Brevet FR2865985A1 — publié le 20050812

La présente invention concerne un dispositif destiné à augmenter le gabarit de longueur des wagons circulant sur voies ferrées. Elle est, en particulier, destinée à l'invention objet de la demande de brevet N rK 03 09975. Généralement, un wagon doit avoir sa section enveloppe contenue dans le gabarit caractérisant la voie empruntée. Dans les courbes de la voie, le gabarit doit être diminué pour tenir compte du déport du wagon par rapport à l'axe de la voie, conséquence de la corde entre les axes des deux boggies. Cette correction est d'autant plus importante que le wagon est long et que le rayon de courbure de la voie est petit; d'où, pour un gabarit, un rayon et un encombrement de wagon donnés, une limite de la longueur maximale du wagon appelée gabarit de longueur. La tendance actuelle est à l'augmentation de la longueur des colis qui atteint à ce jour, 13,5 m pour les containers et 16,5 m pour les camions ferroutés. Or, les gabarits sont fixés par les infrastructures existantes très difficiles et très coûteuses à faire évoluer. Les rayons de courbures des voies sont rapidement une limite incontournable pour de tels colis. Le dispositif selon l'invention permet d'augmenter considérablement cette limite. Des dispositifs ayant la même finalité existent déjà comme celui décrit dans la demande de brevet N rK 03 09975. En effet les châssis, porteurs des colis de grande longueur, sont alternativement articulés sur des wagons de plus petite longueur dans une cinématique particulière. Cet arrangement simple a cependant des inconvénients: un gain insuffisant sur la limite du rayon de courbure, une composition rigide des trains avec l'impossibilité de mixer les wagons de types différents et une difficulté de répartition des efforts de freinage sur les essieux. Le dispositif selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients. Il comporte en effet, selon une première caractéristique, un pignon denté interposé entre le châssis et le boggie eux-mêmes dentés de manière à constituer les roues d'un train d'engrenages de type planétaire guidées en rotation sur un même arbre. Ce montage est répété à chaque extrémité du wagon pour les deux boggies. Il permet aux voies d'orienter les boggies par rapport au châssis dans les courbes et de provoquer le déport de ce dernier vers l'extérieur de la courbe suivant la cinématique des deux trains d'engrenages planétaires. Le déport du wagon vers l'intérieur de la courbe du à la corde est ainsi compensé par son déplacement vers l'extérieur de la courbe. La force centrifuge aide ce mouvement en plaquant latéralement les roues des boggies du coté du rail externe. A très basse vitesse, sans force centrifuge, seuls les deux rails guident les boggies. Dans la suite de l'exposé l'axe du boggie est l'axe vertical passant par son milieu à égales distances des essieux. Selon des modes particuliers de réalisation: L'arbre de guidage en rotation du boggie par rapport au châssis est remplacé par une rotule d'articulation sphérique du boggie par rapport au châssis. Le pignon planétaire, les roues dentées du châssis et du boggie sont des engrenages coniques à axes convergents au centre de la rotule. Les courbures de la voie impriment de petites oscillations au boggie autour de sa position droite. En conséquence, les engrenages du train planétaire travaillent toujours sur de petits secteurs autorisant les simplifications suivantes pas forcément associées: Les dentures sont limitées à leur portion utile comprise entre 2 plans transversaux de part et d'autre de l'axe du boggie. A chacune de leurs extrémités, les dents sont remplacées par des plaques taillées selon leur profil local. Les plaques, simulant les dentures coniques, sont taillées au profil de l'engrenage cylindrique le plus proche sur leur épaisseur. Le module de la denture est choisi pour que le pignon n'ait que deux dents opposées, associées à un seul creux de la denture du châssis et à un seul creux de la denture du boggie. Le pignon prend ainsi la forme d'une bielle avec à chaque extrémité deux plaques reproduisant sensiblement le profil local de la denture conique. En variante, seules les plaques dentées d'un même côté de l'axe du boggie, de préférence du coté du plus grand diamètre sont conservées. Malgré ces simplifications, l'ensemble du châssis et des deux boggies, constitue toujours un 10 train d'engrenages planétaire et en conserve les propriétés pour de petites oscillations. Selon une seconde caractéristique du dispositif selon l'invention, la distance r entre l'axe du boggie et l'axe de l'arbre guidant le boggie par rapport au châssis, éventuellement le centre de la rotule quand celui- ci est remplacé par une rotule, est déterminée pour que le déport du milieu du colis d et le déport de son extrémité soient égaux et de sens contraire. Ceci est possible jusqu'à un rayon de courbure minimal de la voie Rmini. Rmini, d et r sont donnés par les formules suivantes: Rmini =L2/8 r = (E2-L2/2+ 2+12)/4 E d = L2/16 R où. L est la longueur du colis augmentée de la longueur des éléments structuraux du châssis porteur dont la largeur égale la plus grande largeur du wagon ou du colis. Cette correction n'est que de quelques pourcents et nous continuerons à appeler L la longueur corrigée du colis pour la simplicité de l'exposé. R est le rayon de courbure de la voie. g est la différence entre la largeur du gabarit et la largeur du wagon avec son colis. E est l'entraxe des deux boggies, L est la distance entre les essieux d'un même boggie, A remarquer: 2 est petit devant E2 donc r qui est une caractéristique du wagon, ne dépend pratiquement pas de la largeur du gabarit donc de la voie empruntée. Selon une troisième caractéristique le diamètre extérieur de la denture du pignon roule sur le fond du creux des dentures du châssis et du boggie et non pas sur le diamètre d'entraînement comme dans un train d'engrenages classique. Ceci est obtenu en décalant légèrement les flans en développante de cercle des dentures pour permettre au sommet de la dent d'appuyer au fond du creux correspondant. Cet arrangement permet au châssis de rouler sur le boggie par l'intermédiaire de rouleaux de grand diamètre. Plus les diamètres des rouleaux sont grands plus les efforts de roulement sont faibles. Selon des modes particuliers de réalisation, les profils des plaques dentées du pignon reprennent ces dernières dispositions avec, pour chaque plaque, une surface cylindrique de roulement terminée par des faces en développante de cercle nécessaires à l'entraînement. Pour encore simplifier, les plaques en creux du boggie et du châssis sont taillées suivant le profil de la crémaillère la plus proche avec un fond de creux plat et horizontal. Le roulement du châssis sur le boggie s'identifie alors au roulement d'un rouleau entre deux faces horizontales et parallèles. Pour maintenir l'horizontalité en dépit de l'enfoncement de la suspension du boggie dans le déplacement relatif du châssis par rapport au boggie, donc du déplacement de la charge sur la suspension, le rayon de courbure des surfaces de roulement est augmenté à une valeur y donnée par la formule: y=pe2/(e2-4fp) où f est la flèche de la suspension du boggie sous la charge, p le rayon de roulement avant correction, e la largeur de la voie. La stabilisation horizontale du châssis sur le boggie est généralement assurée par des appuis latéraux glissants sur ce dernier. Ces appuis sont préférentiellement à faible coefficient de frottement pour faciliter le déplacement relatif. Un tirant traverse de part en part l'empilage denté, boggie, pignon et châssis pour éviter le déboîtement et le désengrènement de l'ensemble tout en disposant du jeu axial juste nécessaire à la cinématique. L'emboîtement des plaques dentées est tel qu'il assure le guidage transversal et relatif du pignon, du boggie et du châssis avec le jeu nécessaire. Selon une quatrième caractéristique des ressorts pré chargés ramènent le pignon en position verticale et par voie de conséquence le boggie en position droite par rapport au châssis. Le but est d'éviter les vibrations du système sur les voies droites. Un frottement contrôlé amortit les oscillations de résonance du système devenu élastique. Les raideurs des ressorts et des amortisseurs sont maintenues juste suffisantes pour abaisser au plus bas la vitesse minimale dans les courbes à laquelle les roues sont en appui latéral du même coté. Une butée élastique limite les mouvements du pignon par rapport au châssis, donc les mouvements du boggie par rapport au châssis, dans les amplitudes extrêmes. Selon des modes particuliers de réalisation deux ressorts de part et d'autre du pignon en son milieu qui est aussi le point à déplacement minimal, le ramènent en position verticale. Des patins, poussés par des ressorts ajustés en fonction de l'effort de frottement désiré, freinent, donc amortissent, les mouvements relatifs du châssis par rapport au boggie. Selon une cinquième caractéristique le châssis est soulevé de quelques centimètres par rapport au boggie par un vérin écartant sa denture qui reste en appui sur le pignon, lui même en appui sur le boggie. Une articulation dans le plan vertical libère le bras liant le boggie à la rotule dans le mouvement ascensionnel du châssis. Cette caractéristique permet entre autres, d'ajuster la hauteur des wagons en fonction de l'enfoncement de la suspension et de faciliter le chargement / déchargement de certains wagons comme celui de la demande de brevet N FR 03 0997. Equipé de ce dispositif, ce dernier peut devenir entièrement autonome, si on lui adjoint un vérin pour la manoeuvre horizontale de sa coque porteuse de la charge commerciale. Ainsi les gares d'accueil, improvisées ou non, n'ont plus besoin d'infrastructure spécifique. Les dessins annexes illustrent l'invention: La figure 1 représente, en coupe le principe du dispositif selon l'invention, associé à un schéma de sa cinématique en vue de dessus. La figure 2 représente en coupe axiale et transversale le dispositif selon l'invention dans un mode particulier de réalisation. La figure 3 représente en coupe axiale et transversale vue de dessus, le dispositif selon l'invention dans un mode particulier de réalisation. La figure 4 illustre en coupe transversale le mouvement relatif latéral du châssis par rapport au boggie avec le dispositif selon l'invention. La figure 5 représente, en perspective cavalière, le pignon et les dentures du châssis et du boggie selon un mode particulier de réalisation du dispositif selon l'invention. La figure 6 illustre en coupe transversale, le mouvement relatif vertical du châssis par rapport au boggie avec le dispositif selon l'invention. La figure 7 représente en vue latérale et en vue de dessus le dispositif selon l'invention 50 appliqué au wagon objet de la demande de brevet N FR 03 09975. La figure 8 représente en coupe transversale le wagon de la demande de brevet N FR 03 09975 et un gabarit type en pointillé. La figure 9 représente le graphe du déport maximal du wagon en fonction du rayon de courbure de la voie pour l'exemple donné à titre non limitatif. En référence à ces dessins et plus particulièrement à la figure 1, le dispositif selon l'invention comporte un châssis (1), un boggie (2) et un pignon (3) arrangés en train d'engrenage planétaire à axes convergents au centre de la rotule (4). Cette dernière lie le châssis (1) et le boggie (2) par l'intermédiaire d'un prolongement (5) du boggie (2) disposé sous le châssis (1). Le châssis (1) supporte le colis (6). Sur le schéma associé les lettres marquent pour: H, le milieu du wagon, du châssis (1) et du colis (6); 0, le centre de la rotule (4); B, la position de l'axe du boggie (2); E et F, les lignes de contact des roues des essieux (7) avec les rails (8); C, l'extrémité du colis (6); E', F', C'et B' sont les positions de E, F, C et B après rotation du boggie (2) par rapport au châssis (1). A est la limite de plus grande largeur du wagon. HB est la demi distance entre les axes des boggies (2) soit 1/2 de E. HA est la demi longueur de colis (6) soit 1/2 de L. EF est l'entraxe des essieux (7) d'un même boggie (2) soit 1 OB est le rayon de rotation du boggie (2) par rapport châssis (1) soit r. E' et F' reste sur l'axe de la voie courbe. OE' est sur l'axe de symétrie de boggie (2). HA est sur l'axe de symétrie de châssis (1). En référence à ces dessins et plus particulièrement à la figure 2, le dispositif selon l'invention comporte: un pignon (3) avec ses plaques dentées (3',3",3"',3"") qui s'engrènent dans les plaques dentées (1',1") du châssis (1) et dans les plaques dentées (2',2") du boggie (2). La rotule (4) lie en rotation sphérique le châssis (1) et le boggie (2) par l'intermédiaire d'un prolongement (5) du boggie (2) disposé sous le châssis (1). Des ressorts pré-tarés (19) ramènent le pignon (3) en position verticale sur les voies en ligne droite. Des patins (20) poussés par des ressorts (21) frottent sur le châssis (2) pour amortir les oscillations du châssis (1) par rapport au boggie (2). Pour bien calibrer le frottement et l'amortissement nécessaires, les stabilisateurs (22) du châssis (1) en position horizontale, sont en matériaux à bas coefficient de frottement de manière à ne pas influencer l'effet des patins (20). Des butées élastiques (23) limitent l'amplitude des oscillations du pignon (3) par rapport au châssis (1) dans les mouvements extrêmes en venant en butée sur ce dernier. Un tirant (24) bloque l'empilage du châssis (1), du boggie (2) et du pignon (3) pour éviter leur 35 déboîtement et leur désengrènement. Un jeu J compense la variation de longueur dans la cinématique du déplacement du châssis (1) par rapport au boggie (2). En référence à ces dessins et plus particulièrement à la figure 3, le dispositif selon l'invention est illustré par une coupe horizontale au niveau des ressorts pré tarés (19), niveau des plus petits déplacements relatifs du pignon (3). On note aussi l'extension (10) qui bloque tangentiellement les plaques dentées (2',2") et par conséquent le pignon (3) en rotation par rapport au boggie (2). En référence à ces dessins, la figure 4 compare la configuration du dispositif selon l'invention dans les voies droites avec le pignon (3) vertical, à la configuration du dispositif selon l'invention dans les voies courbes avec le pignon (3) incliné. En outre, la figure illustre l'action des patins (20) et des stabilisateurs (22) dans le mouvement relatif du châssis (1) par rapport au boggie (2). On remarque un ressort (19'), limité dans son extension par la bague (19"), opposé à un ressort (19') comprimé par la bague (19""), elle même poussée par le pignon (3). En référence à ces dessins et plus particulièrement à la figure 5, le dispositif selon l'invention comporte un pignon (3) en forme de bielle portant en tête 2 paires de plaques dentées (3',3",3"',3""). Chaque plaque dentée (3',3",3',3"") est profilée avec une surface cylindrique de roulement (14',14",14"',14"") ayant un rayon de courbure majoré y, limitée par des surfaces en développante de cercle (12',12",12',12',13', 13",13',13"") assurant l'entraînement du pignon (3). En représentation éclatée, les dentures du châssis (1) et du boggie (2) portent respectivement les plaques dentées (1',1") et les plaques dentées (2',2") profilées en crémaillères. Ces dernières comportent des surfaces de roulement plates et horizontales (18',18",18"',18"") limitées par des surfaces en développantes de cercle (16',16",16"',16',17',17",17',17"") assurant l'entraînement. Les points de contact en position droite I,J, K, et L s'alignent pour converger vers O, centre de la rotule (4). La figure 5 illustre aussi une variante, du dispositif selon l'invention, comportant un pignon (3) en forme de bielle aux extrémités taillées au profil des plaques dentées (3"et 3'). Ces dernières s'engrainent dans les plaques dentées (1") et (2') portant, sur leurs cotés et pour cette variante, des flasques non représentés pour le guidage latéral du pignon (3). La figure 6 illustre le soulèvement du châssis (1) par rapport au boggie (2) sous la poussée du vérin (25) qui écarte le châssis (1) de ses plaques dentées (1',1"). Ce mouvement de faible amplitude peut avoir pour finalité entre autres, de régler la hauteur du wagon en fonction de la flèche de sa suspension et/ou de faciliter les opérations de chargement /déchargement des colis (6). La figure 7 représente, en coupe transversale et vue de dessus, le dispositif selon l'invention appliqué au wagon objet de la demande de brevet N FR 03 09975. Ce type de wagon comporte en effet une coque (26) porteuse de la charge commerciale à extrémités alternativement déboîtable du châssis (1). En gare, le vérin (25) peut soulever la coque (26) en position haute comme illustré à la figure 6. Après avoir déplacé le wagon au dessus d'une cale ou l'avoir mis en place sous la coque (26), le vérin (25) redescend le châssis (1) provoquant, le déboîtement de la coque (26) de son pivot (27) et le déboîtement de l'oeilleton (28) de la tige du vérin (30) du pivot (29). Le vérin (30) de l'autre extrémité du wagon peut alors pousser la coque (26) en rotation horizontale pour la dégager du châssis (1). Des rouleaux, (31) insérés dans les renforts de la coque (26), roulent sur la cale et facilitent le mouvement. Le mouvement contraire remet la coque (26) sur son châssis (1). Le wagon est ainsi entièrement autonome au chargement et au déchargement. Le but est de supprimer les infrastructures spécifiques dans les gares comme décrites dans le brevet N FR 03 09975 même si elles sont déjà très réduites. La figure illustre aussi l'articulation (11) du prolongement (5) du boggie (2) permettant le mouvement vertical de châssis (1) par rapport au boggie (2). La figure 8 explicite la valeur g qui est la différence entre l'encombrement hors tout du wagon, ici celui de la demande de brevet N FR 03 09975, et la largeur du gabarit. La largeur du colis (6) remplacerait l'encombrement hors tout du wagon au cas où ce dernier serait moins large. La figure 9 représente à titre d'exemple non limitatif le graphique du déport maximal du wagon équipé du dispositif selon l'invention, en fonction du rayon de courbure de la voie pour l'exemple donné soit: E= 20, 9m, L= 16,5m, 1 = 1,8m, g= 0,260m A titre d'exemple non limitatif et pour les données ci-dessus, r = 3,367m, le grand rayon du pignon = 3,2 m, le petit rayon du pignon = 2,6m et le rayon minimal de courbure de la voie = 130 m. A titre de comparaison, le wagon qui aurait les mêmes performances sans avoir le dispositif selon l'invention, ne pourrait transporter que des colis de longueur inférieure à 7,3m entre ses boggies. Si on ajoute f = 44 mm, e= 1,7m les courbures y des surfaces de roulement 5 (14',14",14"',14"") du pignon (3) sont respectivement de 4m et de 3m. REVENDICATIONS 1) Dispositif destiné à augmenter le gabarit de longueur des wagons circulant sur voies ferrées caractérisé en ce qu'à chaque extrémité du wagon, un pignon denté (3) est interposé entre le châssis (1) et le boggie (2) eux-mêmes dentés de manière à constituer les roues d'un train d'engrenages planétaire guidées en rotation sur un même arbre. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'arbre de rotation commun du châssis (1) et du boggie (2) est une rotule d'articulation sphérique (4) installée au point de convergence des axes du pignon (3) et des roues dentées constituées par le châssis (1) et le boggie (2). 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la distance r entre l'axe du boggie et l'axe de l'arbre guidant le boggie (2) par rapport au châssis (1), éventuellement le centre de la rotule (4) quand celui-ci est remplacé par une rotule, est déterminé par la formule: r = (E2-12/2+ 2+12)/4 E; où L est la Iongueur corrigée du colis, R est le rayon de courbure de la voie, p. est la différence entre la largeur du gabarit et la largeur du wagon avec son colis, E est l'entraxe des boggies, 1 est la distance entre les essieux d'un même boggie. 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les dentures du pignon (3), du châssis (1) et du boggie (2) soient réduites à des plaques, taillées au profil de leur denture et limitées à leurs parties utiles dans les petites oscillations du boggie (2) par rapport au châssis (1). 5) Dispositif selon la revendication 1 et 4 caractérisé en ce que le module des dentures est déterminé de manière à ce que les profils des plaques dentées (1',1",2',2",3',3",3"',3"") ne comportent qu'une seule dent pour le pignon (3), un seul creux pour le châssis (1) et le boggie (2). 6) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le diamètre extérieur de la denture du pignon (3) roule sur le fond du creux des dentures du châssis (1) et du boggie (2). 7) Dispositif selon la revendication 1 et 6 caractérisé en ce que la courbure y des surfaces de roulement (14',14",14',14"") de la denture du pignon (3) est déterminée par la formule: y=pe21(e2-4fp); où f est la flèche de la suspension du boggie sous la charge, p le rayon de roulement avant correction, e la largeur de la voie. 8) Dispositif selon les revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le pignon (3) est une bielle (3) équipée de deux plaques dentées (3',3",3"', 3"") à chaque extrémité. 40 9) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est équipé d'un système élastique de rappel du boggie (2) dans sa position droite associé à système d'amortissement des oscillations du boggie (2) par rapport au châssis (1). 10) Dispositif selon la revendication 1, 3 caractérisé en ce que la denture (1',1") du châssis (1) peut être écartée de ce dernier par un vérin (25) de manière à soulever et à abaisser le châssis (1) par rapport au boggie (2).