Des trains et des freins

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Qui dit train, vitesse, accélération dit aussi… freinage !

Et bien que peu considéré, le freinage ferroviaire n’a rien d’anodin. Il doit permettre de moduler la vitesse du train en service normal (arrêts, ralentissements…), ainsi que de l’immobiliser en urgence. Les problématiques liées à la sécurité sont particulièrement contraignantes, et à peu près aussi complexes à résoudre que celle de la motorisation. Ceci est vrai tant pour les système ferroviaires « légers » (tramways, métros…), que pour les trains « lourds » (TGV, Fret…) pour lesquels l’importance des masses et des vitesses conduit à d’énormes besoins de dissipation d’énergie (la fameuse énergie cinétique).

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La recherche continue d’une meilleure efficacité énergétique dans le domaine des transports (malgré le fait que le ferroviaire soit déjà loin devant ses concurrents), amène à de nouvelles techniques, et ce depuis longtemps déjà. Ainsi certains des dispositifs de freinage sont capables de récupérer l’énergie au lieu de la dissiper à perte.

Il existe diverses technologies pour répondre à l’ensemble des exigences pré-citées. Aucune ne peut répondre seule à l’ensemble des critères, parce que leur efficacité n’est pas satisfaisante dans toutes les configurations d’utilisation, et parce que la contrainte de sécurité demande une fiabilité qui n’est accessible que par de la redondance. Une rame de TGV est par exemple typiquement équipée de « 5 modes » de freinage. Nous allons donc essayer de faire un tour des dispositifs utilisés dans le monde ferroviaire.

Le frein pneumatique :

Le frein pneumatique a été inventé par Georges Westinghouse. Plusieurs essais ont eu lieu, et son système fut amélioré avec trois objectifs principaux pour ce frein : être continu, automatique et inépuisable.

George Westinghouse

Il est constitué d’une conduite d’air sous pression. Elle permet la commande des frein sur tous les véhicules. Lorsqu’elle est sous pression, cela constitue l’état desserré des freins, ainsi en cas de fuite les freins sont serrés, ce système est donc sécuritaire.

Principe de fonctionnement

Continu : 

Le frein est constitué d’une conduite, qui parcourt le train. On le dit continu, car le conducteur et/ou les agents de train peuvent actionner les freins en tout point du train. Lors des essais de freins (indispensables aux départ d’un train) les agents vérifient selon une procédure stricte, que la conduite est effectivement continue, et qu’une action sur cette dernière provoque bien une réaction sur chaque véhicule.

Automatique :

Le frein est  dit automatique si, lorsque la ligne de commande qui parcourt le train se rompt en un point quelconque du convoi, le freinage est commandé de manière automatique sur les deux parties du convoi, sans autres actions du conducteur. Ce dernier sait qu’il y a un problème à travers la visualisation des manostats en cabine, indiquant la pression (ou absence de pression) dans la conduite de frein. Donc si un attelage entre deux voitures ou wagons se rompt, il est très peu probable de voir des scénarios catastrophes à l’américaine…

Inépuisable :

Lorsque l’on utilise le frein de manière répétée (longue descente par exemple), il doit toujours garder les mêmes caractéristiques, les même valeurs (puissance) de freinage. Cette « continuité » d’efficacité concerne la commande du frein. Autrement dit il faut qu’à chaque fois que l’on commande un desserrage, il soit immédiatement possible de re-freiner sans perte d’efficacité due aux actions répétées.

Ces trois caractéristiques (avec d’autres, annexes) sont donc les constituants de la commande du frein. Une fois que cette commande à transmis l’ordre, vient l’application, à l’aide de semelles de frein directement sur les roue (wagons, ou certaines voitures voyageurs). Il existe des semelles faites dans différents matériaux (fonte, composite, fritté…), tous présentant des inconvénients (agressivité sur les roues, coefficient de frottement faible, coût…).

C’est au cours des années 60-70 que le frein à disque a fait sont apparition sur le matériel ferroviaire. Avec l’augmentation des vitesses il fallait trouver le moyen d’augmenter la dissipation thermique, en sollicitant les roues dans des limites raisonnables. Le principe diffère peu des freins sur véhicules routier, la commande est la même que pour les semelles.

Le frein Hydrodynamique :

Il existe deux types d’engins utilisant des moteurs diesel. Les diesel-électrique, qui fonctionnent comme la Toyota Prius, soit un moteur diesel qui entraîne une génératrice. Le courant ainsi produit alimente des moteur de traction électrique. En quelque sorte, on peut dire qu’il s’agit d’une locomotive électrique dans laquelle on a embarqué une centrale électrique au fioul… Ce système de transmission électrique était plus simple à produire, et consomme moins de carburant qu’avec une transmission autre. Pour la petite histoire si le système est révolutionnaire pour l’univers de l’automobile, il existe au chemin de fer depuis… les années 60, avec le très important parc de BB 67400 notamment.

Une BB67400, machine diesel-électrique

Par opposition il existe d’autres engins qui utilisent une transmission via boite hydraulique, aussi appelée  convertisseur de couple. Ces machines on la particularité de pouvoir utiliser cette boite, pour freiner, il s’agit d’une sorte de frein moteur. Aujourd’hui de moins en moins répandu cependant, car ces engins disparaissent au profit des diesel-électrique.

Le frein électrodynamique :

Dans un train comme dans beaucoup d’autres domaines nous utilisons des moteurs électriques. Il s’agit d’un ensemble de bobinages, avec des pôles, lorsque l’on envoie du courant dedans (c’est très simplifié, hein 🙂 ) le moteur tourne. Bien assez classique. Mais ces machines sont capables de fonctionner « à l’envers » !

Si l’on fait tourner l’arbre d’un moteur électrique et que l’on branche à ses bornes une charge (résistance par exemple), eh bien il produit du courant, et débite dans cette charge. Dans le même temps apparaît sur l’arbre du moteur un effort résistant, tendant à ralentir l’origine du mouvement. Et cela fonctionne avec les génératrices de tout type, courant continu, synchrone ou asynchrone. Donc toutes les machines électriques, ainsi que les machines diesel-électrique que nous avons vu plus haut, peuvent utiliser leur moteurs électriques pour freiner.

L’énergie ainsi produite peut être utilisée par les autres trains, ou être renvoyée dans la caténaire sous certaines conditions, on appelle ça le frein à récupération. Lorsque ce n’est pas possible, l’énergie est dissipé dans des batteries de rhéostats (des grosses résistances, dont on peut régler la valeur, comme un radiateur électrique un peu) souvent placé en toiture, il s’agit du frein rhéostatique.

Les autres freins :

D’autres systèmes annexes permettent de freiner dans certains cas seulement. Le frein électromagnétique en cas d’urgence. Il s’agit d’un patin qui s’applique sur le rail, dans lequel on envoie du courant, ce qui en fait un aimant puissant. Il aide la machine à freiner dans les situations d’urgence.

Il y a de nombreux freins d’immobilisation, qui prennent le relais des système pneumatique pour les périodes de garage de longue durée.

Enfin de nombreux systèmes n’ont pas trouvé d’écho sur notre réseau mais sont utilisés ailleurs dans le monde, avec souvent des points communs mais une mise en œuvre différente de nos solutions.

L’ensemble de ces inventions ont permis, un peu dans l’ombre il est vrai, de faire qu’aujourd’hui les gens prennent place dans un TGV et lisent ou boivent leur café tranquillement à 300, voire 320 km/h, sans penser à leur sécurité. Le frein est une des nombreuses briques qui ont amené à cet état de fait, mission accomplie ? Pour les objectifs que nous avons évoqués, oui. Mais aujourd’hui eco-mobilité oblige, le frein doit de plus en plus récupérer l’énergie qu’il produit, de mieux en mieux la réutiliser, pour faire du train un moyen encore plus propre, et rester ainsi sur la plus haute marche du podium dans ce domaine 😉

Le train est un bon moyen de lutte contre les émissions de CO², si la politique ne le boude pas…

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