Le Frein électro-hydraulique

 

Le frein électro-hydraulique correspond à une architecture dans laquelle :

* la commande du freinage est réalisée de manière purement électrique

* l'énergie d'actuation (produisant l'effort ou assurant le défreinage) est hydraulique

Il n'y a donc plus aucune conduite pneumatique, voire sur la plupart des véhicules utilisant ce type de frein (les tramways essentiellement), plus aucune production d'air comprimé (certains tramways conservant une mini-production d'air comprimé pour le sablage, voire pour la suspension secondaire pneumatique).

Le frein électro-hydraulique a été développé dans les années 60/70 pour améliorer très notablement les performances des tramways, en associant les temps de réponse quasi-immédiats de la commande électrique à ceux extrêmement courts de l'hydraulique.

En effet, le fluide hydraulique étant incompressible (contrairement à l'air), la transmission de pression se fait de manière quasiment statique dans le circuit (le fluide ne se déplace pratiquement pas), ce qui fait que les temps de réponse sont réduits à quelques centaines de milli-secondes. Pour les tramways, ce gain en rapidité de réponse s'est vite avéré vital pour permettre d'obtenir des réactions aussi promptes que les véhicules routiers.

La présente page décrit les grandes lignes de ce type d'architecture.

 

La commande du freinage de service

Commande de freinage du train

La commande du freinage de service est, dans la très grande majorité des cas, associée à la commande de traction : les deux utilisent le même manipulateur, qui dispose d'une plage traction lorsqu'il est poussé vers l'avant et d'une plage freinage lorsqu'il est tiré vers l'arrière.

Le manipulateur intègre des potentiomètres électriques qui délivrent une tension proportionnelle à la position du manipulateur dans chacune des plages, ainsi que des contacts indiquant s'il s'agit de la plage traction ou de la plage freinage.

La tension délivrée par les potentiomètres et l'état des contacts de position sont fournis à une carte électronique (l'émetteur de consigne), laquelle se charge de coder la consigne d'effort (traction ou freinage) sous forme d'une signal, généralement de type PWM : la valeur d'effort est fonction du rapport cyclique du signal, la fréquence et la tension étant fixes.

 

Principe de fonctionnement du PWM : U (tension) et T (période, image de la fréquence) sont fixes, tandis que t varie.

Le taux du signal PWM est le rapport t/T, dont la valeur en % détermine la consigne d'effort

 

La distinction entre traction et freinage se fait soit en signant la valeur du signal PWM (+ pour la traction, - pour le freinage), soit en réservant une plage pour la traction et une plage pour le freinage (par exemple 52% à 95% = traction, 52% à 48% = neutre, 48% à 10% = freinage), soit en positionnant en parallèle des lignes de train logiques (alimentées à la tension batterie, et étant soit sous tension, soit coupées) indiquant s'il faut réaliser l'effort demandé en traction ou freinage.

Les engins les plus modernes utilisent même un bus informatique au lieu des lignes de train PWM et traction/freinage pré-citées : toutes les informations de traction, freinage et consigne d'effort sont alors transmises sous forme entièrement numérique par le biais de l'unité centrale informatique, laquelle reçoit en entrée la tension variable du manipulateur traction/freinage.

 

Commande du freinage des bogies

Au niveau de chaque bogie moteur, une électronique de commande traction/freinage reçoit les ordres de traction et freinage (signal PWM, et éventuellement les ordres logiques traction et freinage). Ces signaux sont décodés par cette électronique, et traduits en un effort à réaliser en traction ou freinage.

Les algorithmes internes décident alors, dans le cas du freinage, de commander en priorité le frein dynamique, puis en complément le frein mécanique. Ce complément de frein mécanique peut être commandé sur le bogie lui-même, ou requis auprès d'un bogie porteur voisin par le biais d'une liaison électrique avec l'électronique de freinage de ce bogie. Si un complément de frein mécanique est nécessaire sur le bogie moteur concerné, l'ordre est transmis à une électronique dédiée à la commande du freinage mécanique.

Au niveau de chaque bogie porteur, une électronique de commande freinage reçoit également les ordres traction et freinage (signal PWM, et éventuellement les ordres logiques traction et freinage). Ces signaux sont décodés par cette électronique, et traduits en un effort à réaliser (dans ce cas, aucune action n'intervient en phase de traction).

Les algorithmes internes décident alors de réaliser ou non un effort de freinage, en fonction des lois de conjugaison définies ou sur demande d'une électronique de commande traction/freinage d'un bogie moteur voisin.

Dans le cas d'utilisation d'un bus informatique, une carte d'interface intégrée à chaque électronique permet de lire les messages véhiculés par le bus, d'en extraire les consignes de traction et freinage et d'en déduire l'effort à réaliser sur le bogie. Les éventuelles informations échangées d'un bogie moteur vers un bogie porteur sont également transmises via le bus informatique.

 

Cliquer ici pour visualiser le synoptique d'un frein électro-hydraulique

 

La correction des efforts en fonction de la charge peut être réalisée de deux manières :

* soit par mesure de la charge au moyen de capteurs potentiométriques, installés entre la caisse et un bogie et mesurant la déflexion de la caisse ; ces capteurs sont interfacés avec l'une des électroniques du véhicule, qui calcule la charge globale et la retransmet aux autres électroniques.

* soit par un asservissement en décélération : au niveau de chaque bogie, les ordres de freinage reçus du manipulateur traction/freinage sont traduits sous forme d'une décélération, laquelle doit être obtenue quelle que soit la charge ; l'électronique augmente alors l'effort de freinage jusqu'à obtenir la décélération requise, laquelle est calculée en permanence par dérivation de la valeur de la vitesse en fonction du temps.

L'électronique de commande de freinage pilote ensuite un transducteur électro-hydraulique, de manière à transformer la consigne d'effort en une pression hydraulique.

La pression pilote sortie du transducteur est délivrée directement aux étriers de frein. Ceux-ci sont en général à ressort sur les bogies moteurs (l'effort de freinage est produit par un ressort, et la valeur de l'effort est ajustée en modulant une contre-pression hydraulique sur le piston), tandis qu'ils sont directs sur les bogies porteurs (la pression hydraulique génère directement l'effort, comme pour les étriers d'une automobile).

 

La commande du freinage d'urgence

Commande de freinage du train

La commande du freinage d'urgence est totalement découplée de la commande du freinage de service, de manière à garantir un niveau de sécurité plus élevé. La commande est réalisée par le biais d'une boucle d'urgence qui parcourt toute la longueur du train, et est bouclée au niveau du dernier bogie, pour revenir en tête. En cas de circulation en unité multiple (UM), la boucle est automatiquement reconfigurée pour se reboucler au niveau du dernier bogie de la rame de queue.

La boucle d'urgence est en permanence sous tension, alimentée soit directement depuis la batterie, soit par le biais d'une alimentation à potentiel flottant (permettant de se prémunir contre les réalimentations intempestives de la boucle). Pour déclencher le freinage d'urgence, il suffit d'ouvrir l'un des contacts installés en série sur cette boucle pour que celle-ci soit au potentiel nul, indiquant la commande d'un freinage d'urgence.

Chacun des contacts installés sur la boucle est actionné par un équipement donné : position urgence du manipulateur traction/freinage ou équipement de sécurité (VACMA, contrôle de vitesse, etc...).

 

Commande du freinage des bogies

Au niveau de chaque bogie, un relais de freinage d'urgence est connecté directement sur la boucle d'urgence. Lorsque celle-ci est sous tension, chaque relais d'urgence est maintenu excité, et n'a aucune action. Lorsque la boucle d'urgence est ouverte, chaque relais d'urgence est désexcité, et soit délivre une information logique donnant ordre aux électroniques de commander un effort correspondant à l'effort de freinage d'urgence, soit pilote une électrovalve spécifique (électrovalve d'urgence) commandant l'effort maximal aux niveau des étriers.

Chaque électronique commande alors l'ensemble des freins (dynamique et mécanique), le frein mécanique étant commandé par le biais du transducteur électro-hydraulique. Dans le cas d'une électrovalve d'urgence spécifique, chaque électronique commande en parallèle l'effort de freinage d'urgence au niveau du transducteur électro-hydraulique afin d'assurer une redondance.

La correction de charge reste active dans ce mode de freinage, de même que l'antienrayeur.

Le relais de freinage d'urgence commande également l'application des patins de frein électromagnétique si ceux-ci équipent le véhicule. Ceux-ci sont en général maintenus appliqués jusqu'à l'arrêt du véhicule.

 

La commande du freinage de sécurité

Commande de freinage du train

La commande du freinage de sécurité, lorsqu'elle existe, est totalement découplée de la commande du freinage de service et de celle du freinage d'urgence, de manière à garantir un niveau de sécurité maximum. La commande est réalisée par le biais d'une boucle de sécurité, distincte de la boucle d'urgence, qui parcourt toute la longueur du train et est bouclée au niveau du dernier bogie pour revenir en tête. En cas de circulation en unité multiple (UM), la boucle est automatiquement reconfigurée pour se reboucler au niveau du dernier bogie de la rame de queue.

La boucle de sécurité est en permanence sous tension, alimentée soit directement depuis la batterie, soit par le biais d'une alimentation à potentiel flottant (permettant de se prémunir contre les réalimentations intempestives de la boucle). Pour déclencher le freinage de sécurité, il suffit d'ouvrir l'un des contacts installés en série sur cette boucle pour que celle-ci soit au potentiel nul, indiquant la commande d'un freinage de sécurité.

En général, la boucle de sécurité ne peut être coupée que par le coup-de-poing. Par ailleurs, l'actionnement du coup-de-poing coupe également la boucle d'urgence, de manière à garantir qu'au moins l'une des deux boucles sera coupée.

 

Commande du freinage des bogies

Au niveau de chaque bogie, un relais de freinage de sécurité est connecté directement sur la boucle d'urgence. Lorsque celle-ci est sous tension, chaque relais de sécurité est maintenu excité, et n'a aucune action. Lorsque la boucle de sécurité est ouverte, chaque relais de sécurité est désexcité, et :

* au niveau de chaque bogie moteur, coupe l'alimentation du transducteur électro-hydraulique, ce qui provoque la vidange complète des étriers (retour du fluide vers la bâche de la centrale hydraulique), donc l'application d'un effort maximal des étriers à ressorts

* au niveau de chaque bogie porteur, coupe l'alimentation d'une électrovalve de freinage de sécurité, laquelle vient alimenter les étriers directs à une pression hydraulique issue directement de l'accumulateur via un limiteur de pression pré-réglé.

En parallèle, chaque relais de sécurité délivre une information logique donnant ordre aux électroniques de commander un effort correspondant à l'effort de freinage de sécurité.

Le frein dynamique est inhibé dans cette phase par ouverture du disjoncteur principal, ce qui par ailleurs garantit une coupure certaine de la traction.

La correction de charge est inactive dans ce mode de freinage, de même que l'antienrayeur.

La boucle d'urgence étant également coupée, le relais de freinage d'urgence associé au bogie commande par ailleurs l'application des patins de frein électromagnétique (pour les véhicules équipés). Ceux-ci sont en général maintenus appliqués jusqu'à l'arrêt du véhicule. A noter que la coupure de la boucle d'urgence permet de garantir au moins le freinage d'urgence sur chaque bogie en cas de défaillance d'un relais de sécurité, sachant que le freinage d'urgence procure un effort plus élevé que le freinage de sécurité.