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 des circulations.

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 de 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'établissement du freinage,
• Variations du coefficient de frottement dépendant des matériaux utilisés,
• Conditions atmosphériques.

Cet 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 gardes-freins.
Le freinage pneumatique n'existait pas.

A partir de là, on a 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 était 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 barèmes 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 dépend 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 :

valeur de la masse freinee
Valeur de la masse freinée

B
= Masse freinée, 
Q = p * n, 
p = effort mesuré sur un sabot, 
n = nombre de sabots, 
γ = coefficient dépendant des conditions de freinage. 

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.

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 :
masse freinee
Valeur de la masse freinée

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

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 8/10 des essieux freinés,
• Pour rouler à 120 km/h il fallait 9/10 des essieux freinés,
• Pour rouler à 140 km/h et au-delà, il fallait 10/10 des essieux freinés.

A partir du milieu des années 2000, et par souci d'interopérabilité du matériel, le freinage à l'essieu a été abandonné pour les trains de voyageurs du parc ordinaire, au profit du freinage à la masse et en prenant en compte la ou les machines de remorque dans le calcul du freinage des trains.

Le freinage à l'essieu continu d'être utilisé sur le matériel spécialisé, autorail ou élément automoteur, en raison de l'homogénéité du matériel.
Voiture de banlieue
Sur un train de banlieue ou de marchandises, la charge peut être importante au regard de la tare des voitures ou des wagons.

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

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 la 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 vu sur la page "le freinage des trains", que l'énergie emmagasinée par un train est proportionnelle à sa vitesse au carré.

E = ½MV²

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 par rapport à la masse du train, pour :
• Un V160 : 125% de masse freinée,
• Un V140 : 97% de masse freinée,
• Un V120 : 87% de masse freinée,
Pour des trains sans Frein ElectroPneumatique.

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

E = ½MV²

La masse d'un véhicule ou d'un wagon variant en fonction de son chargement, il est nécessaire d'adapter la puissance de freinage de ces véhicules pour garantir la sécurité des circulations, c'est à dire le respect des distances d'arrêt et de ralentissement.

L'on doit toujours avoir :


Train de voyageurs
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.

Exemple
Une voiture corail :
• Masse à vide : 45 tonnes,
• Masse en charge : 50 tonnes,
Soit une différence de 11%.

Train de marchandises
Par contre, les wagons ont une masse qui peut fortement varier. Il faut alors augmenter proportionnellement la puissance de freinage de chaque véhicule. 

Exemple
Pour 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 dans le freinage.

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).
Le DISPOSITIF VIDE-CHARGÉ
Nous avons vu que pour garantir le respect des distances d'arrêt et de ralentissement, la vitesse d'un train devait toujours être en rapport avec ses capacités de freinage.

Voiture voyageurs
Sur un train de voyageurs de grande ligne, la charge est faible par rapport à la tare des voitures.

Exemple :
Pour une voiture corail :
• Masse à vide : 45 tonnes,
• Masse en charge : 50 tonnes,
Soit une différence de 11%.

C'est pourquoi ces voitures ne comporte pas de dispositif particulier et ne sont freinés que pour leurs tares (masse à vide).

Wagon
Pour les wagons, la masse sur rail peut varier de manière conséquente en fonction du chargement.

Exemple :
Pour 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.

Ils 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 vide ou chargé.

En agissant ainsi on peut en plaçant le dispositif sur :
Chargé :
   • D'augmenter la masse freinée du wagon lorsqu'il est chargé, de manière à augmenter la masse freiné du wagon et garantir le respect des distances d'arrêt et de ralentissement.
Vide :
  • Diminuer la masse freinée du wagon pour éviter un enrayage (blocage de l'essieu) lorsque le wagon est vide.

Plusieurs dispositifs existent :
• 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 :
   • Ce dispositif peut être à deux ou trois positions.
• 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. 

Vide - Chargé » mécanique
Il est manœuvré manuellement par un agent formation lors de la formation du train.
En fonction de "la tare du véhicule plus la masse du chargement", l'agent formation détermine s'il faut placer le dispositif sur "Vide" ou "Chargé".

etiquette chargement wagon
Etiquette chargement wagon
Après avoir vérifié l'étiquette de chargement, l'agent formation bascule ensuite le dispositif "vide-chargé" si nécessaire.

dispositif vide charge manuel
Dispositif "Vide-Chargé" manuel à 2 positions

• Lorsque la masse du véhicule est inférieure à 20 tonnes le dispositif "vide-chargé" est placé sur la position vide, correspondant à une masse freinée de 12 tonnes,
• Lorsque la masse du véhicule est supérieure à 20 tonnes le dispositif "vide-chargé" est placé sur la position chargé, correspondant à une masse freinée de 24 tonnes.


vide charge 3 positions
Dispositif "Vide-Chargé" manuel à 3 positions

• Lorsque la masse du véhicule est inférieure à 29 tonnes le dispositif "vide-chargé" est placé sur la position 38, correspondant à une masse freinée de 38 tonnes,
• Lorsque la masse du véhicule est comprise entre 29 tonnes et est inférieure à 34 tonnes le dispositif "vide-chargé" est placé sur la position 46, correspondant à une masse freinée de 46 tonnes,
• Lorsque la masse du véhicule est égale ou supérieure à 34 tonnes le dispositif "vide-chargé" est placé sur la position 54, correspondant à une masse freinée de 54 tonnes.

Inconvénient du dispositif "Vide-Chargé"
Le positionnement du dispositif "Vide-Chargé" est réalisé par un agent formation.
Il est possible que par erreur ou inadvertance le positionnement du dispositif "vide-chargé" ne soit pas en rapport avec le chargement du véhicule, dans ce cas :

Si le dispositif est placé sur vide alors que le wagon est chargé :
Le freinage devient insuffisant et la conséquence peut être, si plusieurs wagons sont dans le même cas sur un même train, une augmentation des distances d'arrêt et de ralentissement.

Si le dispositif est placé sur chargé alors que le wagon est vide :
Il y a risque, la puissance de freinage étant plus importante, d'enrayage du wagon avec la formation de méplat sur la roue entraînant une certaine inefficacité du freinage avec pour conséquence un allongement des distances d'arrêt ou de ralentissement et la dégradation de la table de roulement du rail.
 
C’est la raison pour laquelle certains wagons sont équipés d’un dispositif de changement de régime «vide – chargé » à commande automatique.

Vide - Chargé » pneumatique
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.
 
inscription frein autovariable
                         
inscription frein autovariable
Inscriptions sur véhicules munis d'un dispositif "vide-chargé" autovariable

La masse freinée réalisée par ces véhicules est égale à leurs masses sur rail, avec comme maximum le nombre inscrit sur le châssis à la suite de l’inscription définissant le type de frein.

Le dispositif « Vide - Chargé » pneumatique fait varier la pression de l’air au Cylindre de Frein et est commandé par un détendeur de pesée ou par une valve différentielle de pesée.

vide charge pneumatique
                    
vide charge pneumatique
Détendeur de pesée ou valve différentielle de pesée
MASSE FREINÉE des ENGINS MOTEURS
L'énergie cinétique emmagasinée par la locomotive lorsqu'elle circule 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 ensuite un effort de freinage supplémentaire pour ralentir ou arrêter l'engin moteur.

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 pour une 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 dû 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%). C'est pourquoi la vitesse de circulation d'un engin moteur seul (HLP) est limitée généralement à la vitesse des ME100.

Cela est dû 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,
• Un échauffement important des tables de roulement,
• Une immobilisation régulière des engins moteurs pour entretien.

Amélioration du freinage des EM
Pour augmenter les performances de freinage, certains engins moteurs sont équipés d’un freinage électrique. Ce freinage électrique agit soit automatiquement lors de la mise en action du frein continu, soit manuellement à la demande du conducteur. 

Le freinage relatif des engins moteurs est l'explication des compositions minimales existant pour certaines catégories de trains. Les voitures ou wagons venant compenser le freinage limité des engins moteurs. (Voyageurs, MV160)