GÉNÉRALITÉS
La chaîne cinématique du Train à Grande Vitesse (TGV) français constitue un ensemble d'organes qui permettent de transformer l’énergie électrique fournie par la caténaire en mouvement utile au déplacement du TGV.
C'est un élément important de la performance et de la fiabilité d'un TGV qui rassemble différents sous-systèmes. Cette conception technique, optimisée pour les vitesses élevées et les fortes contraintes d’exploitation, assure une traction puissante et régulière, mais également une grande stabilité dynamique ainsi qu'une consommation d'énergie maîtrisée. La chaîne cinématique d’un TGV est un concentré technique, bien que ce soit une imposante mécanique composée d'acier. Cet ensemble permet d’atteindre des vitesses maximales de 320 km/h tout en garantissant la sécurité, le confort et la motricité.
La chaîne cinématique d'un bogie moteur se compose d'un réducteur (pignon moteur, d'une roue intermédiaire du réducteur, d'une roue de sortie du réducteur), d'une transmission coulissante et d'un pont moteur (roue d’entrée du pont moteur et roue dentée sur essieu). Cet ensemble permet la transmission mécanique de l’effort du moteur électrique vers l’essieu moteur par un rapport de réduction défini par un ensemble d'engrenages.
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| Chaîne cinématique d'un TGV Réseau |
Les critères de dimensionnement de la chaîne cinématique prennent en compte les caractéristiques de la voie, les performances demandées, l'architecture du bogie, les contraintes de maintenance et les contraintes économiques.
Le rapport total de réduction de la chaîne cinématique d'un bogie moteur de TGV Réseau est de 2,19. Le rapport total de réduction est le produit du rapport de réduction du réducteur multiplié par le rapport de réduction du pont moteur. Un moteur de traction de TGV Réseau tourne à 3 935 tr/min à 300 km/h. Si le moteur tourne à 3 935 tr/min, l'essieu tourne 2,19 fois moins vite, ce qui fait une rotation de 1797 tr/min.
Le rapport total moyen de réduction de la chaîne cinématique d'un bogie moteur de TGV toutes séries confondues est de 2.
Les motrices TGV à partir du TGV Atlantique possèdent quatre bogies moteurs équipés de deux moteurs de traction par bogie. Chaque moteur de traction est associé à un ensemble "chaîne cinématique", ce qui en fait huit par rame. Les deux chaînes cinématiques par bogie moteur sont montées en quinconce.
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| Intégration de la chaîne cinématique au bogie moteur |
LE MOTEUR ÉLECTRIQUE
Sans lui, pas de mouvement. Les moteurs de traction, fixés transversalement aux caisses des motrices et non aux bogies moteurs, produisent un effort de traction pour la mise en vitesse, le maintien de la vitesse et peuvent aussi ralentir un train en freinage électrique. Cette technique de fixation permet de réduire la masse non suspendue et donc les efforts appliqués à la voie en reportant le poids sur la caisse et pas sur le bogie moteur. Un autre avantage est que le moteur électrique est protégé contre les chocs et les vibrations engendrés par les inégalités de la voie.
Un moteur électrique asynchrone du type 6FHA3657 que l'on retrouve à partir du TGV POS pèse environ 1 350 kg pour une puissance utile de 1 200 kW. À 320 km/h, l'intensité absorbée est de 615 ampères pour une vitesse de rotation de 3 793 tr/min et un couple de 3 017 Nm. À partir des rames TGV Atlantique, chaque motrice est équipée de quatre moteurs électriques synchrones ou asynchrones selon le type de rame TGV.
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| Moteur électrique asynchrone du type 6FHA3657 |
LE RÉDUCTEUR
Huit réducteurs équipent une rame TGV depuis le TGV Atlantique. Le réducteur est flasqué sur le moteur de traction et l’ensemble compose le groupe moto-réducteur fixé sous la caisse de la motrice pour les mêmes raisons techniques que le moteur. Le but est de reporter le poids sur la caisse et non sur le bogie moteur. Le réducteur transmet une vitesse de rotation au pont moteur par un système d'engrenages. Le système d’engrenages réduit la vitesse transmise par le moteur de traction. Le réducteur assure la transmission de l’effort moteur en permettant l’utilisation du moteur électrique de traction à son maximum de puissance.
Le réducteur se compose d'un corps en acier ou en aluminium, d'une roue de sortie associée à un capteur de vitesse, d'une roue intermédiaire, d'un pignon moteur, d’un bouchon de remplissage, d’une jauge, d’un bouchon de vidange comportant un plot magnétique afin de piéger les particules métalliques contenues dans l'huile et de l'huile (21 litres env. pour un TGV Réseau). Le pignon moteur, la roue intermédiaire et la roue de sortie forment le train d’engrenages du réducteur.
Le pignon moteur, la roue intermédiaire et la roue de sortie sont en acier avec une denture hélicoïdale inclinée qui augmente la résistance des dents et réduit le bruit à grande vitesse.
La roue de sortie est agencée pour recevoir la fixation de la transmission coulissante. Les roulements de la roue de sortie du réducteur sont à rouleaux coniques. Ils supportent des efforts axiaux et radiaux et sont montés de telle façon qu'ils ont une bonne répartition des efforts sur la roue dentée.
Le train d’engrenages du réducteur est lubrifié par le barbotage des dents de la roue intermédiaire dans l’huile. L’huile remontée par les dentures est récupérée dans un bac supérieur et descend par gravité dans les roulements. Elle est guidée par les caniveaux situés sur les flancs du corps de réducteur. Après passage dans les roulements, l’huile retourne au carter par les conduits aménagés dans les boîtards. Elle retombe directement dans le carter pour la roue intermédiaire. Elle est guidée par les tubulures vers le fond du carter pour la roue de sortie et le roulement du moteur.
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| Le réducteur d'un TGV Réseau |
Chaque moteur de traction et son réducteur constituent un ensemble indéformable appelé groupe moto-réducteur. Le groupe moto-réducteur est fixé sous la caisse de la motrice en trois points par des articulations élastiques. Un des trois est un point fixe. Les deux autres points de fixation, un sur le moteur et un sur le réducteur, ont leurs articulations élastiques orientées pour permettre la dilatation du réducteur et du moteur de traction. Chacun des trois points de fixation est doublé par deux biellettes de sécurité afin d'assurer le maintien du groupe moto-réducteur en cas de rupture du point de fixation.
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| Point de fixation sur réducteur et biellettes de sécurité |
LA TRANSMISSION COULISSANTE
Huit transmissions coulissantes équipent les rames TGV depuis le TGV Atlantique, ce qui en fait une par essieu moteur. La transmission coulissante est appelée tripode par les conducteurs. La transmission coulissante transmet le couple fourni par le combo moteur électrique/réducteur en traction ou freinage électrique au pont moteur et la transmission coulissante sert aussi de fusible.
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| La transmission coulissante |
Cette liaison télescopique entre le groupe moto-réducteur fixé sous la caisse de la motrice et le pont-moteur fixé sur le bogie moteur permet de grands débattements transversaux, verticaux et de rotation pour compenser les mouvements relatifs (3 axes) liés aux inégalités de la voie ou de la rotation du bogie moteur. Une partie appelée joint fixe est fixée sur la roue d'entrée du pont moteur par l'intermédiaire d'une mâchoire et des vis, l'autre partie appelée joint coulissant est fixée sur la roue de sortie du réducteur par l'intermédiaire d'une mâchoire et des vis. L'endroit où les deux parties (joint fixe et coulissant) s'assemblent à l'aide de boulons se nomme plan de césure. De plus, des masselottes d’équilibrage permettent d’éviter un balourd de la transmission coulissante. Le couple transmis par la transmission coulissante correspond à 1 000 mdaN au démarrage et 500 mdaN à 300 km/h et peut tourner en continu à 2 200 tours/minute sur un TGV Réseau.
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| La transmission coulissante avec sa gorge fusible et le plan de césure |
La transmission coulissante est constituée d'un axe avec un bloc tripode qui correspond à 3 galets sphériques séparés par un angle de 120 degrés montés sur des roulements. Chaque galet sphérique est pris dans un barillet équipé de trois chemins de roulements sphériques assurant à la fois la transmission du couple et permettant l'allongement du dispositif. Des cardans sont montés à chaque extrémité afin d'absorber les angles relatifs également créés par la rotation du bogie.
La transmission coulissante a aussi l'utilité de préserver l’essieu moteur et la chaîne cinématique en cas d'anomalie grâce au système de gorge fusible calibrée sur l'axe coulissant ou grâce au coupleur de sécurité qui se rompt lors d'un pic de charge. La transmission coulissante reste en place dans le cas de la rupture d'un des deux systèmes de sécurité.
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| Transmission coulissante avec son coupleur de sécurité |
LE PONT MOTEUR
Le pont moteur repose sur l'essieu moteur par l'intermédiaire de roulements à galets, à la différence des réducteurs qui sont suspendus sous la caisse à l'aide de points de fixation et de biellettes. Il y a huit ponts moteurs par rame TGV à partir du TGV Atlantique. L'utilité du pont moteur est de transmettre à l'essieu le couple reçu de la transmission coulissante par un système de roue dentée.
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| Le pont moteur et sa bielle de réaction |
Le pont moteur se compose d'un corps en métal, d'une roue d'entrée, d'une roue dentée sur essieu, d’un bouchon de remplissage, d’une jauge, d’un bouchon de vidange comportant un plot magnétique afin de piéger les particules métalliques contenues dans l'huile et de l'huile (19 litres env. pour un TGV Réseau). La roue d'entrée et la roue dentée sur essieu forment le train d'engrenages du pont moteur.
Le pont moteur doit être stabilisé en rotation sous l'effet du couple traction ou du couple du freinage puisqu'il est monté sur l'essieu moteur. Pour cela, le pont moteur est équipé d'une bielle de réaction en acier qui est fixée sur le corps du pont moteur. L'extrémité de la bielle de réaction est fixée sur un ensemble d'anneaux élastiques précontraints à 300 daN/mm pour un TGV Réseau. Ce système élastique autorise des déplacements du pont moteur dans une tolérance qui permet de ne pas activer une butée de sécurité en fonctionnement normal.
Cette butée de sécurité permet de protéger la chaîne cinématique en cas d'efforts mécaniques anormaux (surcouple) en perforant une membrane qui met à l'atmosphère dans un premier temps la conduite générale afin de stopper le TGV.
LES ANOMALIES TECHNIQUES
Le champ d'anomalie est vaste : grippage, absence d'huile, anomalie sur les roues dentées, anomalie sur la transmission coulissante, casse du pont moteur, casse du réducteur, etc. Nous allons seulement nous concentrer sur les indices que le conducteur aura en cabine et ses procédures.
Le conducteur est sensibilisé à trois procédures liées à une avarie mécanique, la non-rotation d'un essieu d'un bogie moteur ou porteur, la rupture tripode et le balourd tripode. Par-dessus, vous pouvez ajouter l'expérience acquise qui permet aussi de détecter des prémices d'une panne grâce à un bruit inhabituel, une présence d'huile, une odeur suspecte qui peut parfois être associée à un dégagement de fumée sous la caisse de la motrice.
La lampe de signalisation commune à une avarie mécanique est la lampe C1, dénommée Défaut Organe Mécanique. Cette lampe de signalisation de couleur rouge et clignotante s'allumera au boîtier de signalisation (BSI) dans les trois cas cités ci-dessous afin d'aviser le conducteur.
A] LA NON-ROTATION D'UN ESSIEU MOTEUR (NRE)
Ce passage se concentre uniquement sur la non-rotation d'un essieu moteur puisque le sujet concerne la chaîne cinématique. La surveillance de la rotation des essieux moteurs est assurée par des capteurs de vitesse qui fournissent les informations aux unités de traitement des blocs moteurs (UT-M) qui elles-mêmes envoient leurs informations aux unités de traitement principales (UTP) et aux unités de traitement auxiliaires (UTA). Ces capteurs de vitesse sont aussi utilisés pour la fonction antienrayage.
Chaque UT-M possède la vitesse des quatre essieux moteurs de la motrice, puis établit une vitesse de référence afin de comparer la vitesse de rotation des deux essieux moteurs que l'UT-M a sous son contrôle.
Dans le cas de la surveillance de la non-rotation d'essieu, l'UT-M du bloc moteur 1 contrôle la rotation des essieux moteurs adjacents gérés par l'UT-M du bloc moteur 2 et inversement, l'UT-M du bloc moteur 2 contrôle la rotation des essieux moteurs adjacents gérés par l'UT-M du bloc moteur 1.
Après un délai de quelques secondes, l'UT-M détecte la non-rotation d'un essieu si les 3 conditions suivantes sont remplies :
- Si un écart important est constaté entre la vitesse d'un essieu et la vitesse de référence,
- Si le capteur de vitesse est sans défaut technique,
- Si au moins deux des trois mesures de vitesse restantes, servant pour le calcul de la vitesse de référence, sont supérieures à 30 km/h.
L'objectif de l'équipement UT-M lors d'une détection d'une non-rotation d'essieu est de retirer les contraintes sur l'essieu en question en inhibant le freinage électrique et l'isolement de l'électrovalve de conjugaison. De plus, le système informatique embarqué affichera le message "Arrêt immédiat" au conducteur. L'allumage de la lampe de signalisation défaut organe mécanique au boîtier de signalisation (BSI) et sans disjonction fait partie des avaries nécessitant des mesures techniques immédiates par le conducteur, qui lui impose un arrêt immédiat.
À l'arrêt, le conducteur devra effectuer des vérifications visuelles, isoler pneumatiquement le bogie et isoler électriquement le bloc moteur incriminé sur application du guide de dépannage.
Le système antienrayage (AE) prend le relais de la surveillance des deux essieux du bogie moteur en cas de défaillance du système de surveillance NRE.
B] LA RUPTURE TRIPODE
La rupture d'une tripode a pour but principal de protéger la chaîne cinématique d'un surcouple. Selon la technologie, la rupture s'effectue, soit par la gorge fusible qui est un dispositif calibré qui se situe sur l'axe du joint coulissant, soit par un coupleur de sécurité intégré au joint fixe.
La surveillance de la rotation des essieux moteurs est assurée par des capteurs de vitesse en amont et en aval de la transmission coulissante qui fournissent les informations aux unités de traitement des blocs moteurs (UT-M) qui elles-mêmes envoient leurs informations aux unités de traitement principales (UTP) et aux unités de traitement auxiliaires (UTA).
Une rupture tripode peut être liée à une défaillance du réducteur, de l’arbre moteur, d'un problème du joint coulissant, d'un blocage ou bien d'une rupture de la fixation du joint fixe ou du joint coulissant.
La détection rupture tripode est réalisée quand les 2 conditions suivantes sont vérifiées :
- le bon fonctionnement des capteurs de vitesse du bogie surveillé,
- un écart supérieur à 50 km/h est constaté entre les vitesses des deux essieux du bogie à surveiller.
L'UT-M du bloc moteur concerné envoie les informations aux unités de traitement principales (UTP) et aux unités de traitement auxiliaires (UTA), ce qui commande l'isolement du bloc moteur avec une impossibilité de réarmer l’isolement du bloc moteur, l'allumage de la lampe de signalisation défaut organe mécanique ainsi que d'autres lampes au boîtier de signalisation (BSI). L'allumage de la lampe de signalisation défaut organe mécanique au boîtier de signalisation (BSI) et sans disjonction fait partie des avaries nécessitant des mesures techniques immédiates par le conducteur, qui lui impose un arrêt immédiat.
De plus, le système informatique embarqué affichera le message "Arrêt immédiat" au conducteur. À l'arrêt, le conducteur devra effectuer des vérifications visuelles, isoler pneumatiquement le bogie et isoler électriquement le bloc moteur incriminé sur application du guide de dépannage.
C] LE BALOURD TRIPODE
Définition d'un balourd : déséquilibre d’une pièce tournante dont le centre de gravité est excentré par rapport à l’axe de rotation.
L'objectif de la détection du balourd tripode est de détecter un déplacement anormal et axial du pont moteur. Chaque essieu moteur possède un percuteur à simple effet sur un TGV synchrone qui vient percer une membrane. Chaque essieu moteur possède un percuteur à double effet sur un TGV asynchrone qui vient percer deux membranes. La conduite générale au-delà de 10 km/h est mise à l'atmosphère lorsque ces membranes sont percées par le percuteur.
Une détection d'un balourd tripode provoque l'ouverture du disjoncteur, la mise à l'atmosphère de la conduite générale qui déclenche un freinage d'urgence, l'isolement définitif du bloc moteur et l'allumage de la lampe de signalisation défaut organe mécanique ainsi que d'autres lampes au boîtier de signalisation (BSI) ainsi que d'autres lampes. De plus, le système informatique embarqué affichera le message "Arrêt immédiat" au conducteur. L'allumage de la lampe de signalisation défaut organe mécanique au boîtier de signalisation (BSI) et sans disjonction fait partie des avaries nécessitant des mesures techniques immédiates par le conducteur, qui lui impose un arrêt immédiat.
Un balourd tripode peut être lié à une défaillance du réducteur ou du pont moteur, à une défaillance de l'assemblage boulonné des plans de césure du joint fixe et coulissant, à une défaillance de l’électronique de puissance qui génère des à-coups de traction ou à une rupture de la liaison pneumatique.
Les UT-M vérifient l'état des valves et si une valve se trouve en mode "déclenché", l'UT-M envoie les informations aux unités de traitement principales (UTP) et aux unités de traitement auxiliaires (UTA), ce qui commande l'ouverture du disjoncteur, une mise à l'atmosphère de la conduite générale, l'isolement définitif du bloc moteur et l'allumage de la lampe de signalisation défaut organe mécanique ainsi que d'autres lampes au boîtier de signalisation (BSI). L'allumage de la lampe de signalisation défaut organe mécanique au boîtier de signalisation (BSI) fait partie des avaries nécessitant des mesures techniques immédiates par le conducteur, qui lui impose un arrêt immédiat.
À l'arrêt, le conducteur devra effectuer des vérifications visuelles, isoler pneumatiquement le bogie et isoler électriquement le bloc moteur incriminé sur application du guide de dépannage.
CONCLUSION
La chaîne cinématique est bien plus qu'un assemblage de grosses et robustes pièces métalliques. C'est aussi un système complexe de contrôle piloté par de l'informatique en réseau.
Les sollicitations journalières démontrent la fiabilité de cet ensemble ultra-technique et je vous ai épargné de nombreux détails dans les explications parce que ça aurait rendu la lecture longue et pénible.
Parfois, la chaîne cinématique engendre des pannes, mais cela reste rare. Heureusement, puisque les retards en cas de panne sont en général importants.
