Transmissions pour locomotives Diesel et l'origine des premières idées d'  « ASYNCHRO »

Par M. ZENS et M. HONNORÉ Directeur Général et Directeur de la Compagnie de Chemins de Fer Départementaux.

La note ci-dessous qui, naturellement, exprime les opinions personnelles des auteurs, a pour objet de développer les idées générales, les théories et les résultats d'expérience qui justifient l'emploi des transmissions mécaniques sur les engins à moteur diesel, même de forte puissance, moyennant certaines dispositions appropriées.

Les différentes transmissions pour les locomotives diesel

Il est actuellement d'opinion courante que les trans­missions pour les locomotives diesel peuvent être classées de la manière suivante :

  • transmissions mécaniques pour les faibles puis­sances,
  • transmissions hydrauliques pour les puissances moyennes,
  • transmissions électriques pour les grosses puis­sances.

Il peut paraître audacieux de tendre à modifier une opinion si généralement admise.

Nous devons donc, dès maintenant, dire que l'avis que nous émettons sur cette question est étayé par plusieurs années non seulement d'essais mais de ser­vices ; et il est probable que si les résultats obtenus ne sont pas encore suffisamment connus, c'est que ces services ont été effectués sur une échelle insuffisante pour être publicitaire.

Bien des techniciens n'en seront pas extrêmement surpris puisque la théorie montre que les transmis­sions mécaniques ont de loin le meilleur rendement et que tout n'a pas encore été tenté pour les adapter à la traction « diesel » et supprimer leurs défauts majeurs qui sont : la difficulté de transmettre des puissances importantes, le manque de souplesse au démarrage et la difficulté d'obtenir une continuité de l'effort de traction.

Nous admettons bien volontiers que la souplesse au démarrage d'une transmission mécanique ne peut être obtenue au moyen de matériaux de friction. Dans l'état actuel des choses, l'organe le plus indiqué est le coupleur hydraulique dont le rendement d'uti­lisation normale est excellent.

L'utilisation de plusieurs moteurs

Pour la continuité de l'effort de traction, le moyen le plus simple consiste à utiliser au moins 2 moteurs de telle sorte que l'on peut sans dommage, pendant un temps relativement court, interrompre l'effortd'un de ceux-ci pour permettre de changer le rapport de vitesse de sa transmission. Ces moteurs peuvent tourner momentanément à des vitesses dans le rapport de la raison des boîtes ce qui est parfaitement admis­sible, même pendant un temps très long.

Nous verrons plus loin que le fait d'avoir plusieurs moteurs n'est qu'une complication apparente, car elle est loin de se traduire par une surcharge du prix de revient, et elle est même un élément d'économie d'exploitation très important.

Nous croyons, d'autre part, qu'avec une transmis­sion mécanique unique, la traction continue n'est pos­sible qu'en admettant une augmentation considérable et peu chiffrable des efforts instantanés imposés à la transmission.

Cela tient à ce fait que si l'on admet que la vitesse du convoi reste constante pendant le changement de combinaison, la vitesse du moteur doit pendant ce temps varier comme la raison de la boîte de vitesse et cela ne peut se faire instantanément qu'au prix d'une surcharge instantanée de la transmission et de l'em­brayage en particulier.

Les boites de vitesse simple mais efficace

Les diverses combinaisons des boites de vitesse

En ce qui concerne la boîte de vitesse elle-même, il faut pouvoir réaliser des boîtes à engrenages de la plus grande simplicité. A ce jour, il a été essayé de nom­breuses combinaisons et nous ne nous permettrons pas d'en faire ici la critique. Elles sont soit à embrayages multiples, soit à satellites avec freins multiples, soit à engrenages synchronisés. Grâce à la haute précision de l'usinage et à des réglages minutieux, mais souvent délicats, on est arrivé à certains résultats. Mais jusqu'à ce jour ceux-ci n'ont pas paru de nature à leur per­mettre de l'emporter sur les transmissions hydrau­liques ou électriques, malgré les inconvénients de rendement et de prix de ces dernières.

En revanche, il paraît probable que, si les qualités demandées aux transmissions pouvaient être obtenues en utilisant des boîtes ne comportant que des arbres parallèles portant de simples engrenages droits lar­gement dimensionnés et munis de crabots ordinaires, on se trouverait en présence d'une mécanique robuste, d'une simplicité telle que le prix de revient en serait bas, le rendement élevé et la longévité accrue.

L'élimination du synchroniseur

Pour la construire aussi simplement il faut donc pouvoir éliminer un organe pourtant très apprécié : le synchroniseur.

Un synchroniseur est un frein difficile à interposer entre les engrenages dont il doit absorber les diffé­rences de forces vives aux passages des vitesses.

Le calcul montre qu'en raison de la faible place dispo­nible c'est un frein très chargé. Son emplacement en rend l'entretien impossible et surtout son extrapo­lation a des limites vite atteintes pour des puissances ferroviaires.

Calcul du synchroniseur

Si une boîte de vitesses B. V.1 synchronisée peut transmettre une puissance et que l'on cherche le rapport de similitude pour construire une boîte semblable B.V.K transmettant une puissance PK égale à KP1 il suffit d'appliquer à tous les engrena­ges une dilatation dans le rapport  ou K1/3

En effet soit un pignon quelconque de module M1 de largeur L1 et possédant n dents, le couple transmissible est proportionnel à : nxL1x M21 M

Si nous gardons le même nombre de dents et si nous modi­fions ce pignon en le dilatant cubiquement suivant le rapport K1/3, le nouveau couple transmissible sera proportionnel à :      n K1/3 L1M21 K2/ 3 = K n L1 M21= nLK M2K

Comme nous ne changeons pas les vitesses angulaires une telle boîte passera une puissance PK = K P1

Voyons ce qui se passe pour les synchroniseurs.

Un synchroniseur absorbe essentiellement une variation d'énergie cinétique, donc c'est un travail proportionnel à I??2 (??2 étant la variation du carré de la vitesse angulaire des masses à accorder ? I représentant un moment d'inertie). Ce travail variera comme I, c'est-à-dire comme la cinquième puis­sance d'une longueur.

Si donc T1 représente le travail absorbé au passage d'une quelconque vitesse de la boîte B. V.1 pour la boîte B.V.K dans les mêmes conditions le synchroniseur correspondant devra absorber un travail TK =K5/3T1

Revenons à la boîte B.V.K, dans laquelle tous les organes ont été dilatés dans le rapport K1/3, et voyons le travail T'K d'un tel synchroniseur. T'K est proportionnel à C'K ? ?, ? ? étant le même dans les deux cas.

Le travail T'K varie comme le couple du synchroniseur.

Or ce couple est égal à : C'K = p x SK xrmK xf

où :

  • p              = pression unitaire
  • SK                    = surface de la friction
  • rmK          = rayon moyen
  • f               = coefficient de frottement
  • donc si nous gardons
  • même pression unitaire : p    SK= K2/3 .S1
  • même coefficient   : f             rmK = K1/3rm1
  •                                               C'K=  K3/3C1

d'où

T' k = K3/3 T1 ; or le rapport demandé est TK /T1 = K5/3

Pour rétablir l'équilibre il faudrait donc augmenter les synchroniseurs en les dilatant dans le rapport ?(K5/3) soit K5/9, au lieu de K1/3 pour le reste de la boîte.

Asynchro : la solution des problèmes

On s'aperçoit que très vite le « synchroniseur » dépasse la dimension du pignon à synchroniser.

En fait on ne connaît guère dans le monde de boîtes de vitesses synchronisées donnant entière satisfaction pour des puissances supérieures à 300 ch.

D'autre part, il peut être affirmé que toute trans­mission mécanique de locomotive doit ? c'est une sécurité impérative ? être dotée d'une roue libre pour protéger le moteur des réactions ou des survitesses dues à la rame. Il ne peut être question de frein « moteur » lorsqu'on ne dispose dans beaucoup de cas que de moins d'un cheval par tonne tractée.

On peut également affirmer ? ce point ayant il y a plusieurs années été controversé ? qu'il existe aujourd'hui plusieurs systèmes de roues libres donnant entière satisfaction, même pour des couples de l'ordre de 600 m/kg.

Fig. 1 - Locomotive diesel hydro-mécanique à « traction continue », équipée de 2 groupes moteurs et de boîtes « Asynchro »

Dans ces conditions on a été conduit à réaliser la disposition suivante :

Le coupleur étant fixé sur le volant du moteur et l'embrayage sur le primaire de la boîte de vitesses, on interpose entre cet embrayage et la boîte, un frein que l'on pourrait appeler un « synchroniseur à zéro » puisqu'il est destiné à stopper rapidement tous les organes de la boîte. Cette opération étant rendue possible, une roue libre étant située à la sortie de la boîte, il n'y a donc plus de problème de passage de vitesses, tous les organes de la boîte étant au repos.

C'est sur ce principe qu'a été réalisée la boîte Asynchro.

source : Revue Générale des Chemins de Fer, Juin 1957

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