La PUISSANCE de FREINAGE







INTRODUCTION
Il est indispensable de connaître la puissance de freinage des trains de façon à l'ajuster en fonction des conditions de circulation pour garantir la sécurité :

En effet, la puissance de freinage intervient sur les distances de ralentissement et d'arrêt.

La puissance de freinage doit donc toujours être en rapport avec :
• La Vitesse,
• Les déclivités (pente ou rampe),
• La masse du train, ou du véhicule,

Le problème consiste à déterminer la distance d'arrêt d'un train :
• A partir des ses caractéristiques individuelles de freinage,
• Lorsque la puissance totale du frein est mise en action à la vitesse limite.

Différents facteurs sont à prendre en compte :
• Temps d'établisement du freinage,
• Variations du coefficient de frottement dépendant des matériaux utilisés,
• Conditions atmosphériques.

Cette effort retardateur moyen est appelé "MASSE FREINÉE".

NOTION de MASSE FREINÉE
HISTORIQUE
A l'origine le frein utilisé pour freiner et ralentir les trains était le seul frein à main, actionné par des "garde-frein".
Le freinage pneumatique n'existait pas.

A partir de là, il fut établi des tableaux de freinage en admettant que l'effort réel aux sabots était d'environ 70% du poids du wagon.

Cet effort retardateur moyen etait appelé  "POIDS-FREIN" et s'exprime en tonnes.

Lorsque le freinage pneumatique fut inventé, il a été décidé de prendre comme "POIDS-FREIN" les 10/7 de l'effort aux sabots, ce qui représentait le même ordre de grandeur que les 70% du poids du wagon, afin de continuer à utiliser les barêmes de freinage existant.

Mais les essais effectués ont démontré que cette règle ne pouvait pas être utilisée tel quel.

L'efficacité du frein pneumatique pouvait être très différente de celle du frein à main car elle dépends de plusieurs facteurs :
• Temps d'établissement du freinage,
• Temps de mise en action du freinage commandé,
• Variation du coefficient de frottement des matériaux utilisés,
• Conditions atmosphériques,
• ...

Il a été nécessaire d'associer aux 10/7 de l'effort aux sabots, un coefficient variable en fonction des caractéristiques du frein.
Ce coefficient appelé γ (Gamma) est déterminé par essai.

Le "POIDS-FREIN" devient "MASSE FREINÉE".

La valeur de la masse freinée B devient :


γ = est fonction de 3 variables :
Q : Effort réel sur un sabot en marche (Q = P.N) avec P = pression et N = Nombre de sabots,
a : Valeur relative de l'effort aux sabots à la fin du 1er temps par rapport à l'effort final,
t : temps de serrage.

γ = 1 pour :
Q = 1690 kg,
a = 20%,
t = 28 secondes.
Il est déterminé par l'expérience, c'est l'aptitude d'un véhicule à s'arrêter sur une distance définie.

valeur masse freinee
Par convention internationale cette aptitude est caractérisée par un coefficient de freinage ou taux de freinage : LAMBDA. (λ).

lambda
Lambda

Par convention la puissance de freinage de chaque véhicule est caractérisée par l'effort retardateur moyen obtenu lors d'un arrêt réalisé dans des conditions précises : freinage maximum en alignement.

Cette notion est applicable au véhicule seul et au train.

lambda d'un véhicule
Lambda pour un véhicule

lambda d'un train
Lambda pour un train

Il faut donc déterminer la masse freinée de chaque véhicule.


La masse freinée "VOYAGEUR" et "MARCHANDISES" ont une définition différente.

MASSE FREINÉE au RÉGIME MARCHANDISES
Définition de la masse freinée au régime "MARCHANDISES"
Fiche UIC :
La masse freinée au régime "MARCHANDISES" est égale au produit de l'effort total aux sabots par les 10/7 d'un coefficient caractéristique de l'équipement de frein du véhicule considéré γ.

La masse freinée devient :
B = (9/8)*n*(10/7)*γ
• 9/8 : Représente l'effort sur un sabot mesuré en marche par rapport à son efficacité à l'arrêt. Les timoneries de frein sont sensibles aux vibrations qui se produisent en marche et qui augmente l'efficacité des sabots,
• n : Représente le nombre de semelles de frein d'un wagon,
γ : Temps d'établissement du freinage et du temps de mise en action du freinage commandé.


Pour fixer les idées, la masse freinée des trains de marchandises doit au moins est égale à :
• 47% de la masse du train pour un train de marchandises MA80, (λ = 0.47),
• 50% de la masse du train pour un train de marchandises MA90, (λ = 0.50),
• 57% de la masse du train pour un train de marchandises MA100, (λ = 0.57).

MASSE FREINÉE au RÉGIME VOYAGEURS
Définition de la masse freinée au régime "VOYAGEURS"
Fiche UIC :
La masse freinée d'un véhicule freiné au régime "VOYAGEURS" est déterminé au moyen d'essais et dépend du parcours d'arrêt réalisé lors d'un serrage rapide effectué à la vitesse V km/h en palier et en alignement.
La différence entre la définition de la masse freinée au régime « Marchandises » et celle de la masse freinée au régime «Voyageurs» provient des caractéristiques différentes de ces deux types de frein : 
• Temps de serrage très court, d’où une influence négligeable sur l’efficacité du freinage, 
• Absence du 1er temps de serrage en raison de la rapidité de mise en action. 



Ainsi la masse freinée "voyageurs" est définie sans prendre en compte les mêmes critères que ceux utilisés pour la masse freinée "marchandises".

HISTORIQUE
Des essais furent menés à l'aide d'une voiture étalon possédant une masse freinée de 50 tonnes pour déterminer la relation qui existe entre le :
λ
• La vitesse initiale,
• La distance d'arrêt sur différentes pentes en serrage d'urgence.

Les résultats obtenus furent assez discordants.

Il a donc été décidé d'abandonner la notion de "voiture étalon" et de déterminer la masse feinée voyageurs à partir de résultats d'essais pratiques.

Après la réalisation de différents essais expérimentaux et par convention, un train de :
• 60 essieux,
• 15 véhicules identiques de 50 tonnes, lancé à 120 km/h,
• Par temps calme en palier et en alignement,
• Qui s'arrête sur 1000 m,
Possède un λ de 0,8 ou 80%.

A partir de la, on réalise par essais successifs, des courbes de distance d'arrêt en fonction du pourcentage de masse freinée et de la vitesse.

Les véhicules voyageurs ayant une masse qui varie peu en fonction de la charge :
Exemple :
Une voiture corail :
• Masse à vide : 45 tonnes,
• Masse en charge : 50 tonnes,
Soit une différence de 11%.

La faible variation de la masse à vide et en charge à conduit pour simplifier à réaliser un calcul de freinage pour les trains de voyageurs non pas à la masse réalisée, mais au nombre d'essieu freiné.
Par exemple :
• Pour rouler à 100 km/h il fallait,
• Pour rouler à 120 km/h il fallait,
• Pour rouler à 100 km/h il fallait,


A partir du milieu des années 2000, et par souci d'interopérabilité du matériel, le freinage à l'essieu a été abandonnée pour les trains de voyageurs du parc ordinaire, au profit du freinage à la masse et en prenant en compte la ou des machines de remorque dans la composition des trains, comme les trains de marchandises.
Par exemple :
• Pour rouler à 100 km/h il fallait,
• Pour rouler à 120 km/h il fallait,
• Pour rouler à 100 km/h il fallait,
Le DISPOSITIF VIDE-CHARGÉ
CHARGE d'un VÉHICULE
Sur un train de voyageurs de grande ligne, la charge est faible par rapport à la tare des voitures.
Le freinage peut être constant quelle que soit l'occupation des places.

Sur un train de banlieue ou de marchandises, la charge peut être importante au regard de la tare des voitures ou des wagons.

Voiture de banlieue
Les voitures de banlieues possèdent un dispositif "Auto-variable", ajustant la pression aux cylindres de frein en fonction de la charge.

Wagon
Sur certains wagons, dont la masse sur rail peut varier de manière conséquente en fonction du chargement, sont équipés de dispositifs permettant de faire varier la masse freinée du véhicule en fonction de sa charge.
De cette manière, on peut ajuster la masse freinée du wagon lorsque celui-ci est chargé ou vide.

En agissant ainsi on permet :
• D'augmenter la masse freinée du wagon lorsqu'il est chargé, de manière à ne pas trop diminuer les performances de freinage et éviter une insuffisance de freinage, 
• D'éviter un enrayage lorsque le wagon est vide.

Plusieurs dispositifs existent :
1) Dispositif « Vide - Chargé » mécanique faisant varier l’amplification de la timonerie à commande mécanique en déplaçant l'un des points fixe de cette timonerie au niveau du bras de levier, 
2) Dispositif « Vide - Chargé » pneumatique faisant varier la pression de l’air au Cylindre de Frein commandé par un détendeur de pesée ou par une valve différentielle de pesée. 

Les véhicules équipés d’un tel dispositif sont repérés A à la suite de l’inscription définissant le type de frein. 
La masse freinée réalisée par un tel véhicule est égale à sa masse sur rail, avec comme maximum le nombre inscrit sur le châssis à la suite de l’inscription définissant le type de frein. 


FACTEURS AGISSANT sur la DISTANCE d'ARRÊT
Influence de la longueur
• Pour un λ de 100%, un véhicule lancé à 120 km/h s'arrête sur 720 mètres.
• 15 véhicules lancés à la même vitesse dans les mêmes conditions s'arrêtent sur 820 mètres.

Cette différence est la conséquence :
• Du retard de mise en action du frein sur les véhicules de queue inhérent à la commande pneumatique (vitesse de propagation de l'air environ 280 m/s),
• Du temps nécessaire à l'échappement de l'air de la CG par le robinet de frein, PBL2, H7A,....

Si la commande de frein est électropneumatique, toutes les voitures serrent en même temps. La distance d'arrêt est identique quel que soit le nombre de véhicules.
Exemple :
Si la vitesse est de 180 km/h et la distance d'arrêt de 1300 mètres, il faut :
• Un lambda de 170% en commande pneumatique,
• Un lambda de 150% en commande électropneumatique.

Influence de la vitesse
Nous avons vus sur la page "le freinage des trains", que l'énergie enmagasiner par un train est proportionnelle à sa vitesse au carré.

De ce fait plus la vitesse d'un train est élevée plus le coefficient de freinage devra l'être également pour respecter les distances d'arrêt et de ralentissement.

Le coefficient de freinage augmente proportionnellement avec la vitesse origine de la mise en action du frein.

Exemple
Pour un train de voyageurs il faut pour :
• Un V160, 125% de masse freinée,
• Un V140, 97% de masse freinée,
• Un V160, 91% de masse freinée,
Pour des trains sans Frein ElectroPneumatique.

Influence de la masse du véhicule
Nous avons vus sur la page "le freinage des trains", que l'énergie enmagasiner par un train est proportionnelle à sa masse.

Il faut corriger la puissance de freinage du véhicule proportionnellement à sa masse tel que :

masse freinée/masse = constante.

Les voitures voyageurs ont une masse qui varie peu. Une voiture « Corail », qui a une masse à vide de 45 tonnes, pèse en charge 50 tonnes. Ceci correspond à une variation de 11% de la masse, ce qui n’est pas très important. La masse freinée ne varie pas.

Par contre, les wagons ont une masse qui peut fortement varier.Il faut alors augmenter proportionnellement la puissance de freinage de chaque véhicule. Ainsi, ces véhicules sont équipés d’un dispositif « Vide - Chargé », à manœuvrer manuellement, ou d’un relais qui rend l’effort de freinage proportionnel à la charge. Il s’agit alors d’un dispositif autovariable.

Par contre pour les vehicules marchandises la différence en tre un véhicule à vide ou en charge peut varier dans des proportions beaucoup plus importantes .
Ex :
Un wagon citerne :
• Masse à vide : 20 tonnes,
• Masse en charge : 80 tonnes,
Soit une différence de 300%.

Cette très grande différence doit être prise en compte.

Il faut alors augmenter proportionnellement la puissance de freinage de chaque véhicule.
Pour cela les wagons sont équipés de dispositifs :
• Vide-chargé à manœuvrer manuellement qui agissent sur la timonerie,
• Autovariable qui rend l’effort de freinage proportionnel à la charge et qui agissent sur la pression aux CF.

Ces deux dispositifs agissent sur la masse freinée du wagon en fonction de sa masse (tare + chargement).

MASSE FREINÉE des ENGINS MOTEURS
L'énergie cinétique enmagasiner par la locomotive est accentuée par la présence de masses en rotation qui accumulent une énergie cinétique non négligeable.

Masses en rotation dans une locomotive : 
• Les moteurs électriques,
• Les transmissions, 
• Les essieux, 
• Les engrenages. 

Ainsi l'énergie accumulée par les masses tournantes peut être assimilées à une masse supplémentaire.
Pour exemple, l'induit d'un moteur de :
• BB25500 = 2 tonnes par moteur,

L'accélération des masses tournantes nécessite un effort supplémentaire.
Il est nécessaire de majorer la masse du convoi pour en tenir compte.

De ce fait l'énergie due à la masse de l'engin moteur additionnée avec l'énergie accumulée par les masses tournantes augmentent la masse fictive des engins moteur.
Quelques exemples : 
• 1,04 pour les rames TGV,
• 1,04 pour les voitures VTU, voitures à deux niveaux,
• 1,09 pour CC 6500 
• 1,16 pour BB 16000, BB 8500 sur GV, 16500 sur GV, 17000 sur GV, 25500 sur GV, 22200, 7200,
• 1,27 pour BB 8500 sur PV, 16500 sur PV, 17000 sur PV, 25500 sur PV,
• 1.36 BB 7200 Vmax 100 KM/H.

Ainsi la masse fictive à prendre en considération pour une BB 7200 est : 
• Masse de l'engin 85t
• Coefficient multiplicateur du aux masses tournante : 1,16

La masse fictive de l'engin moteur devient : 85*1,16 = 98,6t

C'est cette masse fictive qui doit être pris en compte dans les calculs de freinage.
Les locomotives possèdent un λ relativement faible en regard de leurs masses fictives entre 0,6 et 0,8 (60 à 80%).

Cela est du au fait que la puissance de freinage nécessaire pour ralentir ou arrêter l'engin moteur aurait pour conséquences une usure rapide des sabots ou semelles de frein ainsi qu'un échauffement des tables de roulement.
Cela aurait pour conséquences une immobilisation régulière des engins moteurs pour entretien. 

Ceci est également le motif des compositions minimales existant pour certaines catégories de trains. Les voitures ou wagons venant compenser le freinage limité des engins moteurs.(Voyageurs, MV160)