L'importance de la mesure statique de la répartition des forces verticales à la roue à des fins de maintenance
Pour tout type de véhicule, une répartition correcte des charges exercées par ses points d’appui au sol est l’une des exigences fondamentales pour un comportement statique et dynamique optimal.
Dans le cas d’un véhicule ferroviaire, la répartition homogène de la charge est essentielle pour la sécurité et la qualité de marche.
Considérons le schéma de bogie ci-dessous :
Les principaux facteurs d’influence sur la répartition de la charge sont essentiellement trois :
- Rigidité de la suspension primaire à chaque roue
- Coplanarité des points d’appui sur la voie
- Excentricité de la charge
La condition idéale pour un bogie est :
- ressorts de suspension primaire en parfait état et avec toutes les mêmes rigidités ;
- parfaite coplanarité des 4 points d’appui sur la piste ;
- charge sur le centre de gravité géométrique (sans excentricité)
Lorsqu’un seul facteur s’écarte de la condition idéale, il affecte la répartition de la charge. En particulier, s’il y a une altération des ressorts de la suspension primaire et les rigidités sont différentes, la répartition de la charge exercée par la roue unique sera différente et la charge sur les deux diagonales du bogie sera toujours déséquilibrée. Nous utiliserons ” Fi ” pour indiquer les forces exercées par chaque roue et les résultats seront (F1 + F4) ≠ (F2 + F3).
De même, s’il n’y a pas de coplanarité des points d’appui dû au gauche de voie ou à la déformation du châssis de bogie, les diagonales seront également déséquilibrées. La non-coplanarité des points d’appui se produit également lorsque les quatre roues ne sont pas uniformément usées. Lors de la mesure de la répartition de la charge à la roue, cette dernière condition est souvent plus difficile à vérifier que les gauches de voie ou de bogie, également en raison de l’accessibilité des roues.
Contrairement aux deux autres cas, la présence d’une charge excentrique n’affecte pas la différence entre les deux diagonales si les deux autres conditions idéales sont vérifiées, assurant (F1 + F4) = (F2 + F3). En revanche, une charge qui n’est pas parfaitement centrée sur le centre de gravité géométrique implique des forces verticales différentes :
F1 ≠ F2 ≠ F3 ≠ F4.
Pour mieux comprendre le comportement d’un bogie ferroviaire, un modèle analytique a été créé afin d’interagir, de modifier les paramètres et de vérifier comment ces variations affectent les charges de roue.
Ci-dessous le lien pour accéder au modèle qui vient d’être décrit.
BogiePlayground (powerve-156508.web.app)
Pourquoi est-il important de répartir correctement la charge ?
Pour les véhicules à roues et en particulier pour les véhicules ferroviaires, la répartition des charges affecte principalement deux phénomènes :
- Phase d’accélération/freinage
- Sécurité de marche sur les gauches de voie
En ce qui concerne le premier phénomène, c’est-à-dire la phase de freinage, si j’applique un couple de freinage à un essieu ferroviaire, le système de forces agissant sur la roue unique peut être représenté comme suit :
où:
Peff = charge à la roue;
Q = force radiale exercée par le frein ;
f ’ = Coefficient de friction;
fad = coefficient d’adhérence roue-rail;
Sur la surface de contact, une force de frottement apparaît entre le frein et la roue, avec
Fa = Q*f ’
Cette force de frottement génère un couple de sens opposé à celui du mouvement et de grandeur égale au produit Fa*r avec r rayon de la roue.
Pour rester en régime de macro-adhérence, la force d’adhérence d’une roue à l’interface roue-rail doit rester supérieure ou au moins identique à la force exercée par le frein, c’est-à-dire
Fa ≤ fad * Peff
Par conséquent, une répartition inégale de la charge, qui se traduit par une variation de Peff d’une roue, peut entraîner un patinage de l’une des deux roues, agissant avec la même force de freinage sur l’ensemble de l’essieu. Cette circonstance entraînerait un effet de lacet indésirable du bogie.
Nous avons brièvement vu comment la répartition inégale de la charge à la roue affecterait la phase de freinage d’un véhicule ferroviaire. Il en va de même pour la phase d’accélération.
Voyons maintenant comment le déséquilibre des forces verticales affecte la sécurité de roulement lors de la circulation sur les gauches de voie.
Habituellement, la sécurité de marche est garantie lorsque les forces d’interaction roue-rail restent dans certaines limites qui empêchent le déraillement du véhicule ou la déformation permanente de la voie.
En effet, un véhicule ferroviaire se trouve dans une situation à risque lorsque le boudin de roue entre en contact avec le rail. Dans ce cas il faut considérer le rapport Y/Q entre l’effort transversal exercé par la roue sur le rail (Y) et la charge verticale de la roue (Q).
En effet, du fait de la force Y et du coefficient de frottement au point de contact, la roue au point de contact a tendance à changer d’axe autour duquel elle tourne. Le nouvel axe sera orthogonal à la surface de contact et rencontrera le point de contact entre le boudin et le rail. Dans ce nouvel état, la roue a tendance à se soulever mais c’est le poids Q qui s’y oppose. Ainsi toute cause pouvant impliquer une diminution de la charge verticale aux roues peut entraîner une augmentation du rapport Y/Q et donc une augmentation du risque de déraillement.
L’un des défauts de voie les plus importants qui peuvent présenter un danger pour la sécurité est le gauche de voie.
La définition de gauche de voie (g défini en millièmes) est la variation selon l’axe du rail de la pente verticale et s’exprime comme le rapport entre cet écart vertical h et une distance longitudinale de référence d (généralement l’empattement ou l’entraxe du bogie) :
g (‰) = h/d
Le gauche de voie représente la cause la plus fréquente de déraillement puisque, en général, sa présence altère la répartition de la charge à la roue, induisant un déséquilibre de charge. Dès qu’une certaine valeur critique est dépassée, la roue du véhicule tend d’abord à décharger une partie de son poids, puis à remonter, provoquant le recouvrement du boudin sur le dessus du rail, enfin le déraillement du matériel roulant.
La répartition correcte, et donc équilibrée, des forces verticales à la roue indique que le véhicule est plus apte à s’adapter aux irrégularités de la voie.