1.7.2.     Courbes caractéristiques adhérence/glissement

On a établit des courbes caractéristiques adhérence/glissement 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Régulation de la pression dans les cylindres de frein

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.9.                   Autres systèmes de freinage

1.9.1.     L'équipement de frein électromagnétique  [38],[14]

L'adhérence des roues sur le rail constitue une des limites imposées à l'accroissement des performances de freinage. Or il existe un moyen d'améliorer ces performances en faisant appel à des freins indépendants de l'adhérence roue-rail, agissant sur le rail lui-même. Un exemple type de ces systèmes est le frein électromagnétique, utilisant un patin frottant sur le rail, sur lequel il est appliqué avec force par des électro-aimants.

L'équipement de frein électromagnétique est monté en complément des autres équipements de frein sur certains engins moteurs et sur certains véhicules aptes aux grandes vitesses. Il comprend essentiellement:

     - des cylindres d'application qui reçoivent l'air nécessaire à la mise en contact des patins sur le rail.

     - des patins électromagnétiques  (électro-aimants)  qui créent la force d'application sur le rail.

                        Ce type de frein s'installe généralement dans le châssis du bogie. Le patin est normalement suspendu à quelques centimètres au-dessus du rail.

    

                        Lorsqu'on veut freiner, on crée une dépression donnée dans la conduite générale. L'équipement de  frein électromagnétique  entre  en  action  automatiquement, les 4 cylindres de relevage sont alimentés en air et il abaissent l'ensemble formé des 2 patins, réunis par des poutres de liaison, sur les rails. On excite les électro-aimants. Le produit de la force d'application d'origine électromagnétique, par le coefficient de frottement (m) des masses polaires sur le rail, provoque des efforts retardateurs importants, qui sont transmis au bogie par des supports aménagés.  

            Au cours du freinage, le centrage de l'ensemble des patins sur les rails est principalement d'origine magnétique. Des poutres de liaison maintiennent l'écartement des deux patins.

            Lors du desserrage, les cylindres de relevage sont mis à l'atmosphère. Les bobines sont désexcitées simultanément et la force d'attraction magnétique est annulée. Les ressorts de rappel des cylindres de relevage ramènent alors le patin en position haute.

            Ces freins ont, le plus souvent, été montés sur des véhicules automoteurs et sont généralement utilisés comme freins d'urgence et non comme freins de service. Un robinet d'isolement permet, lorsqu'il est fermé, de neutraliser l'action de l'équipement de frein électromagnétique.

     On a souvent reproché à ce système de dégrader la surface des rails et de donner naissance à des courants susceptibles de perturber la signalisation. Il semble toutefois que les derniers perfectionnements apportés à ces types de frein aient permis d'éliminer ces inconvénients. De nos jours ce type de frein est surtout utilisé sur des voitures ou automotrices dont la vitesse est supérieure ou égale à 160 km/h, sur les trains de montagne et sur les tramways.

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1.10.              Le frein électrique  [8],[2]

 

Toutes les locomotives comportent un équipement de frein à air. Cependant, dans le cas des locomotives électriques ou Diesel, on peut utiliser comme moyen de freinage propre de la locomotive l'effort de retenue créé par les moteurs électriques fonctionnant en génératrices. L'énergie électrique produite peut être dissipée:

 

-         soit dans des résistances (celles de démarrage lorsqu'il y en a) : c'est le frein rhéostatique, applicable aux locomotives Diesel-électriques et électriques.

-         soit dans le caténaire: c'est le frein à récupération, applicable aux locomotives électriques.

 

Ils permettent tous deux, de disposer grâce à l'engin moteur d'un effort retardateur du même ordre que celui qu'il peut exercer en traction.

 

Le frein électrique constitue une excellente méthode pour freiner les locomotives, permettant de ménager les roues de celle-ci. Il doit, bien entendu, être combiné avec le frein à air comprimé agissant sur la rame, pour obtenir l'arrêt sur la distance voulue. Il est ainsi, en général, commandé en même temps que les autres freins par le robinet de frein automatique. L'installation comporte des dispositifs permettant:

 

-         de régler la valeur de l'effort retardateur du frein électrique en fonction de la dépression effectuée dans la conduite générale.

-         de limiter sur l'engin moteur l'effort développé par les autres freins de manière à limiter l'adhérence sollicitée.

-         De rétablir la pleine efficacité des autres freins de l'engin moteur en cas de défaillance du frein électrique.

 

Ce frein peut également être mis en œuvre indépendamment des autres freins par manœuvre du manipulateur de traction. Etant dès lors graduable, il sera utilisé pour maintenir des vitesses constantes lors de descentes des longues pentes. Le freinage  de la locomotive ainsi réalisé permet de retenir des rames importantes..

 

Ce frein est rarement considéré comme frein de sécurité, les locomotives doivent, de toute façon, posséder un équipement de frein pneumatique de puissance suffisante. Cela est dû au fait qu'on observe parfois des ratés du déclenchement de frein électrique, ce qui n'offre bien entendu aucun danger pour l'exploitation, le frein pneumatique, toujours disponible, étant alors mis en action presque instantanément (voir automatiquement).

 

L'utilisation combinée du frein électrique et des autres freins permet de conférer à l'engin moteur une efficacité de freinage qu'il ne serait pas possible d'atteindre par les seuls freins à frottement, compte tenu de certains impératifs de construction: masse élevée de l'engin … 

Exemples de courbes EFFORT - VITESSE:

 

Zone de Texte: Caractéristique F(V) en Freinage Rhéostatique

 

 

 

Zone de Texte: Caractéristique F(V) en Freinage par Récupération

 

 

 

1.11.              Le frein à courant de Foucault

           

Ces freins ont été découverts suite à une recherche lancée dans le but de développer un nouveau type de frein, indépendant de l'adhérence. En effet pour atteindre les nouvelles performances technologiques dans le domaine de la vitesse, et ce avec un coût d'exploitation économique, il a fallu disposer sur la rame d'un freinage dynamique puissant: les limites physiques de l'adhérence roue-rail sollicitable étant dépassées, l'utilisation d'un frein indépendant de celle-ci devenait nécessaire.

 

1.11.1.Le principe de l'induction  [8],[16]

 

            Selon la loi de l'induction, un champ magnétique variable dans le temps produit dans un conducteur des forces électromotrices et donc des courants électriques. Ces derniers forment des lignes de courants fermées, en tourbillon, appelées "courants de Foucault". Un frein à courant de Foucault est constitué d'une suite alternée de pôle Nord et sud faisant face à un induit. Si l'on déplace les pôles par rapport à l'induit (ou inversement), le champ magnétique variable en un point de l'induit y produit ces courants. Le champ électromagnétique induit s'oppose à la variation du champ inducteur, donc au mouvement qui a entraîné cette variation. Une force s'opposant au mouvement apparaît: l'effort de retenue. L'énergie de freinage correspondante est ensuite dissipée par effet joule sous forme de chaleur. A l'arrêt, les lignes de flux inducteur sont symétriques à l'axe du circuit magnétique: l'effort d'attraction A est alors dirigé verticalement. Pendant la marche se crée une déformation de l'effort A dans le sens inverse du déplacement générant un effort horizontal: l'effort de retenue B.

Basés sur ce principe électromagnétique, deux types de freins ont été développés:

 

1.11.2.Frein rotatif à courants de Foucault  [8]

 

Ce type de frein rotatif comprend des dispositifs engendrant un effort retardateur par voie électrique, en créant de courants de Foucault dans une masse métallique tournant dans un champ magnétique.

Il existe des systèmes de freins rotatifs du genre "ralentisseur". Ce type de frein comporte un rotor disposé sur l'arbre à freiner et constitué de deux disques auto ventilés placés de part et d'autre d'un stator avec un entrefer de quelques millimètres. Malheureusement les difficultés et les complications de montage ainsi que l'encombrement ont fait renoncer à l'utilisation d'un tel appareillage.

On peut trouver aussi des freins SNEF (Sans Entrefer Ni Frottement) qui sont essentiellement composés d'un bobinage qui entoure la partie inférieure des roues des essieux. Lorsque ces bobines sont alimentées par un courant continu, il apparaît des courants de Foucault générateurs d'effort retardateurs dans chaque pièce en mouvement placée dans le champ magnétique inducteur. On retrouve donc ces courants dans les jantes des roues mais aussi dans le rail en raison du déplacement linéaire du champ. Les courants induits dans le rail engendrent un effort retardateur complémentaire qui se transmet au véhicule sans adhérence. Par ailleurs, l'attraction magnétique roue-rail renforce la charge de l'essieu au moment du freinage, ce qui est bénéfique au plan de l'adhérence. En revanche, l'alimentation de ce frein nécessite plusieurs centaines d'ampères.

 

 

 

 

 

1.11.3.Frein linéaire à courants de Foucault  [8],[13]

            Ce frein date des années 70, il comporte deux patins par bogie, placés à quelques millimètres au-dessus des deux files de rails, entre les roues des deux essieux du bogie. Chaque patin est alimenté en courant continu et fonctionne en utilisant le rail comme un induit.

     

 

 

 

 

   Le principe de ce matériel s'apparente à celui du patin électromagnétique: dans les deux cas, il s'agit de magnétiser, par une source de courant continu, des pôles magnétiques en fer doux, bobinés. Dans le cas du frein de Foucault, le patin, abaissé par des vérins pneumatiques, est maintenu à quelques millimètres au-dessus du rail, l'espace entre les deux constituant l'entrefer.

    

Zone de Texte:

 

On obtient ainsi par un bobinage approprié, une succession de pôles nord et sud: l'inducteur est le patin porté par le véhicule, l'induit est le rail, magnétique et conducteur qui assure le retour du flux. Chaque pôle du patin envoie un champ magnétique dans le rail. Par suite du déplacement de l'engin, chaque surface élémentaire du cham­pignon du rail subit une variation d'induction et devient par suite te siège d'une force électromotrice induite, laquelle va donner naissance à un courant de Foucault dans le rail de façon à créer un nou­veau champ qui va s'opposer au champ inducteur initial. Chaque élément de rail sera soumis à une force longitudi­nale proportionnelle à l'induction globale et au courant précité induit dans le rail. Le patin subira une force de même valeur en sens inverse qui freinera le véhicule.

 

Le frein à courants de Foucault fonctionnera en conjugaison avec le frein électrique: lors d'une demande de freinage,  ce dernier se met en action d'abord ; si son effort n'est pas suffisant pour respecter la demande, le complément sera assuré par celui-là.