chemins de fer a cremaillere

Dhlhlzliweg 12 CH-3000 Bern 6 www.voev.ch/www.utp.ch

[email protected]/[email protected] Tel +41 31 359 23 23 Fax +41 31 359 23 10

DOCUMENTATION TECHNIQUE DES CHEMINS DE FER A CREMAILLERE 910.100

1re partie: Edition 31.12.2002

Edition 31.12.2002

by UTP, Union des transports publics, Dhlhlzliweg 12, 3000 Berne 6

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Introduction Les systmes dengrenages sont les mcanismes utiliss le plus couramment pour la transmission de forces et de couples en construction de machines. La thorie des engrenages dfinit des rgles et conditions respecter sur la base de calculs thoriques et de lexprience pratique. Lentranement crmaillre dun chemin de fer est un entranement engrenages pour lequel lune des roues dentes a un rayon infini, appele crmaillre. Lautre roue, appele roue dente a un nombre de dents proche du minimum admissible, selon la thorie des engrenages, compte tenu du pas de denture et du diamtre de la roue correspondant. Les conditions dexploitation dun chemin de fer, particulirement pour un chemin de fer adhrence et crmaillre, se situent lextrme limite des tolrances admissibles dun systme dentranement engrenages. Si les tolrances limites sont dpasses, les usures peuvent augmenter de manire dramatique ce qui peut engendrer des dommages graves aux vhicules et/ou la crmaillre, avec par voie de consquence des cots dexploitation inadmissibles. Plus grave encore, la scurit contre le draillement peut tre compromise lorsque le risque de voir la roue dente grimper sur la crmaillre augmente. Par la sparation des comptences, (Infrastructure pour la crmaillre et entreprise de transport et/ou technique pour les roues dentes) le risque dune mauvaise dfinition de linterface roue dente - crmaillre, cur du systme dengrenage, est lev, en particulier lorsque des mesures de modifications unilatrales sont prises sans tenir compte du partenaire. Les chemins de fer crmaillre sont, quelques exceptions prs, une particularit helvtique et les connaissances spcifiques tant pour la voie et la crmaillre que pour les vhicules se rpartissent en grande partie en Suisse auprs des spcialistes des entreprises de chemin de fer et de quelques ingnieurs de lindustrie ferroviaire. La fermeture de SLM il y a quelques annes a dmontr de manire trs claire que le risque de perte subite de connaissances technologiques peut tre lev. Ces dernires annes de nombreux chemins de fer crmaillre ont t moderniss avec une augmentation de la charge et/ou de la vitesse des vhicules. Pour rpondre ces nouvelles exigences des tudes, tests et expriences approfondis ont t effectus par lindustrie, certaines hautes coles et chemins de fer. Le groupe de travail Chemins de fer crmaillre du groupe Projets Vhicules de lUnion des Transports Publics a dcid dtablir sous forme condense une documentation destine garantir le maintien des connaissances techniques et de lexprience accumule au cours des annes. Des spcialistes trs expriments de lancienne SLM ont t mis contribution et la section Matriel Roulant de loffice Fdral des Transports (OFT) a particip llaboration et au financement de cette documentation. La premire partie de la documentation a t termine fin 2002. La table des matires indique quels thmes ont t traits et lesquels sont envisags. Auteurs: Peter Berger, Ing. ETS, Luzern Peter Maurer, Ing. ETS, Brig Jean-Marc Forclaz, Ing. EPF, Glion Eduard Merz, Ing. ETS, Vevey Peter Gerber, Ing. EPF, Gmligen Odilo Ruppen, Technicien ET, Naters Max Hohl, Union des transports publics, Berne Dr. Hans Schlunegger, Ing. EPF, Grindelwald Hans Hug, Ing. ETS, Herisau Fritz Steinmann, Ing. M.I.T., Weisslingen Hans-Rudolf Kgi, Ing. ETS, Pfffikon ZH Hans Tribolet, Ing. ETS, Visp Jakob Marfurt, Ing. ETS, Halten BE Publi par: Union des transports publics Dhlhlzliweg 12 3000 Berne 6

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Table des matires Edition Introduction

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Crmaillre

1. Systmes 2. Spcification des matriaux 3. Dimensions et tolrances de fabrication 4. Gomtrie des dents 5. Pressions spcifiques admissibles sur les dents 6. Soudage des crmaillres 7. Montage et tolrances admissibles en exploitation (Crmaillre et rails) 8. Crmaillre Abt, erreur de pas en courbe 9. Mthodes de mesures 10. Prescriptions

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31.12.02

1

Fixation de la crmaillre

1. Assemblage par vis des diffrents lments 2. Transmission des efforts la voie (Fixation sur la voie) 3. Superstructure (Traverses, rsistance la flexion) 4. Ancrage dans le terrain

2

Roues crmaillre, vhicules moteurs

1. Spcification des matriaux, traitements thermiques 2. Gomtrie des dents 3. Dimensions et tolrances de fabrication 4. Usures admissibles 5. Pression sur les dents admissibles 6. Suspension tangentielle (ressorts)

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3

Roues crmaillre, pour freinage

1. Spcification des matriaux, traitements thermiques 2. Gomtrie des dents 3. Dimensions et tolrances de fabrication 4. Usures admissibles 5. Pression sur les dents admissibles

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4

Interface crmaillre / roue dente

1. Gomtrie de lengrnement 2. Engrnement des roues motrices 3. Engrnement des roues de freinage 4. Cinmatique de lengrnement 5. Compatibilit des matriaux 6. Lubrification 7. Transmission des courants de retour

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5

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Edition Entres en crmaillre

6

Branchements crmaillre

7

Influence de la crmaillre sur la conduite de lessieu

8

Service de roulement

9

Construction des vhicules

10

Documentation

1. Rapports dessais, modles 2. Bibliographie

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11

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1.1 page 1 de 4

CREMAILLERE Systmes

1.1 Systme Abt Crmaillre lames avec 2 ou 3 lames montes avec dcalage. Pas (des dents) t = 120 mm Hauteur ligne primitive par rapport au rail variable Voir tabelle page 4 Hauteur sommet de la dent par rapport au rail variable Voir tabelle page 4 La largeur des lames est dtermine en fonction des efforts de pression maximum pouvant se produire sur les dents. Systme Riggenbach / (Klose) / (Pauli) Crmaillre chelle avec flancs en acier lamin et chelons (anciennement rivs, actuellement souds) en acier forg. Pas (des dents) t = 100 mm Hauteur ligne primitive par rapport au rail variable Voir tabelle page 4 Hauteur sommet de la dent par rapport au rail variable Voir tabelle page 4 Solution alternative Crmaillre lames systme Von Roll.

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Systme Strub Profil de rail lamin avec dents fraises Pas (des dents) t = 100 mm Hauteur ligne primitive par rapport au rail variable Voir tabelle page 4 Hauteur sommet de la dent par rapport au rail variable Voir tabelle page 4 Solution alternative Crmaillre lames systme Von Roll. Systme Von Roll Crmaillre lame avec gomtrie des dents comme Riggenbach ou Strub. Pas (des dents) t = 100 mm Hauteur ligne primitive par rapport au rail variable Voir tabelle page 4 Hauteur sommet de la dent par rapport au rail variable Voir tabelle page 4 La largeur de la lame est dtermine en fonction des efforts de pression maximum pouvant se produire sur les dents, par exemple : WAB/JB 40 mm AB 60 mm BOB 2 x 40 mm* LSE 80 mm, en courbe 105 mm * crmaillre compose de 2 lames assembles lune contre lautre au

moyen de boulons-crous ou lments Huckbolt . Les joints entre les lames sont dcals.

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1.1 page 3 de 4

Systme Locher Pas (des dents) t = 85 mm Montage horizontal dune double crmaillre. Bibliographie (Texte en langue originale) Abt R. R. Abts Zahnradbetrieb, Zahnstange und Zahnradlokomotive;

in: Organ fr die Fortschritte des Eisenbahnwesens, XXV. Band, Ergnzungsheft 1888

Glanz W. Die Locomotiven der vereinigten Reibungs- und Zahnstangenbahn Blan-kenburgTanne und die beim Betrieb gemachten Erfahrungen; in: Organ fr die Fortschritte des Eisenbahnwesens, XXIV. Band, 5. Heft 1887

Grninger O. The Mount Washington Railway, rapport de Otto Grninger du 17 juin 1869 Copie de Martin R. Frick, vorm. President of Manitou & Pikes Peak Railway 1999

Hefti W. Zahnradbahnen der Welt, Birkhuser-Verlag, Basel, 1971

Hefti W. Zahnradbahnen der Welt, Birkhuser-Verlag, Basel, Nachtrag 1976

Pntener P., Inglin H.

Unterlagen zur Vorlesung Bau von Verkehrsanlagen, Eisenbahnbau I, Kap. 10 Zahnradbahnen; ETH Zrich, Institut fr Strassen-, Eisenbahn- und Felsbau, 1977

Stadelmann W.

Schweizer Bergbahnpioniere, Calanda-Verlag, Chur, 1994

Troske L. Die Eisenbahnen, Sonderabdruck aus dem Buch der Erfindungen, Gewerbe und Industrien, Verlag Otto Spamer, Leipzig, 1900: S. 130140, Anwendung der Zahnstange bei Eisenbahnen S. 163168, Sonderheiten im Oberbau der Steilbahnen S. 227235, Geschichte der Zahnradlokomotive

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Les chemins de fer crmaillre suisses Systme Hauteur de la ligne primitive et du sommet des dents par rapport au rail Systme: A Abt R Riggenbach S Strub VR Von Roll Lames Ligne Systme de

crmaillre Hauteur ligne primitive

Hauteur du sommet des dents

AB Appenzeller Bahnen S, VR, R 48 63 BOB Berner-Oberland-Bahnen R, VR 62.5 80,5 BRB Brienz-Rothorn-Bahn A 35 50 BVZ Brig-Visp-Zermatt A 45 65 Db Dolderbahn VR 55 71 FO Furka-Oberalp-Bahn A 45 65 GGB Gornergratbahn A 35 55 JB Jungfraubahn S 55 70 L-O Lausanne-Ouchy S, VR 55 70 LSE Luzern-Stans-Engelberg R 62.5 80,5 MG Ferrovia Monte Generoso A 35 50 PB Pilatusbahn Locher 74* 94 RB Rigi-Bahnen R 0 18 RHB Rorschach-Heiden-Bahn R 70 88 RhW Rheineck-Walzenhausen R 70 86 SBB Brnigbahn R 62.5 80,5 SPB Schynige-Platte-Bahn R 40 56 TMR Transports de Martigny et Rgions MC S 123 138 TPC Transports Publics du Chablais AL A 91 106 AOMC S 70 85 BVB A 89 104 TMVR Transport Montreux-Vevey-Riviera CEV S 55 70 MTGN A 35 50 WAB Wengernalp-Bahn R, VR 40 56 * Par ligne primitive on entend la hauteur de laxe horizontal de la crmaillre, ligne dengrnement thorique.

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CREMAILLERE Spcification des matriaux

1.2 Systme Abt Les lames de crmaillre Abt sont excutes de nos jours en : Acier amliorer C45E, Matriau N: 1.1191, (Ancienne dnomination: Ck 45). Il sagit dun acier dune rsistance la traction de 600700 N/mm2 soudable jusqu un certain point moyennant des prcautions particulires. Les lames fabriques actuellement sont perces et fraises. Un mode de fabrication avec dcoupe des dents, bauche de forme par dcoupe laser et usinage final par fraisage CNC est ltude. Systme Riggenbach Pour des questions de fabrication (soudabilit des composants) ont utilise actuelle-ment les matriaux suivants pour la crmaillre Riggenbach: Flancs Profil lamin en acier de construction S 235JR, Matriau N: 1.0037 (ancienne dnomination Ac 37-2). Dents forges acier de construction S 355JR, Matriau N: 1.0045 (ancienne dnomination Ac 52-3). Systme Strub La rsistance la traction du profil lamin est de 500570 N/mm2. Depuis peu de temps ces profils ne sont plus lamins.

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Systme Von Roll Matriau des lames: Acier amliorer C45E, Matriau N: 1.1191, (Ancienne dnomination: Ck 45). Il sagit dun acier dune rsistance la traction de 600700 N/mm2 soudable jusqu un certain point moyennant des prcautions particulires. Les lames fabriques actuellement sont perces et fraises. Un mode de fabrication avec dcoupe des dents, bauche de forme par dcoupe laser et usinage final par fraisage CNC est ltude. Systme Locher Matriau des lames: Acier amliorer C45E, Matriau N: 1.1191, (ancienne dnomination: Ck 45). Il sagit dun acier dune rsistance la traction de 600700 N/mm2 soudable jusqu un certain point moyennant des prcautions particulires.

Composition chimique des matriaux pour crmaillre

Analyse %

Lim

ite d

l

astic

it

Rs

. la

tr

actio

n

Allo

ng.

la

rup

ture

C Si Mn P S

Matriau-N.

EN

10027-2

Abrviation DIN

N/mm2 N/mm2 % % % % % % 1.0037 S235JR

(Ac 37-2) 235 340- 470 24-26 0.170 0.400 0.700 0.020 0.020

1.0045 S355JR (Ac 52-3)

315- 355

490- 630 20-22 0.220 0.500 1.600 0.020 0.010

1.1191 C45E (Ck45)

360- 480

600- 900 14-18

0.42- 0.50

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Prescriptions - DE-OCF Art. 33, feuille 1-2 - OFT, commentaire nr 5 de lOCF 33: Usure de la crmaillre; Jan. 1994 Documentation, modles - Rapport dessai de lEMPA sur la rsistance des dents de la crmaillre

Klose du SGA du 26.07.1978 (En allemand)

AB

- Rapport de lEPUL Lausanne, Institut des Mtaux et des Machines; IMM 7452/78: Calcul de rsistance des crmaillres de chemins de fer (En franais)

EPUL

Bibliographie (Texte en langue originale) Hefti W. Zahnradbahnen der Welt, Birkhuser-Verlag, Basel, 1971

Von Roll Dokumentation Fachtagung Nov. 1990: Zahnstangen und Zahnstangen-probleme, Beitrag Von Roll, Bern

Wichser J., Bollinger F.

Technische Verbesserungen von Zahnstangen, Bericht aus Forschungs-projekt: Technische Verbesserungen bei Zahnradbahnen, ETH Zrich, Institut fr Verkehrsplanung, Transporttechnik, Strassen- und Eisenbahnbau, 1995

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CREMAILLERE Soudage des crmaillres

1.6

Afin de rduire les quasi invitables erreurs de pas au droit des joints entre lames les crmaillres peuvent tre soudes. Les lments de crmaillre peuvent tre produits jusqu une longueur de 12 m. Spcificits des diffrents systmes de crmaillre Les crmaillres Riggenbach peuvent tre relativement facilement soudes larc lectrique. Les flancs en acier soudable dune paisseur de seulement 10 14 mm se prtent bien au soudage. Les crmaillres de type Von Roll en gnral en acier C45E difficilement soudable sont si possible soudes par procd aluminothermique comme pour les rails. Il serait galement pensable dutiliser un acier S 355 J2 G3 comme pour les dents de la crmaillre Riggenbach. Cet acier se prte la soudure larc mais il na pas encore t utilis pour la fabrication de crmaillres. Il nexiste pour linstant pas dexprience relative la soudure de crmaillres Abt. Pour y parvenir, il faudrait disposer en courbe de lames avec un pas corrig car on ne pourrait plus utiliser les joints pour compenser la diffrence de longueur entre la lame intrieure et extrieure. Par ailleurs, il conviendrait de vrifier au pralable si les lames prsenteraient une stabilit la flexion suffisante en cas de dilation longitu-dinale, variation de temprature. Prcautions particulires et conditions avant de procder au soudage Pour tous les types de crmaillres il faut dterminer avant le soudage quel retrait aura lieu lors de la soudure afin den tenir compte lors du pr-positionnement des lments. Avant de procder au soudage dune crmaillre il convient de neutraliser temprature moyenne comme pour le soudage des rails.

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Crmaillres sans joints et sans soudure Avec la crmaillre Von Roll il est possible de monter les lments sans joints et sans soudures. Deux lames parallles dune paisseur (par ex. 2 x 40 mm, au lieu de 80 mm de largeur totale), sont fixes lune contre lautre avec un dcalage longitudinal denviron 3 dents. Elles sont fixes ensemble par exemple au moyen dune dizaine de tirants et dlments Huckbolt.

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ROUES A CREMAILLERE VEHICULES MOTEURS

Spcifications des matriaux Traitements thermiques

3.1

Introduction En 2001 un questionnaire circulaire a t transmis tous les chemins de fer cr-maillre de Suisse afin de faire le bilan sur les combinaisons de matriaux utilises actuellement pour les crmaillres et les roues dentes. Aciers utiliss jusqu nos jours pour les roues dentes:

Duret HRC Genre Matriau Rsiliance

N/mm2 Cment Induction Flamme 42 Cr Mo 4 900-1000 56-60 56-60 34 Cr Mo 4 850-950 56-60 52-56 Aciers amliorer 34 Cr Ni Mo 6 800-900 56-60

10 Ni Cr Mo 7 700-900 59-63 12 Ni Cr Mo 7 700-900 59-63 15 Cr Ni 6 900-1000 59-63

Acier cmenter

17 Cr Ni Mo 6 800-900 59-63 Les aciers amliorer ci-dessus sont encore disponibles sur le march. Seuls les aciers cmenter 15 Cr Ni 6 et 17 Cr Ni Mo 6 sont encore livrables. Utilisations actuelles De nos jours on utilise les matriaux suivants: Acier amliorer: 42 Cr Mo 4 Matriau N. 1.7225 Acier cmenter: 17 Cr Ni Mo 6 Matriau N. 1.6587 Pour des entranements peu sollicits lacier amliorer peut tre utilis. Pour des sollicitations plus leves la plus grande duret de lacier cmenter est ncessaire.

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Composition chimique

Analyse (%) Matriau N.

EN

10027-2

Matriau C Si Mn P S Cr Mo Ni

1.7225 42 Cr Mo 4 0.42 0.25 0.65 0.035 0.035 1.05 0.20 1.6587 17 Cr Ni Mo 6 0.17 0.25 0.50 0.035 0.035 1.60 0.30 1.55

Commandes Texte de commande pour matriaux des roues crmaillre: Acier amliorer: 42 Cr Mo 4, Matriau N 1.7225 Rsiliance: 900-1000 N/mm2

Trempe des dents par induction: 58 2 HRC Epaisseur de la couche trempe: 5 mm Acier cmenter: 17 Cr Ni Mo 6, Werkstoffnummer 1.6587 Rsiliance: 800-900 N/mm2

Cmentation des dents : 61 2 HRC Epaisseur de la couche cmente: 5 mm Identification : Frapper la dsignation du matriau dans la zone indique sur le

dessin. Essai de matriau: Exiger un certificat par pice. Comparaison de la duret par amlioration la flamme, par induction et par cmentation. Induction Flamme Cmentation Pour des roues crmaillres il vaut mieux renoncer au durcissement par flamme car il nest pas homogne (pas toute la priphrie).

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Fabrication Ebauches forges. Fraisage par rvolution ou CNC, Ra = 3,2 nm (N8). Comparaison des prix / dure de vie En 2001 il faut compter environ 1000 CHF de plus pour une roue en acier cmenter que pour une roue en acier amliorer avec trempe par induction. En cas de sollicitations leves ou si les conditions ne sont pas bonnes (crmaillre trs use, respectivement mauvais angle de pression de la dent), les roues en acier cmenter ont une dure de vie plus longue, ce qui justifie la diffrence de prix . Prescriptions DE-OCF, Art.5860

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ROUES A CREMAILLERE POUR FREINAGE

Spcifications des matriaux Traitements thermiques

4.1

Matriau, traitement thermique Matriaux utiliss jusqu nos jours: - Acier de constr. S 355 JR Matriau N 1.0045 (Ancienne dnomination Ac 52-3) - Acier de constr. S 355 J2 G3 Matriau N 1.0570 (Ancienne dnomination Ac 52-3) - Acier amliorer C 45 E Matriau N 1.1191 (Anc/actuelle dnomination Ck 45) - fonte dacier en combinaison avec le tambour de frein, p. ex. Fonte dacier G 25 Cr Mo 4, rsistante la chaleur Tous ces matriaux ont dmontr leur efficacit. Laugmentation de la duret des dents nest pas ncessaire. Seule la rsistance du matriau est dterminante, un traitement thermique nest pas ncessaire car une charge nest applique quen cas de freinage durgence. Aucune contre indication nexiste quant la poursuite de lutilisation de ces aciers. Fabrication Fabrication des dents: Dcoupe la flamme (Plasma) Dcoupe au laser Dcoupe par jet deau trs haute pression Rugosit du flanc des dents: - Par oxycoupage:

? Flanc des dents Ra 50 (N12) ? Dgagement Ra 3,2 (N8)

- Par usinage:

? Flanc des dents et dgagement Ra 3,2 (N8)

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5.1 page 1 de 3

INTERFACE CREMAILLERE / ROUE DENTEE

Gomtrie de lengrnement

5.1

Tous les systmes crmaillre traits ici prsentent une denture en dveloppante qui prsente, entre autre les avantages dterminants suivants pour un chemin de fer crmaillre: ? La crmaillre (=roue dente rayon infini) a des flancs de dents droits. ? Une variation de lentraxe est acceptable dans une certaine mesure. Systme Pas t Module t/ Abt 120 mm 38,1972 Locher 85 mm 27,0580 Autres 100 mm 31,8310

Compte tenu du pas relativement lev par rapport au diamtre des roues dentes, une correction de denture vers lextrieur est indispensable, ce qui se traduit tant pour la roue dente que pour la crmaillre par un dgagement au pied de la dent. Les variations dentraxe, particulirement importantes pour les chemins de fer adhrence-crmaillre suite lusure des bandages, sont beaucoup plus leves que celles normalement admises dans les thories de lengrnement ce qui ncessite un jeu entre les dents trs important (Espace entre dents >> largeur de dent). Les invitables erreurs de pas lies aux joints de montage des crmaillres exigent galement un jeu lev. Des mouvements relatifs provoquant de lusure ont lieu lors de la pntration des dents: A la monte (effort de traction):

? Au dbut de lengrnement jusquau point dintersection du cercle primitif et la ligne primitive vers le bas sur la crmaillre.

? Entre le point dintersection du cercle primitif et de la ligne primitive jusquau pied de dent vers le haut sur la crmaillre.

A la descente (effort de freinage):

? Inverse de ci-dessus Une lubrification des flancs des dents est donc indispensable.

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Dispositifs de mesure et de contrle Roue dente Sur la roue dente on contrle essentiellement lusure et la forme de la dent. Pour pouvoir mesurer lusure des dents le fabricant de la roue dente doit prvoir un perage au milieu dune dent hauteur du diamtre du cercle primitif. Ce perage de rfrence dun diamtre de 3 4 mm et dune profondeur denviron 3 mm permettra une mesure de lusure (voir croquis 1). Croquis 1 Croquis 2 Pour pouvoir contrler la forme de la dent il convient de construire un gabarit en tle (par ex. aluminium 3 mm) qui reproduit la forme de la dent et qui prend appui sur la tte de deux dents. Si la gomtrie est correcte, la forme de la dent ne sera pas ou peine modifie. A linverse, en cas de mauvaises conditions gomtriques, une mauvaise usure de la dent apparatra rapidement. Pour une mesure plus prcise de lusure il convient dutiliser des instruments de mesure du contour similaires ceux utiliss pour la mesure du profil des rails ou des bandages. Crmaillre La hauteur de montage et langle du flanc de la crmaillre sont trs importants pour obtenir une usure minimum des roues dentes. Pour mesurer langle du flanc de la crmaillre un appareil de mesure dangle est ncessaire (voir croquis 3). On mesure langle hauteur de la ligne primitive de la crmaillre, mais il faut, si ncessaire, galement mesurer au-dessus et au-dessous. Le rglage en hauteur doit tre possible au moins entre 5 et 45 mm et la mesure de langle doit pouvoir varier entre 5 et 30.

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Croquis 3 Pour une mesure plus prcise de lusure, il convient dutiliser des instruments de mesure du contour similaires ceux utiliss pour la mesure du profil des rails ou des bandages. Pour vrifier le positionnement correct de la crmaillre on utilisera un dispositif de mesure avec appui sur les rails et comparateur cadreau avec une plage de mesure dau moins 5 mm (voir croquis 4). On peut marquer les zones de tolrance admissibles sur le comparateur cadreau afin dacclrer les procdures de contrle. Croquis 4 Documentation, modles Modle SLM pour dmontrer linfluence derreurs de hauteur et dangles de dents de crmaillre non conformes.

FO BVZ

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INTERFACE CREMAILLERE / ROUE DENTEE

Engrnement roues motrices

5.2

Bases juridiques Les prescriptions juridiques sont dfinies dans les Dispositions dexcution de lordonnance sur les chemins de fer DE-OCF: - DE-OCF Art. 33.1: Prescriptions pour les crmaillres, dimensionnement, calculs,

tolrances, carts, influence sur la scurit au draillement. - DE-OCF Art. 59.1: Prescriptions relatives lengrnement. Les commentaires suivants relatifs au DE-OCF doivent tre galement consults: - Commentaire N 5 de lart. 33: Usure de la crmaillre. - Commentaire N 11 de lart. 59.1: Conditions dengrnement dans la crmaillre. Exigence principale relative la scurit (Art. 59.1 points 62, 621 et 622): - Afin dviter une interruption dentranement et les efforts et chocs massifs qui

rsulteraient dune rupture dune dent, deux dents de chaque roue dente doivent au minimum engrener simultanment dans la crmaillre. La dure denfonce-ement l de chaque roue dente (selon dessin) devrait (doit) donc tre dau moins 2,15.

Lexigence - dure denfoncement l ? 2.15 - peut en gnral tre satisfaite sans grandes difficults. La deuxime exigence (Art. 59.1 points 61, 611 et 612) relative une dure minimale dengrnement e de 1,15 est par contre souvent trs difficilement atteignable, voire inatteignable, particulirement pour les crmaillres de type Abt, Strub et Von Roll. Consquences pour le fonctionnement et lusure Un engrnement discontinu, dure dengrnement

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Des corrections efficaces ne sont possibles que si lensemble du systme (roues dentes/crmaillre) est assaini simultanment dans un laps de temps court (quelques mois).

Il est particulirement important que la crmaillre et les roues dentes conservent leurs caractristiques gomtriques correctes dorigine. Afin de rpondre ce critre, les conditions suivantes doivent tre satisfaites: ? Le cercle primitif des roues dentes et la ligne primitive de la crmaillre doivent

se recouper la demi-usure des roues porteuses et la hauteur nominale de montage de la crmaillre.

? Les axes verticaux de la crmaillre et des roues motrices doivent concider ? Les flancs des dents des roues dentes et de la crmaillre doivent tre

dimensionns proportionnellement. Les surfaces actives pour la transmission des efforts doivent tre sollicites de manire similaire. Une charge asymtrique de ces surfaces conduit une usure asymtrique des flancs des dents et par voie de consquence des erreurs dangle verticales ou horizontales des flans de dents.

? Sur les tronons crmaillre prsentant des courbes essentiellement dans le

mme sens, il convient de vrifier si la crmaillre ne doit pas tre lgrement monte vers lextrieur dans les courbes afin de garantir une usure plus rgulire des roues dentes.

? Afin dtre mme de corriger la hauteur de la crmaillre en cas dusure des

rails, il convient de prvoir des selles de fixation des rails permettant le montage ultrieur de cales.

Spcificits pour les diffrents types de crmaillre: Systme Riggenbach: ? Lorsque lon veut augmenter la rsistance de la dent en augmentant la surface

du trapze par une surpaisseur dans sa partie infrieure, comme pratiqu depuis 1960 env. se produit le phnomne suivant : La partie infrieure (surpaisseur ajoute) est moins sollicite que la partie suprieure, aprs un temps dexploitation relativement court, langle de pression se modifie, (saplatit) ce qui diminue la scurit au draillement.

? Aprs une longue priode dexploitation, les dents de la crmaillre sont plus

uses dans la zone ou appuient les dents de la crmaillre ce qui provoque un creux.

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La roue dente crmaillre, appuye dans ce creux a tendance assurer le centrage de lessieu. Lorsque lon monte des roues crmaillres neuves ou plus larges sur les vhicules, les nouvelles roues appuient sur les bords des creux de la crmaillre ce qui peut provoquer des dgts par sollicitations trop fortes. Sur le mme rseau toutes les roues motrices crmaillre devraient avoir la mme largeur.

Systme Abt: ? A loccasion du remplacement danciennes lames de crmaillre par des plus

larges, il faut veiller ce que la distance entre laxe des lames corresponde la distance entre laxe du milieu des roues dentes. Si tel nest pas le cas, on aura une sollicitation asymtrique du flanc de la dent et une modification de langle du flanc de la dent (vue en coupe).

? Si les dents des lames de crmaillre sont plus hautes que prcdemment, seul

le pied de dent peut tre plus haut mais en aucun cas la zone active des flancs de dents qui ne doit pas tre plus leve que prcdemment.

Systme Von Roll: ? Lors de lutilisation dune crmaillre de type Von Roll il faut veiller ce que la

zone active des flancs de dents ne soit en aucun cas plus haute que celle des dents de la crmaillre antrieure (Riggenbach, Strub).

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Directives pour la dtermination graphique de la dure dengrnement e et de la dure denfoncement I selon les critres DE-OCF Art. 59.1 pour les systmes crmaillre Systme Abt Dessin AGR PGF-Z Nr. 667.9-1 vom 23.05.01 Systme Riggenbach Dessin AGR PGF-Z Nr. 667.9-2 vom 23.05.01 Systme Strub Dessin AGR PGF-Z Nr. 667.9-3 vom 20.06.01 Systme Von Roll Dessin AGR PGF-Z Nr. 667.9-4 vom 25.06.01 Terminologie utilise dans les dessins Abr. Allemand Franais Bandagen neu / abgentzt Bandage neuf / us Radiale Abntzung Usure radiale SOK Sommet du rail e Eingriffsdauer (berdeckungsgrad) Dure dengrnement l Eindringdauer Dure denfoncement ? Eingriffswinkel Angle de pression t Teilung Pas Kopfkreis Cercle de tte Teilkreis Cercle primitif Grundkreis Cercle de base Fusskreis Cercle de pied Kopfkreis der wirksamen Zahnflanke Cercle de tte de la partie active des

flancs de dents Eingriffslinie Ligne de pression Wirksame Zahnstangenflanke Limites de la zone active des flancs de

dents de la crmaillre Vereinfachte Darstellung Reprsentation simplifie - Dfinir la hauteur du sommet du rail (SOK). - Dterminer le milieu de laxe P0. diam. de roue sur sommet du rail (SOK). - Tracer les lignes horizontales des limites infrieures et suprieures de la zone

active des flancs de dents de la crmaillre. Point de raccordement avec le rayon de tte de dent.

- Cercle primitif centr en P0. - Tracer la ligne de pression: Pente 1:4 (Angle de pression de la denture ? = 1402)

passant par le point P1. - Cercle de base: La ligne de pression est tangente au cercle de base au point P2. - Tracer le cercle de tte de la partie active des flancs de dents, centr en P0 (pas-

se par le point de raccordement entre le rayon de tte de dent et la dveloppan-te).

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- Points dintersection de la ligne de pression avec le cercle de tte de la roue dente ? P3 avec la limite suprieure de la zone active de la crmaillre ? P4 avec la limite infrieure de la zone active de la crmaillre ? P5 point de tangente avec le cercle de base de la roue dente ? P2

Distance g = Distance des points intrieurs les plus rapprochs par ex. Mesure de P3-P4 = g, t = Le pas, cos ? = 0,970 - Calcul de la dure dengrnement e Selon Art. 59.1 Point 611 ? 1.15 - Points dintersection du cercle de tte de la partie active des flancs de dents de la

roue dente avec la limite suprieure de la zone active des flancs de dents de la crmaillre ? P6, P7 Mesure de la distance P6-P7 = w

- Calcul de la dure denfoncement l

Selon Art. 59.1 Point 622 ? 2.15

- Pour calculer e et l pour le cas de bandages uss, laxe P0 doit tre dcal vers le bas de la longueur correspondant lusure radiale du bandage.

- Dans la reprsentation simplifie, la crmaillre est dcale de lusure radiale du

bandage vers le haut. Documentation et modles Documentation SLM dmontrant leffet derreurs de hauteur et derreurs dangle.

FO BVZ

Annexes Dessin AGR PGF-Z Nr. 667.9-1 Systme Abt Dessin AGR PGF-Z Nr. 667.9-2 Systme Riggenbach Dessin AGR PGF-Z Nr. 667.9-3 Systme Strub Dessin AGR PGF-Z Nr. 667.9-4 Systme Von Roll

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INTERFACE CREMAILLERE / ROUE DENTEE Engrnement roues de freinage

5.3

Bases juridiques Il ny a, part lindication relative la scurit au draillement Art. 68 1, aucune prescription relative aux roues de freinage des voitures, ni dans lOCF ni dans les DE-OCF. En rgle gnrale, les roues de freinage ont une mauvaise qualit dengrnement, compte tenu de leur diamtre primitif faible. Cela est particulirement vrai si ces roues sont montes dans la partie suspendue du bogie, lorsque les bandages sont neufs, le vhicule non charg et la suspension dleste. (Des valeurs de la dure dengrnement bien infrieures 1 peuvent tre mesures. Pour les voitures pano-ramiques FO/BVZ 60 % de la tare ? 0,34). Cela est acceptable dans la mesure o les roues dentes ne freinent pas en permanence, mais seulement lors defforts de freinage importants. Lorsque la longueur dengrnement e x t (dure dengrnement e x pas t, selon DE-OCF Art. 59, feuille 2) est faible, il convient de vrifier quaucun risque de grimper sur la crmaillre nexiste. Ce point est voqu dans le commentaire 11 sur lOCF.

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INTERFACE CREMAILLERE / ROUE DENTEE Cinmatique de lengrnement

5.4

Ligne de pression Dessin AGR PGF-Z N 667.9-5 du 26.06.02 Annexe 1

Cinmatique de lengrnement, roue et crmaillre neuves Dessin AGR PGF-Z N 667.9-6 du 27.06.02 Annexe 2

Cinmatique de lengrnement, roue neuve, crmaillre use Dessin AGR PGF-Z N 667.9-7 du 01.10.02 Annexe 3

Cinmatique de lengrnement, roue use, crmaillre neuve Dessin AGR PGF-Z N 667.9-8 du 01.10.02 Annexe 4

Cinmatique de lengrnement, roue et crmaillre uses Dessin AGR PFG-Z N 667.9-9 du 07.10.02 Annexe 5 Terminologie et commentaires des dessins Abr. Allemand Franais Zahnrad neu / abgentzt Roue dente neuve / use Zahnstange neu / abgentzt Crmaillre neuve / use Teilkreis Cercle primitif Zahnradachse Axe de la roue dente Fahrrichtung Sens de dplacement Zahnflanken Flanc des dents Ideale / effektive Eingriffslinie Ligne de pression idale / effective Berhrungspunkt Point de contact Geschwindigkeitsvektoren Vecteurs de vitesse Schnittpunkte Points dintersections Drehwinkel frei whlbar Angle de rotation choisir P1 Point dintersection, de contact, des dents par la 1 re ligne passant par laxe

de la roue. P2 Point dintersection de la 2 me ligne passant par laxe de la roue (angle ? ) et

la perpendiculaire ligne 1 par P1 P3 Point dintersection entre une parallle au sommet de la crmaillre passant

par P2 et le flanc de la crmaillre PR Point de contact avec vitesse de glissement relatif = 0 ? Vitesse angulaire, angle de rotation par unit de temps VF Vitesse de marche, parallle au rail, constante dans des conditions optimum VU Vitesse tangentielle qui augmente lorsque P1 sloigne du centre de la roue VG Vitesse de glissement, oriente vers le bas et diminuant durant lenfoncement

de la dent, = 0 la hauteur du cercle primitif, oriente vers le haut et augmentant durant la phase dextraction des dents.

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Dessin AGR PGF-Z N 667.9-6 du 27.06.02 Une forme correcte des dents de la roue et de la crmaillre donne une vitesse une vitesse de marche VF constante. Dessin AGR PGF-Z N 667.9-7 du 01.10.02 Des dents de crmaillre uses et une roue dente neuve donnent, pour le cas dessin, une irrgularit de vitesse de marche VF denviron 10 %. Dessin AGR PGF-Z N 667.9-8 du 01.10.02 Des dents de roue uses et une crmaillre neuve donnent, pour le cas dessin, une irrgularit de vitesse de marche VF denviron 5 %. Dessin AGR PGF-Z N 667.9-9 du 07.10.02 Des dents de roue et de crmaillre uses donnent, pour le cas dessin, une irrgularit de vitesse de marche VF denviron 7 %. Principe Les roues dentes motrices et de freinage ont une denture dvelop-pante. Cest galement le cas pour la crmaillre dont le cercle de base a un rayon infini, ce qui explique pourquoi le flanc des dents de la crmaillre est rectiligne avec une pente de 1:4 (14,0362). Lengrnement sans glissement ne se produit quen un seul point de contact PR qui se situe sur une ligne perpendiculaire au flanc de la crmaillre. Au dessus et au dessous de ce point PR il y a un glissement relatif des dents. La vitesse de glissement relatif varie en intensit et en direction lors de lenfoncement ou de lextraction des dents.

Dessin 667.9-6

Ligne de pression Pour une gomtrie correcte des dents, le point de contact PR se dplace le long dune ligne de pression rectiligne perpendiculaire au flanc de la dent, soit incline de 1:4. Le point PR tant le point dintersection du flanc de la dent avec le cercle primitif de la roue dente. La vitesse tangentielle VU au droit du point de contact varie en fonction de la position relative des dents, distance P1 Centre de la roue. Cet effet na pas dinfluence ni sur la vitesse angulaire ? , ni sur la vitesse de marche VF par laddition des vitesses vectorielles tangentielles VU et de glissement VG toutes deux variables, voir dessin 667.9-6.

Dessin 667.9-5 667.9-6 Dessin 667.9-6

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Avec des bandages neufs, la roue dente engrne moins profond-ment dans la crmaillre mais cela ne change rien la cinmatique. Seul le point PR est plus lev ce qui rduit la dure dengrnement e. Avec des bandages uss, le point de contact PR est plus profond, ce qui augmente la dure dengrnement e. Comme il existe une vitesse de glissement relative, un graissage de la zone dengrnement est indispensable. Des erreurs de pas de la crmaillre, en particulier en courbe pour la crmaillre Abt deux lames, imposent une lasticit tangentielle des roues dentes motrices.

Roues dentes et crmaillres uses Selon le type dusure, la ligne de pression peut prendre des formes qui sloignent drastiquement de la ligne idale. La direction de glissement suit le contour dusure de la dent de la crmaillre et se situe toujours la tangente du point de contact instantan de la dent de la crmaillre. Laddition des vecteurs de vitesse VU et VG, pour une vitesse constante de la roue et un entranement rigide, aboutirait une vitesse de marche VF irrgulire durant la dure dengrnement. Dans la pratique, cest le systme de suspension tangentiel des roues motrices qui compense partiellement ces irrgularits, dans les limites du jeu de la suspension. Il en rsulte de lusure, des vibrations et du bruit. Les effets des diffrents tats dusure sur la cinmatique de lengrne-ment sont reprsents dans les dessins indiqus ci contre.

Dessin 667.9-5 Dessin 667.9-7 667.9-8 667.9-9 Dessin 667.9-7 667.9-8 667.9-9

Documentation, modles. - Modle de SLM pour dmontrer leffet derreurs de hauteur et

derreur dangle du flanc des dents.

BVZ, FO

- Film vido sur les conditions dengrnement de systmes prsentant

de lusure.

UTP

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Annexes 1 Dessin AGR PGF-Z N 667.9-5 Ligne de pression 2 Dessin AGR PGF-Z N 667.9-6 Cinmatique de lengrnement 3 Dessin AGR PGF-Z N 667.9-7 Cinmatique de lengrnement 4 Dessin AGR PGF-Z N 667.9-8 Cinmatique de lengrnement 5 Dessin AGR PFG-Z N 667.9-9 Cinmatique de lengrnement

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DOCUMENTATION Rapports dessais, modles

11.1

Auprs

Conc.

- Rapport dessai de lEMPA sur la rsistance des dents de la crmaillre Klose du SGA du 26.07.1978 (en allemand).

AB 1.2

- Rapport de l EPUL Lausanne, Institut des Mtaux et des Machines; IMM 7452/78; Calculs de rsistance des crmaillres de chemins de fer (en franais).

EPUL 1.2

- Rapport sur les mesures de la crmaillre Abt du Ch. de fer Brigue-Vige-Zermatt du 23.-25.10.1972: Sollicitation de la crmaillre par les efforts longitudinaux et verticaux. Von Roll 1972 (en allemand).

BVZ (1.5)

- Mesure de la compression des ressorts tangentiels de roues dentes motrices. Systme Abt. Rapport SLM Nr. 188 du 28.08.1975 (en allemand).

BVZ FO

(3.6)

- Modle de SLM pour dmontrer leffet derreurs de hauteur et

derreur dangle du flanc des dents (en allemand). BVZ FO

5.1 5.2 5.4

- Film vido sur les conditions dengrnement de systmes

prsentant de lusure.

UTP 5.4

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DOCUMENTATION Bibliographie

11.2

Conc.

Abt R. R. Abts Exploitation crmaillre, crmaillres et locomotives; en allemand, dans: Organ fr die Fortschritte des Eisenbahnwesens, XXV. Band, Ergnzungsheft, 1888

1.1

OFT Gomtrie de la crmaillre, vitesses en entre de crmaillre et sur les branchements. Recueil de donnes (sur CD-Rom)

1.1

Borgeaud G. Dr.

Etat des connaissances en matire de scurit au draillement sur les chemins de fer crmaillre; en allemand, tirage spcial de Schweizerische Bauzeitung, 1978

10

Glanz W. Les locomotives du chemin de fer adhrence crmaillre de BlankenburgTanne, expriences durant lexploitation; en allemand dans: Organ fr die Fortschritte des Eisen-bahnwesens, XXIV. Band, 5. Heft, 1887

1.1

Grninger O. The Mount Washington Railway, rapport de Otto Grninger du 17 juin 1869; copie de Martin R. Frick, vorm. President of Manitou & Pikes Peak Railway, 1999

1.1

Hefti W. Ch. de fer crmaillre du monde; en allemand, ditions Birkhuser, Ble, 1971

1.1

Hefti W. Ch. de fer crmaillre du monde; en allemand, ditions Birkhuser, Ble, complment 1976

1.1

Pntener P., Inglin H.

Documentation pour la prsentation du cours, Construction dinstallations de transport, I constr. de chemins de fer, chapitre 10, ch. de fer crmaillre; en allemand, ETH Zrich, Institut fr Strassen-, Eisenbahn- und Felsbau, 1977

1.1

Von Roll Documentation de la journe technique Crmaillre et ses problmes Nov. 1990; en allemand, apport de Von Roll, Berne

1.2

Stadelmann W.

Les pionniers des chemins de fer crmaillre des montagnes Suisses; en allemand, ditions Calanda, Coire 1994

1.1

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Wichser J., Bollinger F.

Rapport sur le projet de recherche Amliorations techniques de la crmaillre; en allemand, ETH Zrich, Institut fr Verkehrsplanung, Transporttechnik, Strassen- und Eisenbahnbau, 1995

1.2

Troske L. Les chemins de fer, tirage spcial du livre Buch der Erfindungen, Gewerbe und Industrien Edition Otto Spamer, Leipzig,1900; en allemand: P. 130 140, Utilisation de la crmaillre en ch. de fer P. 163 168, Spcificits superst. Ch. de fer forte pente P. 227 235, Histoire des locomotives crmaillre

1.1

chemins de fer a cremaillere

Documents