Un bogie didactique
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[modifier] Objectif général
Le présent projet a été mené à bien par par trois étudiants ingénieurs de l'Ecole Polytechnique de Louvain (Louvain-la-Neuve, Belgique, juin 2009) dans le cadre de leur travail de fin d'études (mémoire). L'objectif principal de ce travail est essentiellement de nature didactique. Le résultat final est un banc expérimental (voir photo) visant à mettre en évidence et à comprendre le phénomène du guidage par rails d'un bogie ferroviaire, qui équipe les trains et trams depuis des décennies. Par ailleurs, un diaporama, localisé à côté du dispositif, a été réalisé pour expliquer les différents comportements dynamiques que le banc permet d'observer: recentrage, cycle limite, ... voire déraillement du bogie. Ce banc, réalisé à la base pour illustrer le cours de dynamique des véhicules, n’est pas exclusivement destiné aux seuls étudiants de l’EPL. En effet, il a été conçu pour permettre à tout visiteur intéressé par le sujet de visualiser et de comprendre le guidage sur rails - plus complexe qu’il n’y paraît - au travers de quelques expériences et scénarios établis pour un bogie à échelle (environ 1/5e). Dès les premiers tours de roue du bogie, les présentations du banc à des visiteurs internes à l'UCL et étrangers ont déjà démontré l'intérêt pédagogique du dispositif.
[modifier] Qu’est-ce qu’un bogie ?
Dans un train ou un tram, le bogie est le dispositif mécanique qui assure la liaison entre la caisse et la voie ferrée. Son rôle principal est d'assurer le guidage, en toute sécurité, du véhicule ferroviaire sur la voie. Il comprend un châssis, deux essieux rigides et des suspensions dites « primaires » agissant entre les essieux et le châssis. Le bogie supporte la caisse via une suspension dite « secondaire », qui assure essentiellement le confort des passagers.
[modifier] Réalisation
Le banc est illustré à la figure ci-contre. Un bogie à échelle réduite (environ 1/5e), composé d’un châssis rigide en aluminium et de deux essieux munis de roues à bandage (i.e. surface de roulement) conique, roule sur une paire de rouleaux (« roller-rigs ») qui se substituent aux rails d'une voie ferrée réelle. Les rouleaux sont actionnés par un moteur électrique qui permet d'imposer différentes vitesses de rotation aux roues du bogie.
Le banc permet d'illustrer, pour un bogie roulant à vitesse constante :
- le comportement dynamique (c'est à dire recentrage ou non) du bogie soumis à un déplacement latéral initial;
- la raideur latérale du bogie soumis à une charge latérale constante;
- les caractéristiques du bogie roulant à des vitesses fixes :
- stable sous la vitesse critique appelée « non linéaire »;
- instable au delà de la vitesse critique « linéaire »;
- stable mais en cycle limite entre ces deux vitesses.
Les déplacements latéraux et angulaires du bogie sont mesurés par capteurs et affichés en temps réel sur écran.
Durant ces expériences, on observera surtout le mouvement dit « de galop » des essieux sur la voie (« hunting motion »), mouvement qui combine son déplacement latéral y(t) et son lacet (rotation suivant un axe vertical) : ce mouvement, stable à basse vitesse, entre dans un « cycle limite » dangereux pour une certaine plage de vitesses et devient carrément instable à plus haute vitesse. Ce phénomène trouve son origine dans les forces agissant aux contacts roue/rail, forces dont les lois de comportement sont complexes et conduisent, d'un point de vue mathématique, à de fortes non-linéarités dans les équations du mouvement.
Ce phénomène d'instabilité à haute vitesse engendre de fortes vibrations et des chocs sur la structure du banc, ce qui permet, mieux que toute simulation, de rendre compte aux « spectateurs » de la dangerosité du phénomène.
Tous ces comportements ont été également simulés sur ordinateur sur base d'un modèle dynamique du bogie et à l'aide de logiciels spécialisés (logiciels multicorps ROBOTRAN, développé par le CEREM, et SIMPACK, développé par la société allemande INTEC GmbH).
Pour renforcer l'aspect pédagogique du banc, deux dispositifs ont été imaginés.
- Le premier vise à rendre compte de la « raideur latérale » qu'un bogie est capable d'induire lorsqu'il roule, grâce à la conicité de ses roues: le visiteur peut lui-même tirer latéralement le bogie via une poignée, et se rendre compte de la force de rappel importante qui résulte du contact roue/rail.
- Le second permet d'illustrer le comportement en courbe et dévers : un vérin électrique, placé au niveau du sol incline toute la structure du banc d'un angle de 10° pour « simuler » ces situations. On peut observer alors que le bogie ne dévie que très peu par rapport à sa position centrée.
[modifier] Illustrations « en mouvement »
Vue d'ensemble du banc
La vidéo ci-après illustre le fonctionnement général du banc, avec une vue sur l'écran de contrôle sur lequel l'évolution des mouvements du bogie sont affichés en temps réel. Un miroir, orienté à 45° a été placé au sommet du banc pour mieux visualiser les mouvements du châssis de bogie. En effet, ce dernier a été volontairement placé à hauteur des yeux pour pouvoir confortablement observer les contacts roue/rail, illuminés pour la cause, lors des diverses expériences. Le tout est caréné d'un plexiglas transparent, pour des raisons évidentes de sécurité.
Recentrage du bogie suite à une perturbation latérale
Lorsqu'un bogie se déplace à une vitesse inférieure à une vitesse dite « critique » (celle qui conduit à des instabilités) et est perturbé latéralement, il va naturellement amortir cette perturbation et se restabiliser sur la voie, en effectuant son mouvement de galop. Il retrouve alors une position parfaitement stable, centrée en ligne droite, légèrement décentrée en courbe. Les deux vidéos ci-après illustrent ce phénomène suite à un déplacement latéral forcé du bogie. On profitera également du son de ces vidéos, qui rappelle étrangement celui des vrais bogies crissant dans nos villes ou à l'entrée de certaines gares !
Cycle limite et déraillement
A partir d'une certaine vitesse, le bogie perd sa stabilité naturelle et son mouvement de galop ne s'amortit plus : il oscille constamment de gauche à droite provoquant des vibrations néfastes voire dangereuses pour le véhicule et ses passagers. Ce phénomène est illustré sur la vidéo de gauche.
Lorsque la vitesse s'accroît encore, l'amplitude des oscillations augmente sans cesse et roues et rails finissent par s'entrechoquer au niveau de leurs flancs, dénommés « bourrelets » ... on est aux portes du déraillement ! Ce phénomène est (sera !) illustré sur la vidéo de droite (pas encore réalisée).
[modifier] Conclusions et perspectives
Un banc d'essai permettant de mettre en évidence et de caractériser le comportement cinématique et dynamique d'un bogie ferroviaire a vu le jour suite à ce travail de fin d'études. Il a, rappelons-le, une vocation strictement didactique et est destiné à démystifier le principe de guidage sur rails dont la stabilité résulte simplement de la très faible conicité des profils de roues (1/20e ou 1/40e) et non pas des flancs de guidage (ou « bourrelets »), comme le laisse croire bon nombre de réalisations ludiques (jouets, trains miniatures etc.).
Outre son utilisation didactique au sein de l’Ecole Polytechnique de Louvain (EPL), le banc pourrait avantageusement être exploité dans le cadre de foires, de journées portes-ouvertes ou de démonstrations grand public, en collaboration avec des acteurs du monde ferroviaire belge ...
[modifier] Les acteurs
Les étudiants ...
- Quentin Bailleux (Ingénieur civil mécanicien)
- Vincent Dolne-Pholien (Ingénieur civil mécanicien)
- Sébastien Piret (Ingénieur civil électromécanicien)
Les promoteurs ...
- Paul Fisette (CEREM)
- Nicolas Docquier (CEREM)
- Bruno Dehez (CEREM)
... et bien sûr tous les autres !!!
- Jovino Cambon (Atelier de Fabrication Mécanique de l'UCL)
- Axel Jottard (Atelier de Fabrication Mécanique de l'UCL)
- Alban Maton (Atelier de Fabrication Mécanique de l'UCL)
- Jean de Frutos (Atelier de Fabrication Mécanique de l'UCL)
- Thierry Daras (Laboratoire d'Electricité et d'Instrumentation de l'UCL)
- Alex Bertholet (Laboratoire de Génie Civil de l'UCL)
- Antoine Bietlot (Laboratoire de Génie Civil de l'UCL)