Extrait 42576210
Extrait 42576210
Extrait 42576210
Infrastructure ferroviaire
et matériel roulant
III
Cet ouvrage fait par tie de
Systèmes ferroviaires
(Réf. Internet ti602)
composé de :
Sur www.techniques-ingenieur.fr
• Saisissez la référence Internet pour accéder directement aux contenus en ligne
• Retrouvez la liste complète des ressources documentaires
IV
Cet ouvrage fait par tie de
Systèmes ferroviaires
(Réf. Internet ti602)
Pierre CHAPAS
Ingénieur DPE, Senior Expert (honoraire), ALSTOM Transport
Sur www.techniques-ingenieur.fr
• Saisissez la référence Internet pour accéder directement aux contenus en ligne
• Retrouvez la liste complète des ressources documentaires
V
Les auteurs ayant contribué à cet ouvrage sont :
Jean-Claude ALACOQUE
Pour l’article : D5535
Florent BRISOU
Pour les articles : TRP3060 – TRP3061 – TRP3062
Pierre CHAPAS
Pour les articles : TRP3100 – TRP3050 – TRP3070 – D5520 – D5535
Dominique COIFFET
Pour l’article : TRP3070
Raymond DEROCHE
Pour l’article : M3070
Yves-Henri GRUNEVALD
Pour l’article : AM5650
Jean-Michel GUILLEMOT
Pour l’article : AM5650
Nicolas LIGNIER
Pour l’article : TRP3073
Georges MULLER
Pour les articles : D5550 – D5551 – C4441 – C4442 – C4443 – D5552
Jean-Michel PETIT
Pour l’article : D5520
Sur www.techniques-ingenieur.fr
• Saisissez la référence Internet pour accéder directement aux contenus en ligne
• Retrouvez la liste complète des ressources documentaires
VI
Infrastructure ferroviaire et matériel roulant
(Réf. Internet 42576)
SOMMAIRE
Réf. Internet page
Sur www.techniques-ingenieur.fr
• Saisissez la référence Internet pour accéder directement aux contenus en ligne
• Retrouvez la liste complète des ressources documentaires
VII
Sur www.techniques-ingenieur.fr
• Saisissez la référence Internet pour accéder directement aux contenus en ligne
• Retrouvez la liste complète des ressources documentaires
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSQPP
Roulement ferroviaire
Aspect mécanique de traction
Y
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSQPP
les dalles de pierres, par lesquelles les roues sont guidées. Dès le Moyen Âge et
surtout au XVIe siècle, sont développées des « pistes de roulement et de guidage »
permettant la répartition sur le sol des charges roulantes et la matérialisation de leur
trajectoire. Les premiers rails métalliques sont introduits en Angleterre par Richard
Reynolds en 1763. Les roues sont dotées d’un épaulement, appelé « boudin » assu-
rant le guidage. Ainsi est-il possible d’atteler plusieurs véhicules les uns aux autres,
constituant un « train » (du verbe traîner) ; chacun d’eux est guidé de façon auto-
nome. Les charges remorquées deviennent alors très importantes : des trains
minéraliers de plus de 20 000 tonnes circulent dans le monde.
Cette technologie est la base du « système ferroviaire ». Nous en analysons
les caractéristiques physiques : géométrie du roulement et du guidage, nature
du contact roue-rail, efforts en présence d’ adhérence : condition d’exercice de
la traction et du freinage.
Dans certains cas particuliers de transport urbain, la roue est équipée de
pneumatique. Leurs caractéristiques de frottement et de guidage sont analy-
sées en seconde partie.
Les roues sont intégrées dans un ensemble constituant le matériel roulant.
L’architecture de ces organes de roulement permettant l’exercice des efforts en
traction et en freinage est étudiée en troisième partie.
Certaines conditions de circulation, dues au profil de la ligne empruntée, ne
permettent plus l’exercice des efforts de frottement résultant du simple contact
roue-rail. D’autres solutions sont alors mises en œuvre, telles que la cré-
maillère ou le funiculaire. C’est l’objet de la quatrième partie.
L’ensemble des composantes du système ferroviaire repose sur le roulement.
En termes de performances, de confort ou de sécurité, les organes de roulement
font l’objet d’une maintenance très élaborée, étudiée en cinquième partie.
Les incidences environnementales telles que le bruit, le rejet de matériaux et
l’énergie absorbée sont analysées en sixième partie.
QP
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSQPP
roue 1 D D roue 2
L axe de voie
Lu
L/2
pente 20 %
D plan de
roulement
α β = 70˚ b 2ei b
pente SW j1 2ea j2
10 2e
pente plan de roulement
de dégagement
h
– écartement de voie : 2e
2
qr > 6,5 – écartement des faces actives de roues : 2ea
b – écartement des faces internes de roues : 2ei
– largeur de boudin : b
– largeur : L (0,135 ≤ L ≤ 0,140 m)
– jeu entre boudin de roue 1 et rail : j1
– diamètre nominal moyen : D (≥ 0,330 m) mesuré à L/2
– jeu entre boudin de roue 2 et rail : j2
– pente de la génératrice (ou 1/2 conicité) : SW.
Les valeurs les plus utilisées sont :
• 1/20 (5 %) (α = 2° 51’ 51’’) Figure 3 – Inscription de l’essieu sur voie en alignement
• 1/40 (2,5 %) (α = 1° 25’ 57’’)
– pente de dégagement (15 %) suivie du chanfrein d’extrémité
– largeur utile : Lu = L – longueur de pente de dégagement (= 0,105 m)
– hauteur de boudin, mesurée à partir du plan de roulement :
h (= 0,036 m)
– largeur de boudin, mesurée à 10 mm du plan de roulement : b.
Les valeurs sont :
• b > 0,022 m pour D > 0,840 m
• b > 0,0275 m pour D ≤ 0,840 m ;
– caractéristique de l’épaisseur du boudin en fonction de son usure :
qr > 6,5 mm
Figure 4 – Mouvement de lacet sur voie en alignement
– angle de raccordement du boudin au plan de roulement : β = 70°
α C C
α D
pente Sw
D1 = − jSW
2
X
IA = ρ − e − j ≈ ρ − e ( j étant négligeable devant ρ) et : IK = ρ + e
O X O
Xc Les triangles IAC et IKF sont semblables, d’où :
QQ
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSQPP
Exemples :
Y 2e = 1,435 m, D = 1 m, SW = 1/20 → T ≅ 23,79 m
I
2e = 1,435 m, D = 1 m, SW = 1/40 → T ≅ 33,64 m
ρ Le mouvement de lacet est donc fonction :
– de la conicité. Plus elle est faible, plus la période du mou-
1 B vement est longue et favorise la stabilité du roulement. La valeur
C
de pente 1/40 est choisie, par exemple, pour les trains à grande
A D1 vitesse [3] ;
– du jeu j1 et j2 entre boudins et champignons de rail. Ils ne
2e X peuvent être nuls car il y aurait contact permanent entraînant
j
l’usure des deux composants. La valeur choisie j = j1 + j2 est
comprise entre 10 et 25 mm. Elle détermine la dimension de
O l’essieu, c’est-à-dire la position, mesurable, des roues sur l’axe de
E l’essieu : c’est l’écartement des faces internes 2ei .
K F Pour une voie d’écartement normal 2e = 1,435 m, la valeur 2ei
D2
est donnée par l’équation (tableau 1) :
2ei = 2e − ( j1 + j 2 + 2b )
2
λ α Le choix de cet écartement est primordial car il conditionne, d’une
part, la stabilité de l’essieu en alignement (mouvement de lacet) et,
d’autre part, la bonne inscription en courbe, étudiée au paragraphe
Figure 5 – Schéma de calcul pour la période du mouvement de lacet suivant (§ 1.1.4).
0,010 1,381
1 0,022
0,025 1,366
1,435
0,010 1,370
0,800 0,0275
0,025 1,355
QR
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPUP
Voie ferrée
Composants, construction et maintenance
’invention de la roue est datée 3 500 ans avant notre ère. Son roulement
L sur le sol, si elle est une avancée considérable de l’activité humaine,
présente néanmoins une contrainte importante du fait de sa très faible surface
de contact. Les Romains pallièrent cet inconvénient en construisant des voies
en matériaux durs et même, en aménageant des ornières pour éviter le déra-
page transversal. Deux notions fondamentales prennent ainsi corps : le
support réparti de la charge et son guidage.
Le XVIe siècle apporte une solution à cette problématique : deux roues asso-
ciées, formant un essieu, roulent sur une voie constituée par deux profils
parallèles en bois ; la charge est ainsi répartie sur le sol pour éviter l’enlise-
p。イオエゥッョ@Z@ョッカ・ュ「イ・@RPQR
QS
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPUP
QT
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPUP
2e
C
Figure 3 – Inscription de l’essieu
F V
X
Y
Q α α
D1 D2
Figure 2 – Composantes du roulement
QU
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPUP
axe de voie
2ei
b b
j1 2ea j2
plan
2e en alignement de roulement
D D1max D D2min
2ei
b b
2ea j2
2e
R
Rext
– diamètre de roulement minimal de la roue 2, D2max ; – la nature géotechnique du sol : granularité, dureté, altérabilité
– pente de génératrice des roues, S ; et contenu organique ;
– jeu entre boudin de roue 1 et rail extérieur à la courbe, j1 = 0 ; – les conditions hydrologiques et hydrogéologiques.
– jeu entre boudin de roue 2 et rail intérieur à la courbe, j2.
Ces critères sont étudiés par des sondages très nombreux,
Il ressort de ces deux figures que : conditionnant en partie le choix du tracé.
– l’écartement de voie est tel qu’il permet un jeu permanent
entre rail et boudin de roue, évitant ainsi l’usure ; La plate-forme nécessite, dans la plupart des cas, des aménage-
– en courbe, l’écartement des rails est plus important qu’en ments tels que remblais et déblais. Dans sa configuration défini-
alignement pour permettre le roulement de l’essieu sans glisse- tive, avant pose de la voie, elle comprend différentes couches
ment des roues. indiquées en figure 7.
En France, l’ensemble des plates-formes de voies ferrées repré-
Nota : la conicité des roues est variable selon les réseaux de chemin de fer. Les deux
valeurs les plus fréquentes sont 1/20 et 1/40 (voir § 2.2.2). sente une superficie d’environ 98 000 hectares.
QV
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPVP
QW
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPVP
1.1 Dynamique du freinage où mrot (kg) masse équivalente à l’inertie tournante de la roue,
Le rôle du système de freinage équipant un matériel ferroviaire I (kg · m2) inertie tournante de la roue,
est de générer un effort retardateur opposé au mouvement du Rroue (m) rayon de la roue.
train lorsque celui-ci est en phase de roulage, ou opposé au mou- On procède de même pour chaque élément en rotation qui pré-
vement potentiel du train lorsque celui-ci est à l’arrêt. sente une inertie importante. L’ensemble des masses équivalentes
Dans le premier cas, l’objectif est soit d’arrêter le train (freinage sont ensuite additionnées à la masse statique :
d’arrêt), soit de réguler la vitesse du train pour respecter les
consignes données par la signalisation (freinage de ralentissement M dyn = M stat + ∑ mrot
lorsque la vitesse doit décroître ou de maintien lorsque la vitesse
est maintenue à une valeur constante à ne pas dépasser, dans une
pente par exemple). Il s’agit d’un phénomène dynamique mettant 1.2.2 Efforts de freinage
en jeu la loi de la cinématique des solides soumis à une force.
Dans le second cas, il s’agit d’immobiliser le train soit temporai- Dans le cas d’un train en phase de freinage, sont appliqués :
rement (freinage d’immobilisation), soit indéfiniment (freinage de • les efforts retardateurs générés par le système de freinage du
stationnement ou de parking). Il s’agit alors d’un phénomène train (frein dynamique, frein à friction...). Ces efforts peuvent... :
statique, mettant en jeu l’équilibre des forces auxquelles un solide – soit transiter au niveau du contact roue-rail (sollicitation de
est soumis. l’adhérence),
– soit transiter entre l’organe de freinage du train et le rail (sans
sollicitation de l’adhérence – par exemple, les patins magnétiques
1.2 Principe ou les freins à courants de Foucault linéaires),
– soit rester interne au système train, mais servir à freiner les
1.2.1 Masse à freiner éléments en rotation. Même si ces efforts restent internes au train,
ils sont néanmoins à prendre en compte puisque les inerties tour-
Le principe de base du freinage repose sur l’équation fondamen- nantes freinées sont incluses dans la masse dynamique du train ;
tale de la dynamique : l’accélération (ou, en l’occurrence, la décélé- • la résistance à l’avancement du train (résistance au roulement
ration) subie par un solide est égale à la résultante des efforts et résistance aérodynamique). Cette résistance à l’avancement se
externes appliqués à ce solide, divisée par sa masse : présente généralement sous la forme d’un polynôme du second
degré :
∑ Fi
∑ Fi = M γ ou γ = FRA = A + BV + CV 2
M
Cette équation va être appliquée dans le repère uniaxial défini par où A et B paramètres caractéristiques de la résistance au
le rail, axe le long duquel le train se trouve en translation. roulement du train,
Dans le cas d’un freinage cinématique (train en mouvement), il C paramètre caractéristique de la résistance aéro-
faut non seulement freiner la masse statique du train, mais égale- dynamique du train,
ment les inerties des éléments qui se trouvent en rotation lors du V vitesse instantanée du train.
QX
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPVP
• les efforts liés à la déclivité de la voie : effort opposé au Il est ensuite possible de déterminer l’énergie totale « injectée »
mouvement si le train est dans une rampe, effort dans le sens du dans chaque organe pendant le freinage. Cette énergie peut être
mouvement si le train est dans une pente : déterminée de la manière suivante :
Fgrad = M stat gi E i = Fi D
où Mstat masse statique du train, où Fi effort retardateur produit par l’organe, ramené à la jante,
g accélération de la pesanteur, D distance parcourue durant le temps pendant lequel l’effort
Fi est appliqué.
i déclivité (positive pour une rampe, négative pour une
Si l’effort est constant pendant le freinage, l’énergie dissipée est
pente).
calculée en prenant en compte la distance parcourue pendant le
Le principe du calcul de la décélération est donc : freinage.
– de sommer tous les efforts retardateurs générés par les La somme des énergies « injectées » dans l’ensemble des orga-
différents organes de freinage. À noter que dans le domaine du nes du train, ainsi que celle dissipée par la résistance à l’avance-
freinage, beaucoup des actions opposées au mouvement du train ment, doit être égale à la somme de l’énergie cinétique et de
sont générées sous forme d’un couple appliqué à l’essieu (couple l’énergie potentielle dissipée par le train au cours du freinage.
du frein dynamique, couple créé par la friction des garnitures sur
À noter que dans le cadre des essais au banc, la sollicitation
les disques) : pour revenir dans le repère uniaxial de translation, il
énergétique d’un organe est souvent caractérisée par le paramètre
convient de convertir ces couples en effort de retenue appliqué à
« masse à freiner » par l’organe. Cette masse à freiner correspond
la jante de la roue ;
à une équivalence énergétique entre l’énergie Ei injectée dans
– d’ajouter les efforts « externes » tels que la résistance à l’avan- l’organe pendant un freinage entre une vitesse Vin et Vfin et la
cement et les efforts liés à la déclivité ; masse qui conduirait à une énergie cinétique identique :
– de diviser cette somme d’efforts par la masse dynamique du
train. 2Ei
Mf =
Vin2 −Vfin
2
1.3 Énergie et puissance Ce paramètre permet ainsi une comparaison aisée des sollici-
tations thermiques d’un organe installé sur deux véhicules diffé-
1.3.1 Énergie rents, ou, pour un véhicule donné, des sollicitations thermiques
dans les différents modes de freinage et de configuration (mode
L’action des efforts retardateurs pour freiner le train se traduit nominal, mode dégradé, etc.).
par deux phénomènes physiques :
– la création d’une décélération, suivant le principe de la dyna- 1.3.2 Puissance
mique présenté ci-dessus ;
– une transformation d’énergie. La puissance instantanée « injectée » au niveau de chaque
organe est aussi un paramètre important pour juger des sollicita-
En effet, un train de masse dynamique Mdyn roulant à une tions auxquelles cet organe est soumis. Cette puissance instanta-
vitesse V a emmagasiné, du fait de son mouvement, une énergie née est déterminée par la formule classique :
cinétique :
E c = 1/2Mdyn V 2 Pi = Fi V
QY
RP
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPVQ
RQ
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPVQ
d’attelage. Cela implique que chaque partie d’un train soit équipée
1. Règles d’or du freinage de dispositifs de freinage permettant son ralentissement puis son
ferroviaire immobilisation. La partie élémentaire d’un train étant le véhicule,
cela implique que chaque véhicule constituant un train doit être
équipé de dispositifs de freinage (commande et production d’effort).
En préalable à toute étude des technologies de commande du frei-
Un système de freinage est donc dit continu lorsque les ordres
nage, il est important de rappeler les six règles d’or auxquelles tout
de freinage émis depuis le poste de commande (localisé dans le
système de freinage ferroviaire doit répondre :
train, ou à l’extérieur dans le cas d’un pilotage automatique) pro-
– automaticité ; voquent la mise en action des freins sur l’ensemble des véhicules
– continuité ; du convoi. La commande du freinage est donc assurée par le biais
– inépuisabilité ; d’une ou plusieurs lignes de commande parcourant toute la lon-
– modérabilité ; gueur du convoi, et donc étant elle(s)-même(s) continue(s), et cha-
– tranquillité ; que véhicule doit être équipé d’un dispositif assurant la réception
– testabilité. et le décodage des ordres de freinage émis depuis le poste de
La définition de chacune d’entre elle est donnée dans les para- commande, ainsi que la mise en freinage du dit véhicule.
graphes suivants.
1.3 Inépuisabilité
1.1 Automaticité
Dans certaines configurations, notamment les longues descentes
L’automaticité est certainement le principe de conception le plus (comme la Maurienne en France ou le Saint Gothard en Suisse), le
important pour un système de freinage ferroviaire. En effet, un système de freinage peut être fréquemment sollicité pour maîtriser
convoi ferroviaire est constitué de véhicules reliés entre eux par la vitesse du convoi. Lors de ces sollicitations répétées, ce système
des dispositifs d’attelage (barres permanentes, attelages automa- doit conserver à chaque application la même efficacité : c’est l’iné-
tiques ou attelages à vis). Or, de tels dispositifs ont des limites puisabilité.
mécaniques, limites qui peuvent, dans certaines circonstances,
Ainsi, la commande de freinage doit être conçue de manière à
être dépassées à la suite d’efforts longitudinaux importants
ce qu’à chaque fois que le desserrage est requis, les équipements
consécutifs aux variations d’effort de traction ou de freinage. Cela
soient prêts pour une nouvelle application à performances nomi-
peut aboutir à des ruptures d’attelage, et donc à une séparation du
nales. Cela concerne plus particulièrement la reconstitution de la
convoi en deux ou plusieurs parties. S’il se trouve que le convoi
réserve locale d’énergie nécessaire au freinage, la plupart des
est en rampe, la partie arrière, dans laquelle aucun agent de
systèmes de freinage étant à actuation directe (application d’un
conduite n’a pris place, doit pouvoir être stoppée (faute d’aller
effort de freinage par apport d’énergie).
s’écraser contre le convoi suivant) : il faut donc que le freinage soit
commandé sur cette partie, et ce de manière automatique. On peut observer que l’inépuisabilité permet aussi de garantir
Un système de freinage est donc dit automatique si, en cas de l’automaticité, puisque cette inépuisabilité concerne notamment la
rupture du convoi en deux ou plusieurs parties, l’ensemble des réserve locale d’énergie de chaque véhicule, laquelle est garante
parties du convoi ainsi constituées sont chacune amenées à l’arrêt de la capacité du système de freinage de ce véhicule à produire un
puis maintenues à l’immobilisation (pour une durée spécifiée) sans effort de freinage en cas de séparation accidentelle d’avec le
intervention de l’agent de conduite. convoi dont il faisait partie.
À noter qu’hormis le cas de rupture d’attelage (entraînant évi- Nota : le caractère inépuisable concerne uniquement la partie commande, et non les
demment la rupture de la (des) ligne(s) de commande par arrache- organes de dissipation d’énergie (semelles de frein, disques et garnitures). Pour ces der-
niers, la capacité de dissipation est forcément limitée et ne peut être régénérée aisément,
ment des liaisons entre véhicules), l’automaticité du système de et seules des consignes ou habitudes de conduite peuvent permettre de les solliciter de
freinage permet, en cas d’endommagement accidentel de la (des) telle sorte qu’ils conservent leur efficacité optimale en permanence.
ligne(s) de commande, de provoquer le freinage sur l’ensemble du
convoi, obligeant l’agent de conduite à s’arrêter pour remédier au
problème ou demander le secours : cela lui évite de se retrouver 1.4 Modérabilité
par la suite avec un train insuffisamment freiné.
Le système de freinage doit permettre d’arrêter le convoi de
manière précise en des points particuliers de la ligne (gares,
1.2 Continuité signaux). Il doit donc intégrer la faculté pour l’agent de conduite
(au sens large du terme : être humain ou automatisme) de pouvoir
La continuité, autre principe fondateur du freinage ferroviaire, doser précisément l’effort de freinage du convoi de manière à
découle directement du principe d’automaticité. s’arrêter au point choisi, avec une précision comprise entre
En effet, nous avons vu ci-dessus qu’un système de frein ferro- quelques mètres pour un train de fret et quelques centimètres
viaire doit être automatique, ce qui veut dire que chaque partie d’un pour un métro automatique (cas des lignes équipées de portes
train doit pouvoir être automatiquement stoppée en cas de rupture palières sur les quais).
RR
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPVQ
La commande du freinage doit donc présenter une bonne modé- transports urbains pour ce qui concerne la commande du freinage,
rabilité, tant au freinage (augmentation de l’effort) qu’au défrei- et dans le domaine des grandes et très grandes vitesses pour ce
nage (réduction de l’effort). qui concerne la production de l’effort et la dissipation de l’énergie.
Certaines technologies développées dans les transports urbains
seront ensuite transposées à certaines applications suburbaines,
1.5 Tranquillité régionales voire grande et très grande vitesse.
Néanmoins, ces différentes technologies présentent des points
Attendu que les convois ferroviaires sont conçus pour transporter communs dans leur architecture, que nous exposons ci-après.
des voyageurs ou des marchandises, ceux-ci et celles-là ont droit à
certains égards (confort pour les premiers, intégrité pour les secon-
des). C’est pourquoi le système de freinage, et notamment sa
commande, doit permettre d’assurer une mise en freinage régulière
2.1 Architecture générale d’un système
et non « traumatisante », au moins en ce qui concerne les freinages de freinage ferroviaire
de service : on dit ainsi que le frein doit être tranquille.
Cette règle d’or se rattache donc directement à la notion de jerk 2.1.1 Fonctions principales du système
(variation de décélération au cours du temps), et aux limitations de freinage
qui y sont associées.
Le système de freinage intègre les principales fonctions
suivantes :
1.6 Testabilité – décoder et interpréter les consignes qui lui sont données par
les fonctions conduite, contrôle-commande, signalisation et sur-
Il est important pour l’agent de conduite de savoir, avant la mise veillance de la conduite ;
en marche, dans quel état se trouve le système de freinage. Cela lui – transmettre les consignes de freinage le long du train,
permettra de savoir notamment si cette mise en marche est possi- jusqu’aux équipements localisés sur chaque véhicule ;
ble, et, dans l’affirmative, avec quelles éventuelles restrictions – produire un effort de freinage ou d’immobilisation en sollicitant
d’exploitation (vitesse maximale par exemple) eût égard à l’état des la fonction traction et freinage dynamique, mais aussi les compo-
équipements de freinage. sants spécifiquement dédiés intégrés dans la fonction roulement ;
Par ailleurs, toute défaillance en cours de route pouvant mener à – transmettre cet effort de freinage au travers de la fonction
une dégradation sensible des performances de freinage d’un train roulement via le contact roue-rail [D 5 535] ou par action directe
doit pouvoir, dans la mesure du possible, être signalée à l’agent de sur le rail ;
conduite afin qu’il prenne les mesures nécessaires avant de ren- – surveiller les équipements assurant l’ensemble de ces fonc-
contrer une situation dangereuse. tions et remonter les informations nécessaires vers la fonction
conduite, et/ou les mémoriser à destination de la maintenance.
C’est pourquoi le système de freinage, et plus particulièrement
sa commande, doit présenter des capacités de test et de sur- La réalisation de ces fonctions s’accompagne de la prise en
veillance permettant le contrôle du bon fonctionnement des princi- compte de certaines contraintes, telles :
paux organes qui le composent. Cette testabilité doit pouvoir être – les variations des caractéristiques du contact roue-rail, princi-
utilisée en premier lieu à l’arrêt : c’est le sens même de l’essai des palement en fonction des conditions extérieures au système de
freins avant départ pratiqué par tous les opérateurs. freinage (conditions météorologiques et/ou géographiques) ;
– les contraintes d’intégration des sous-ensembles participant à
la fonction freinage, issues des contraintes de gabarit imposées
aux véhicules et des choix des exploitants en ce qui concerne la
2. Architecture générale capacité de transport (de voyageurs comme de fret) ;
– les contraintes d’interopérabilité – découlant des standards ou
d’un système de freinage normes exigées par l’exploitant ou par les conditions d’exploitation.
ferroviaire
2.1.2 Architecture générale d’un système
de freinage
La structure particulière d’un convoi ferroviaire, mentionnée
précédemment, implique la mise en œuvre d’une architecture de Tous les systèmes de freinage ferroviaires, quelle que soit la
freinage spécifique. Cette architecture se décline cependant en solution technologique retenue, répondent au même synoptique
plusieurs solutions technologiques, adaptées d’une part à la typo- de principe (figure 1). Celui-ci, intégré à la norme européenne
logie d’exploitation (grande vitesse, fret, métro, tramway, etc.), et EN 14198, a ensuite été repris par les différents acteurs du ferro-
par voie de conséquence au type de véhicule concerné, et d’autre viaire dans le cadre des travaux menés au niveau européen dans
part à la nécessité d’assurer l’interopérabilité des véhicules entre le cadre du projet MODTRAIN et de sa déclinaison MODBRAKE.
eux, ce qui a motivé la mise en place de systèmes de standardisation
et normalisation particuliers.
2.1.3 Modes de freinage : définitions
Dès les débuts du chemin de fer, dans la première moitié du
XIXe siècle, se sont posées les principales contraintes auxquelles Afin de mieux cerner le fonctionnement des différents types de
doit répondre un système de freinage, à savoir (§ 1) : systèmes de freinage ferroviaire, il convient de définir les diffé-
– l’automaticité ; rents modes de freinage pouvant être utilisés lors de l’exploitation
– la continuité. d’un convoi ferroviaire.
Si dans jusque dans les années 1860 différentes solutions techno- Il existe en effet plusieurs modes de freinage correspondant à
logiques ont été développées pour tenter de répondre à ces différentes séquences et/ou conditions d’exploitation, ainsi que du
contraintes, aucune ne s’est révélée réellement efficace jusqu’à type de véhicule lui-même.
l’invention de Georges Westinghouse (§ 3). Les définitions des différents modes de freinage sont
Cependant, des contraintes différentes sont apparues lors de aujourd’hui fournies par les normes internationales (en particulier
l’après seconde guerre mondiale, qui ont impliqué le développe- la norme EN 14478) : elles sont rappelées et complétées ici afin de
ment d’autres solutions technologiques dans le domaine des faciliter la compréhension du lecteur.
RS
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPVQ
3
Ligne de fourniture d’énergie
Ligne de contrôle-commande
Connexion possible
4
Connexion via liaison A et/ou liaison B
2 1 Fourniture centralisée d’énergie
2 Dispositif de commande central
5
3 Ligne(s) de fourniture d’énergie
6
7 4 Ligne(s) de commande
5 Niveau train
6 Niveau véhicule
7 Commande décentralisée de déclenchement pour dispositif
d’application automatique du freinage
8 10
8 Stockage d’énergie
9 Source d’énergie séparée
10 Contrôleur
9 11 11 Dispositifs de génération d’effort
RT
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPVQ
RU
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPVQ
Il est intéressant de noter ici que la CG assure à la fois les fonc- permettre la mise en exploitation d’un véhicule ferroviaire sur un
tions de ligne de commande et de ligne de fourniture d’énergie réseau. Si cette démarche est ancienne dans certains pays
(élément 3 de la figure 1). Nous verrons par la suite que le frein (États-Unis et Allemagne notamment), elle se développe rapide-
pneumatique à air comprimé est le seul des trois grandes familles ment en Europe sous l’impulsion de la Commission européenne,
de frein ferroviaire à présenter cette capacité, même si depuis les au travers des directives enjoignant les États à séparer la gestion
années 1960 une ligne dédiée à la fourniture d’énergie est souvent de l’infrastructure (le réseau ferré) de l’exploitation, et à ouvrir
adjointe à la CG, sous forme d’une seconde conduite pneumatique l’accès de ces infrastructures à tous les opérateurs en faisant la
(la conduite principale, ou CP) alimentée directement par les unités demande. Ainsi, la certification d’un véhicule ferroviaire, qui se fai-
de production d’air comprimé. sait auparavant plus ou moins de gré à gré entre l’opérateur natio-
nal monopolistique et son autorité de tutelle, revêt-elle aujourd’hui
un caractère nettement plus formel et complexe, sous couvert de
3.2 Synoptique de principe référentiels techniques qui ont été mis en place par des organis-
mes nationaux de certification.
Le frein pneumatique à air comprimé présente une architecture
On peut citer notamment :
plus ou moins complexe selon le type de train ou de véhicule qu’il
équipe. Ainsi, il sera très simple et comportera peu d’organes sur – la réglementation de la Federal Railroad Administration aux
un wagon, alors qu’il devient très complexe sur une locomotive ou États-Unis ;
une rame automotrice. – l’Eisenbahn Betriebsordnung (EBO) en Allemagne ;
Le diagramme (figure 2) reprend l’architecture la plus complète, – les spécifications d’admission du matériel (SAM), récemment
correspondant à une configuration intégrant des véhicules moteurs rebaptisées moyens acceptables de conformité (MAC), en France ;
et non moteurs. Il fait apparaître les différentes fonctions et inter-
faces, lesquelles sont explicitées dans la suite. – les dispositions d’exécution de l’ordonnance sur les chemins
de fer (DE-OCF) en Suisse ;
– les directives DISP, IEFCA et PGOS en italie.
3.3 Principaux standards Dans chaque cas, des exigences particulières relatives au sys-
tème de freinage doivent être respectées, de manière à garantir
3.3.1 Aspect réglementaire d’une part la sécurité des circulations mais aussi la compatibilité
de celles-ci vis-à-vis de l’infrastructure (notamment en ce qui
De nombreux pays ont mis en place des réglementations natio- concerne les performances de freinage en regard des différents
nales définissant les contraintes techniques à respecter pour systèmes de signalisation existant sur un réseau ferré).
Manipulateur
traction-freinage
Valve d’urgence Équipements
Manipulateur de frein dynamique
(coup-de-poing) de sécurité
pneumatique
Robinet
de mécanicien
(émetteur
Valve
de consignes) d’échappement
Transducteur
électro-
pneumatique Relais
Ou Réservoir pneumatique
auxiliaire (amplificateur
Frein
débit/pression)
dynamique
Relais
Réservoir pneumatique Cylindres
auxiliaire (amplificateur de frein Cylindres
débit/pression) de frein
RV
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPVQ
RW
RX
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPVR
par le simple effet de la gravité. Ils étaient donc équipés d’un système de
freinage sous la forme, sur chaque wagon, de deux sabots montés tête-bêche
sur un levier pivotant autour d’un axe lié au châssis.
RY
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPVR
SP
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPVR
SQ
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPVR
SR
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPVR
3.1 Actionneurs
3.1.1 Principes
Le rôle d’un actionneur est de délivrer un effort de poussée
fonction de sa pression d’alimentation. Cet effort de poussée est
ensuite utilisé pour venir appliquer un matériau de friction sur une
surface et ainsi générer un effort de retenue.
On distingue deux modes de fonctionnement :
– le fonctionnement direct ;
– le fonctionnement inverse.
Dans les deux cas, le fluide utilisé pour produire une pression
dans l’actionneur peut être soit de l’air comprimé (actionneur
Figure 4 – Frein linéaire à courants de Foucault installé sur un bogie
d’ICE3 (doc. Knorr-Bremse) pneumatique), soit un fluide hydraulique (actionneur hydraulique).
La régulation du courant dans les freins est assurée par l’inter- 3.1.2 Actionneur direct
médiaire d’un hacheur de courant, dont l’alimentation électrique
est fournie soit depuis un réseau de bord moyenne ou haute ten- Dans le cas d’un actionneur direct (figure 5), l’effort de poussée
sion, soit directement par les moteurs de traction électrique : cette est directement généré par la poussée de l’air ou du fluide sous
dernière configuration est intéressante car elle permet de s’affran- pression sur la face active d’un piston relié à une tige de poussée :
chir de la présence d’une alimentation externe au train, et donc – lorsque la pression d’alimentation de l’actionneur est nulle,
d’utiliser les freins à courants de Foucault en freinage d’urgence. l’effort de poussée est nul (un ressort de rappel permet de mainte-
nir le piston et sa tige de poussée en position rentrée) ;
Le frein linéaire à courants de Foucault (figure 4) est très intéres-
– lorsque la pression d’alimentation de l’actionneur augmente,
sant pour les applications très grande vitesse (au-delà de
l’effort de poussée du piston augmente proportionnellement à la
250 km/h), dans un domaine de vitesse où l’adhérence disponible
pression. Une fois l’effort de rappel vaincu, le piston sort et un
entre roue et rail pour transmettre l’effort diminue rapidement. Il
effort de poussée est généré sur le piston et transmis à la tige de
peut être utilisé en freinage de service et de ralentissement.
poussée.
Cependant, son effort de retenue doit être limité en raison de
l’échauffement des rails qu’il produit : ces limitations d’effort sont L’effort de poussée d’un actionneur en fonctionnement direct est
maintenant stipulées dans les spécifications techniques d’inter- calculé de la manière suivante :
opérabilité (STI).
SS
ST
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
mSPWP
es rails, dont le but est de porter les essieux des trains et de les guider en
L alignement comme en courbe (parfois serrée avec un rayon inférieur à
200 mètres), constituent un élément majeur de sécurité pour les personnes et
les biens transportés.
Les rails sont supportés par des traverses soit en bois créosoté sur les ancien-
nes voies, soit en béton sur les voies modernes ; les voies européennes
comptent 1 700 traverses par kilomètre (2 000 pour les voies lourdement char-
gées). Les rails reposent sur les traverses, elles-mêmes supportées par une
épaisse couche de ballast de pierres calibrées, par l’intermédiaire de semelles
en caoutchouc, fixées par des attaches en ressort d’acier élastique.
Ils sont soumis à l’usure et à des défauts de fatigue internes et de surface,
susceptibles de dégénérer en ruptures fragiles, pouvant provoquer un déraille-
ment d’autant plus grave que l’accident vient à survenir en courbe.
Il s’agit donc d’un produit extrêmement noble qui doit être réalisé dans un
acier de grande pureté et présenter une microstructure adaptée (perlitique jus-
qu’à nos jours).
Ce produit, outre les contrôles finaux de fabrication, doit être vérifié en voie
par ultrasons et visuellement, à une fréquence adaptée à la voie et à la nature
des circulations ferroviaires.
p。イオエゥッョ@Z@ェオゥョ@RPQS
SU
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
mSPWP
1.1 Description 72
70,774
Le rail est un produit laminé en acier perlitique (teneur en car-
bone comprise entre 0,5 et 0,85 %) de dureté HB (Hardness Brinell) B
variant de 200 à 440, avec ou sans addition d’éléments d’alliages et A
avec ou sans traitement thermique, présentant une structure lami- Y
née avec un grain d’indice 7 à 9, ce qui correspond à un diamètre
14,3
moyen de grain compris entre 18 et 36 mm. R8 R16
R20 0
R70
51
bande de roulement massive appelée « champignon », de largeur
jusqu’à 75 mm avec un rayon transversal de 300 mm sur la partie R3
1:2
,7 5
majeure centrale, complétée par deux rayons symétriques de
R7
que celles des roues motrices (contraintes de Hertz et traction) [2]. R120 16,5
172
La partie soutenant le champignon de roulement est une âme X X
verticale d’épaisseur moyenne de 16 mm et de hauteur de l’ordre
de 100 mm, destinée à résister aux efforts verticaux de flexion. Ligne médiane du contour
32
R120 16,5
Enfin, la partie basse (patin) est en forme de trapèze très aplati
19,5
de 150 mm de large, assurant la pose et la stabilité latérale sur les R120 28,75
80,67
traverses.
76,25
R35
R7
R40
1:14
11,5
SV
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
mSPWP
SW
SX
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPWP
SY
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPWP
1. Catégories de matériels Une telle configuration s’appelle traction concentrée. Elle est
limitée par la capacité de la locomotive à utiliser l’adhérence
roulants disponible au niveau des contacts roues-rails, on pense ici au cas
du démarrage d’un train lourd (2 000 t par exemple), sur une voie
en rampe [D 5 520] [D 5 535]. Pour ne pas franchir cette limite
1.1 Clients transportés d’adhérence disponible, d’autres locomotives sont insérées dans le
train, au milieu ou en queue. C’est la traction répartie.
Le transport des lourdes charges fut l’atout majeur du roulement
Une telle configuration est également utilisée dans le cas des
roues sur rails, dès ses premières utilisations, au XVIe siècle. Le
rames de métro, rames de banlieue ou régionales, rames à grande
transport des voyageurs en bénéficia également : c’est le dévelop-
vitesse, permettant de répartir ainsi l’encombrement des
pement des « omnibus » des grandes villes, tractés par les chevaux.
équipements de traction sur plusieurs véhicules.
1.1.1 Marchandises – fret La configuration « répartie » est ancienne : son application à
grande échelle date de 1900 pour le métro de Paris [TRP 3 100].
Les biens matériels, appelés « marchandises », maintenant
Notons que l’énergie à dissiper lors du freinage d’un train est
nommés « fret » à l’instar des transports maritimes ou aériens,
telle, compte-tenu de la masse du train et de la distance d’arrêt la
recouvrent un grand nombre de catégories [AG 8 110] :
plus courte possible à réaliser pour des raisons évidentes de
– produits pondéreux : minerais, combustibles solides, produits sécurité, que tous les véhicules doivent être capables d’assurer
de carrières, céréales ; leur propre effort de freinage. Celui-ci est donc obligatoirement
– produits liquides ou gazeux : carburants, produits chimiques ; réparti sur tous les véhicules [D 5 520].
– produits sidérurgiques : tôles en bobines, profilés ;
– produits finis : automobiles, engins de travaux publics, matériels
militaires ; 1.3 Terminologie
– containers, caisses mobiles ;
– véhicules de transport routier : remorques ou semi-remorques Le vocabulaire ferroviaire s’est enrichi au cours de l’Histoire.
complets ; Précisons le (figure 1) :
– transport diffus : colis isolés. – train est le terme générique de toutes circulations ferroviaires ;
Les véhicules conçus pour ces transports sont les wagons. – rame désigne un train de passagers, un métro, un tramway. La
rame est réversible lorsque sa conduite peut être assurée dans les
deux sens de circulation à partir d’une cabine disposée à chaque
1.1.2 Passagers extrémité ;
Les voyageurs transportés sont nommés « passagers ». Ils sont – motrice désigne la locomotive d’une rame à composition fixe ;
classés selon la nature du trajet effectué : – remorque désigne une voiture de passagers intégrée dans une
– grande distance (> 200 km), temps de parcours supérieur à 1 h. rame à composition fixe ;
On distingue les liaisons diurnes avec services associés, tels que la – automoteur désigne un véhicule moteur en traction autonome
restauration, et les liaisons nocturnes avec lits ou couchettes ; faisant le plus souvent appel à un moteur thermique Diesel
– liaisons intervilles ou régionales (entre 50 km et 200 km) ; (remplace le mot « autorail » utilisé autrefois) ;
– trajets de banlieues (< 50 km) ; – automotrice désigne une rame à composition fixe en traction
– trajets urbains avec arrêts rapprochés. électrique ;
– « Unité Simple » (US) désigne la traction d’un train à l’aide
Les véhicules dédiés à ces transports s’appellent voitures.
d’un engin moteur unique ;
– « Unité Multiple » (UM) désigne la traction d’un train à l’aide
1.2 Matériel moteur : traction de deux locomotives (ou plus). Un seul conducteur pilote
l’ensemble des locomotives par l’intermédiaire, soit d’un réseau
concentrée, traction répartie informatique filaire, soit par radio-contrôle à distance. Les locomo-
La propriété essentielle du roulement roues-rails est de déplacer tives peuvent être « accolées » ou « réparties » le long du train. Les
des charges très lourdes avec le minimum de résistance au concepts US et UM peuvent aussi s’appliquer à des rames (comme
roulement ; cela permet la constitution d’un convoi de nombreux deux rames à grandes vitesses ou intervilles accouplées) ;
véhicules attelés entre eux : c’est le train. Pour le remorquer, une – double traction désigne deux locomotives conduites chacune
locomotive est, en général, placée en tête et en assure la traction par un conducteur. Cette configuration est plutôt rare actuellement
et le freinage. Toute la puissance P, qui s’exprime en kilowatts compte tenu des possibilités de télécommande ;
(kW), développée par la locomotive permet l’exercice de l’effort de – « pousse ». Il s’agit d’une locomotive adjointe en queue de
traction F en kilonewtons (kN), et d’atteindre la vitesse voulue V en train pour franchir un profil à forte rampe. La pousse peut être
mètre par seconde (m/s) : attelée ou non attelée ;
P = FV – « haut le pied » : désigne une locomotive circulant seule.
TP
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPWP
2. Architecture
Gabarit
2.1 Contraintes
La voie est le composant essentiel de l’infrastructure ferroviaire :
plateforme, ballast, traverses et rails [TRP 3 050]. Elle impose au
matériel roulant deux contraintes majeures :
– la limitation de la masse à l’essieu du véhicule ;
– un encombrement (dans les trois dimensions) imposé par le
gabarit.
TQ
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPWP
Europe
Gabarit électrique 1145
(cotes en mm)
États-Unis
6500
1085
5000
525
4310
1120
4010 1425 4993
3700
3290 3534
3250
1620
1170 80
Plan de roulement
1435 1435
Écartement de voie Écartement de voie
TR
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPWP
TS
TT
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
dUURP
Dimensionnement du matériel
roulant ferroviaire
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur D 5 520 − 1
TU
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
dUURP
m kg Masse du train
1.1 Charge remorquée
n sans Nombre d’essieux moteurs Elle est la somme de la charge utile et de la masse à vide du
dimension matériel (ou tare).
Pour les passagers, c’est leur nombre par véhicule qui détermine
ρ m Rayon de courbe la charge utile, sachant que l’on différencie le poids moyen d’une
personne suivant le domaine de transport : avec ou sans bagage,
P kW Puissance en grande ligne : nombre de places assises, en urbain : nombre de
passagers au m2. De même pour le fret, la charge remorquée est
Q kg Masse par essieu la somme de la tare et de la charge nette de chaque wagon.
Les valeurs courantes pour les principales catégories de véhicules
RD kN Résistance à l’avancement au sont données dans le tableau 1.
décollage du train
RL kN Résistance à l’avancement de la
locomotive 1.2 Parcours-type
Rp kN Résistance à l’avancement due au Il est caractérisé par la distance et le profil de ligne.
profil de la ligne Le profil de ligne comprend :
— le profil en long donnant les rampes, les pentes (exprimées
RT kN Résistance à l’avancement du train en millimètres par mètre ou « pour mille » : ‰) et les paliers (0 ‰) ;
complet
— le profil en plan donnant les courbes (exprimées par leur
rayon en mètre) ou alignements, lignes droites (rayon ∞ ).
RW kN Résistance à l’avancement des
wagons (ou voitures) Selon la géographie, le profil des lignes de chemin de fer se
classe en trois catégories.
V km/h Vitesse
1. Profil de plaine
γ m/s2 Accélération Le tracé suit le relief peu accentué des grands espaces. Les
courbes sont rares et de grand rayon, supérieur à 1 000 m, autori-
η sans Rendement sant des vitesses élevées. Les déclivités présentent de faibles gra-
dimension dients, jusqu’à 5 ‰.
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
D 5 520 − 2 © Techniques de l’Ingénieur
TV
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
dUURP
(0)
Les exemples de tels profils sont nombreux en Europe. Citons en ■ 1.4.1 Grande ligne
France : C’est le cas le plus général des liaisons entre centres (villes,
— la traversée des Causses entre Limoges et Brive, sur ports, centres d’activités). La caractéristique d’une telle exploitation
Paris-Toulouse ; est la variété des circulations et l’hétérogénéité des vitesses de
— le franchissement du seuil de Bourgogne entre Les Laumes- circulation :
Alésia et Dijon, sur Paris-Lyon, avec les rampes nord et sud de — trains rapides sans arrêt ;
Blaisy-Bas en 8 ‰. — trains intervilles ;
3. Profils exceptionnels de montagne — trains de fret.
Tous les axes ferroviaires traversant les massifs montagneux Se pose alors le problème des conflits de circulation sur une
appartiennent à cette catégorie. Courbes et déclivités atteignent même voie entraînant des dépassements avec arrêts, des « creux
des valeurs exceptionnelles : de trafic », etc.
— de 250 à 300 m de rayon ; L’organisation de l’exploitation impose de prévoir un graphique
— rampes de 25, 30, voire 40 ‰. des circulations regroupant au mieux les types de trains sous
forme de sillons : passagers de jour, fret de nuit, intervilles en
Les exemples alpins ou pyrénéens sont connus :
heure de pointe, etc.
— Chambéry-Modane, entre Saint-Jean-de-Maurienne et Modane :
16 km en 30 ‰ ; Le trafic et l’exploitation qui en résulte sur les lignes à grande
— Toulouse-Lannemezan-Tarbes par la rampe de Cap Vern en vitesse se rangent dans cette catégorie, même si la plupart des
35 ‰ ; trains circulent à des vitesses homogènes (cf. § 1.4.4.). En effet, la
très forte densité de circulation et la diversité des provenances et
— Saint-Gervais-Chamonix-Vallorcine est l’une des rampes les
destinations la rendent particulièrement délicates (plus de 250 cir-
plus fortes du monde en rampe de 90 ‰ sans crémaillère (en voie
culations quotidiennes sur la portion nord de la ligne à grande
métrique) ;
vitesse Paris Sud-Est).
— le Saint-Gothard entre Lucerne et Chiasso : rampes de 27 ‰
sur 29 km sur la rampe nord et 39 km sur la rampe sud. ■ 1.4.2 Banlieue
Ce type d’exploitation s’exerce très fréquemment sur des lignes
dédiées, excluant tout autre trafic. Les voies de la banlieue au
1.3 Horaire départ de la Gare Saint-Lazare à Paris, sont organisées en six grou-
pes en fonction des destinations.
C’est pour le client, passager ou fret, l’un des arguments de
vente essentiels. Il s’exprime : Le problème à résoudre est celui des heures de pointe avec les
aléas que peuvent engendrer les flux considérables de passagers :
— en valeur absolue : la durée du parcours (heures et/ou
difficultés d’entrées et sorties, accidents.
minutes) ;
— en terme de régularité ou décalage par rapport à un horaire ■ 1.4.3 Urbain
« vendu » ou contractuel. C’est le cas des réseaux de métropolitains et de tramways. Les
L’horaire indique aussi les arrêts prévus en ligne, la vitesse maxi- circulations sont parfaitement homogènes en termes de vitesse et
male du parcours et la marge de régularité. Celle-ci, en ajoutant un de points d’arrêt. Seuls les aléas dus aux pannes ou aux passagers
temps forfaitaire à l’horaire de base, permet de tenir compte d’un peuvent générer des situations dégradées. En conséquence, les
pourcentage d’aléas (travaux, encombrement des sorties ou entrées marges de régularité sont intégrées dans le temps d’arrêt en station,
de gares), de sorte que l’agent de conduite peut « rattraper » une alors que le temps de parcours est en marche tendue.
partie du temps perdu. Si la marge de régularité est nulle, il s’agit
d’une « marche tendue ».
Horaire et parcours permettent de calculer la vitesse moyenne.
Connaissant la charge remorquée, on est en mesure de construire 2. Critères
une « simulation de parcours » grâce à laquelle se déduiront :
— la puissance mise en jeu sur les différentes portions ;
de dimensionnement
— la consommation d’énergie, donc les marches « économiques »
possibles d’effectuer en fonction de la marge de régularité.
et architecture motrice
2.1 Contraintes de dimensionnement
1.4 Différents types d’exploitation
Quel que soit le résultat du dimensionnement apte à satisfaire le
Compte tenu de la clientèle ferroviaire, trois catégories principales programme de traction, le matériel roulant devra s’inscrire dans un
d’exploitation se partagent le trafic. ensemble de contraintes propres au transport ferroviaire. Les
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur D 5 520 − 3
TW
TX
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPWS
TY
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPWS
16501
UP
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
trpSPWS
Non électrifié
750 V DC
1,5 kV DC
3 kV DC
15 kV, 16,7 Hz AC
25 kV, 50 Hz AC
1,5 kV + 25 kV
Si l’on prend l’exemple du comportement dynamique d’un maté- – le matériel STI conventionnel ;
riel ferroviaire en France (hors train pendulaire), la SAM X001 nous – les véhicules non STI.
donne les référentiels repris dans le tableau 1 :
Si l’on prend l’exemple du matériel à grande vitesse, il faut
On remarque que le texte fait la différence entre trois types de prendre en compte les exigences européennes STI, ici l’ancienne
matériel roulant différent : STI « Grande Vitesse » (intégrée dans la nouvelle STI Locomotives
et Passagers de 2015), les normes européennes EN 14363 et
– le matériel STI à grande vitesse ; EN 15686 et la fiche technique UIC n° 510-2.
UQ
UR
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
amUVUP
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Plastiques et Composites AM 5 650 − 1
US
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
amUVUP
Nous terminons par un large tour d’horizon des composites utilisés dans
l’industrie ferroviaire en distinguant deux domaines fondamentalement
différents : les pièces non structurelles et les pièces de structure.
Donnons tout d’abord les raisons essentielles du passage aux composites :
— la grande liberté dans le choix des formes et la facilité d’obtention de géo-
métries complexes ;
— l’aspect ;
— l’absence de corrosion ;
— le coût plus faible par rapport à la tôle emboutie.
1. Grandes fonctions —
—
les performances ;
la durabilité ;
ferroviaires à respecter —
—
le confort ;
le coût.
Le processus de fabrication industrielle d’une structure composite Ce facteur est bien évidemment primordial. Il regroupe en fait
passe par la réalisation d’un certain nombre d’étapes qui, tout en deux notions :
suivant un ordre logique, interagissent entre elles dès le départ du — la résistance aux sollicitations normales et exceptionnelles ;
projet et peuvent mener à un certain nombre d’itérations : — la sécurité incendie (comportement au feu et résistance au
— l’établissement d’un cahier des charges fonctionnel ; feu).
— la conception, le dimensionnement, les calculs ; Concernant l’aspect mécanique des structures, il faut savoir que
— le contrôle, les essais, la réception ; les véhicules ferroviaires sont soumis à des efforts importants, répé-
— l’analyse industrielle. tés et extrêmement variés. La notion de fatigue des structures est
La structure ferroviaire ainsi conçue doit être bien sûr plus perfor- donc à prendre en considération.
mante mais l’être au meilleur coût. Les contraintes économiques Le véhicule doit être également conçu pour résister à une collision
sont intégrées dès le départ du projet et prises en compte à chacune éventuelle ou pour résister à des surcharges exceptionnelles.
des étapes du processus de réalisation. Les structures sont donc calculées afin que :
— à aucun moment de leur durée de vie, elles ne subissent de
déformations plastiques ou d’endommagements propagatifs, en
1.2 Établissement d’un cahier des charges particulier sous l’effet de sollicitations exceptionnelles ;
— aucune rupture en fatigue du matériel ne se produise dans les
fonctionnel structures durant les trente-cinq années de service ;
— les fréquences propres des différents équipements et sous-
ensembles soient suffisamment découplées des fréquences de
La conception est menée à partir d’un cahier des charges fonc-
fonctionnement.
tionnel afin de profiter au maximum des propriétés intrinsèques des
composites : La sécurité incendie est également un paramètre extrêmement
— des propriétés spécifiques parmi les plus performantes ; important qui va limiter, dans bien des cas, le choix du matériau
— de la capacité d’allégement ; composite. En France, la sécurité incendie ferroviaire regroupe
— de l’anisotropie ; essentiellement trois notions :
— de la remarquable résistance en fatigue ; — la réaction au feu ;
— de l’intégration des fonctions ; — la résistance au feu ;
— des nombreuses possibilités de mise en œuvre. — les fumées.
Le succès, en terme économique et technique, est largement con- ■ Réaction au feu (classement M)
ditionné par cette approche fonctionnelle.
Elle définit l’aptitude du matériau à favoriser ou non la combus-
Le cahier des charges est donc réalisé à partir d’une analyse fonc- tion. La détermination de la réaction au feu résulte de la mesure de
tionnelle où les différentes fonctions de services et de contraintes plusieurs paramètres tels que :
sont recensées, caractérisées, puis hiérarchisées. Il est important de
— l’inflammabilité ;
souligner que le cahier des charges ne doit pas faire l’objet de spé-
— la vitesse de propagation de la flamme ;
cifications trop rigides, ou trop inspirées par les propriétés des
— la production éventuelle de particules enflammées.
matériaux métalliques, empêchant ainsi de tirer parti au maximum
des avantages potentiels des matériaux composites. L’essai de réaction au feu est précisé dans la norme FDP 92-507.
Comme tous les matériaux traditionnels, les matériaux composi- Cet essai permet d’établir un classement des matériaux du point de
tes doivent contribuer à respecter un certain nombre d’exigences vue du risque au feu. On détermine six classes de matériaux symbo-
propres à l’industrie du transport en général et à celle du ferroviaire lisés M0 à M5 et NC (non classé) (M0 étant le meilleur classement).
en particulier. ■ Résistance au feu
Ces principaux paramètres, qui régissent la conception, sont : La résistance au feu se définit comme le temps pendant lequel un
— la sécurité ; élément de construction donné est susceptible de remplir le rôle qui
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
AM 5 650 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Plastiques et Composites
UT
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
amUVUP
lui est dévolu malgré le développement de l’incendie. Ce rôle est 1.2.2 Performances
apprécié en fonction des critères suivants :
— la résistance mécanique ; Ce critère englobe la notion d’allégement. Les enjeux d’une
réduction des masses sont nombreux :
— l’étanchéité aux flammes et aux gaz inflammables ;
— la réduction de l’usure des voies et des organes de roulement ;
— l’isolation thermique.
— l’accroissement de la capacité de transport (matériel à deux
Les éléments classés « pare-flammes » doivent respecter les critè- étages notamment) ;
res mécaniques et d’étanchéité. Les éléments classés « coupe-feu » — l’augmentation de la vitesse d’exploitation (domaine de la
possèdent les trois caractéristiques. Ces essais de résistance au feu grande vitesse) ;
sont décrits dans la norme ISO 834. — la diminution des énergies de traction et de freinage (le secteur
particulièrement concerné est le matériel urbain et suburbain).
■ Fumées (classement F)
La réglementation française prend en compte l’opacité et la toxi- 1.2.3 Durabilité
cité des fumées (normes NF X 10-702 et 70-100).
L’aptitude à l’endurance est évidemment recherchée. La durée de
La mesure d’opacité des fumées est réalisée par la méthode dite
vie du matériel est fixée à environ 35 ans.
de la chambre NBS (National Bureau of Standard). On mesure la
densité optique spécifique maximale Dm au cours des 20 min de Le matériel doit donc être fiable longtemps dans un environne-
l’essai et la valeur d’obscurcissement due à la fumée pendant les ment vibratoire complexe (le nombre de cycles vibratoires est supé-
quatre premières minutes de la pyrolyse VOF4. rieur à 109 cycles) et de plus, il est soumis à des conditions
climatiques variables.
On détermine également un indice de toxicité conventionnel ITC,
à l’aide d’un four tubulaire, en mesurant les concentrations de sept
gaz (CO, CO2, HCl, HBr, HF, HCN et SO2). 1.2.4 Confort des voyageurs
Cette notion englobe un certain nombre de paramètres subjectifs
100 × t i
ITC = ------------------- (esthétique) et quantifiables (isolation acoustique, vibratoire, clima-
cc i tique).
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Plastiques et Composites AM 5 650 − 3
UU
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
amUVUP
FOURNISSEUR CLIENT
Liaison permanente
Stratégie du groupe ou de la société à toutes les phases Stratégie du groupe ou de la société
du projet
Interne Externe Interne Externe
Évolution du Protection
projet : 6 industrielle
itération Prototypage final
suivante
8
Commercialisation, exploitation,
retour sur information
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
AM 5 650 − 4 © Techniques de l’Ingénieur, traité Plastiques et Composites
UV
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
dUUSU
Traction ferroviaire
Adhérence par commande d’effort
par Jean-Claude ALACOQUE
Ingénieur Supélec
Ingénieur automaticien à ALSTOM Transport – Systèmes Électroniques (Villeurbanne)
Senior expert en systèmes de traction ferroviaire
et Pierre CHAPAS
Ingénieur DPE
Senior expert ferroviaire
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur D 5 535 − 1
UW
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
dUUSU
L’histoire du contact roue-rail est plus discrète que celle de la grande vitesse mais, dès l’origine, l’adhé-
rence est la préoccupation des pionniers du rail. Marc Seguin note, en 1829, à l’issue d’un essai de trac-
tion au départ de Lyon [1] :
« … On a fait arrêter la locomotive au milieu de la pente la plus forte [16 mm/m] afin de s’assurer qu’elle
pouvait surmonter cet obstacle sans être aidée par le mouvement acquis. Après quelques instants de
repos, elle est repartie sans la moindre difficulté. »
Le problème de l’effort transmissible conditionne la géographie ferroviaire du monde entier : toutes les
lignes construites résultent de ce paramètre. Les pentes et les rampes excèdent rarement 3 %, et, à ce
niveau, il s’agit de lignes « de montagne » !
L’adhérence, à l’époque de la vapeur, ne marque aucune évolution ; elle est sollicitée avec modération
par de faibles efforts aux jantes des roues motrices accouplées par bielles. En cas de patinage, on utilise
sans compter l’injection de sable entre roues et rail !
La traction électrique en grande ligne révolutionne l’adhérence : on passe brusquement à « l’adhérence
totale » : tous les essieux sont moteurs. La puissance par essieu, de 700 kW (vapeur en 1949) passe à plus
de 900 kW à la même époque. Mais le problème est ardu avec le couplage en série des moteurs à
collecteur : l’un « partant en patinage » entraîne les autres ! L’avénement de la fréquence industrielle
50 Hz en 1954, avec Louis Armand, change les performances roue-rail. Une locomotive de 2 700 kW à
4 essieux moteurs à collecteur en parallèle, à réglage « cran par cran » de l’effort, démarre 2 750 t en
rampe de 8 ‰ ; le coefficient d’adhérence voisine les 50 % ! La période 1960-1980 voit une profusion
d’essais d’adhérence sous l’égide de l’Office de Recherche et d’Essais (ORE) [2], au sein de l’Union Inter-
nationale des Chemins de Fer (UIC). Curtius et Kniffler [3], Marcel Garreau [4], Fernand Nouvion [5], atta-
chent leurs noms à ce qui devient les normes d’utilisation de l’adhérence. On va même jusqu’à la tester
aux grandes vitesses : 282 km/h en mars 1972 avec une locomotive dont la totalité de la puissance d’un
bogie de 2 900 kW est reportée sur le seul essieu avant ! Les lignes nouvelles à grande vitesse changent
de profil : elles sont « par monts et par vaux » et non plus « en vallée ».
Depuis les années 1970, le réglage continu de l’effort se généralise du fait des progrès de l’électronique de
puissance et de commande qui ont permis de mettre sur le marché des entraînements électriques à vitesse
variable (associant moteurs électriques, convertisseurs électroniques de puissance à fréquence variable,
calculateurs numériques de commande et de supervision, capteurs, etc.) de plus en plus performants.
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
D 5 535 − 2 © Techniques de l’Ingénieur
UX
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
dUUSU
135
105
72
m 6,61 3,78 2,73 2,14 1,75 1,49 1,28 1,13 1 r coefficient sans dimension (voir tableau 2),
2
n 0,32 0,41 0,49 0,57 0,64 0,72 0,80 0,89 1 – ---
3
K coefficient de proportionnalité m ⋅ N .
r 2,8 2,3 1,98 1,74 1,55 1,39 1,25 1,12 1
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur D 5 535 − 3
UY
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
dUUSU
Exemple : application numérique pour une locomotive Le calcul complet se décompose en deux termes algébriques
Les caractéristiques, pour une masse de 11 t appliquée à la roue de additifs q ( x ) = q′ ( x ) + q′′ ( x ) :
rayon 0,445 m, en statique et sans transmission d’effort sur le champi-
1
gnon du rail de rayon 0,3 m, sont les suivantes : ---
x
2 2
. cos θ = 0,19 soit : θ = 78,8° ; q′ ( x ) = µ 0 p 0 1 – -----2-
. paramètres : k1 = k2 = 1,45 × 10–12 N–1 ⋅ m2 pour E = 2 × 10–11 N/m2 a
et µ = 0,3 ;
. coefficients : m = 1,15, n = 0,88 et r = 1,14 ;
avec q′ ( x ) contrainte élémentaire limite, fonction de l’abscisse
. demi-axes de l’ellipse : a = 7,4 mm et b = 5,6 mm ;
x (N/m2),
. surface de l’ellipse : S = 1,3 cm2 ;
. pression maximale de Hertz au centre de l’ellipse : p0 = 1,2 × 109 Pa ; p0 pression maximale sur les génératrices en contact
. pression moyenne sur la surface de l’ellipse : pmoyenne = 0,8 × 109 Pa ; des deux cylindres (Pa),
. écrasement total roue + rail : δ = 0,11 mm.
On notera l’ordre de grandeur de la surface du contact et µ0 rapport entre l’effort transmis et la force verticale,
l’importance de la pression exercée sur cette surface.
a demi-longueur du contact selon l’axe x (m),
1
---
1.3 Théorie du contact. Répartition c (x + d)
2 2
et q′′ ( x ) = – --- µ 0 p 0 1 – --------------------
des contraintes. Théorie de Carter a c
2
2 La force de réaction totale d’un cylindre sur l’autre est alors cal-
∂ R ( x, y ) culable par l’intégrale de surface :
q ( x ) = -------------------------
∂x ⋅ ∂y
R effort total tangentiel transmis en statique (N). avec R effort total tangentiel transmis en statique (N).
q
Les théories précédentes ont été établies dans un contexte volon-
tairement simplifié.
q ’ (x)
Adhérence Glissement
Différents chercheurs se sont intéressés au contact roue-rail pour
en déterminer la forme et la surface, en fonction de la nature des
matériaux et des forces en présence et tenter d’estimer les limites de
l’adhérence et ses valeurs en fonction du glissement. Ces travaux se
c distinguent par :
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
D 5 535 − 4 © Techniques de l’Ingénieur
VP
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
dUUUP
VQ
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
dUUUP
rendre une attractivité perdue au centre des villes avec réduction drastique de la
présence automobile, de la pollution ambiante et l’extension des secteurs pié-
tonniers. C’est le reflux des centres à bureaux, privés de vie le soir, au profit de
l’habitat urbain et des commerces de proximité.
Dans ce dossier, on s’intéresse aux composantes, à l’exploitation et à la
conception des tramways.
Une description plus détaillée des principaux types de tramways et de trams-
trains proposés par les constructeurs européens fait l’objet des dossiers sui-
vants [D 5 551] et [D 5 552].
Le lecteur pourra également se reporter utilement aux dossiers [D 5 510],
[D 5 520] et [D 5 530] du présent traité.
VR
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
dUUUP
VS
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
dUUUP
Le confort d’un tramway, circulant sur une voie bien entretenue, tion moyenne de 3 % par an. La résistance au roulement des véhi-
est bien supérieur à celui d’un véhicule équipé de pneumatiques cules ferroviaires étant 5 fois inférieure à celle d’un véhicule de
en raison de la qualité de l’état de la table de roulement parfaite- transport public sur pneumatiques et le rendement d’un moteur
ment plane et dépourvue d’aspérités. thermique, en circulation urbaine, étant 3 à 4 fois inférieur à celui
Non soumis au code de la route pour leurs dimensions extérieu- d’un véhicule à traction électrique avec freinage par récupération
res, celles-ci étant du ressort des municipalités, les tramways peu- d’énergie, la consommation energétique globale d’un tram, rap-
vent avoir des capacités impressionnantes (6 voyageurs/m2) pour porté à la place offerte, est inégalable et se situe 3 à 4 fois sous le
les lignes à fort trafic : niveau de celle d’un autobus Diesel.
– Paris T3 Alstom 402 (2006), 43,70 m de longueur, 310 places Avec seulement 5 % d’énergie électrique produite par des cen-
dont 72 assises ; trales thermiques, le tramway est encore inégalable en émettant
– Strasbourg Alstom 403 (2006), 45,10 m de longueur, 288 places 60 fois moins de gaz à effet de serre que l’autobus thermique (die-
dont 64 assises ; sel, GNC ou GPL). Même occupé à seulement 50 % de sa capacité,
– Budapest Siemens (2006) (figure 4), 54,00 m de longueur, un tramway contribue à près de 200 fois moins d’émissions de gaz
360 places, dont 60 assises. à effet de serre qu’un véhicule automobile.
Cette possibilité de grandes longueurs permet, à coût de con- Les tramways sont des véhicules de transport silencieux, bien
duite égal, d’offrir un débit pouvant atteindre 7 000 voyageurs par davantage que les autobus thermiques, pour peu que le système
heure et par sens, soit 3 à 4 fois supérieur à celui d’une ligne soit bien entretenu : bon effet d’amortissement des vibrations au
exploitée par autobus articulés. niveau de la voie grâce à un choix de matériaux résilients dans la
Dans le cadre de ce grand défi mondial en ce début du construction de la plate-forme, meulage préventif des rails, roues
21e siècle, un pays industrialisé comme la France doit diviser par élastiques, tournage régulier des bandages de roue sur un tour en
4, d’ici 2050, ses émissions de gaz à effet de serre, soit une réduc- fosse, graisseurs de boudins embarqués. Les niveaux de bruit, à
VT
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
dUUUQ
VU
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
dUUUQ
VV
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
dUUUQ
1.1.2 Bogies
■ Pour les Citadis à plancher bas intégral, Alstom a développé le
bogie porteur Arpège. Le châssis du bogie porteur se compose de
deux ensembles longeron - faux essieu surbaissés en L, articulés
entre eux par des éléments élastiques, formant un cadre déforma-
ble pour tenir compte des gauches de la voie. À l’extérieur de ces
longerons sont fixées quatre roues élastiques de 530 mm de dia-
mètre à l’état neuf sur lesquelles sont également fixés les freins à
disque à commande électro-hydraulique. Une caractéristique de ce
bogie est l’absence de suspension primaire, le constructeur ayant
fait le choix de roues « superélastiques » comportant deux
anneaux concentriques en caoutchouc insérés entre le corps de la
roue et le bandage. La suspension secondaire est assurée par qua-
tre ressorts hélicoïdaux sur lesquels repose l’élément de caisse.
Figure 3 – Bogie moteur Arpège pour les Citadis standards (Alstom)
Chaque longeron du châssis de bogie supporte un patin électro-
magnétique pour le freinage d’urgence. Des amortisseurs hydrauli-
ques, un transversal et deux verticaux, assurent un roulement
stable sans mouvement de lacet, la fonction antiroulis étant assu-
rée par une barre de torsion.
■ Le bogie moteur Arpège (figure 3) comporte la même
mécanique. À l’extérieur de chaque angle fixe du cadre de bogie,
donc en diagonale, est monté, transversalement, un moteur de
traction triphasé asynchrone de 120 kW qui entraîne, par une
chaîne cinématique passant par le faux essieux, les deux roues qui
se font face. Deux blocs de frein à disque sont flasqués sur les
roues opposées à la position du moteur de traction. Le bogie, fixé
au châssis de la caisse, peut, en entrée de courbe, subir une légère
rotation de 2˚, par rapport à l’axe longitudinal, rotation limitée par
des silentblocs en caoutchouc.
■ Pour les Yarra Trams de Melbourne, exploités par le groupe
français Transdev, réseau tentaculaire de 42 lignes, dont l’état
des voies va de l’excellent au médiocre, Alstom a livré, en 2001,
31 rames 202 dotées de bogies Solfège (figure 4) s’accommo- Figure 4 – Bogie moteur Solfège pour Melbourne (Alstom)
dant mieux des irrégularités de voies fatiguées. Ce bogie, pos-
sède également deux faux essieux surbaissés mais les deux
moteurs de traction sont fixés latéralement en position horizon-
tale et entraîne, au moyen de deux réducteurs à engrenages et
d’un pignon conique, les deux roues indépendantes d’une même
file de rails. Une suspension primaire a été prévue, le cadre du
bogie reposant sur la carcasse de chaque réducteur au moyen de
ressorts métal-caoutchouc. Des amortisseurs assurent la stabilité
de marche.
■ Les 60 rames 302 construites à La Rochelle pour la RET de Rot-
terdam appartiennent à la famille Citadis mais s’en différencient
sur deux points. Les parois latérales ne sont pas galbées mais
planes comme sur les 202 construits pour Melbourne. Le lit de
caisse est entièrement en acier. Les bogies sont d’un autre modèle
développé par Alstom, le type Corège (figure 5).
Dans ce bogie, les deux moteurs de traction asynchrones sont
suspendus élastiquement au châssis du bogie dans le sens longi-
tudinal mais il n’y a pas de faux essieu coudé entre les roues
indépendantes. Chaque moteur entraîne deux roues d’une même Figure 5 – Bogie moteur Corège pour Rotterdam (Alstom)
file de rails au moyen d’un réducteur et d’engrenages coniques.
Le châssis principal du bogie repose, au moyen de ressorts
métal-caoutchouc, sur deux sous-cadres auxquels sont fixées
deux roues indépendantes se faisant face. Chaque sous-cadre 1.1.3 Traction
peut ainsi, grâce à la suspension primaire élastique, légèrement
s’orienter par rapport au cadre de bogie principal, ce qui procure L’équipement de traction comprend le pantographe, le parafou-
une entrée en courbe particulièrement douce, et des amortis- dre, le disjoncteur ultrarapide, un coffre onduleur Onix 800 pour
seurs garantissent une bonne stabilité du bogie en ligne droite. chaque bogie moteur (2 pour les 202 et 302, 3 pour les 402 et
La suspension secondaire est assurée par deux paires de ressorts 403) ainsi que 4 ou 6 moteurs de traction. Chaque coffre Onix 800
hélicoïdaux, fixés sur la partie supérieure du châssis de bogie, comprend, outre les filtres HF (limitation des courants HF pro-
ainsi que par deux amortisseurs. duits par les équipements de puissance) et BF (limitation des
VW
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
dUUUQ
Les caractéristiques générales du Citadis font l’objet du Figure 7 – Strasbourg : bogie porteur d’extrémité « Magdebourg »
construit par Alstom LHB (photo H. Hondius)
tableau 1.
VX
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
cTTTQ
Tramways
Avantages, contraintes et exploitation
par Georges MULLER
Ingénieur principal senior
Ancien chef de projet à la Compagnie des Transports Strasbourgeois (CTS)
1. Définitions........................................................................................ C 4 441 – 2
2. Historique ......................................................................................... — 2
2.1 Premiers essais .................................................................................. — 2
2.2 Triomphe de l’Électricité .................................................................... — 2
2.3 Motrice PCC ........................................................................................ — 3
2.4 Déclin des tramways français ............................................................ — 4
2.5 Retour du tramway en France ........................................................... — 4
3. Avantages du tramway .................................................................. — 5
4. Domaines d’utilisation des tramways ........................................ — 6
4.1 Transport urbain ................................................................................. — 6
4.2 Tramways et tourisme ........................................................................ — 6
4.3 Transport de marchandises ................................................................ — 7
4.4 Retour des tramways suburbains et interurbains ............................. — 7
5. Contraintes et infrastructures ..................................................... — 8
5.1 Contraintes spécifiques ...................................................................... — 8
5.2 Plate-forme, voie et rails .................................................................... — 8
5.3 Gabarits .............................................................................................. — 9
5.4 Tracés et profils .................................................................................. — 9
6. Exploitation...................................................................................... — 10
6.1 Réglementation en France ................................................................. — 10
6.2 Sécurité ............................................................................................... — 10
6.3 Conduite des tramways ..................................................................... — 11
6.4 Poste de commande centralisé (PCC) ................................................ — 12
6.5 Information des voyageurs ................................................................ — 12
6.6 Signalisation ferroviaire ..................................................................... — 13
6.7 Dépannage en ligne ........................................................................... — 14
Pour en savoir plus.................................................................................. Doc. C 4 441
VY
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
cTTTQ
TRAMWAYS ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
& Le mot Tramway désigne une voie ferrée formée de 2 rails paral- 2.2 Triomphe de l’Électricité
lèles sur lesquels circulent des véhicules à roues en acier effectuant & En 1881 à Berlin, Werner von Siemens, ingénieur et inventeur de
un service urbain de transport de voyageurs. Puis, par extension, le génie, expérimente le premier tramway électrique. Un moteur
véhicule de transport à traction électrique circulant sur ces rails, unique de 7,5 kW, à excitation série, alimenté en courant continu
souvent noyés dans la chaussée, et guidé par eux. de 180 V, entraı̂ne les deux essieux de la motrice au moyen d’une
& Un véhicule moteur à caisse unique, pouvant tirer une ou plu- chaı̂ne. La tension est distribuée par les rails, l’un sous + 90 V,
sieurs remorques non motorisées, est appelé automotrice ou, plus l’autre sous - 90 V.
couramment, motrice. Pendant ce temps, un ingénieur américain, Frank J. Sprague,
passionné d’électrotechnique, convainc la ville de Richmond de
& Une rame est formée de plusieurs automotrices circulant en uni- généraliser la traction électrique sur les tramways municipaux. Il
tés multiples (UM) et pouvant encadrer une ou plusieurs remor- dirige les études et la construction des voies, d’une centrale élec-
ques. Dans le langage courant, on parle de tram. trique, des lignes aériennes et des premières motrices munies
& Le terme de métro léger désigne une ligne de tramway établie d’une perche pour la prise de courant.
intégralement en site propre, sans partage du tracé avec la voirie. & En 1890 en France, les premiers tramways électriques apparais-
sent à Clermont-Ferrand et, à partir de 1894, la traction électrique se
généralise, avec l’éclairage public et les forces motrices industriel-
2. Historique les, dans toutes les villes :
– les grands réseaux :
Paris (115 lignes),
2.1 Premiers essais Marseille (91),
Les premières expérimentations de tramways hippomobiles, qui Lille – Roubaix – Tourcoing (50),
étaient des omnibus sur rails, ont eu lieu à partir de 1830 dans des Bordeaux (38),
villes américaines : Baltimore, La Nouvelle Orléans et New York. Lyon (36),
Dans quelques avenues, des rails de chemin de fer furent posés à
même la chaussée. Le résultat permettait, grâce à la moindre résis- Nice (33),
tance à l’avancement d’une roue à bandage en fer sur rails en acier, Toulouse (26), etc. ;
en moyenne, de diviser par deux le nombre de chevaux attelés à – les plus petits :
des omnibus roulant sur la terre battue. En contre-partie, les rails
étaient saillants et formaient un obstacle pour les piétons. Lourdes (5 km),
Rapidement, les promoteurs de ces projets firent inventer une Avranches (3 km),
sorte de « rail à gorge » qui était enterré dans la voirie. En France, La Bourboule (0,5 km),
la première réalisation du « chemin de fer américain » date de 1855, Evian (0,3 km).
à Paris, entre la place de la Concorde et le quai de Billy.
& En 1913 en France métropolitaine, on compte 114 réseaux de
En 1874, le tramway apparaı̂t au Havre, à Lille et Nancy, en 1876 à
tramways urbains. La première guerre mondiale puis les années
Marseille et Versailles, en 1877 à Orléans, Tours, Roubaix et
suivantes, qui ont vu l’essor de l’automobile et des camions et la
Rouen… grande crise, ont entravé toute velléité de modernisation des tram-
ways français qui ont continué à utiliser des matériels obsolètes,
Héritiers des omnibus, les tramways étaient alors exclusive-
lents et peu confortables, avec leurs petites caisses en bois, évo-
ment tirés par des chevaux, ce qui n’arrangeait pas le compte
quant les omnibus à chevaux du siècle précédent. Les efforts
d’exploitation car l’entretien des bêtes de trait incombait aux
consentis, dans les années 1930, par quelques rares réseaux (Lille,
compagnies !
Strasbourg, Dijon, Mulhouse), étaient de toute façon insuffisants
WP
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
cTTTQ
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– TRAMWAYS
pour entretenir une image attractive dans l’esprit du public et la réflexions arrive à maturité, sous le nom de « motrice PCC », et le
presse, globalement, rendait les tramways responsables de tous grand réseau de tramways de Brooklyn & Queens (New York) passe
les maux. commande, en 1935, des 100 premières motrices PCC.
Les derniers tramways de l’immense réseau parisien sont éradi-
& Celles-ci présentent les caractéristiques générales suivantes :
qués en 1938. Les autres, à quelques exceptions près, vont suivre
dans les 2 décennies suivantes ! – caisse en acier soudé ;
– bogies où tous les éléments de suspension en acier sont rem-
& En 1911 à Montréal (Québec), puis en 1913 à Cleveland (Ohio),
placés par des équivalents en caoutchouc ;
on se soucie de la productivité des tramways. Dans cette dernière – roues élastiques, avec séparation du corps de roue du bandage
ville, un membre de la direction du réseau local, Peter Witt, sou- par des éléments résilients en caoutchouc, en lieu et place des
cieux de la situation financière des tramways, imagine de rationali- roues en acier ou en fonte ;
ser l’exploitation des lignes principales en remplaçant les petites – suspension élastique des 2 moteurs de traction par bogie et
motrices, à caisse en bois de 9 m de long, où la perception était remplacement des engrenages droits des transmissions par des
faite par un receveur itinérant et le taux de fraude élevé, par de
arbres à cardan ;
grandes motrices métalliques à bogies, longues de 13 à 15 m, où
– remplacement du contrôleur manuel de traction-freinage à 10-
les voyageurs montent obligatoirement à l’avant et ne peuvent
12 crans par un accélérateur fin, contrôlé par pédales, avec 99 posi-
quitter le tramway qu’après avoir payé leur trajet auprès d’un rece-
tions d’accélération et de freinage ;
veur assis à côté d’une porte de sortie située à l’arrière ou au centre
– compartiment pour un maximum de voyageurs assis dans des
de la motrice. Par la suite, dans tous les réseaux ayant acquis ce
fauteuils individuels revêtus de cuir et confort climatique par air
type de véhicule, le receveur a été supprimé, les voyageurs mon-
pulsé, portes d’entrée et de sortie pliantes contrôlées par le
tent à l’avant, versent le montant exact du trajet dans un boı̂tier
conducteur ;
translucide (fare box) et quittent le tramway par une porte centrale
(Cleveland) ou arrière (Montréal). – conducteur assis avec conduite par 2 pédales, l’une pour la
traction, l’autre pour le freinage ;
Ces motrices étaient puissantes et pourvues, de série, d’un ser- – esthétique totalement innovante due à d’éminents spécialistes
vomoteur, accolé au contrôleur principal, permettant le démarrage en design, ergonomie et aérodynamisme.
et le freinage automatiques. Les gains de productivité de ce nou-
veau matériel étaient tels que plusieurs milliers d’exemplaires de Le résultat dépasse tous les espoirs : nonobstant quelques amé-
la motrice Peter Witt furent construits de 1911 à 1932, notamment nagements touchant l’esthétique générale et le confort des voya-
pour : geurs, la motrice américaine PCC sera construite aux États-Unis, à
– Philadelphie (2410) ; plus de 4 900 exemplaires, de 1935 à 1951.
– Montréal (828) ; Durant la même période, les réseaux français rafistolaient d’anti-
– Brooklyn (735) ; ques motrices des années 1890 et le réseau parisien de la STCRP
– Détroit (690) ; avait des projets de motrices nouvelles qui étaient très éloignées,
– Toronto (588) ; par l’esprit, de la motrice PCC. Ceci explique, en partie, cela !
– Cleveland (400) ;
– Chicago (100) ; Le seul réseau français ayant eu une vision d’avenir est l’Élec-
– Baltimore (150). trique Lille-Roubaix-Tourcoing qui a acquis, en 1937, 16 auto-
À Montréal, Détroit et Cleveland furent aussi livrées les premiè- motrices à bogies, construites par les Ets Brissonneau & Lotz,
res rames articulées ! dotées d’un équipement Alsthom moderne, mais la caisse en
bois perpétuait la tradition !
Des motrices Peter Witt, construites en Europe sous licence, ont
été acquises, dans les années 1930, par : & Après la deuxième guerre mondiale, les droits concernant la
– Bruxelles (25) ; fabrication sous licence de la motrice américaine PCC sont acquis
– Milan (500) ; en Belgique, en Italie et en Tchécoslovaquie. Une fois ce dernier
– Turin (341) ; pays solidement amarré dans l’empire soviétique, les droits de
– Naples (56) ; licence ne sont plus honorés et les usines Tatra, à Prague, sont
– Bologne (29) ; désignées pour être le fournisseur obligé de la plupart des réseaux
– Madrid (1). du Comecon.
Des modèles dérivés ont circulé à Padoue, Trieste, Athènes, En fait, les besoins en renouvellement sont tels que Tatra fait
Arnhem. évoluer techniquement sa motrice PCC qui conserve, néanmoins,
les bogies et l’équipement électrique, accélérateur compris, de son
Mais, aucun projet ne s’est concrétisé en France où l’on hési- concepteur Westinghouse. La demande en provenance de l’URSS
tait toujours, faute de moyens financiers et de volonté poli- est énorme et devant les difficultés, pour Tatra, à honorer ses com-
tique, à franchir le pas ! mandes, la motrice PCC est finalement construite également en
Pologne, à partir de 1959, et par quelques usines soviétiques.
L’usine polonaise Konstal, aujourd’hui Alstom Konstal, est, du
2.3 Motrice PCC reste, la première à avoir développé une motrice PCC articulée dès
1969. En République Tchèque, cette famille de véhicules a été cons-
En 1930, devant le début du déclin de la clientèle des réseaux de
truite, par les Usines ČKD Tatra de Prague, à 22 752 exemplaires de
transport urbain américains, un groupe de travail, regroupant des
1952 à 2000, sans compter les copies en Pologne et en URSS. Ce
spécialistes choisis parmi 28 réseaux de tramways et des indus-
type de motrice détient le record absolu du plus grand nombre de
triels intéressés, se réunit pour jeter les bases d’un nouveau
tramways, issus d’une même technologie, construits au monde !
modèle de tramway susceptible de ramener une partie de sa clien-
tèle éblouie par l’apparition de la Ford T et de ses dérivés camions & En France, en 1941, l’Union des Voies Ferrées rédigea un cahier
et autobus.
des charges, trop timide, pour l’élaboration de spécifications pour
Ce groupe de travail, connu sous l’appellation Electric Railway des motrices à bogies, à caisse en bois, aux antipodes de la motrice
Presidents’ Conference Committee (ERPCC), se fixe comme objectif PCC, auxquels ne répondirent que des engagements, vagues et
d’étudier et de mettre au point un tramway résolument révolution- limités, en provenance de Lyon (66), Marseille (42), Strasbourg
naire. Après de nombreux essais, le produit de toutes ces (26), Mulhouse (10) et Lille (36).
WQ
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
cTTTQ
TRAMWAYS ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
L’Histoire enseigne que, dans la période d’Après-Guerre, l’indus- 1960. Tandis qu’en Suisse, en Allemagne, en Autriche, en Belgique,
trie ferroviaire française était davantage intéressée par la recons- aux Pays-Bas et dans la plupart des villes d’Europe centrale, les
truction du matériel des grands réseaux endommagés que par la tramways avaient été développés et modernisés.
production de quelques centaines de motrices et remorques pour
En 1974, le Secrétaire d’État aux Transports, constatant que les
les réseaux de tramways urbains….
agglomérations commencent à être asphyxiées par l’envahisse-
Dans sa version la plus élaborée, la motrice PCC a été acquise en ment automobile et que, corollairement, la fréquentation des trans-
France à 35 unités, dont 5 articulées, pour Saint-Etienne (1958, ports publics est en baisse dans la plupart d’entre elles, écrit aux
1968) et à 19 unités pour Marseille (1968, 1984). maires de 10 villes pour leur annoncer que si leur Commune se
décide à réintroduire le tramway, l’État s’engage à subventionner
& En fait, de nombreux réseaux et constructeurs européens cons-
une partie des travaux d’infrastructure. Parallèlement, il annonce
tatent que la motrice PCC, malgré tous ses avantages indiscutables, le lancement d’un concours d’idées, auprès des industriels, pour
a un point faible à savoir sa consommation globale de courant. Les la création d’un Tramway français standard.
constructeurs suisses, allemands, italiens ont alors développé des
appareillages à contacteurs électromagnétiques ou électropneuma- Un premier mouvement d’intérêt envers le tramway, sous sa
tiques permettant d’obtenir, au moyen de couplages économiques, forme la plus attractive, est animé, à Nancy, par un élu qui réussit
des performances à peu près comparables (Maquitrans, Sécheron, à convaincre ses pairs d’emprunter à la Ville de Zurich une rame
BBC, Oerlikon, Siemens, AEG, Kiepe, etc.). « Tram 2000 », à l’époque le « must » dans ce domaine. La rame
zuricoise n 1043 est ainsi exposée en gare de Nancy-Ville, en jan-
vier 1978. Le temps, cependant, n’était pas mûr et l’on connaı̂t la
2.4 Déclin des tramways français suite….
En France, où beaucoup de réseaux étaient exploités aux risques & Il fallut encore attendre quelques années pour que Nantes ouvre
et périls de leurs concessionnaires, une hostilité croissante, bien la voie en décidant de réaliser une première ligne. Celle-ci, dès sa
orchestrée, avec l’arrivée en force de l’automobile et du camion, mise en service le 7 janvier 1985, connaı̂t un succès inédit : durant
se manifeste dans les années 1930 envers tout véhicule ne consom- la nuit qui précède le début de l’exploitation, il tombe une mémo-
mant ni pétrole, ni pneus. Les villes bourgeoises voient la clientèle rable chute de neige ! Au matin, toute circulation est paralysée,
des tramways se tourner vers la voiture et les constructeurs de mais les 20 rames de tramway, flambant neuves, circulent sans
véhicules utilitaires forment un lobby actif pour inciter les munici- problème, éclatante démonstration de la justesse du choix des
palités à remplacer leurs tramways par des autobus qui ne sont élus.
pourtant que des châssis de camions aménagés, sans aucun
confort. & Après le succès nantais, la réalisation de la première ligne de
Grenoble en 1987 est, véritablement, à l’origine du retour en force
Le déclin, en France, s’accélère après la Seconde Guerre mon- du tramway en France, car les élus locaux ont compris que cette
diale où, à la différence de la plupart des nations européennes, œuvre sera un outil d’urbanisation incomparable afin de rendre
aucun plan d’urbanisme n’intègre la séparation de la circulation aux quartiers une nouvelle qualité de vie : tracé dans le Centre par-
des tramways de celle de la circulation générale. Le matériel rou-
tagé avec cyclistes et piétons, desserte des principaux lieux d’acti-
lant est fatigué et passé d’âge, le renouvellement des voies, usées
vité (collèges et lycées, restaurants, salles de spectacle), matériaux
et souvent mal tracées, est financièrement à la charge des compa-
de qualité pour la finition de la plate-forme, accroissement de
gnies qui sont déficitaires et n’ont pas de liberté tarifaire.
l’étendue des secteurs piétonniers, etc.
Les réseaux de tramways disparaissent, souvent sans raison, les
Alstom, qui vient de livrer à Nantes 20 rames « classiques », à
uns après les autres. Le lobby des automobiles, des pneumatiques
plancher haut, doit alors, sous la pression des élus, imaginer un
et des carburants se déchaı̂ne et, en 1966, il ne subsiste plus que
modèle de tramway accessible de plain pied aux personnes à
4 lignes de tramways en France, une à Marseille, une à St-Etienne
mobilité réduite, avec le concours de la société d’ingénierie
(figure 1) et deux entre Lille, Roubaix et Tourcoing. Mais, la popu-
SEMALY, de Lyon, de l’architecte Philippe Neerman, de l’exploitant
lation considère désormais le tramway comme le témoin d’un autre
du réseau SEMITAG, de l’INRETS et de diverses associations loca-
âge.
les (figure 2).
Figure 1 – Saint-Etienne : motrice PCC articulée, construction La Figure 2 – Usine Alstom d’Aytré : vues, côte à côte, une rame
Brugeoise & Nivelles / Ateliers de Constructions Électriques à plancher haut pour Nantes (à droite) et une rame à plancher bas
de Charleroi (1968) partiel pour Grenoble en 1987 (Crédit Alstom)
WR
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
cTTTR
TRAMWAYS
Alimentation, conception, performances
et design
par Georges MULLER
Ingénieur principal senior
Ancien chef de projet à la Compagnie des Transports Strasbourgeois CTS
WS
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
cTTTR
TRAMWAYS ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
1. Alimentation en énergie détecteur de tension nulle, jusque là en position ouverte, se ferme
automatiquement en pontant l’isolateur de section IsB alimentant
électrique de ce fait en secours les secteurs b1 et b2.
WT
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
cTTTR
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– TRAMWAYS
à ses deux extrémités, soit tous les 1 200 m, des tendeurs à contre- L’alimentation en 750 V de la ligne aérienne se fait généralement
poids, ce qui permet de faire des économies substantielles au par un feeder en cuivre, d’une section de l’ordre de 400 mm2, issu
niveau du nombre de poteaux ou d’ancrages mis en place (ligne d’une sous-station et cheminant dans tes tubes en janolène noyés
aérienne régularisée par contrepoids). dans la plate-forme et venant se connecter au fil, par exemple à
chaque station. Le retour du courant s’effectue par les rails, soudés
Dans les cas où les ancrages en façade sont impossibles, à entre eux, avec des intervalles de décharge inférieurs à 50 V par
cause de l’éloignement ou l’absence de façades, et que la pose de rapport à la terre.
poteaux est problématique sur une file de trottoirs, en raison de la Pour peu que les études aient été menées de manière compétente
présence de réseaux publics en sous-sol, on se limite à poser des et approfondie, ce qui nécessite de l’expérience, on peut aboutir à un
poteaux d’un seul côté de la voie et la ligne aérienne est suspendue résultat satisfaisant au niveau de l’aspect des lignes aériennes. Par
au moyen de consoles tubulaires surplombant la totalité de la voie ailleurs, ces dernières sont, comme les rails, un signe de la présence
ferrée. d’un moyen de transport d’un haut niveau de qualité.
WU
WV
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
cTTTS
Tramways
Modèles actuels et innovations
par Georges MULLER
Ingénieur principal senior
Ancien chef de projet à la Compagnie des Transports Strasbourgeois CTS
WW
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
cTTTS
TRAMWAYS ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Montpellier I 401 1 435 30* 1999/2002 40,97 2,65 70/230 4 x 140 + 2 x 120
Dublin 401 1 435 26** 2007/2008 40,80 2,40 80/310 4 x 140 + 2 x 120
* À l’origine : 28 rames 301, 29,8 m (1999) + 2 301(2002), rallongées en type 401 (40,9 m)
** Proviennent du rallongement des 26 rames 301 en type 401
WX
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
cTTTS
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– TRAMWAYS
WY
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
cTTTS
TRAMWAYS ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
* Construction ADtranz
** Avec supercondensateurs
* Construction DWA-Siemens
C’est dans ce contexte que Bombardier a décidé de développer diamètre que les roues motrices. Entre les bogies moteurs, le plan-
un modèle de tramway, doté de tous les perfectionnements techni- cher est à 360 mm au-dessus du rail, mais s’abaisse à 290 mm aux
ques, et à plancher mixte. seuils de portes. Il s’élève à 580 mm au-dessus des bogies moteurs.
La caisse est construite en acier inoxydable avec un pavillon en Suivant les désirs des clients, il est possible de mettre une porte
aluminium collé. Les bogies moteurs pivotent sous la caisse simple dans le porte-à-faux avant, mais la plupart réservent celle-
motrice et comportent 2 moteurs de traction asynchrones qui ci à l’usage du conducteur.
entraı̂nent par une transmission par arbre creux un essieu flanqué
de roues motrices de 600 mm de diamètre. Les 2 bogies porteurs, Les qualités de roulement et le confort de ce matériel sont
qui se trouvent sous la caisse remorque, comportent 2 faux essieux remarquables (figure 3).
coudés au bout desquels sont fixées des roues folles du même
XP
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
cTTTS
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– TRAMWAYS
& Bombardier « Flexity Swift » Chaque rame K4000/4500 se compose de 2 caisses en acier reposant,
Ce type de matériel, aux dimensions généreuses a été, avant chacune, sur un bogie bimoteur et s’appuyant sur une articulation les
tout, construit pour les réseaux allemands de Rhénanie et de la reliant à un très court élément central qui repose, lui, sur un bogie por-
Ruhr, et destiné surtout à rouler sur des sections de ligne en site teur. Le plancher est à 425 mm, avec un abaissement à 410 mm au seuil
protégé, à des vitesses de 80 ou 100 km/h. des portes, entre les bogies moteurs, soit sur 72 % de la longueur du
véhicule. Au-dessus des bogies moteurs extrêmes, le plancher s’élève
Il existe 3 modèles du Flexity Swift (tableau 6 et figure 4) : à 625 mm. La résistance frontale à la compression est de 600 kN.
– modèles K 4000 et K 4500 où la zone entre les bogies moteurs Le modèle actuellement en construction pour Melbourne est un
d’extrémité, soit environ 70 % longueur de la rame, est à plancher véhicule à 3 caisses reposant sur 4 bogies Flexx 3000, dont 3 sont
bas ; bimoteurs (chaque moteur entraı̂nant une roue montée et fixée sur
– autre modèle, K 5000, à plancher haut sur toute la longueur de un essieu normal pourvu d’une autre roue à son autre extrémité) et
la rame. le quatrième étant simplement porteur.
Figure 3 – La ville hanséatique de Brême a abandonné la formule Figure 4 – Avec le modèle « Swift » de Bombardier, le réseau
du plancher bas intégral (acquis en premier en 1990) pour le modèle de Stockholm a renoué avec une politique d’expansion du réseau
« Classic » de Bombardier à plancher mixte (Crédit BS) tramway en correspondance avec le métro (Crédit Bombardier)
Tableau 6 – Tramways Bombardier « Flexity Swift » pour services rapides (80-100 km/h)
Voie Nombre + Longueur Largeur P. cont.
Réseau Type Livraison
(en mm) option (en m) (en m) (en kW)
Cologne D K4000 1 435 124 1995/2002 28,40 2,65 4 x 120
Croydon GB K4000 1 435 24 1998/1999 30,10 2,65 4 x 120
Stockholm S K4500 1 435 31 1999/2008 29,70 2,65 4 x 120
Istanbul TR K4500 1 435 55 2002/2003 29,70 2,65 4 x 120
Gouda* (1) NL K5000 1 435 6 2008/2010 29,70 2,65 4 x 120
Minneapolis-St Paul
K4500 1 435 47 2003/2004 28,65 2,67 4 x 120
USA
Cologne D K4500 1 435 69 2004/2008 28,50 2,65 4 x 120
Cologne* D K5000 1 435 74 2002/2010 28,40 2,65 4 x 120
Bonn* D K5000 1 435 15 2003 28,40 2,65 4 x 120
Francfort/Main* U5-25 1 435 54 2008/2015 25,02 2,65 4 x 130
Francfort/Main* U5-50 1 435 92 2008/2015 24,76 2,65 4 x 130
Porto P Metrô 1 435 30 2010/2011 37,12 2,65 8 x 125
Manchester* GB M5000 1 435 48 2009/2010 28,40 2,65 4 x 120
Bursa* TR K5000 1 435 30 2005/2012 28,00 2,65 4 x 120
Karlsruhe D K4500 1 435 30 + 18 2011/2013 37,03 2,65 4 x 150
Melbourne AUS K4500 1 435 50 + 100 2012/2017 32,70 2,65 4 x 120
* Pour quais hauts uniquement
(1) Ex ligne NS cédée à la région de Leiden, exploitée par les Tramways de La Haye
XQ
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
cTTTS
TRAMWAYS ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
XR
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
cTTTS
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– TRAMWAYS
Figure 6 – L’usine de Sacramento produit le modèle « Avanto 70 », ici Figure 7 – Une rame Škoda 06 T du tramway sarde de Cagliari (Crédit
pour Charlotte (Crédit Siemens TS) J. Olaizola)
XS
XT
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
dUUUR
XU
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
dUUUR
Abréviations courantes
1. Définitions générales
et avantages
Un tram-train est un tramway qui, moyennant certaines
adaptations techniques, est capable de rouler indifféremment
sur les voies de tramway d’un réseau urbain et sur les voies
d’un réseau de chemins de fer où subsistent des dessertes par
trains traditionnels pour les voyageurs et pour les marchan-
dises.
XV
r←ヲ←イ・ョ」・@iョエ・イョ・エ
dUUUR
convergent vers Kassel. Sur les lignes déjà électrifiées, la Regios- première étape, une ligne de tramway urbain va être réalisée entre
tadtbahn Kassel a mis en service en 2005-2006, une première série les instances européennes (Parlement européen, Conseil de
de 18 rames Regio Citadis bicourant 750 V cc/15 000 V 16,66 Hz ca l’Europe) et la gare centrale de Strasbourg où sera assurée une cor-
livrées par Alstom. respondance avec les TGV pour Paris ainsi qu’une correspondance
au quart d’heure pour Molsheim en desservant l’aéroport Interna-
■ D’autres exploitations par tram-trains sont également apparues tional de Strasbourg-Entzheim. Quand le financement sera assuré,
en Hollande. la ligne de Molsheim et ses deux antennes vers Barr et Gresswiller
Gouda-Alphen a/d Rijn : sur l’ancienne ligne électrifiée des che- seront électrifiées en 25 kV 50 Hz, l’ancien tunnel élargi du tram pos-
mins de fer de l’État, les trains ont été remplacés par des tram- tal de la CTS (Compagnie des tramways strasbourgeois) sous la
ways, le projet prévoyant de traverser Leiden dans les rues. gare, et les rames tram-train assureront un service direct entre les
Randstadrail : mis en service en automne 2007, il s’agit de la Institutions européennes de Strasbourg, la gare centrale, l’aéroport
reprise de la plus ancienne voie ferrée néerlandaise, reliant Rotter- International, la vallée de la Bruche et le Piémont des Vosges.
dam à La Haye (28 km), déjà électrifiée en 1908, et d’y substituer Un problème qui reste à résoudre est la définition du matériel
les trains par des rames de tramway qui aboutiront dans les cen- roulant puisque, contrairement à Karlsruhe, Aulnay – Bondy et
tres des 2 métropoles par utilisation des infrastructures des tram- Mulhouse, le tram-train de la capitale alsacienne devra
ways urbains et qui assureront la desserte de la ville de s’accommoder du gabarit des voies urbaines conçu pour des tram-
Zoetermeer. Le matériel roulant retenu, 50 rames est le même que ways de 2,40 m de large, mais des solutions existent !
les Regio Citadis construits par Alstom LHB pour Kassel.
Pour la desserte de 3 lignes de l’Ouest Lyonnais, le Conseil régio-
■ En Suisse, la ligne CFF Genève – La Plaine (1 500 V cc) est exploi- nal du Rhône a retenu l’exploitation par tram-trains, à l’horizon
tée, depuis 1994, par un matériel tram-train pratiquement identi- 2010, sur des lignes électrifiées ou à électrifier en 1 500 V cc qui est
que à celui du tramway du Sud-Ouest Lausannois ; certaines la tension idéale pour ce genre d’exploitation.
courses vont, depuis 2001, jusqu’à Bellegarde, dans l’Ain. En fait, en France, le fossé à franchir était surtout d’ordre psycho-
logique car, à la SNCF, trop nombreux étaient ceux qui considé-
raient que ce nouveau segment du transport éloignait la grande
1.2 Réalisations françaises Maison de ses tâches traditionnelles telles que l’exploitation des
En France, l’idée du tram-train a commencé par émerger vers trains de voyageurs (TGV, Grandes Lignes, TER) ou de frêt et la pers-
1996 et dans différentes régions, notamment celles où le tramway pective de s’impliquer avec d’autres exploitants dans le transport
avait fait son retour. Diverses études réalisées par la SNCF et les péri-urbain ne pouvait trouver sa place dans la culture d’entreprise.
régions avaient mis en évidence les avantages du système et de Finalement, à la demande d’un nombre croissant de régions,
cette catégorie de matériel complètement nouvelle. La pénétration malgré les nombreuses questions non résolues, notamment au
de la Saarbahn en territoire français jusqu’à Sarreguemines ainsi niveau de la maintenance du matériel et des conditions d’exploita-
que l’autorisation pour les rames du Genève-La Plaine de circuler tion sur les réseaux de tramways urbains existants, la SNCF a
jusqu’à Bellegarde, au milieu des TGV, trains Corail et de Fret, a eu lancé un appel d’offres international et a signé avec Alstom, en
raison des dernières réticences psychologiques. avril 2007, un marché pour la fourniture d’une première tranche
Il en ressortait 2 champs d’application. Le premier, le plus ferme de 31 rames avec des options pouvant constituer, à terme,
évident, consiste à faire du tramway péri-urbain, en utilisant les une famille de 200 rames.
voies de tramways en ville, puis les voies ferrées RFF à la périphé- Cette première tranche est destinée à deux régions :
rie. C’est le modèle de Karlsruhe ou de Kassel. Le deuxième, dans
– Rhône-Alpes : il s’agit de la ligne SNCF de l’Ouest Lyonnais
l’hypothèse où la demande le justifierait, avec une participation
Lyon St-Paul – Charbonnières-les-Bains – Lozanne – Saint-Bel
financière éventuelle des collectivités régionales, verrait le rempla-
(26 km), électrifiée en 1 500 V cc, depuis 1954 entre Lyon et
cement de certains trains régionaux classiques par des rames
Charbonnières (9 km). Au terminus de St-Paul est aménagée une
tram-train qui ne viendraient pas forcément terminer dans un
correspondance avec la ligne 1, la très importante ligne urbaine
centre-ville donné, du moins dans l’immédiat.
exploitée par trolleybus articulés. Le lieu de l’interconnexion avec
C’est un peu cette deuxième solution qui a été retenue pour le les tramways urbains lyonnais n’est pas encore défini mais finira
premier tram-train de France, à savoir la ligne SNCF par s’imposer lorsque la ligne sera exploitée par trams-trains en
Aulnay-sous-Bois – Bondy (8 km, 11 stations), dite ligne des Coque- 2009 ;
tiers, dans la couronne parisienne, électrifiée en 25 000 V 50 Hz ca
en 1963. Une exploitation par tram-train a été retenue, non seule- – Pays-de-la-Loire : la région a choisi la ligne SNCF
ment à cause d’un coût d’exploitation inférieur à celui de rames de Nantes – Chateaubriant (35 km), fermée au trafic voyageurs depuis
banlieue classiques, mais en raison du projet qui prévoit une 1980, qu’il s’agit de moderniser et d’électrifier ; une première sec-
antenne, depuis la gare de Gargan, conduisant à Clichy-sous-Bois tion de 29 km pourrait être mise en service en 2009 ou 2010 entre
et Montfermeil, en grande partie dans la voirie existante. La section Nantes et Nort-sur-Erdre, le reste devant être achevé en 2012 ou
Aulnay – Bondy a été mise en service le 20 novembre 2006 à l’aide 2013 ; un débranchement vers le futur aéroport de
de 15 rames Siemens « Avanto ». Notre-Dame-des-Landes est envisagé mais, comme à Lyon, le point
d’interconnexion avec les lignes urbaines des tramways nantais
Un autre projet, dont le démarrage des travaux a eu lieu en 2007, n’est pas défini.
concerne la transformation de la ligne SNCF Mulhouse –
Thann – Kruth (32 km) en exploitation par tram-train. Ici, le réamé- Les autres projets français de tram-trains, réalisables après cette
nagement sera encore plus radical puisque l’offre va être première tranche sont :
considérablement renforcée, le débit de la ligne renforcé par son – Mulhouse – Thann – Kruth 32 km, 2010 ;
électrification en 25 000 V 50 Hz ca et par l’insertion des rames
– Strasbourg – Molsheim – Gresswiller 25 km, avec embranche-
tram-train dans le tissu urbain par l’emprunt des voies du nouveau
ment Molsheim – Obernai – Barr 16 km, 2013-2015 ;
tramway mulhousien, voulu par le sénateur-maire Jean-Marie
Bockel et mis en service en 2006. Le matériel prévu, 12 rames iden- – Saint-Étienne – Firminy 15 km : ce projet souffre d’une diffi-
tiques à celles d’Aulnay-Bondy ont été commandé fin 2006. culté particulière, celle de l’écartement des tramways urbains qui
Toujours en Alsace, une autre application de la formule sont à voie métrique ; 2 solutions existent :
tram-train, en cours de finalisation, concerne la transformation de • pose d’un 3e rail dans la voie normale RFF permettant à des
la ligne SNCF Strasbourg – Molsheim (19 km) avec antennes sur tramways à voie métrique, à gabarit plus étroit, de relier le
Obernai – Barr (16 km) et sur Mutzig – Gresswiller (6 km). Dans une centre de St-Étienne avec Firminy,
XW
GAGNEZ DU TEMPS ET SÉCURISEZ VOS PROJETS
EN UTILISANT UNE SOURCE ACTUALISÉE ET FIABLE
RÉDIGÉE ET VALIDÉE MISE À JOUR 100 % COMPATIBLE SERVICES INCLUS
PAR DES EXPERTS PERMANENTE SUR TOUS SUPPORTS DANS CHAQUE OFFRE
NUMÉRIQUES
www.techniques-ingenieur.fr
CONTACT : Tél. : + 33 (0)1 53 35 20 20 - Fax : +33 (0)1 53 26 79 18 - E-mail : infos.clients@teching.com
LES AVANTAGES ET SERVICES
compris dans les offres Techniques de l’Ingénieur
ACCÈS
SERVICES ET OUTILS PRATIQUES
Archives Impression à la demande Alertes actualisations
Technologies anciennes et versions Commandez les éditions papier Recevez par email toutes les nouveautés
antérieures des articles de vos ressources documentaires de vos ressources documentaires
*Questions aux experts est un service réservé aux entreprises, non proposé dans les offres écoles, universités ou pour tout autre organisme de formation.
www.techniques-ingenieur.fr
CONTACT : Tél. : + 33 (0)1 53 35 20 20 - Fax : +33 (0)1 53 26 79 18 - E-mail : infos.clients@teching.com