Les transmissions hydro-mécaniques

pour autorails et locomotives Diesel à grande puissance

Les Constructeurs de locomotives Diesel à grande puissance, utilisent généralement comme transmissions entre le moteur et les essieux de la machine soit des transmissions électriques, soit des transmissions hydrauliques. Ces deux systèmes de transmission donnent dans l'ensemble satisfaction, mais leur rendement moyen atteint tout au plus 80 %, et pour des machines puissantes la perte due à ce rendement est coûteuse puisqu'elle peut atteindre plusieurs centaines de chevaux.

Malgré leur égalité de rendement, les transmissions hydrauliques prennent de plus en plus l'avantage sur les transmissions électriques car elles sont moins lourdes, et de prix de revient inférieur.

Les transmissions hydrauliques

La composition des transmissions hydrauliques

Elles se composent d'une partie hydraulique formée de coupleurs et de transformateurs de couples disposés selon certains arrangements, et d'une partie mécanique généralement composée :

  • d'un multiplicateur de vitesse en tête de l'étage hydraulique,
  • d'un réducteur mécanique à plusieurs gammes de vitesses à la sortie de cet étage,
  • d'un inverseur de marche,
  • d'attaques d'essieux.

Du fait de l'importance de la partie mécanique, elles sont toutes « hydro-mécaniques ».

La faiblesse de leur rendement provient non pas des engrenages dont le rendement est excellent, ni même des coupleurs dont le rendement est élevé (97/98 %) mais du rendement médiocre (moyenne 75 à 80 %) des transformateurs de Couples hydrauliques.

Une transmission hydro-mécanique qui résout le problème d'emploi de transformateurs de couple

Il suffirait de créer une transmission « hydro-mécanique » éliminant l'emploi de transformateurs de couple et n'utilisant qu'un ou plusieurs coupleurs.

C'est ce problème qui a été résolu par la transmission hydro-mécanique « Asynchro ».

Un seul coupleur hydraulique assure tous les démarrages. Aucune pièce en frottement ne participe au démarrage. Seul le glissement de ce coupleur hydraulique assure la progressivité du démarrage. Le convoi étant démarré, aucun organe de glissement n'est plus nécessaire. Il suffit, pour toutes les vitesses du convoi, de maintenir de moteur à un bon régime de fonctionnement, ce qui est obtenu en changeant de rapport des engrenages de la transmission.

Il est donc possible de réaliser une transmission hydraulique avec un seul coupleur hydraulique, si on peut la compléter d'une boîte de vitesse comportant une graduation convenable.

Une boite de vitesse de forte capacité qui compléterait la transmission hydraulique

Le problème revient donc uniquement à réaliser une boite de vitesse de forte capacité qui soit simple, solide et dans laquelle le passage des vitesses soit rapide.

L'emploi de boîtes de vitesses « synchronisées » ou à engrenage toujours en prise a donné satisfaction sur les transmissions de faible et moyenne puissances.

Mais quand on veut augmenter leur capacité, le calcul montre que les synchroniseurs atteignent rapidement des dimensions prohibitives.

Les essais de boites de vitesse

Les essais faits, depuis plusieurs années, ont montré qu'on pouvait d'une manière simple et rapide changer de combinaison de vitesse en arrêtant tous les organes tournants d'une boîte de vitesse et en effectuant à l'arrêt le crabotage convenable des différents trains d'engrenages.

Il n'y a pas grande différence de travail entre l'arrêt complet d'engrenages tournant par exemple à 1500 t/m que l'on veut après arrêt relancer à 1000 t/m, et le passage direct de 1500 t/m à 1000 t/m par synchroniseur :

  • dans le premier cas, le travail du frein est proportionnel à 152, soit 225 ;
  • dans le second cas, le synchroniseur absorbe un travail proportionnel à (152 ? 102) soit 125.

Dans le premier cas, le frein absorbe un travail à peine double d'un synchroniseur, mais ce frein, extérieur à la boîte de vitesse, peut être dimensionné convenablement.

Il a, sur le plan du prix de revient, l'avantage d'être unique, tandis que dans le second cas, il faut loger dans la boîte de vitesse un synchroniseur pour chaque rapport de vitesse, ce qui altère de façon sensible les dimensions de la boîte. D'autre part, le fonctionnement des synchroniseurs dans l'huile est inégal suivant sa viscosité, donc sa température.

Sur le plan constructif, le logement des synchroniseurs conduit souvent à augmenter le diamètre des pignons, quitte à réduire la largeur des dentures. Dans le cas du frein extérieur, on peut, au contraire, réduire le diamètre des pignons en augmentant la largeur des dentures, ce qui, à puissance transmise égale, diminue l'inertie et donc l'énergie cinétique, dans le rapport des cubes des diamètres.

Le calcul montre alors que pour arrêter une telle boîte et la relancer, la dépense d'énergie est très faible et ne correspond qu'à une infime partie de la puissance du moteur sur lequel elle est attelée.

Il en résulte que le dispositif de freinage nécessaire pour arrêter une boîte de vitesse a des dimensions tout-à-fait raisonnables.

Les garnitures de frein couramment utilisées dans l'industrie conviennent parfaitement à ce genre de travail car le freinage étant de courte durée (1 seconde), la température moyenne des garnitures reste basse, ce qui leur assure de bonnes conditions d'utilisation et une usure extrêmement faible.

En d'autres termes une transmission hydraulique de 800 cv fonctionnant sur transformateur de couple, perd en puissance de 150 à 200 cv.

Une transmission hydraulique, de même puissance, fonctionnant sur coupleur hydraulique ne perd que 30 cv, même si on change de vitesses fréquemment.

Tracteur 200 cv, type S.N.C.F.

La transmission Asynchro

Avec une transmission « Asynchro » on ne peut continuellement demander au moteur sa pleine puissance. Malgré cela on gagne en travail utile.

Du fait que la transmission Asynchro ne peut utiliser, à tout moment, la puissance maxima du moteur, on peut le régler à sa puissance uni horaire (soit en + 10 %) sans le fatiguer plus qu'en utilisant continuellement à sa puissance maximum de régime continu. On obtient ainsi un gain de travail réel supérieur.

En pratique des essais prolongés indiquent qu'à travail égal de la machine, il y a une économie de combustible de l'ordre de 20 % ce qui implique une usure moindre du moteur.

Il est évident que pour pouvoir arrêter la boîte de vitesses sans influer sur la marche du train, une roue libre s'impose, mais il faut remarquer qu'elle serait de toute manière indispensable.

On ne peut, en effet, concevoir une transmission hydro-mécanique, c'est-à-dire positive, sans une roue libre protégeant le moteur des survitesses que pourrait lui imposer la force vive du convoi.

En ce qui concerne le passage des vitesses, les nombreux services effectués sur les lignes à profil très varié, ont montré qu'en monomoteur, jusqu'à 800 cv, l'interruption momentanée de l'effort de traction ne présentait pas d'inconvénient si la durée de cette interruption était courte.

Locomotive 800-1200 cv

Pour les puissances élevées ? l'utilisation de bimoteurs étant par ailleurs avantageuse ? il suffit de décaler de 3 ou 4 secondes le passage des vitesses sur chaque groupe moteur. On obtient ainsi une traction continue, et cela sans aucun inconvénient, car grâce aux roues libres, les 2 moteurs peuvent tourner à des vitesses différentes sans crainte de survitesse pour l'un d'eux.

C'est en fonction de ces considérations qu'ont été réalisées les transmissions « Asynchro ».

source : Article « Transmission hydro-mécaniques pour autorails et locomotives Diesel à grande puissance » de Pierre ZENS, ingénieur.

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