur les disques intérieurs 70 et extérieurs 73 dans le but d'éviter un enrayage de l'essieu tout en maintenant un glissement adapté à l'utilisation maximale de l'adhérence entre la roue à freiner et le rail. La valeur du couple de friction peut être obtenue par un capteur de force. Le freinage selon le dispositif conforme à l'invention peut en outre être amélioré, au niveau de l'usure, par un choix judicieux des matériaux de friction utilisés d'une part pour les disques 70 et 73 constitutifs du frein 7, et d'autre part, pour le galet de friction 5 et la poulie tournante 4. Les disques intérieurs 70 sont avantageusement des disques minces en métal, sur lesquels on vient coller une fine garniture graphitée. Pour les disques extérieurs 73, on préférera utiliser des matériaux à bonne conductibilité thermique. Pour des raisons de solidité, la poulie tournante 4 est préférentiellement métallique, et peut être avantageusement recouverte d'un revêtement approprié. Enfin, le galet de friction 5 est de préférence en un matériau de frottement composite, moulé par exemple sur une jante métallique. Une autre variante de l'invention consiste à mettre, de part et d'autre de l'essieu, deux dispositifs de freinage placés symétriquement par rapport à l'axe de l'essieu Juste avant le serrage des freins multidisques, les deux galets de friction relatifs aux deux dispositifs viennent s'appuyer tangentiellement de part et d'autre de la même poulie tournante 4 Cette symétrie permet d'annuler la réaction de contact sur l'essieu. Lors du freinage d'un train, les deux roues d'un même essieu sont généralement freinées quasi-simultanément La figure 2 montre un système de freinage complet des deux roues 3 d'un essieu 2 selon l'invention Le système de freinage comporte deux dispositifs de freinage tels que celui décrit précédemment, les deux dispositifs étant placés symétriquement par rapport à l'axe longitudinal du bogie 1, sur deux arbres coaxiaux. Avantageusement, un seul carter 10 contient les deux freins multidisques immergés 7 relatifs aux deux dispositifs On utilise de préférence un seul dispositif de commande des moyens d'embrayage, et des moyens de contrôle communs des moyens de serrage afin d'assurer la simultanéité du freinage. REVENDICATIONS 1 Dispositif de freinage d'une roue ferroviaire ( 3) portée par un essieu ( 2) d'axe XX' suspendu au bogie ( 1) d'un wagon, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte: une poulie tournante ( 4) calée en rotation sur la roue ( 3); un organe de freinage embrayable constitué d'un galet de friction ( 5) calé en rotation sur un arbre ( 6) d'axe X 1 X'1, d'un frein multidisques ( 7) destiné à freiner l'arbre, et de moyens de serrage ( 8) de ce frein, le frein étant immergé dans un liquide ( 9) contenu dans un carter étanche ( 10) suspendu au bogie ( 1) par des moyens de suspension ( 11) laissant au carter la possibilité de basculer en rotation autour d'un axe de suspension X 2 X'2; des moyens d'embrayage ( 12) de l'organe de freinage contrôlés par un dispositif de commande et faisant basculer le carter autour de son axe de suspension X 2 X'2 pour amener le galet de friction ( 5) en contact tangentiel avec la poulie tournante ( 4); des moyens de contrôle ( 8 ') actionnant les moyens de serrage ( 8) du frein ( 7) seulement lorsque le contact tangentiel est établi. 2 Dispositif de freinage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe X 1 X'1 de l'arbre ( 6), l'axe XX' de l'essieu ( 2) et l'axe de suspension X 2 X'2 du carter ( 10) sont sensiblement parallèles, l'axe de suspension étant en outre dans un plan tangent commun au galet de friction ( 5) et à la poulie tournante ( 4) lorsque ceux-ci sont en contact tangentiel. 3 Dispositif de freinage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le frein multidisques ( 7) comprend un empilage de disques ( 70, 73) constitué: de disques intérieurs ( 70) concentriques sur l'axe X 1 X'1 de l'arbre ( 6) et solidaires en rotation de cet arbre ( 6); de disques extérieurs ( 73) concentriques et intercalés par rapport aux disques intérieurs ( 70), les disques extérieurs ( 70) étant solidaires du carter ( 10) par l'intermédiaire de colonnettes ( 74) parallèles à l'arbre ( 6) et fixées à leurs extrémités par des flasques ( 75) solidaires du carter ( 10). 4 Dispositif de freinage selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de serrage ( 8) du frein ( 7) sont constitués d'un piston ( 8 b) solidaire du carter ( 10), et exerçant une poussée sur l'empilage des disques de manière à les serrer les uns contre les autres grâce à l'action d'un liquide mis sous pression dans une cavité ( 8 a). Dispositif de freinage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'embrayage de l'organe de freinage comprennent un vérin d'appui 1 S ( 12) dont une extrémité ( 12 a) est fixée au bogie ( 1) et l'autre extrémité ( 12 b) au carter ( 10), le vérin exerçant sur ce bras une force dirigée de manière à faire basculer le carter ( 10) autour de son axe de suspension X 2 X'2. 6 Dispositif de freinage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide est de l'eau additionnée d'antigel. 7 Dispositif de freinage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, une poulie ( 13) tournant à faible vitesse, et venant en contact tangentiel avec le galet de friction ( 5) lorsque l'organe de freinage est débrayé, de façon à agiter le liquide en période hors freinage. 8 Dispositif de freinage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le liquide est mis en circulation à travers un radiateur grâce à une pompe auxiliaire. 9 Système de freinage complet d'un essieu ( 2) d'axe XX' suspendu au bogie ( 1) d'un wagon, et portant deux roues ferroviaires ( 3), le système étant caractérisé en ce qu'il comporte deux dispositifs de freinage selon les revendications 1 à 8, placés sur deux arbres coaxiaux d'axe X 1 X'1 et symétriques par rapport à l'axe longitudinal du bogie ( 1). 10 Système de freinage selon la revendication 9, caractérisé en ce que les deux dispositifs ont en commun un seul carter ( 10), un seul dispositif de commande des moyens d'embrayage, ainsi que les moyens de contrôle actionnant simultanément les moyens de serrage respectifs des deux lo dispositifs.