(article modifié le 14.07.2018)
Il est difficile d'expliquer la boite d'essieu sans s'exprimer sur l'essieu et les roues. En effet, le trio est indissociable et les ingénieurs de l'époque l'ont bien compris dès le début du chemin de fer. Avant de s'expliquer sur ces organes importants dans la bonne marche d'un convoi ferroviaire, j'ai décidé de commencer l'article avec un peu d'histoire ferroviaire.
Il est difficile d'expliquer la boite d'essieu sans s'exprimer sur l'essieu et les roues. En effet, le trio est indissociable et les ingénieurs de l'époque l'ont bien compris dès le début du chemin de fer. Avant de s'expliquer sur ces organes importants dans la bonne marche d'un convoi ferroviaire, j'ai décidé de commencer l'article avec un peu d'histoire ferroviaire.
1] UN PEU D'HISTOIRE
Dans un livre de 1787, Jean de Crèvecoeur frappé de voir des employés souffrirent à la tâche en poussant des charrettes extrêmement lourdes à essieux fixes proposent d'utiliser en France des charrettes à essieux tournants qui l'a pu voir en service aux États-Unis. L'essieu tournant réduit considérablement la résistance au roulage pour la même charge.
Au début du chemin de fer, les wagons sont des chariots dont les roues ont été adaptées pour circuler sur les voies ferrées. Ils sont constitués d’un châssis en bois surmonté de parois également en bois et reposant sans organes de suspension sur deux essieux en bois.
Les chariots employés sur les chemins de fer présentaient des formes très variées suivant les différentes marchandises qu'ils étaient destinés à transporter. Pendant longtemps, les chemins de fer ont utilisé que des roues en bois. Elles étaient aménagées d'un rebord destiné à guider la roue sur le rail sur un des côtés de la jante. Quant aux essieux, ils étaient en bois ou en fer forgé et fixés à demeure dans les moyeux. L'emploi de roues en bois présentait un inconvénient important, il était presque impossible de leur donner une forme parfaitement circulaire et il en résultait des mouvements verticaux qui consommait inutilement une partie de la force motrice. Afin de remédier aux inconvénients de la roue en bois, la roue en fonte a fait son apparition.
Il est assez difficile de préciser l'époque à laquelle l'usage des roues en fonte a vraiment débuté, mais dans un dictionnaire publié en 1754, on y trouve le dessin d'une roue en fonte employée pour les chariots qui transportaient des pierres d'une carrière en Angleterre. La roue en fonte est citée dans l'ouvrage comme offrant un avantage incontestable par rapport aux roues en bois. Toujours en Angleterre, il semblerait qu'en 1765 on employait généralement deux roues en fonte et deux en bois. Ces roues étaient équipées d'un frein manuel qui était actionné par une personne. Les sabots étaient formés de deux pièces de bois de hêtre ou de fer qui permettaient un effort de retenue destiné à modérer la vitesse dans les pentes.
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| Frein manuel |
Trempe en coquille : opération qui consiste à couler la jante dans un moule cylindrique en fer froid. La fonte par le refroidissement subit qu'elle éprouve dans le moule acquiert une dureté et permet une résistance accrue à l'abrasion ainsi la roue ne peut plus être attaquée par les rails.
Les roues employées étaient à rayons en bois et ensuite en fer malléable après la découverte de la trempe en coquille avec un moyeu percé d'un trou destiné à recevoir l'essieu.
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| Roue en fer |
Le procédé mis en place par William Losh et George Stephenson a amélioré nettement la durée de vie des roues et le procédé a permis d'obtenir des roues circulaires ce qui a diminué la résistance à l'avancement par l'irrégularité de la circonférence.
Les progrès de la métallurgie ont permis ensuite de construire des chariots plus perfectionnés et plus robustes.
La maîtrise du fer fondu a débouché sur des essieux en fer aux extrémités carrés et ajustés au moyeu de la roue. Le chariot repose sur l'essieu par l'intermédiaire d'une crapaudine toujours graissée ou huilée afin de diminuer le frottement dans laquelle l'essieu peut tourner librement. Cette crapaudine est fixée au châssis du chariot et cette crapaudine joue entre autres le rôle d'intermédiaire entre le châssis et les roues pour produire l'entraînement des véhicules. Elles entourent complètement les fusées en leur transmettant la charge du véhicule et obligent les essieux à suivre le mouvement de translation du châssis. Les premières boites étaient un monobloc, mais l'usure rapide obligeait de démonter et de remplacer l'ensemble de la boite. C’était techniquement et économiquement non viable à long terme.
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| Boite d'essieu monobloc |
Malgré tous les systèmes imaginés à propos des crapaudines, des boites de roues, des boites de graissage ou des boites d'essieux, l'importante question du graissage du matériel était toujours l'objet d'une grande préoccupation dans tous les chemins de fer. Aucun des systèmes employés ne semblait satisfaire complètement à toutes les conditions souhaitées et imposées pour ces organes dont les principales préoccupations étaient la réduction du coefficient de frottement, la facilité de visite pour l'entretien, l'économie d'huile ou de graisse et l'étanchéité de la boite.
Il était d'usage pour la lubrification des fusées des voitures et des wagons d'utiliser de la graisse, de l'huile ou même de l'eau savonneuse qui a été vite abandonnée dans les chemins de fer.
Employée dès l'origine des boites, la graisse a conservé longtemps la préférence sur l'huile dans certains pays notamment en France et en Angleterre. La compagnie PLM a adopté le graissage à l'huile des essieux des voitures et des wagons en 1871.
L'emploi de l'huile est préféré dans la plupart des chemins de fer. Aux États-Unis, l'usage de l'huile était exclusif. En Allemagne et en Autriche, les huiles végétales et minérales étaient employées depuis très longtemps.
Ensuite le graissage à l'huile était d'un usage universel pour le matériel roulant. La pratique se divisait entre l'emploi de tampons graisseurs et de packing. Les deux méthodes paraissaient satisfaisantes à condition que l'on y prête l'attention voulue à la construction et à l'entretien.
L'emploi du packing a l'avantage d'être simple, mais les réseaux lui reprochent d'être d'un entretien assez coûteux et d'une efficacité insuffisante. Sur le Chicago North Western, le nombre des chauffages s'est élevé à 3 576 en 1937, soit un chauffage pour 240 000 km/wagon.
Dans les cas où le tampon graisseur est remplacé par du packing, celui-ci est contenu dans une sous-boîte de laquelle il déborde en embrassant la moitié inférieure de la fusée. Le packing se compose généralement de 40 % de laine, 40 % de coton, 20 % de crin.
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| Packing |
La composition d'un packing 40/40/20 absorbe dans ces conditions environ 3,600 kg d'huile avant égouttage.
La laine a une bonne élasticité et la laine a une très bonne absorption de l'huile. Le coton a une mauvaise élasticité, mais le coton a une bonne absorption de l'huile. Le crin a une très bonne élasticité, mais le crin a une mauvaise absorption de l'huile.
Le packing impérativement sec est immergé dans l'huile chaude et égoutté pendant 24 heures avant d’être inséré dans la boite d'essieu.
2] L'ESSIEU
Les essieux sont les axes horizontaux sur lesquels porte la charge. Les essieux ont le double emploi de supporter l'engin moteur ou le véhicule et de réunir les roues, ce qui exige beaucoup de solidité. Les extrémités de l'essieu sont appelées "fusée". Les fusées selon le type d'essieu sont intérieures ou extérieures et la fusée reçoit la boite d'essieu.
L'ensemble roues/essieu est appelé "essieu monté".
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| Essieu monté |
3] LA ROUE
3A] La roue à bandage
La roue à bandage est un système qui n'est plus utilisé sur le matériel ferroviaire moderne français. La roue à bandage était constituée d'un moyeu, d'une jante et du bandage lui-même constitué d'un boudin et d'une table de roulement. Le bandage était inséré sur la jante et bloqué par une agrafe et un talon.
Les roues à bandages ont été une source de problèmes et d'accidents dans les chemins de fer dès les origines de cette technique. L'accident récent le plus connu à cause d'une rupture du bandage est celui de l'ICE en 1998 en Allemagne.
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| Roue à bandage |
3B] La roue monobloc
La roue monobloc est le système utilisé sur le matériel ferroviaire moderne français. Une roue monobloc est constituée d'un moyeu et d'une jante.
L'usinage est effectué dans la masse afin d'obtenir le profil d'une roue. On y retrouve un boudin, une table de roulement, une jante et un moyeu.
4]LA BOITE D'ESSIEU
4A] Généralités
Afin de comprendre la suite des explications, vous trouverez une définition rapide de la boite d'essieu et du coussinet.
La boite d'essieu :
La boite d’essieu permet la rotation de l’essieu qui supporte le poids de l'engin moteur ou du véhicule. La boite d'essieu permet la liaison entre l'ensemble roue-essieu et le châssis en transmettant l'effort de traction ou de freinage par l’intermédiaire de joues de guidage ou de biellettes de liaison. L'acier moulé est le métal le plus ordinairement employé pour les boites.
Le coussinet :
Le coussinet transmet la charge à la fusée et il permet la rotation de l'essieu. Le casse-tête de l’époque a été de trouver la bonne matière pour le coussinet et la bonne dimension afin d’éviter des usures prématurées. La matière utilisée a été le bois de bout (érable, charme, acajou, épine, etc.), le cuir, le laiton, le bronze, le bronze phosphoré.
Afin de faciliter le glissement de la fusée sur le coussinet, une couche de métal anti-friction appelée "régule" a été inventée. Les métaux blancs à base d'étain étaient fréquemment employés en Europe. En Amérique, les métaux à base de plomb étaient universellement employés.
Les métaux blancs sont doux et plastiques ce qui permettait de s'ajuster à la fusée et d'égaliser la pression sur toute la surface. Un métal dur, comme le laiton ou le bronze s’appuyait sur ses aspérités et sur lesquelles se concentraient toute la pression ce qui empêchait leurs lubrifications.
Le coefficient de frottement de tous les métaux blancs est plus élevé que celui des laitons et bronzes, plus durs. Le métal blanc n'a pas d'autre bonne propriété d'anti-friction que celle due à sa douceur. Un alliage à haute teneur en étain, durci par une addition de cuivre ou d'antimoine est un excellent métal et donne le degré désiré de dureté pour tous les coussinets.
Un métal à base de plomb, durci par une addition d'antimoine ou d'étain, ou des deux, ne peut pas être rendu aussi dur qu'un métal à base d'étain et, par conséquent, s'use plus rapidement.
À titre d'exemple, une boite d'essieu pouvait consommer jusqu'à 500 grammes de graisse tous les 25 kilomètres sans compter l'usure anormale de la fusée dans la première moitié du 19e siècle.
4B] L'évolution technique des boites d'essieux
Les premières boîtes d'essieux avaient une conception assez simple. On y retrouve trois principales pièces, dont le corps de la boite, le coussinet et le dessous de la boite.
Les boites à graisse
Avec la graisse, le réservoir est nécessairement placé au-dessus de la fusée, sur laquelle elle s'introduit par les trous ménagés dans le fond du réservoir et dans le coussinet, et par les rainures ou pattes d'araignée qui facilitent sa répartition.
Le dessous de la boite se situe sous la fusée et permet de récupérer la graisse fondue. La graisse était composée de suif, d'huile de palme, de savon de palme et parfois de l'eau.
Les boites à huile
Le mode de graissage à l'huile est plus compliqué que celui avec la graisse. Soit la boîte n'a qu'un seul réservoir de graissage inférieur soit elle en comporte deux, l'un supérieur et l'autre inférieur. Mais dans les deux cas, l'huile arrive par l'effet de la capillarité sur la fusée, soit au moyen de mèches faisant l'office de siphon, soit au moyen de brosses ou de tampons pressés contre la fusée, soit même au moyen de rouleaux baignant dans l'huile et tournant contre la fusée.
La compagnie de l'est utilise uniquement le graissage à l'huile de colza pure du système Basson modifié pour ses voitures voyageurs aux alentours de 1880 après avoir effectué de nombreux tests
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| Boite compagnie de l'est |
Le système Basson, le système Delannoy, le système Dietz, le système Piret, le système Becker et le système Paget introduit en Europe vers 1844 sont en concurrence à l'international et chaque compagnie à sa préférence. Tous ces systèmes de boites à huiles ont leurs avantages et leurs inconvénients, mais ils ont la faculté d’améliorer l’étanchéité de la boite et la lubrification de la fusée. Le système Becker est mieux adapté pour les trains rapides et les autres systèmes sont adaptés aux trains plus lents.
Malgré tout il y a encore beaucoup d'incidents sur les boites puisque la qualité du coussinet, la qualité du tampon graisseur et la qualité des huiles minérales et végétales ne sont pas optimales.
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| Boite Paget |
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| Boite à huile Dietz |
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| Boite Delannoy |
Les boites dites à graissage mixte sont disposées pour fonctionner à l'huile et à la graisse. Elles sont composées d'un réservoir inférieur muni d'un tampon graisseur comme dans les boîtes à huile ordinaires et d'un réservoir supérieur rempli de graisse. Ce dernier réservoir est fermé par un bouchon en matière fusible composés de stéarine et de savon dur et ce bouchon fusible s'ouvre lorsque le point de fusion est atteint par un chauffage anormal de la fusée. Ce principe de double graissage qui est une variante du système Niessen a été introduit en France par M. Polonceau et ce principe a été utilisé par les compagnies d'Orleans, PLM, du Nord et du Midi vers 1880.
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| Boite compagnie d'Orléans |
Les boites à eau
Le mode de graissage mixte à eau et à graisse a été essayé par M. Hoek, en Belgique, au moyen d'une boîte dont le réservoir inférieur était rempli d'eau. Le réservoir supérieur contenait de la graisse, comme dans le système de graissage mixte. Les essais effectués avec les les boîtes de M. Piret et celles de M. Aërts n'ont pas donné de résultats satisfaisants. Plusieurs problèmes sont apparus, l'eau adhérait moins bien sur la fusée que la graisse, en hiver l'eau pouvait geler et les composants de la boîte s'oxydaient lorsque les véhicules ne circulaient pas.
Les boîtes à galets
Dans le but d'arriver à diminuer l'importance du frottement ou glissement entre le coussinet et la fusée, les ingénieurs ont imaginé des boites à galets. Les ingénieurs voulaient essayer de substituer le frottement par un roulement entre le coussinet et la fusée. Dans leurs idées, il suffisait de transmettre la charge au moyen de rouleaux tournant sur des axes de petits diamètres situés au centre de la fusée ou bien au moyen de galets recevant la charge, non au centre, mais à la circonférence de la fusée.
La boite à galets inventée par M. Pomme était conçue de la manière suivante. Les galets étaient au nombre de deux. Leurs diamètres étaient de 16 centimètres, c'est-à-dire le double de celui de la fusée. Les axes en acier étaient de 3 centimètres de diamètre et ils tournaient dans des paliers dont était munie la boîte. Les galets tournant sur des essieux ont été appliqués à un certain nombre de voitures du chemin du Nord, mais cette disposition a été abandonnée à cause de l'usure rapide des fusées.
D'ailleurs, les boîtes à galets d'autres concepteurs ont été assez vite abandonnées à cause de leurs manques de fiabilités puisqu'elles ne supportaient pas les chocs et la vitesse.
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| Boite à galets de M. Pomme |
Les sphères sont une évolution des galets. L'objectif de diminution des frottements ou glissements et d'économie de graissage a été atteint grâce à des ingénieurs persévérants. C'est l’avènement du roulement à billes et la fin du glissement sur le coussinet. M. Virey obtint la médaille d'argent à l'exposition universelle de Metz en 1861 pour son coussinet à sphères.
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| Coussinet à sphères de M. Virey |
Le coussinet à sphères de M. Virey consistait en un coussinet dans l'intérieur duquel avait été creusé une gorge ainsi que dans la fusée de l'essieu afin d’intégrer une couronne de sphères libres qui étaient simplement des billes d'acier. Cet invention paraissait remarquable puisque le gain à la résistance au frottement avait été estimé à 50% voire même 75% et pouvait être exempt de graissage. Les gains au frottement annoncés laissèrent de nombreux experts perplexes.
4C] Les boites d'essieux actuels
4C1] Boites à coussinets par lubrification mécanique ou par capillarité
A] Boite à palette puiseuse
Une palette puiseuse solidaire de la tête de fusée entraîne l'huile vers le haut de la boite. Cette huile est recueillie dans un collecteur et l'huile coule via des orifices réalisés dans le coussinet pour permettre une lubrification homogène de la fusée.
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| Boite à palettes puiseuses |
Un tampon graisseur est constitué par des mèches de laine fixées sur un châssis logé dans la partie basse de la boite d'essieu. Un ressort comprime le tampon graisseur sur la partie inférieure de la fusée et les mèches de laine trempent dans l'huile et lubrifient la fusée par capillarité.
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| Boite à tampon graisseur |
Les boites à rouleaux ne possèdent pas de coussinet. Le coussinet est remplacé par des roulements à rouleaux coniques ou cylindriques dont la bague intérieure est insérée sur la fusée. L'ensemble est prélubrifié et inclut un système d’étanchéité de chaque côté par des joints, d'une cage en polymère, laiton ou acier, de plusieurs corps roulants et d'une bague intérieure et extérieure.
Les boites à rouleaux sont d'une grande fiabilité grâce à une excellente étanchéité et grâce à la réduction du frottement, de l’échauffement et cela a permis de réduire considérablement la maintenance des boites d'essieux et le coût de la lubrification.
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| Boite à rouleaux |
Quels sont les risques d'un échauffement anormal ?
Il peut y avoir une destruction de la boite d'essieu provoquant la rupture de la fusée. La rupture d'une fusée d'essieu peut amener à une catastrophe comme un déraillement.
Comment détecter un échauffement anormal ?
En plus de capteurs installés dans les boites d'essieux sur certains matériels ferroviaires, les voies ferrées sont équipées de Détecteurs de Boîtes Chaudes (DBC). Le DBC contrôle la température de toutes les boîtes d’essieux du train lors de son passage et il envoie les informations aux personnels de la gestion du trafic de la ligne concernée. Des procédures de sécurité sont mises en place pour faire ralentir (alarme simple) ou arrêter (alarme danger) le train en cas de détection d'un échauffement anormal.
IMPLANTATION DES DBC EN FONCTION DE LA VITESSE :
- Vitesse ≤ 160 km/h. Distance moyenne en deux détecteurs, 65 kilomètres avec une distance maximale de 150 kilomètres.
- Vitesse > 160 km/h. Distance moyenne en deux détecteurs, 60 kilomètres avec une distance maximale de 80 kilomètres.
- Vitesse > 220 km/h et ≤ 320 km/h. Distance moyenne en deux détecteurs, 30 kilomètres avec une distance maximale de 45 kilomètres.
Dorénavant, il y a trois niveaux de détection sur le matériel récent comme sur les TGV 2N2 afin d’éviter l’arrêt immédiat de la circulation.
Le conducteur doit vérifier la température des boites d'essieux de son engin moteur soit lors d'un arrêt prolongé, c'est une visite sommaire soit lors d'une visite à l'arrivée (VAR). Le contrôle s'effectue en approchant le dos de la main sur la boite d'essieu. Le dos de la main est plus sensible à la chaleur que la paume de la main. Cela peut paraître archaïque, mais c'est efficace. En cas d'échauffement anormal, on ressentira des picotements sur la main (~ 50°C) ou bien il sera difficile d'approcher la main (> à 60°C) sur la boite d'essieu au risque de brûlures graves.
CONCLUSION
Le concept de l'ensemble roue/fusée/boite est le même depuis le début du chemin de fer, mais les évolutions technologiques n'ont fait qu’améliorer le roulage, la lubrification, l'usure donc la sécurité et la fiabilité des circulations. L'arrivée des roulements à rouleaux ont permis un bond technique grâce au "tout en un" et continue d'évoluer grâce aux retours d'expériences et tests en laboratoire.
La boite d'essieu est un élément très important dans la chaîne de sécurité. Le démontage d'une boite d'essieu par le service de maintenance n'est pas un acte technique anodin et comme les engins sont de plus en plus sollicités (vitesse, kilomètres, etc.) chaque jour, la fiabilité est indispensable.
Définition du dictionnaire de 1755 :
CRAPAUDINE : Morceau de fer ou de bronze creusé, qui-recevant le pivot d'une porte, ou de l'arbre de quelque machine, la fait tourner verticalement. On s'en sert particulièrement dans les écluses. Elle est composée de deux pièces, dont l'une se nomme Crapaudine femelle, qui est une espèce de cône tronqué creux comme une écuelle, à deux ou trois oreilles qui servent à l'empêcher de tourner quand elle est une fois logée. L'autre se nomme Crapaudine mâle, qui s'encastre à l'extrémité des montants de repos des grandes portes, & tourne dans la Crapaudine femelle.
ESSIEU : Axe de la voiture, dont les deux extrémités passent dans les moyeux des roues. On en fait en fer et en bois.
ESSIEU : Par ce terme on entend aussi généralement une pièce de bois de charronnage qu'on débite et qu'on emploie en grume. Ces pièces sont en orme et quelquefois en charme. On les appelle aussi aissieux, mais ce mot est vieilli.
