Les SABOTS, SEMELLES et DISQUES de FREIN






PRÉAMBULE
La sécurité des circulations repose sur l'observation directe et le respect strict de la signalisation.
C'est pourquoi un train doit toujours circuler avec ses freins en état de fonctionnement.

Le transport ferroviaire permet de transporter des charges très lourdes (2400t avec un EM pour un train de marchandises voire plus), ou de circuler à des vitesses importantes pour les trains de voyageur, mais en contrepartie les distances d'arrêt sont importantes.  
 
Le transport routier ne permet pas de transporter des charges comparables avec le transport ferroviaire, mais est capable de s'arrêter sur des distances beaucoup plus courtes.  
 
Pourquoi :  
• En circulation ferroviaire le frottement, roue-rail, se fait acier sur acier, entraînant un faible coefficient de frottement. De plus la masse d'un train est beaucoup plus importante qu'une voiture,  
• En circulation routière le frottement, roue-route, se fait caoutchouc sur bitume, entraînant un fort coefficient de frottement.  
 
Comme l'effort de freinage doit toujours rester inférieur à la force d'adhérence, et que celle-ci est beaucoup plus faible en circulation ferroviaire que routière, il en résulte une distance d'arrêt ou de ralentissement en défaveur du rail.

Exemple de distance d'arrêt :  
• Voiture à 130 km/h : distance d'arrêt 170m,  
• Train à 130 km/h : distance d'arrêt 630m.

La méthode de freinage la plus courante consiste à exercer un effort retardateur en agissant par frottement à la périphérie des roues.

Cela est réalisé par l'application de sabot ou semelle sur la table de roulement des roues.

Son efficacité repose sur la capacité de ses constituants à absorber la chaleur et y résister, et au coefficient de frottement entre eux.

Cette façon de faire présente deux avantages : 
• Elle offre une plus grande surface de répartition et de dissipation de la chaleur, 
• Elle maintien en état de propreté la table de roulement des roues, condition indispensable au bon fonctionnement des « circuit de voie » utilisés pour la signalisation.

application de semelles sur la roue
Application de semelles sur la roue

Pour préserver les roues contre les dégradations d’origine thermique, il est parfois nécessaire de limiter la pression par centimètre carré de sabot. Dans ces conditions l’effort retardateur désiré peut être cependant réalisé en augmentant la surface de contact : 
• Soit en utilisant des semelles doubles (deux semelles montées sur un support unique approprié), 
• Soit en installant des sabots de « chaque coté de la roue », ces sabots pouvant eux-mêmes comporter des semelles doubles.

Nota :
Il n'est pas possible d'augmenter le freinage en augmentant la surface d'appui en allongeant les sabots.
Les effets thermiques provoqués par les freinages déforment le sabot qui n'appuie sur la table de roulement qu'a sa partie centrale. Ceci est dû en grande partie aux déformations géométriques qui apparaissent au cours des cycles thermiques accompagnant les freinages. La semelle porte sur ses bords au début de freinage, puis s’ouvre en se dilatant et porte en son centre, pour se refermer de nouveau entre deux freinages successifs,
Pour cette raison, il est donc inutile de faire appel à des semelles très longues. La côte retenue (320 à 400 mm), et l'effort d'application de 3,5 tonnes,

Il faut donc pour augmenter le freinage augmenter le nombre de sabot, et faire appel aux semelles doubles. La longueur des semelles à monter en double a été fixée, d’après ce qui a été vu précédemment, à 250 mm. L'effort d'application est de 2,5 tonnes, soit 5 tonnes de chaque côté de la roue.

Les SABOTS
Les sâbots en fonte
Caractéristiques des sabots en fonte : 
Leur coefficient de frottement varie énormément en fonction de la vitesse et de la pression d'application :
• 0,10 à 140 Km / h, 
• 0,30 à 30 Km / h, 
• 0,40 à 10 Km / h. 

Le coefficient de frottement augmente considérablement aux abords de 50 km/h.
Par contre, le coefficient de frottement n'est pratiquement pas influencé par la présence d'eau ce qui fournit une bonne constance des performances de freinage quelles que soient les conditions atmosphériques.

sabot fonte
Sâbot en fonte

Le faible coefficient de frottement des sabots en fonte au-delà de 50 km/h entraîne une limitation de la vitesse à 120 km/h.

Pour circuler à des vitesse supérieure à 120 Km/h, il faut utiliser des freins dits "haute puissance" R.

Cet équipement possède deux étages de freinage et permet de faire varier la pression aux cylindre de frein en fonction de la vitesse de circulation :
• 1er étage : VL entre 50 et 160 Km/h : 3,8 b aux CF, 
• 2ième étage : VL inférieure à 50 Km/h : 1,9 b aux CF.

Avantages :
• Fabrication facile et peu coûteuse, 
• Peu de nocivité sur les roues,
• Provoque un dépolissage bénéfique de la roue, 
• Coefficient de frottement insensible à l'humidité. 

Inconvénients :
• Usure rapide, 
• Bruit important lors des freinages, 
• Enrayage à basse vitesse. 
Les SEMELLES
Les semelles composites
Pour pallier l'insuffisance des coefficients de frottement des semelles fontes à des vitesses au-delà de 50 km/h, des semelles avec des matériaux différents ont vues le jour.

Inconvénients :
• Les engins moteurs équipés de semelles de freins en matière composite ou en matériau fritté sont repérés par la lettre K apposée dans les cabines de conduite de la locomotive afin d'alerter le conducteur de la plus faible efficacité du freinage à faible vitesse en cas de présence d'humidité.
 
lettre k en cabine de conduite
                    
lettre k en cabine de conduite
                                             
Lettre K affichée en cabine de conduite
                                                                                   
Lettre K affichée en cabine de conduite

En effet le coefficient de frottement diminuant sous l'influence de l'humidité, le conducteur doit particulièrement faire attention aux basses vitesses surtout lors des circulations machine seule (HLP).
• Les semelles composites provoquent un polissage important et néfaste de la roue,
• La glace qui se forme sur la surface d’application de ces semelles ne s’élimine que très lentement. Après apparition de cette glace, l’eau résiduelle de fusion empêche le coefficient de frottement de revenir rapidement à sa valeur d’origine.

Avantages :
• Le coefficient de frottement constant des semelles composites permet de réaliser le freinage "HAUTE PUISSANCE", sans avoir recours à des organes de frein asservis à la vitesse réalisant des variations d'efforts, cela permet une simplification des systèmes de frein sur les véhicules. 
• La valeur élevée du coefficient de frottement permet de réduire le nombre de semelles qui induit une simplification des timoneries et de la structure du bogie,
• Elles permettent l'utilisation de bloc de freinage facilement adaptable sur les bogies.
• Meilleure tenue à l'usure, trois à quatre fois moins que la fonte,
• Faible agressivité sur les tables de roulement des roues,
• Gain de poids, trois fois moins lourd).

semelle composite
Semelle composite

2 types de semelles sont utilisés : 
• Semelles à haut coefficient de frottement (0,25) dites semelles K, 
• Semelles à bas coefficient de frottement (0,17) dites semelles L. 

Les semelles composites sont en, carbone + liant + abrasif, et leurs caractéristiques sont les suivantes.
 
Semelles K
Coefficient de frottement est de 0,25. 
 
Avantages :
• Réduction du nombre de semelles grâce au coefficient de frottement élevé permettant de réduire le nombre de semelles donc de simplifier les timoneries et la structure du bogie, 
• Coefficient de frottement constant permet de réaliser un freinage haute puissance sans utiliser un procédé à deux étages de pression,
• Usure faible, 

• Niveau de bruit inférieur à la fonte. 

Inconvénients :
• Le coefficient de frottement diminue avec l’humidité et par période de froid, 
• Provoquent un polissage de la roue,
• Usure rapide et déformation des tables de roulement, 
• Valeur d’achat plus élevée que la fonte compensée par une usure inférieure. 

Semelles L
Coefficient de frottement est de 0,17. 
 
Avantages :
• Réduction du nombre de semelles grâce au coefficient de frottement élevé, 
• Usure faible, 
• Niveau de bruit inférieur à la fonte. 

Inconvénients :
• Le coefficient de frottement diminue avec l’humidité et par période de froid, 
• Usure plus rapide car elles sont moins agressives que les semelles K, 
• Valeur d’achat plus élevée que la fonte. 

Les semellles frittées M
La composition de ces semelles est à base de bronze ou de fer additionnés de carbure et leurs caractéristiques sont les suivantes : 
 
• Leur coefficient de freinage est de 0,25. 
 
Avantages :
• Le coefficient de frottement ne varie pas avec l’humidité, 
• Usure très faible, 
• Provoque un dépolissage bénéfique de la roue,   

Inconvénients :
• Valeur d’achat très élevée. 
• Matériau très agressif pour les tables de roulement
• Niveau de bruit très important.

Les semelles frittées peuvent être utilisées sur les locomotives afin d'éviter des allongements des distances d'arrêt lors des circulations haut le pied sur rails mouillés.

semelle frittee
Semelle frittée
Les DISQUES
Les disques
Pour faire rouler les trains de plus en plus vite, les problèmes se posent surtout en freinage et moins en traction.
L'énergie à dissiper augmente très vite avec la vitesse, et est telle que l'utilisation seule de la roue pour dissiper cette énergie est insuffisante et conduirait à une altération des caractéristiques metallique de la roue.

De plus le freinage sur les roues présente l'inconvénient d'ajouter à la fatigue thermique due au freinage la fatigue mécanique due au roulement .

L’utilisation du frein à disque résoud ce problème.
• Des patins en matière composite pincent des disques à ailettes, en fonte ou en acier, calés sur l’essieu,
• Les ailettes des disques permettent d'évacuer la chaleur due au freinage,
• Leur coefficient de freinage est de 0,35. 
 
Avantages :
• Gain d’efficacité due au fort coefficient de freinage, 
• Economie d’entretien,
• La possibilité de combiner disques et sabots facilite l'évacuation de la chaleur. Les performances en sont améliorées d'autant,
• Réalisation d'un freinage doux et silencieux, exempt de bruits de timoneries.

Inconvénients :
• Création d’une couche de glace lors de période de grand froid, 
• L'adhérence est affaiblie par le polissage dû au roulement,
• Le disque utilisé seul conduit à un polissage néfaste de la roue, 

Pour diminuer ce dernier inconvénient, il faut soit utiliser des antienrayeurs, soit compléter le dispositif par un frein à semelles.(freinage réalisé à 1/3 par les semelles et 2/3 par les disques) 

disque
                        
machoires frein a disque
                                                                  
Disque
                                                                                                                      
Machoires frein à disque

Le FREIN HAUTE PUISSANCE
Pour permettre des vitesses supérieures à 140 km/h, les véhicules concernés sont équipés d’un système de freinage plus performant : le frein "HAUTE PUISSANCE" pour garantir le respect des distances de ralentissement et d'arrêt.
 
Pour cela, il faut : 
•  Augmenter la pression d’air admise aux cylindres de frein, 
•  Utiliser des semelles de frein possédant un coefficient de frottement supérieur : 
     •  Semelles en matériau composite, 
     •  Semelles en matériau fritté, 
• Modification de l’amplification de la timonerie, 
• Utiliser des porte-semelles doubles, 
• Utiliser des freins à disques

Le frein "HAUTE PUISSANCE" est réalisé differement si l'on utilise des sabot en fonte ou des semelles composites.
En effet leurs caractéristiques étant différentes, notamment, variation du coefficient de frotttement et sensibilité à l'humidité, impose aux équipements de frein de s'adapter à ces caractéristiques.

Le frein "HAUTE PUISSANCE" à sabot en fonte
La variation du coefficient de frottement en fonction de la vitesse impose d'avoir un freinage adaptatif en fonction de la vitesse :
• Un effort de freinage maximal pour les vitesses supérieures à 50 Km/h, 
• Un effort de freinage réduit de moitié dès que la vitesse est inférieure à 50 Km/h. 

Cette nécessité d’obtenir deux régimes de puissance conduit à utiliser un relais, appelé variateur de pression, entre le Distributeur et le Cylindre de Frein. Ce variateur est commandé par une électrovalve, elle même pilotée par un générateur tachymétrique.

Le dispositif de freinage ainsi obtenu est dit « Frein à Haute Puissance à 2 étages de pression ». Les véhicules équipés d’un tel dispositif sont repérés R à la suite de l’inscription définissant le type de frein.
• de 160 km/h à 50 km/h : 3,8 bar de pression aux CF (puissance maxi), 
• de 50 km/h à l’arrêt : 1,9 bar de pression aux CF.
Cette réduction de la pression aux sabots permet d'éviter l'enrayage à basse vitesse. Le coefficient de frottement de la fonte augmente au environ de 50 km/h


Certains véhicules aptes à 200 km/h sont équipés d'un frein à trois étapes de pression
Le frein à trois étapes de pression équipe les “voitures C200 grand confort”. 
 
Au-dessus de 160 km/h, on constate l’impossibilité de certains équipements à dissiper la chaleur résultant du freinage. Les étages de pression consistent à faire varier la pression aux CF : 
• De 200 km/h à 160 km/h : 1/2 pression aux CF (évite l’enrayage), 
• De 160 km/h à 50 km/h : pression aux CF (puissance maxi), 
• De 50 km/h à l’arrêt : 1/2 pression aux CF.
 
Le frein "HAUTE PUISSANCE" à semelles composites
Leur coefficient de frottement relativement constant permet de réaliser un freinage «Haute Puissance» sans recourir à des organes asservis à la vitesse. Il en résulte un allégement et une simplification des systèmes de commande sur chaque véhicule.

Le freinage sur les engins moteurs
Les engins moteurs ont une masse importante, qui est de l’ordre de 80 à 90 tonnes en moyenne. 
 
Lors de la circulation d’un engin moteur, l’énergie emmagasinée est très importante, et résulte de la masse de l’engin moteur et de la rotation des masses tournantes des moteurs de traction. 
 
De ce fait, des performances de freinage correcte nécessiteraient un effort de freinage très important pour détruire l’énergie emmagasinée par l’engin moteur.(2 tonnes pour une 17000). 
 
Mais le frottement des semelles sur les tables de roulements entraînerait des dégradations dues à la chaleur (criques thermiques, fissures,…). 
 
Cela aurait pour conséquences, une usure rapide des semelles, un changement rapproché des essieux moteurs, qui entraînerait une indisponibilité de l’engin moteur, et un coût important pour l’entreprise. 
 
Pour éviter ces dégradations, les performances des engins moteurs sont donc modestes. La vitesse à respecter pour une circulation haut-le-pied est de maximum 100 km/h. 
 
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 mécanicien.
 
On utilise les moteurs de traction en génératrice. Ils produisent du courant : 
• Qui est diffusé dans un rhéostat : c’est le freinage rhéostatique, 
• Qui est diffusé dans la caténaire : c’est le freinage par récupération. 
 
Lorsque ce freinage électrique entre en action, le freinage pneumatique de l’engin moteur est neutralisé afin d'éviter de détériorer inutilement les tables de roulement.