frein (suite)

Les dispositifs de freinage

• Freins à sabots. Ce système, le plus ancien et le plus répandu, consiste à appliquer un ou plusieurs sabots sur la roue au moyen d’une tringlerie (la timonerie) commandée manuellement, par un dispositif à vis, ou automatiquement, à partir d’un cylindre dans lequel est admis un fluide sous pression. Les sabots (ou semelles) sont généralement en fonte. Cependant, lorsque la vitesse est faible, certains véhicules sont munis de sabots en bois dur (tramway, chemin de fer métropolitain). La fonte, dont le coefficient de frottement tend à augmenter lorsque la vitesse de glissement diminue, favorise ainsi l’enrayage des roues aux faibles vitesses. Pour éviter ce phénomène, les chemins de fer utilisent parfois des semelles confectionnées en matériaux spéciaux dont le coefficient de frottement reste pratiquement indépendant de la vitesse, tout en étant souvent supérieur à celui de la fonte. Leur emploi conduit par ailleurs à une simplification considérable de la timonerie de frein. Malgré les perfectionnements apportés aux freins à sabots, le domaine d’utilisation de ce système est limité aux vitesses inférieures à 200 km/h en raison des dégradations importantes subies par les semelles au-delà de cette vitesse.

• Freins à disques. Ce système est dans son principe analogue au frein à sabots. Le couple retardateur est engendré par des garnitures frottantes qui viennent s’appliquer sur un ou deux disques calés sur l’axe d’essieu. Cette disposition permet de dissiper une quantité d’énergie plus importante que le frein à sabots et de ne pas provoquer de dégradations de la surface de roulement, mais elle est plus lourde et plus encombrante. Assez peu utilisé actuellement, ce système tend à se développer sur le matériel destiné aux grandes vitesses.

• Freins à patin. Contrairement aux freins à sabots ou à disques, ces dispositifs sont indépendants de l’adhérence roue-rail. L’effort retardateur est provoqué par le frottement d’un patin venant s’appliquer directement sur le rail au moyen d’électro-aimants. Ce système est généralement utilisé comme complément des autres freins pour obtenir un effort retardateur supplémentaire dans des cas particuliers (freinage d’urgence). Il permet de réduire de 25 p. 100 les distances d’arrêt obtenues par les moyens classiques jusqu’à 200 km/h environ. Son emploi est limité par la nécessité de disposer sur chaque véhicule d’une source de courant pour son fonctionnement, et par son action perturbatrice sur la voie.

• Freins électriques. Montés seulement sur les engins moteurs munis de moteurs électriques, ils utilisent l’adhérence de la roue pour développer un effort de retenue, mais l’énergie est dissipée au moyen des moteurs travaillant en génératrice et débitant dans des résistances (frein rhéostatique) ou dans la ligne d’alimentation (freinage par récupération). Ces systèmes sont particulièrement intéressants à grande vitesse, mais leur efficacité diminue lorsque la vitesse décroît. Ils sont généralement utilisés sur les automotrices électriques et sont alors combinés avec des systèmes classiques pour accroître les performances de freinage. Sur les locomotives électriques, ils sont surtout utilisés pour obtenir un effort de retenue capable de maintenir la vitesse du convoi sur les lignes en déclivité.

• Freins à courant de Foucault. Ils utilisent les propriétés qu’ont les courants induits dans une masse métallique de s’opposer à la cause qui leur a donné naissance. Leur application sur les véhicules ferroviaires est encore limitée à des dispositifs expérimentaux. Ils peuvent utiliser l’adhérence roue-rail si les masses métalliques sont solidaires de l’essieu, ou en être indépendants s’ils sont disposés pour engendrer un courant induit dans le rail au moyen d’un patin maintenu parallèle à celui-ci. Comme les freins électriques, ils exigent une source de courant à bord des véhicules. Leur efficacité est particulièrement importante aux vitesses supérieures à 180 km/h environ, mais ils doivent être complétés par un système de freinage par sabots ou par disques pour obtenir l’arrêt.

La commande du frein

Au début des chemins de fer, le freinage des trains est obtenu par l’action d’agents (serre-freins) répartis sur les véhicules et obéissant aux ordres du mécanicien, qui fait retentir le sifflet de la locomotive selon un certain code pour commander les degrés de serrage et le desserrage des freins. Dès 1867, aux Etats-Unis, George Westinghouse (1846-1914) imagine de placer un cylindre sur chaque véhicule et de le mettre en communication avec une tuyauterie courant le long du train et aboutissant à la locomotive. Au moyen d’un robinet, le mécanicien peut envoyer de la vapeur dans cette conduite et mettre ainsi en action des pistons des cylindres pour commander la timonerie de frein. Mais la condensation de la vapeur le long de la tuyauterie entraîne de graves difficultés. Celles-ci seront résolues l’année suivante par l’utilisation de l’air comprimé et cette commande sera expérimentée en 1869.

Les premiers dispositifs de commande pneumatique sont des freins « directs », dans lesquels l’air comprimé par une pompe à vapeur disposée sur la locomotive est envoyé dans la conduite de frein au moyen d’un robinet actionné par le mécanicien. Ce système présente le gros inconvénient d’avoir une action d’autant plus lente que le train est long, et surtout n’offre aucune sécurité en cas de rupture de la conduite d’air entre les véhicules. C’est pour rendre le frein « automatique » que Westinghouse imagine la triple valve en 1872. Cet appareil utilise une réserve d’air comprimé placée sur chaque véhicule et commande le serrage des freins en évacuant l’air comprimé de la conduite générale, qui doit être maintenue sous pression en marche normale. Ce procédé garantit la sécurité, car une rupture de cette conduite ne peut que provoquer l’arrêt des véhicules. De nombreux systèmes de freins utiliseront par la suite le même principe. Malgré les nombreux perfectionnements dont elle est l’objet, la triple valve présente cependant l’inconvénient de ne pas permettre une graduation du freinage lors du desserrage. Ce dernier point sera résolu avec l’apparition des distributeurs, dont sont munis la grande majorité des véhicules actuels.