Brevet FR2740741A1 — publié le 19970509

Pantographe de la transmission d'énergie entre un fil de contact et une motrice L'invention concerne un pantographe de transmission d'énergie entre un fil de contact et une motrice, comportant au moins un frotteur et au moins un ressort de support, présentant une rigidité positive, sur lequel prend appui le frotteur s'appliquant, du bas, contre le fil de contact, avec une force de contact. Les pantographes de ce type sont utilisés pour les véhicules ferroviaires électriques. Par l'article "406, 9 Kilometer pro Stunde v, - Weltrekord auf der Schiene - Energieübertragung bei der Rekordfahrt des ICE der D8, elektrische Sahnen eb, 86eme année, n" 9/1988, pages 268 à 289, on contact un pantographe SSS 87, qui est réalisé suivant le type précédemment décrit. Ce pantographe comporte une bascule avec deux frotteurs parallèles entre eux et disposés transversalement au fil de contact. Chacun des frotteurs prend appui contre la bascule, par l'intermédiaire de deux jambes de force à ressort d'extrémité. La bascule est placée de son côté sur un dispositif de levage, de manière à pouvoir basculer autour d'un axe horizontal.Ce dispositif de levage se compose de bras supérieurs et de bras inférieurs. Le dispositif de levage sert à relever la bascule, jusqu a ce que les frotteurs s'appliquent du bas, contre le fil de contact, avec une force de contact déterminée. Cette force de contact est par exemple de 120 newtons. Lors du relèvement des frotteurs sur le fil de contact, les jambes de force à ressort, soutenant les frotteurs contre la bascule, sont comprimées et dans une certaine mesure aussi l'ensemble du pantographe, jusqu'a ce que les ressorts de support mécaniques, placés dans les jambes de force à ressort, appliquent la force de contact nécessaire en tant que réaction. Lors de la marche de la motrice, les frotteurs frottent, plus ou moins fortement, contre le fil de contact et soulèvent celui-ci en fonction de la rigidité, dépendant du lieu, de son appui, en raison de sa suspension élastique.Le fil de contact est maintenu et soutenu par une caténaire qui présente des points d'appui pour le fil de contact, à des intervalles de quelques dizaines de mètres. La distance des points d'appui est, avec la caténaire Re250, de 44 mètres en tunnel et de 65 m sur parcours à l'air libre. Dans les points d'appui, la rigidité de l'appui du fil de contact est maximale, de sorte que les frotteurs soutenus élastiquement cèdent plus fortement et le soulèvement du fil de contact par les frotteurs s'appliquant contre celui-ci, est minimal. Au milieu, entre les points d'appui, la rigidité de l'appui du fil de contact est minimale et en conséquence son soulevement est maximal. Cette considération tient compte du rapport de force statique entre le pantographe élastique et la caténaire élastique. Il se produit en outre pendant le fonctionnement du pantographe, des influences dynamiques. Lors du déplacement des frotteurs sur le fil de contact, avec soulèvement alternatif du fil de contact, sont induites des excitations dynamiques du pantographe et du fil de contact, qui de leur caté conduisent à une fluctuation plus grande de la force de contact des frotteurs sur le fil de contact. Que la cause et l'effet puissent s'accroÇtre, ressort immédiatement. Mais en même temps la force de contact doit être maintenue dans des limites contrôlées, afin de garantir des conditions de service sûres du pantographe. En outre la force de contact est influencée de manière aérodynamique par l'air arrivant sur le pantographe. Il est toutefois possible ici d'obtenir une large compensation par des déflecteurs. L'invention a pour but d'indiquer un pantographe du type précité, qui subisse une excitation dynamique aussi faible que possible du fait du soulèvement différent du fil de contact dans et entre les points d'appui de la caténaire. Ce but est atteint en ce qu'un ressort de correction est monté en parallèle avec le ressort de support à rigidité positive, le ressort de correction présentant une rigidité négative dans un passage par zéro de sa courbe caractéristique de ressort et le passage par zéro du ressort de correction coïncidant avec la course du ressort de support, qui correspond à la grandeur voulue de la force de contact. De cette façon on obtient dans la zone de ce parcours de ressort une rigidité de ressort totale réduite, qui est petite par rapport à la rigidité du ressort de support et qui peut même être nulle. C'est ainsi que la force de contact ne varie que dans une mesure minimale ou pas du tout lors du soulèvement différent du fil de contact. Ceci a pour effet de réduire ou d'éviter totalement des excitations dynamiques de la caténaire et du pantographe, du fait de la force de contact variable. C'est-à-dire que les systèmes dynamiques de la caténaire et du pantographe sont désaccouplés, puisque des variations de la course de ressort dans le domaine de la force de contact voulue, ne conduisent à aucune variation de la force de contact et donc la force de contact voulue agit comme charge constante sur le pantographe. Les ressorts de correction avec une rigidité négative dans un passage par zéro de leur caractéristique force/distance, sont connus en principe. Il s'agit ici de ressorts magnétiques, dans lesquels des pales magnétiques de même nom au passage par zéro des ressorts, se font face dans un équilibre instable. Une variation positive ou négative de la course de ressort fait sortir les pôles de même nom, se faisant face, de l'équilibre instable et les forces de répulsion des pales, opérant alors, entrassent la rigidité négative des ressorts de correction. Un ressort de correction de ce type peut comporter des électro-aimants. De préférence les ressorts de correction comportent toutefois chacun deux parties pourvues d'aimants permanents, déplacées l'une vers l'autre sur la course de ressort. Des ressorts de correction particulièrement efficaces avec rigidité négative sont connus par le document EP-A-0 127 741 pour le domaine technique de la suspension de véhicules automobiles. Dans ce cas les deux parties des ressorts de correction comportent chacune plsieurs aimants aimants permanents, montés l'un derrière l'autre dans la direction de la course de ressort, des pieces intermédiaires en fer doux étant placées entre les aimants permanents, pieces auxquelles sont adjacentes les deux aiman-ts permanents voisins avec pôles de même nom.Les pièces intermédiaires en fer doux entraînent une focal isation des lignes de champ magnétiques ou du champ magnétique, qui sort ensuite latéralement, c'est-à-dire radialement en s'éloignant de la disposition axiale des aimants permanents, des pièces intermédiaires en fer doux et forme un pôle magnétique, qui a le même nom que les poles adjacents des aimants permanents voisins. Dans ce cas chaque ressort de correction peut comporter, sur chacune des deux partiels, plusieurs pieces intermédiaires en fer doux, les deux parties ayant le même nombre de pièces intermédiaires en fer doux, qui se font face chaque fois deux par deux au. passage par zéro. La course du ressort de support, lors du soulèvement du fil de contact, est de l'ordre de 50 à 70 millimètres entre les points d'appui et les points présentant la distance maximale par rapport aux points d'appui. Une telle course de ressort signifie une déviation des deux côtés du ressort de correction, de 25 à 35 millimètres, par rapport à la course de ressort moyenne. Ces déviations ne peuvent être couvertes sans problème par des ressorts de correction magnétiques de petite taille. C'est pourquoi il est intéressant de prévoir une multiplication pour la course du ressort de correction. Cette multiplication peut être prévue en même temps pour le ressort de support, lorsque celui-ci est relativement rigide. Dans le cas d'un ressort de support moins rigide, il peut être plus intéressant de monter en parallèle le ressort de correction multiplié et le ressort de support. La multiplication pour la course du ressort de correction peut être conçue différemment sur le plan de la construction. C'est ainsi qu'il est possible que le ressort de support présente un ressort mecanique en forme d'ellipse, en ruban d'acier à ressort, la déviation du ressort de correction respectif dans la zone du grand demiaxe et la transmission de la force de contact au frotteur s'effectuant dans la zone du petit demi-axe du ressort en forme d'ellipse. Le ressort en forme d'ellipse agit dans ce cas lui-même comme transmission, le rapport de transmission correspondant à la valeur inverse des demi-axes. De préférence le ressort de correction dans le cas d'un ressort de support en forme d'ellipse est placé à l'intérieur du ressort de support, ce qui donne une construction compacte. On a une variante du ressort de support en forme d'ellipse lorsque le ressort de support présente un ressort à fourche fait dans un ruban d'acier à ressort, ou est formé par un tel ressort à fourche, la déviation du ressort de correction respectif s'effectuant dans la zone des extrémités libres et la transmission de la force de contact aux frotteurs s'effectuant dans la zone du ventre du ressort à fourche. Dans ce cas aussi le ressort de correction peut être placé à l'intérieur du ressort à fourche. Dans une autre forme de réalisation de la transmission, il est prév un un fluide hydraulique, une section transversale de piston par laquelle la déviation du ressort de correction respectif agit sur le fluide hydraulique, étant supérieure à une section transversale de piston, par laquelle la transmission de la force de contact s'effectue du fluide hydraulique aux frotteurs. Les différentes sections transversales de piston assurent une augmentation hydraulique de la course de ressort, sur laquelle opère le ressort de correction. Le fluide hydraulique est de préférence incompressible, car dans le cas contraire il forme un ressort à gaz monté en aval du ressort de correction. Le ressort de support, monté en parallèle avec le ressort de correction, peut toutefois comporter sans problème un ressort à gaz ou être formé par un tel ressort.Ce ressort à gaz peut agir sur le fluide hydraulique, par la même section transversale de piston ou par une autre, comme le ressort de correction. Dans le cas d'une même section transversale de piston, la course du ressort de support est démultipliée comme celle du ressort de correction. Dans le cas d'une autre section transversale de piston, on a des rapports de multiplication différents. Des formes de réalisation purement mécaniques de la transmission sont aussi possibles. Celles-ci peuvent comporter par exemple un levier simple, un levier double ou un levier coudé. Dans une autre réalisation mécanique de la transmission, celle-c i comporte un mécanisme à barre. Dans le nouveau pantographe il est avantageux aussi que soient prévus deux frotteurs prenant appui contre une bascule du pantographe, chacun par l'intermédiaire de deux jambes de force à ressort disposées aux extrémités, fonctionnant séparément avec ressort de support et ressort de correction. Aux fréquences auxquelles se produisent des excitations importantes des pantographes, en cas de grandes vitesses de marche, ce dispositif présente des masses apparentes déjà particulièrement petites des frotteurs. Ces masses apparentes sont encore réduites par les ressorts de correction dans les jambes de force à ressort. L'invention est décrite ci-après plus en détail en référence à des exemples de réalisation. La figure 1 est une vue d'un frotteur s'appliquant contre un fil de contact, en direction du fil de contact, la figure 2 représente la construction schématique d'un pantographe dans une vue de côté, la figure 3 est un schéma équivalent d'un ressort de correction monté en parallèle à un ressort de support, la figure 4 représente la courbe caractéristique du ressort de support et du ressort de correction ainsi que la courbe caractéristique de ressort totale, la figure 5 montre la construction de principe du ressort de correction dans une vue en coupe longitudinale, la figure 6 montre la construction de principe du ressort de correction dans une vue en coupe transversale, la figure 7 montre la construction d'une jambe de force à ressort avec ressort de support et ressort de correction dans une vue en coupe longitudinale et les figures 8 à 13 représentent différentes possibilités de transmission de la course du ressort de correction. La figure 1 représente un frotteur 1, qui s'applique du bas, contre un fil de contact 2, avec une force de contact indiquée par une flèche 3. Le frotteur 1 prend appui contre les autres parties constitutives, non représentées sur la figure 1, d'un pantographe, par l'intermédiaire de deux jambes de force à ressort 4 disposées aux extrémités. Les jambes de force à ressort 4 fonctionnent indépendamment l'une de l'autre. C'est-à-dire qu'elles peuvent être comprimées séparément l'une de l'autre. Lors de l'application de la force de contact, les jambes de force à ressort sont comprimées d'une certaine course. En même temps le fil de contact 2 se soulève en direction de la flèche 55. La grandeur du soulèvement 55 du fil de contact 2 dépend de la rigidité de la suspension ou de l'appui du fil de contact 5.Dans les points d'appui d'une caténaire non représentée ici pour le fil de contact, cet appui est plus grand qu'entre les points d'appui. En outre la rigidité entre les points d'appui en tunnel est supérieure à ce qu'elle est sur un parcours à l'air libre, ce qui est dû à la distance réduite entre les points d'appui de la caténaire pour le fil de contact 2, en tunnel. Du fait du soulèvement 55 fluctuant du fil de contact 2, la course de ressort des jambes de force à ressort 4 varie constamment et donc normalement aussi la force de contact 3. En conséquence, lors du frottement du frotteur 1 sur le fil de contact 2, il se produit une excitation dynamique des parties du pantographe, situées en aval des jambes de force à ressort 4, et aussi de la caténaire montée en aval du fil de contact. La figure 2 représente la construction de principe de l'ensemble du pantographe 15. Une paire de frotteurs 1 prend appui, par l'intermédiaire des jambes de force à ressort 4, contre une bascule 5. La bascule 5 est montée sur une piece d'appui 7, de manière à pouvoir basculer autour d'un axe 6. La pièce d'appui 7 est articulée de son caté aux extrémités supérieures d'une tige de support 8 et d'une tige de guidage 9 de bras supérieurs 10. La tige de support 8 et la tige de guidage 9 sont montées tournantes sur la tige de support 1 1 de bras inférieurs 12, de sorte que l'on obtient dans l'ensemble un dispositif à quatre articulations. Un deuxième dispositif à quatre articulations est formé dans la zone des bras inférieurs 12.Les extrémités inférieures de la tige de support 11 et d'une tige de guidage 13 sont ici montées pivotantes sur une motrice non représentée. L'extrémité supérieure de la tige de guidage 13 est articulée sur un prolongement 14 libre de la tige de support 8, qui comme il a déjà été dit, est montée sur la tige de support 11, de manière à pouvoir pivoter. Du fait de la réalisation rigide continue de la tige de support 8 et du prolongement 14, les deux dispositifs à quatre articulations des bras supérieurs 10 et des bras inférieurs 12 sont couplés entre eux. C'est ainsi que l'ensemble du pantographe 15 s'oriente, lorsque par un dispositif d'actionnement non représente ici, la tige de support 11 est orientée. Dans ce cas la pièce d'appui 7 et avec elle la bascule 5 et les frotteurs 1, prenant appui sur celle-ci, sont guidés parallelement vers le haut.Le pantographe 15 comporte en règle générale deux tiges de support 8, qui sont disposées deux par deux parallèlement entre elles. La tige de guidage 9 est généralement prévue simple, comme la tige de support 11 et la tige de guidage 13. La figure 3 représente la construction de principe des jambes de force à ressort 4 dans le nouveau pantographe. Les jambes de force à ressort 4, placées entre les frotteurs 1 et la bascule 5, comportent un ressort de support 16 et un ressort de correction 17. Le ressort de support peut, comme indiqué, être réalisé sous la forme d'un ressort mécanique et présente une rigidité positive. C'est-à-dire qu'une croissance de la course de ressort conduit à une croissance de la force de contact appliquée par le ressort de support 16 et une réduction de la course de ressort conduit à une réduction de la force de contact. En revanche, le ressort de correction 17 présente une rigidité négative à un passage par zéro de sa courbe caractéristique de ressort, c'est-à-dire de sa caractéristique force/distance. Ce passage par zéro coïncide avec la course de ressort moyenne du ressort de support 16. Les répercussions pour l'ensemble de la course caractéristique de ressort sont retracées sur la figure 4. La force de ressort F est indiquée en fonction de la course de ressort s. La ligne 18 est la courbe caractéristique de ressort ou la caractéristique force-distance du ressort de support 16 et la ligne 19 la ligne caractéristique du ressort de correction 17, qui présente en 20 un passage par zéro. La courbe caractéristique de ressort totale 21 presente dans une zone 22 un plateau avec pente minimale ou disparaissant. C'est-à-dire que sur la zone 22, une variation de la course de ressort s n'entraîne pas une variation de la force de contact F. Au contraire la force de contact 56 voulue reste maintenue. Un exemple concret d'un ressort de correction 17 est retracé sur les figures 5 et 6. Le ressort de correction 17 présente deux parties 23 et 24, qui en cas de variation de la course de ressort, se déplacent l'une vers l'autre dans le sens des flèches 25 et 26. La partie 23 du ressort de correction 17 est constituée d'aimants permanents 28, disposés l'un au-dessus de l'autre, par insertion de pièces intermédiaires en fer doux 27. Dans ce cas les pou es de même nom des aimants permanents 28 sont adjacents à une pièce intermédiaire en fer doux 27. On obtient ainsi une focal isation des lignes de champ magnétique ou du champ magnétique, qui sort, en faisceau, lateralement, des pièces intermédiaires en fer doux 27.Au passage par zéro 20, des pièces intermédiaires en fer doux 29 annulaires de l'autre partie 24 font face aux pièces intermédiaires en fer doux 27 de la partie 23. Entre les pièces intermédiaires en fer doux 29 annulaires sont placés des aimants permanents 30, la disposition de leurs pôles correspondant à celle des aimants permanents 28. En tout cas entre deux pièces intermédiaires en fer doux 29 est placée une pluralité d'aimants permanents 30, comme il ressort de la figure 6. La position relative des parties 23 et 24 du ressort de correction 17, représentée sur la figure 5, correspond au passage par zéro 20 de la figure 4 et est en équilibre instable.Dès qu'une déviation de la partie 23 par rapport à la partie 24, dans le sens de la flèche 25 ou 26, intervient, des forces de répulsion se produisent entre les pièces intermédiaires en fer doux 27 et 29 disposées face à face, qui sont orientées vers une augmentation de la déviation initiale. La figure 7 représente une forme de réalisation concrète de la jambe de force à ressort 4, dans laquelle un ressort mecanique 31 servant de ressort de support 16 et un ressort magnétique 32 servant de ressort de correction 17 sont montés en parallèle l'un à l'autre. La jambe de force à ressort 4 présente une partie 33 coté frotteur et une partie 34 côté bascule. Sur la partie 33 côté frotteur est fixée une tige de guidage 35, qui est creuse pour réduire le poids. La tige de guidage 35 traverse le ressort spiral 31 mécanique et est montée sur la partie 34 coté bascule, par l'intermédiaire de roulements à billes 36. Dans ce cas le ressort spiral 31 prend appui d'une part contre la partie 33 côté frotteur et d'autre part contre la partie 34 côté bascule.Le ressort spiral 31 est couvert par une partie de boîtier 37, qui est solidaire de la partie 33 côté frotteur, tandis qu'entre la partie de bottier 37 et la partie 34 côté bascule est formée une étanchéité 38 de frottement. A la partie supérieure de la tige de guidage 35, la partie 23 du ressort de correction 17 est fixée au moyen d'une vis 39 traversante. La partie 24 du ressort de correction 17 est placée dans une partie de boîtier 40 de la partie 34 coté bascule de la jambe de force à ressort 4. Un épaulement 41 sert à l'appui et à la transmission des forces de la partie 34 côté bascule à ou sur la bascule 5 non représentée ici. Sur les figures 8 à 12 sont représentés différents principes de la manière dont la course de ressort utile du ressort de correction 17 peut être transmise, lorsqu'elle n'est par ailleurs pas suffisante pour couvrir les différents soulèvements 55 du fil de contact 2, tels qu'ils se produisent en fonctionnement normal du pantographe 15. Dans la forme de réalisation selon la figure 8, le ressort de support 16 est conformé en ressort mécanique 42, courbé en forme d'ellipse, dans un ruban d'acier à ressort. Le ressort de correction 17 agit dans la zone du grand demi-axe du ressort elliptique 42. La force de contact est appliquée dans la zone du petit demi-axe. De cette façon on obtient pour la course de ressort utile du ressort de correction 17, une amplification de la valeur inverse rapport des demi-axes. Des rapports de transmission similaires s'obtiennent dans la forme de réalisation de la jambe de force à ressort 4 selon la figure 9. Le ressort de support 16 est ici configuré en ressort à fourche 43. Le ressort de correction 17 agit sur les extrémités libres du ressort à fourche 43. La force de contact est appliquée entre les ventres du ressort à fourche 43. Selon le principe expliqué sur la figure 10, le ressort de support 16 est conformé en ressort à gaz 44, qui soutient un piston 45. Entre le boîtier 46 du ressort à gaz 44 et le piston 45 est placé aussi le ressort de correction 17. Le piston 45 agit sur un fluide hydraulique 47, sur lequel prend appui d'une part un piston 48. Le piston 48 porte le frotteur 1. La section transversale du piston 48 est inférieure à la section transversale du piston 45, de sorte que la course de ressort utile du ressort de correction 17 est transmise suivant le rapport des sections transversales. Dans la forme de réalisation de la jambe de force à ressort 4 selon la figure 10, la transmission concerne aussi la course du ressort de support 16. Les formes de réalisation des figures 11, 12 et 13 concernent des transmissions mécaniques de la course du ressort de correction 17. Selon la figure 11, cette transmission s'effectue par un double levier 49 avec bras de levier 50 et 51 de longueurs différentes. Le ressort de correction 17 agit sur le bras de levier 51 plus court. Selon la figure 12, la transmission s'effectue par un dispositif à levier coudé 52. Dans ce cas le ressort de correction 17 est placé plus près de l'articulation coudée 53 que ne s'effectue la transmission de la force de contact au frotteur 1. Le ressort de support 16 peut être placé entre ces deux points. Le principe de transmission selon la figure 13 est désigné par mécanisme à barre. Dans ce cas le rapport de transmission dépend de l'angle d'inclinaison a et de la longueur N de sa barre 54. REVENDICATIONS 1. Pantographe de transmission d'énergie entre un fil de contact et une motrice, comportant au moins un frotteur et au moins un ressort de support, présentant une rigidité positive, sur lequel prend appui le frotteur s'appliquant, du bas, contre le fil de contact, avec une force de contact, caractérisé en ce qutun ressort de correction (17) est monté en parallèle avec le ressort de support (16) à rigidité positive, le ressort de correction (17) présentant une rigidité négative dans un passage par zéro (20) de sa courbe caractéristique de ressort (19) et le passage par zéro (20) du ressort de correction (17) coïncidant avec la course du ressort de support (16), qui correspond à la grandeur voulue de la force de contact. 2. Pantographe selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ressorts de correction (17) sont des ressorts magnétiques (32). 3. Pantographe selon la revendication 2, caractérisé en ce que les ressorts de correction (17) présentent chacun deux parties (23, 24) pourvues d'aimants permanents (28, 30), coulissant 1 'une vers l'autre sur la course de ressort. 4. Pantographe selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux parties (23, 24) des ressorts de correction (17) présentent chacune plusieurs aimants permanents (28, 30) montés l'un derrière l'autre dans la direction de la course de ressort, des pièces intermédiaires en fer doux (27, 29) étant placées entre les aimants p e r m a ne n t s (28, 3 0) , pieces a u x q u el 1 e s sont adjacentes les deux aimants permanents (28 ou 30) voisins avec pales de même nom. 5. Pantographe selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est prévu une multiplication pour le parcours du ressort de correction (17). 6. Pantographe selon la revendication 5, caractérisé en ce que les ressorts de support (16) présentent chacun un ressort mécanique (42) en forme d'ellipse, en ruban d'acier à ressort, la déviation du ressort de correction (17) respectif dans la zone du grand demi-axe et la transmission de la force de contact au frotteur (1) s'effectuant dans la zone du petit demi-axe du ressort (42) en forme d'ellipse. 7. Pantographe selon la revendication 5, caractérisé en ce que les ressorts de support (16) présentent chacun un ressort à fourche (43) fait dans un ruban d'acier à ressort, la déviation du ressort de correction (17) respectif s'effectuant dans la zone des extrémités libres et la transmission de la force de contact aux frotteurs (1) s'effectuant dans la zone du ventre du ressort à fourche (43). 8. Pantographe selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est prévu un fluide hydraulique (47), une section transversale de piston par laquelle la déviation du ressort de correction (17) respectif agit sur le fluide hydraulique (47), étant supérieure à une section transversale de piston, par laquelle la transmission de la force de contact s'effectue du fluide hydraulique (47) aux frotteurs (1). 9. Pantographe sel on la revendication 5, caractérisé en ce que la transmission comporte un levier simple, un levier double (49) ou un levier coudé (52). 10. Pantographe selon la revendication 5, caractérisé en ce que la transmission comporte un mécanisme à barre (54). 11. Pantographe selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que deux frotteurs (1) prennent appui contre une bascule (5) du pantographe (15), chacun par l'intermédiaire de deux jambes de force à ressort (4) disposées aux extrémités, fonctionnant séparément avec ressort de support (16) et ressort de correction (17).