locomotive (suite)
Les perfectionnements les plus importants dont a été l’objet la locomotive à vapeur sont la surchauffe de la vapeur, qui permet d’élever la température de la vapeur avant son utilisation dans les cylindres, et le compoundage, qui consiste à utiliser la vapeur ayant déjà travaillé à l’intérieur des cylindres principaux (cylindres « haute pression ») dans une seconde série de cylindres (cylindres « basse pression ») avant d’être rejetée dans l’atmosphère. Enfin, l’augmentation continuelle de la pression de la vapeur (jusqu’à 22 bars) a permis d’obtenir une remarquable souplesse et une bonne commodité d’emploi des machines à vapeur. Les plus récentes ont pu développer jusqu’à 4 000 kW et atteindre des vitesses allant jusqu’à 202 km/h. Cependant, le rendement d’une locomotive à vapeur reste faible (environ 6 p. 100), son entretien onéreux, et son exploitation beaucoup moins aisée que celle des locomotives électriques ou Diesel, ce qui explique leur disparition progressive de tous les grands réseaux.
Locomotives électriques
Contrairement aux autres locomotives, les locomotives électriques utilisent une source d’énergie extérieure. Cette propriété leur confère une plus grande légèreté, un meilleur rendement, mais les rend tributaires d’une ligne d’alimentation. Nées au début du xxe s., elles ne se sont développées qu’après la Première Guerre mondiale et ont actuellement atteint un haut niveau de perfectionnement. On y distingue deux parties essentielles : la partie mécanique et la partie électrique.
Partie mécanique
Elle est indépendante de la façon dont la locomotive est alimentée. Les premières locomotives étaient généralement constituées d’une caisse reposant sur deux bogies dans lesquels étaient disposés les moteurs. La caisse, analogue à celle d’un wagon, contenait l’appareillage électrique nécessaire au fonctionnement des moteurs. La transmission du couple moteur aux essieux était généralement assurée par des engrenages. Les moteurs étaient semi-suspendus, c’est-à-dire qu’ils reposaient en partie sur l’essieu par l’intermédiaire de paliers et en partie sur la traverse centrale du châssis de bogie. Cette disposition, très répandue sur les premiers véhicules moteurs électriques, est encore utilisée sur certains matériels, et en particulier sur de nombreuses automotrices électriques. Mais elle est peu favorable à la réalisation de vitesses élevées en raison de la position du moteur, qui est soumis aux chocs et aux accélérations importantes que lui communique l’essieu. Pour rouler vite, et concurrencer les machines à vapeur les plus rapides, sont apparues des locomotives électriques dont la disposition du véhicule s’apparente à celle qui est utilisée pour la traction à vapeur : essieux moteurs liés à un châssis principal rigide et utilisation de bogies ou de bissels porteurs pour faciliter le passage dans les courbes. Cette orientation donna naissance à de puissantes locomotives à quatre ou six essieux moteurs qui assurèrent définitivement le succès de la traction électrique. Les moteurs de ces machines sont placés dans la caisse, et la transmission du couple moteur aux essieux nécessite la présence d’une transmission élastique capable d’absorber les débattements de la suspension verticale. Le plus répandu de ces systèmes est la transmission Büchli, qui équipe encore de nombreuses locomotives. Certaines d’entre elles circulent couramment à 140 km/h, et leurs performances surpassent celles des locomotives à vapeur les plus puissantes.
Après la Seconde Guerre mondiale, les recherches s’orientèrent vers des locomotives à adhérence totale, c’est-à-dire dont tous les essieux sont moteurs, plus légères et capables de circuler à des vitesses élevées. Ainsi naquirent les locomotives BB et CC modernes. Ces engins sont généralement constitués d’une caisse unique reposant sur deux bogies à deux ou trois essieux. Les moteurs de traction sont fixés au châssis des bogies, et le couple moteur est transmis aux essieux au moyen d’une transmission élastique dont les plus répandues sont la transmission à cardans et la transmission à anneau dansant. Les liaisons entre la caisse et les bogies sont étudiées de telle sorte que ces locomotives peuvent circuler à très grande vitesse dans de très bonnes conditions de stabilité.
Cependant, si l’on excepte quelques locomotives de manœuvre possédant des bielles d’accouplement entre essieux moteurs pour en augmenter l’adhérence, toutes ces locomotives sont équipées d’une transmission individuelle, c’est-à-dire que chaque essieu moteur est entraîné par un moteur. Reprise vers 1955, l’idée d’accoupler les essieux entraîna la création des bogies monomoteurs, dans lesquels un seul moteur électrique entraîne simultanément les deux ou trois essieux du bogie. L’accouplement des essieux est réalisé par un train d’engrenage, et la transmission du couple moteur aux essieux est réalisée dans les mêmes conditions que dans le cas où l’essieu est entraîné par un seul moteur. L’accouplement mécanique des essieux permet d’obtenir une meilleure adhérence et un allégement des locomotives. Parallèlement aux bogies monomoteurs est apparu le double rapport d’engrenage, grâce auquel on peut changer à l’arrêt le rapport des vitesses entre les moteurs et les roues motrices. Ce dispositif permet de modifier rapidement les caractéristiques d’une locomotive et de disposer d’un engin apte à tous les services. Enfin, les dispositions de montages simples, évitant au maximum l’usure des organes, donnent aux machines électriques modernes une fiabilité difficilement accessible aux engins à moteur thermique.
Partie électrique
• Locomotives à courant continu. Grâce à ses caractéristiques, le moteur série reste le moteur de traction par excellence. Il possède un couple élevé au démarrage et s’accommode aisément de surcharges momentanées. À partir du dispositif de captage du courant (frotteur ou pantographe), les moteurs de traction sont alimentés par divers organes dont l’ensemble constitue la partie à haute tension. Au démarrage, tous les moteurs de la locomotive sont placés en série avec un rhéostat de démarrage qui est éliminé au fur et à mesure que la vitesse augmente. Des commutateurs permettent de modifier le couplage des moteurs (couplage série, série parallèle et parallèle) et de les faire fonctionner sous leur tension maximale lorsque la vitesse est suffisante. De plus, en réduisant le champ des inducteurs par shuntage, on obtient une augmentation du couple et par suite de la vitesse. Le circuit à haute tension comporte en outre des appareils de sécurité (disjoncteurs, sectionneurs) et des inverseurs pour modifier le sens de marche. Les différentes combinaisons du circuit (élimination du rhéostat, modification du couplage, shuntage) sont réalisées grâce à des contacteurs commandés à partir de la cabine de conduite par un circuit à basse tension, soit individuellement, soit au moyen d’un servomoteur électrique ou pneumatique et d’un arbre à cames. De nombreux perfectionnements ont été apportés à l’appareillage des locomotives électriques à courant continu. Tout d’abord, les résistances de démarrage constituées par des grilles de fonte lourdes, encombrantes et fragiles, ont été remplacées par des tôles découpées et ventilées afin d’en réduire la masse et le volume. Puis on a augmenté la puissance des moteurs tout en leur conservant le même encombrement, en utilisant des matériaux magnétiques à pertes réduites et surtout de nouveaux isolants résistant à des températures plus élevées et de meilleure tenue mécanique. Enfin, on a supprimé les rhéostats. Les moteurs sont alors alimentés sous une tension continue variable commandée par des thyristors disposés à la sortie d’un « hacheur ».