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Les MOUVEMENTS PARASITES





PRÉAMBULE
Lors de son déplacement un engin moteur est soumis en permanence à des sollicitations mécaniques qui sont dues :
• Aux imperfections de la voie,
• Aux  suspensions, primaire et secondaire,
• Aus défauts des roues,
• ...

Ces mouvements perturbent le déplacement de l'engin moteur et peuvent :
• Endommager de la voie,
• Endommager l’engin moteur,
• Diminuer le confort,
• Dans les cas extrèmes, s’ils sont amplifiés par la vitesse ou par des phénomènes de résonance, occasionner des déraillements.

La stabilité d’un véhicule ferroviaire est fonction de l’importance des mouvements parasites qui perturbent le déplacement parfait qui devrait se situer dans l’axe de la voie.

Ces mouvements d’amplitudes et de fréquences variables sont fonction de l'importance des déplacements verticaux et transversaux :
• La stabilité verticale est essentielle pour le confort du véhicule. Elle agit directement sur la sensation ressentie par les voyageurs et le personnel de service, 
• La stabilité transversale bien qu’ayant également une incidence sur le confort du véhicule, doit être surtout considérée sous l’aspect sécuritaire : 
   • Détérioration de certains organes du véhicule, 
   • Risque de ripage de la voie ou de déraillement dans les cas extrêmes. 

De plus elle peut produire des défauts de captation de courant par le pantographe.

Une instabilité ne peut se manifester que lorsqu’elle est provoquée par un ou plusieurs des trois facteurs ci-après : 
• Les défauts de voie,
   • Le dressage (alignement de la voie par rapport à un plan vertical), 
   • Le nivellement, 
   • Les joints de rails, 
   • L’écartement de la voie. 
• Le lacet des essieux ou des bogies, 
• Les défauts du tour de roue. 

Ces divers mouvements, seuls ou combinés, peuvent en fonction de la conception du matériel, de son état d’entretien et des conditions d’utilisation, provoquer à partir d’un certain seuil l'instabilité d’un véhicule. 
Ces phénomènes sont des mouvements périodiques qui se répètent à interval régulier appelé « Période ». 
• La période se mesure en secondes et fractions de secondes, 
• La fréquence est le nombre de périodes dans l’unité de temps : La seconde. Elle s’exprime en Hertz

Lorsque l’accélération et la fréquence de ces mouvements périodiques dépassent certaines valeurs il y a instabilité.

Le comportement dynamique du système roue-rail est fortement influencé par l'état des surfaces en contact.
Ces surfaces ne sont jamais parfaitement lisses et si ces imperfections permettent à la roue de trouver un appui nécessaire pour provoquer un déplacement, elles génèrent des vibrations et des bruits de roulement.

D'autres défauts peuvent apparaître au cours de la circulation, (plat au roue, défaut de nivellement de la voie,...) qui amplifie ces nuisances et augmentent la dégradation du rail et des véhicules.

De plus les engins moteurs ou remorqués sont équipés de suspension primaire et secondaire qui permettent : 
• De répartir la masse du matériel sur toutes les roues,
• D'amortir les chocs, trépidations, balancements,
• D'améliorer l’adhérence, tant en traction qu’en freinage,
• D'améliorer le confort des personnes et des appareils embarqués.  

La conjugaison des imperfections du contact roue-rail des défauts de la voie et des suspensions des engins moteurs génèrent des instabilités du matériel ferroviaire qui sont guidés par les rails dans une direction longitudinale mais également transversale.

La caisse peut être soumis à 6 types de mouvements qui s'exercent sur 3 plans : Vertical, longitudinal, transversal :
Les mouvements de translation :
Translation verticale : 
    • Mouvements de réaction induits par :
       • Les joints de rail,
       • Les défaut de la table de roulement des roues (excentricité, plat,...),
       • Les irrégularités d'élasticités de la voie,
       • Le balourd d'un essieu sur un autre,
       • Les suspensions,
Translation longitudinale :
       • Long rail soudé (LRS) (joint de dilatation), 
       • Profil de la ligne,
       • Cabrage de caisse,
       • Effort moteur,
       • Adhérence,
Translation transversale :
    • Mouvements de réaction induits par le support :
       • Aux efforts d'inscription en courbe,
       • A l'insuffisance de dévers,
       • Aux irrégularités de la voie,
       • Profil de roue,
       • Différence de diamètre entre les roues,
       
       • Alignement des voies,
       • Défauts de dressage (alignement de la voie par rapport à un plan vertical), de nivellement, d’écartement,
       • Appareils de voie,
       • Profil de voie,
       •...

Les mouvements de rotation :
• Rotation autour de l'axe longitudinal et parallèle à la voie (Le roulis),
• Rotation autour de l'axe transversal et perpendiculaire à la voie (Galop ou tangage),
• Rotation autour de l'axe vertical et perpendiculaire à la voie (Le lacet).
Le MOUVEMENT de LACET
Le lacet est un mouvement conjugué de va et vient transversal et de rotation des essieux sur la voie.
Sollicités par la forme conique des roues et par les irrégularités du chemin de roulement, les essieux se déplacent en alignement droit et en courbe non pas selon une trajectoire parallèle à l’axe de la file de rails, mais en décrivant une sinusoïde.
Lorsque l’amplitude du mouvement de lacet est importante, les boudins sont appliqués brutalement contre le rail et les chocs qui en résultent sont nuisibles à la bonne tenue en service du matériel.

Ce mouvement est dû :
• Aux inégalités de la voie,
• A la conicité des tables de roulement,
• A l'état des tables de roulement (blocage, dépôt de métal sur les bandages de roue),
• Aux jeux des essieux,
• A la vitesse.

mouvement de lacet
Mouvement de lacet

conicite de la table de roulement
Conicité de la table de roulement

apport de metal
                
avarie table roulement roue
                      
inegalite de voie
                                   
Avarie table de roulement
                                       
Avarie table de roulement
                                                                       
Inégalité de voie

Le problème de stabilité se pose différemment suivant que le véhicule circule en alignement ou en courbe. En général dans les courbes le lacet n'existe pratiquement pas, les roues étant en appui constant sur la file de rail extérieure sous l'action de la force centrifuge. 

Ces oscillations transversales peuvent au-delà d'une vitesse dite "vitesse critique", changer de nature et présenter un mouvement de lacet très violent.

Le mouvement de lacet dont l'importance est fonction de la vitesse, est le plus dangereux de tous les mouvements parasites. En effet il est le seul mouvement parasite à placer l'engin moteur sur une trajectoire non parallèle aux rails.

Il peut provoquer le déraillement du train.
Le lacet d’essieu 
La forme conique de la table de roulement est à l’origine du lacet d’essieu. 
Lors du lacet, l’essieu effectue par rapport à l’axe longitudinal de la voie un mouvement composé d’un déplacement transversal et d’une rotation. Il s’agit d’un mouvement périodique dont la longueur d’onde est de l’ordre d’une vingtaine de mètres. 

La longueur d’onde du lacet se modifie lorsque les essieux sont rendus solidaires par le châssis de bogie. Ceci résulte de l’apparition de glissements supplémentaires dus aux liaisons des essieux entre eux.
De part les liaisons du bogie avec la caisse, le lacet de bogie a une influence très importante sur les mouvements transversaux de caisse.
Il est indispensable de freiner ce mouvement de lacet par l’intermédiaire de la caisse en adaptant entre caisse et bogie des mécanismes dit anti-lacet.
La fréquence et l’amplitude du lacet de bogie sont fonction du profil de la roue, mais aussi de la conception du bogie.
Les mécanismes anti-lacet, destinés à freiner le lacet de bogie, doivent être réalisés avec le minimum de jeu et d’élasticité afin qu’ils entrent en action très rapidement étant donné la faible rotation que prend le bogie dans son mouvement de lacet.

Le lacet d’essieu ne se produit qu’en alignement.
 
conicite de la table de roulement
Conicité de la table de roulement

Le lacet de bogie 
La longueur d’onde du lacet se modifie lorsque les essieux sont rendus solidaires par le châssis de bogie. Ceci résulte de l’apparition de glissements supplémentaires dus aux liaisons des essieux entre eux. 
 
La fréquence du lacet de bogie est sensiblement proportionnelle à la vitesse.
La fréquence diminue lorsque l’empattement augmente. 
 
La fréquence du lacet de bogie est d’environ la moitié de la fréquence du lacet d’essieu. 
 
L’expérience montre que : 
• La fréquence du lacet du bogie augmente lorsque le jeu de l’essieu dans la voie diminue et lorsque les roues s’usent, 
• La fréquence du lacet est sensiblement proportionnelle à la vitesse jusqu’à 100 km/h et tend ensuite vers une valeur limite atteinte pour des vitesses très élevées (250 à 300 km/h), 
• La fréquence de lacet diminue lorsque le coefficient de frottement de la roue sur le rail diminue (pluie, brouillard, givre).
 
De par les liaisons du bogie avec la caisse, le lacet de bogie a une influence très importante sur les mouvements transversaux de caisse.
 
Lutte contre le lacet de bogie
Sur le matériel roulant le mouvement de lacet est combattu en :
• Limitant la vitesse,
• Freinant les mouvements du bogie par rapport à la caisse à l’aide d’amortisseurs anti-lacet.
   • Utilisation des dispositifs de friction,
   • Des amortisseurs hydrauliques,
   • Les blocs sandwichs se déforment en cisaillement et atténuent le mouvement de lacet. 

position amortisseur anti-lacet
Position amortisseur anti-lacet

amortisseur anti-lacet
Amortisseur anti-lacet

Les dispositions suivantes sont parmi celles recommandées pour repousser le seuil de la vitesse critique : 
 • Réduction de la masse non suspendue des bogies ; les bogies de locomotives sont de ce point de vue toujours défavorables du fait de leur masse élevée ; c'est pourquoi les moteurs de traction des TGV sont fixés à la caisse : 
• Augmentation de l'empattement,
• Couple de rotation caisse-bogie augmentée au moyen d'amortisseurs anti-lacet, lesquels possèdent l'avantage sur les appuis frottants de conserver leurs caractéristiques dans le temps, 
• Profil des tables de roulement avec une faible conicité (1/40 à l'état neuf). 
 
• Au niveau de la voie, en corrigeant les imperfections horizontales du rail.
Le MOUVEMENT de ROULIS
Le roulis est un balancement de la locomotive dans un plan transversal, tendant à la faire osciller autour d'un axe longitudinal. 

mouvement de roulis
Mouvement de roulis

• Ce mouvement à pour origine une dénivellation d'un rail par rapport à l'autre, mais également lors du passage d'un train sur des appareils de voie.

Le mouvement de roulis est amplifié par un défaut :
• Les défauts de voie,
• De réglage de la suspension (d’un côté par rapport à l’autre),
• Une différence d'élasticité des ressorts :
     • Les ressorts hélicoïdaux restituent intégralement les mouvements aux parties suspendues et favorisent de ce fait le mouvement de roulis. Pour les locomotives circulant à grande vitesse il peut donc être   nécessaire de leur adjoindre des amortisseurs verticaux,
• Une usure ou une avarie des amortisseurs.

Lutte contre le mouvement de roulis
• Sur le matériel roulant : les suspensions par ressorts hélicoïdaux favorisent le mouvement de roulis. Pour pallier cet inconvénient, on utilise des ressorts hélicoïdaux concentriques à pas contraires, associés ou non à des amortisseurs à friction ou hydrauliques. 

Il existe également des barres anti-roulis, qui absorbent ce mouvement. La caisse sous l’effet du roulis met la barre métallique en torsion qui absorbe une partie de l’énergie. Les blocs sandwichs se déforment en cisaillement pour lutter contre le mouvement de lacet, mais aussi en compression ce qui limite les mouvements de roulis. 
 
• Au niveau de la voie : en corrigeant les imperfections verticales du rail.
 
ressorts hélicoïdaux concentriques à pas contraires
Ressorts hélicoïdaux concentriques à pas contraires

ressorts hélicoïdaux concentriques à pas contraires
Ressorts hélicoïdaux concentriques à pas contraires
Le MOUVEMENT de GALOP
Le galop est un mouvement vertical qui tend à faire abaisser alternativement la locomotive vers l'avant puis vers l'arrière. 

• Ce mouvement est déclenché par la non-planéité de la voie, et est amplifié par la flexibilité des ressorts.

mouvement de galop
Mouvement de galop

La voie n'étant jamais parfaitement plane, la suspension reçoit des secousses qui se trouvent amplifiées par la flexibilité des ressorts. 
 
La résultante des forces perturbatrices crée un couple situé dans le plan longitudinal de l'engin moteur.
 
Lutte contre le mouvement de galop
• Sur le matériel roulant : les amortisseurs verticaux fixés entre la caisse et le châssis de bogie atténuent les mouvements verticaux de la caisse et limitent le mouvement de galop. Il existe également sur certain EM des amortisseurs anti-galop.