Dissiper l'énergie : les différents moyens de freinage

 

Si les organes de commande ont bien évolué depuis l'invention de George Westinghouse, notamment pour les matériels urbains avec l'arrivée en force de l'électronique et de l'informatique, les moyens mis en oeuvre pour dissiper l'énergie cinétique d'un train et le ralentir ou l'arrêter ont fait de formidables progrès depuis la fin des années 60.

En effet, tandis que la commande du frein évoluait tout doucement (les freinistes sont toujours des gens prudents...) mais sûrement tout au long du 20ème siècle, la technologie des organes de frein en eux-mêmes n'a subit pratiquement aucune modification de 1900 au milieu des années 60 : le frein à semelles (dit encore frein à sabots) en fonte règnait en maître incontesté, grâce à ses performances correctes en termes d'effort, mais surtout grâce à deux qualités importantes : une très bonne insensibilité à l'humidité du coefficient de frottement et un coût d'achat fort modeste.

Cependant, les années 60 marquent le début de la course à la vitesse, tandis que les véhicules s'alourdissent un peu en intégrant de plus en plus d'éléments de confort (notamment la climatisation). Les semelles en fonte, avec leur coefficient de frottement très faible, nécessitaient la mise en oeuvre d'effort d'application inaccessibles avec les tailles de cylindres de frein et les amplifications utilisées. Par ailleurs, les énergies importantes qu'il allait alors falloir dissiper (+50% pour passer de 160 km/h à 200 km/h) rendaient impossible la seule sollicitation des roues, dont les caractéristiques métalliques auraient été gravement altérées (avec les conséquences que l'on imagine !).

Il a donc fallu introduire de nouvelles techniques de freinage. L'innovation la plus importante a été l'application au ferroviaire du frein à disques. Se sont également développés dans cette période le frein électromagnétique (les patins appliqués sur les rails), ainsi que le frein électrodynamique (utilisation des moteurs de traction en génératrices pour générer un effort de retenue). Nous allons voir comment ces différentes techniques sont nées, et comment elles ont évolué jusqu'à aujourd'hui.

 

Le frein à semelles en fonte

Nous avons vu que le frein à semelles a été, tout naturellement, le premier type de frein à s'imposer dans l'histoire du freinage ferroviaire : il était en effet évident de ralentir le train en venant tout simplement ralentir le mouvement de rotation de la roue.

L'origine du chemin de fer remonte à la révolution industrielle en Europe. A cette époque, le matériau métallique remplace très vite le bois comme élément de friction, et la fonte, facile à fabriquer (et surtout à mouler à la forme voulue) s'impose très vite comme le matériau de friction idéal. Un de ses gros avantages réside dans l'insensibilité de son coefficient de frottement sous l'effet de l'humidité : cette caractéristique est primordiale en freinage ferroviaire, pour des organes soumis en permanence aux projections d'eau, de neige, etc.. Nous verrons d'ailleurs dans la suite que cette caractéristique a longtemps été un frein (!...) à la mise en oeuvre des matériaux composites.

Néanmoins, la semelle en fonte présente quatre inconvénients majeurs :

* elle s'use rapidement,

* son coefficient de frottement est très faible (autour de 0,1 en moyenne, ce qui signifie que l'effort de freinage réellement obtenu pour ralentir le train est 10 fois inférieur à celui développé par le cylindre de frein, ou qu'il faut une amplification de la timonerie très importante pour conserver un effort de freinage significatif...),

* son coefficient de frottement n'est pas constant en fonction de l'effort d'application : il décroît lorsque l'effort croît, atteignant même une limite au-delà de laquelle l'effort de retenue à la jante n'augmente plus lorsque l'effort d'application augmente...

* son coefficient de frottement n'est pas constant en fonction de la vitesse initiale du freinage, mais aussi de la vitesse instantanée.

Cette dernière caractéristique est assez gênante, car elle se traduit par une très forte remontée de ce coefficient de frottement au voisinage de l'arrêt : le coefficient peut ainsi tripler entre 50 km/h et 0 ! Il en résulte un jerk important au moment de l'arrêt, qui est préjudiciable au confort des voyageurs et à l'intégrité des marchandises, et nécessite du doigté de la part du conducteur. Ceux qui ont fréquemment emprunté les Z5100 de la banlieue parisienne se souviennent forcément de ce désagrément... Pour certains matériels équipés de freins à haute puissance de la fin des années 60, il a même fallu installer un dispositif permettant de générer deux efforts de freinage en fonction de la vitesse (supérieure ou inférieure à 50 km/h) de manière à exploiter au mieux l'adhérence disponible à haute vitesse sans risquer l'enrayage à l'approche de l'arrêt.

Par ailleurs, la semelle en fonte est très bruyantes sur deux aspects :

* durant le freinage, elle produit des crissements désagréables, notamment vis-à-vis de l'environnement.

* elle dépolie la table de roulement des roues, y créant des micro-facettes qui se traduisent par un bruit de roulement hors phase de freinage très nettement augmenté par rapport à une roue freinée par une semelle en matériau composite, ou une roue non freinée. Ceux qui fréquentaient la gare TGV du Creusot avant rénovation des rames TGV-PSE se souviennent sûrement qu'il était aisé de distinguer les yeux fermés le passage à grande vitesse d'un rame PSE non rénovée d'avec une rame TGV Duplex ou Réseau !

C'est pourquoi la semelle en fonte a été quasiment bannie des engins moteurs (locomotives, automoteurs, automotrices) et voyageurs, tandis qu'elle reste très largement utilisée sur les wagons (pour des raisons de coût, essentiellement). Mais il faut noter que cet abandon est récent, puisque les TGV-PSE ont utilisé des semelles en fonte jusqu'à la fin des années 90, tandis que les voitures Corail et de nombreuses automotrices ne les ont abandonnées qu'au mileu des années 90...

Notons pour terminer que certaines fontes particulières ont été élaborées, par introduction de phosphore en quantité plus ou moins importante (1 à 3%). La plus courante est la fonte P10 (1% de phosphore). Le but recherché était de réduire l'usure (notamment sur les matériels de banlieue, à arrêts fréquents), ce qui a été vérifié. En revanche, l'introduction de phosphore augmentait la fragilité de ces semelles aux chocs, et certaines mesures constructives (armature de renfort) ont dû être prises : le coût s'en est bien évidemment ressentit...

 

Le frein à semelles en matériau composite (dites semelles "organiques")

Des premiers essais ont été réalisés dans les années 40, aux USA notamment, à partir de matériaux utilisés dans l'automobile. Mais si le coefficient de frottement à sec s'est montré satisfaisant, en revanche l'usure restait très importante en raison de la rugosité naturelle des tables de roulement des roues, ce qui rendait le bilan financier défavorable par rapport à la fonte (le coût du composite étant nettement plus élevé).

Le développement du frein à disques dans les années 60 a impliqué la mise en oeuvre de matériaux composites pour réaliser les garnitures de frein (les "plaquettes"). En effet, les disques, eux aussi en fonte, n'auraient pas résisté bien longtemps à l'agressivité de garnitures en fonte. Par ailleurs, il fallait des matériaux à coefficient de frottement plus élevé, et ayant une capacité thermique plus importante.

L'idée est donc tout naturellement venue d'essayer à nouveau des semelles en matériau composite. La résistance à l'usure a été améliorée en introduisant un peu de matériau abrasif afin de polir rapidement les tables de roulement pour éviter une usure trop rapide des semelles, sans pour autant user notablement la roue.

Notons simplement que la semelle composite intègre des matériaux de friction métalliques (fonte, cuivre, carbone, oxydes métalliques, etc...) et un abrasif (silice en général) amalgamés à l'aide d'un liant (résine synthétique). C'est cette dernière qui produit une odeur de caoutchouc brûlé lorsque le freinage a été un peu violent...

Des normes internationales ont alors été élaborées pour standardiser les performances de ces semelles, la composition de chaque matériau restant cependant spécifique à chaque fabricant. Deux types de semelles ont été définis :

* la semelle K, à haut coefficient de frottement (0,25 en moyenne)

* la semelle L, à faible coefficient de frottement (0,17 en moyenne)

Pendant longtemps, les semelles composites ont été interdites en utilisation seules, en raison notamment de leur forte sensibilité à l'humidité : le coefficient de frottement pouvait ainsi chuter dramatiquement les jours de pluie, et les usagers de la banlieue Montparnasse ont encore en mémoire les deux accidents de Z5100 équipées pour essais de ce type de semelles dans les années 70 (la dernière ayant fini dans le bureau du chef de la gare Montparnasse, ce qui fait un peu désordre...). Néanmoins, les fabricants ont réalisé d'importants progrès sur cet aspect, et les semelles en matériau composite ont pu être généralisées sur de nombreux matériels : locomotives électriques (BB 7200 / BB 22200 / BB 15000 / BB 26000 / BB 36000 et CC 6500) et diesel (BB 67400 et CC 72000), ainsi que matériels de banlieue (RIB/RIO, Z 5300, Z 6400, Z2N) et automoteurs (X 72500), et certains wagons spécifiques pour les semelles K ; matériels de banlieue pour les semelles L (ces dernières étant moins performantes que les semelles K, mais s'usant un peu moins vite). Les motrices des TGV sont également équipées en semelles K.

Il faut néanmoins noter que les semelles en matériau composite présentent encore quelques inconvénients :

* elles sont sujettes aux inclusions métalliques (particules arrachées à la roue), ce qui les rend ensuite plus agressives vis-à-vis de la roue.

* elles polissent la table de roulement, ce qui très favorable en terme de bruit de roulement mais défavorable en terme de sollicitation d'adhérence (voir la page sur l'adhérence et les antienrayeurs) : leur utilisation est donc plutôt réservée, sauf cas particulier, aux matériels modernes équipés d'antienrayeurs.

* elles présentent des capacités thermiques encore limitées, les hautes températures risquant d'entraîner un phénomène de "fading" thermique (chute importante, voire annulation, du coefficient de frottement par transformation thermique de la résine en surface de la garniture sous l'influence des fortes températures). Leur utilisation reste donc limitée aux applications à niveau d'énergie moyen.

 

Le frein à semelles en matériau fritté

Lors du développement du TGV Atlantique, il est apparu nécessaire de développer, pour les motrices (sur lesquelles l'architecture de la transmission tripode interdit l'installation d'un frein à disques sur les essieux), un nouveau type de semelle capable d'absorber des énergies importantes tout en présentant une faible sensibilité à l'humidité.

Le matériau fritté étant corrélativement en développement pour le frein à disques en acier, la décision a été prise d'utiliser également ce type de matériau pour les semelles.

Ces semelles combinent les avantages de la fonte et du composite, à savoir :

* haut coefficient de frottement (0,25 moyen)

* faible sensibilité à l'humidité et à la vitesse

* dépolissage de la table de roulement, ce qui est favorable en termes de sollicitation d'adhérence.

Néanmoins, les semelles en matériau fritté sont très agressives pour la roue, et présentent le même inconvénient que la fonte en termes de bruit hors phase de freinage : le dépolissage de la table de roulement entraîne une augmentation du bruit émis au roulement. Par ailleurs, leur coût d'achat est très élevé.

L'arrivée de nouvelles semelles en matériau composite à performances quasi-équivalentes, mais moins chères et surtout plus performantes en termes de bruit de roulement ont entraîné l'abandon des semelles en matériau fritté (qui ont équipé d'origine les motrices TGV, les BB 26000, les XTER, les motrices Z2N, et transitoirement certains engins des séries BB 7200 / BB 22200 / BB 15000 et CC 72000).

 

Le frein à disque

Les années 60 et 70 ont vu le développement du frein à disques pour accompagner l'augmentation des vitesses des trains. Il fallait trouver le moyen d'augmenter la capacité de dissipation thermique embarquée en ne sollicitant les roues qu'à des niveaux raisonnables. Ainsi est né le frein à disques ferroviaire.

Les premiers disques ont été tout naturellement réalisés en fonte, matériau simple et bon marché. Puis est venue l'ère du disque en acier, aux capacités plus importantes. En attendant l'émergence de nouveaux matériaux...

 

Le frein à disque en fonte

Très vite, les freinistes ferroviaires se sont rendus compte que la fonte présentait de nombreux avantages en termes de freinage :

* elle est facile à mouler, et le moulage est maîtrisable par de nombreux fondeurs ; ceci permet de réaliser des disques ventilés monoblocs, avec des formes d'ailettes de ventilation très différentes et performantes.

* c'est un matériau peu onéreux.

* c'est un matériau qui présente de bonne caractéristiques thermiques : la fonte diffuse très bien la chaleur, qui se répartit uniformément dans le disque (pas de points chauds) et s'évacue aisément.

De fait, le disque en fonte est vite apparu comme la panacée, tant pour le freinage d'arrêt (trains rapides jusqu'à 200 km/h, en association avec le frein à semelles) que pour les freinages fréquents (exploitation banlieue). Deux principaux types de fonte sont utilisées :

* la fonte grise à graphite lamellaire (dite GL) : cette fonte est la plus répandue, car elle est moins onéreuse à produire et présente de bonne caractéristiques mécaniques et thermiques.

* la fonte à graphite sphéroïdale (ou GS).

 

Disque en fonte ventilé calé sur essieu porteur d'automoteur TER X 72500

Disque en fonte ventilé boulonné sur la roue d'un essieu moteur du tramway CITADIS

En parallèle, les fabricants ont développé des garnitures en matériau composite toujours plus performantes, permettant des dissipations d'énergies toujours plus élevées. Les coefficients de frottement obtenus sont très élevés (0,35 en moyenne), et très stables en fonction de la vitesse (initiale, mais aussi instantanée). Cependant, à l'origine des freins à disque, les garnitures composites présentaient les mêmes inconvénients que les semelles du même matériau, à savoir :

* sensibilité à l'humidité, ce qui imposait leur association avec un frein à semelles en fonte

* limitation de la température maximale en surface autour de 350 à 400°C, ce qui imposait une limite assez basse en terme d'absorbtion d'énergie.

Néanmoins, de nombreux progrès ont été réalisés ces dernières années, ayant abouti à l'introduction de garnitures composites haute température (jusque vers 500°C), moins sensibles à l'humidité. Ces garnitures ont permis d'un part d'équiper des véhicules en frein à disques seuls ou en association avec des semelles en matériau composite (comme le XTER par exemple), mais aussi de repousser les limites thermiques du frein à disque en fonte aux limites du disque lui-même.

Côté disque, les progrès ont essentiellement porté sur la conception de fontes particulières pour s'adapter à certaines applications à moyenne / haute puissance, mais aussi pour réduire sensiblement la consommation de puissance de la ventilation tout en améliorant les échanges thermiques par ventilation. En effet, les premiers disques équipant le TGV-PSE consommaient à eux-seuls la puissance d'un demi-moteur de traction (sur les 12 de la rame) à 270 km/h !

 

Disques en fonte ventilés à ailettes radiales (à gauche) et à ailettes optimisées (à droite) - Document SAB WABCO

 

Un travail important a été réalisé également sur la fixation de la couronne de frottement au moyeu calé sur essieu, de manière à permettre une bonne dilatation thermique de la couronne en cours de freinage. Le moyeu peut être soit en fonte, moulé d'un seul bloc avec la couronne, soit en acier, la couronne étant alors rapportée par surmoulage ou par fixation à douilles. Certaines architectures particulières ont été créées, comme par exemple le disque double du TGV-PSE : un unique moyeu en acier sur lequel sont rapportées deux couronnes de frottement.

Sont apparus également :

* le disque boulonné sur la roue : le moyeu n'est plus calé sur l'essieu, mais fixé sur la roue et permet de déport de la couronne de frottement monobloc pour que celle-ci puisse être enserrée par les garnitures. Le disque peut être monté soit à l'intérieur de la roue (il ressemble alors à un disque d'essieu), soit à l'extérieur de la roue (cas de nombreux tramways à plancher bas).

 

Disque en fonte ventilé boulonné sur la roue - Document SAB WABCO

 

* le disque flasqué dans la roue (ou disque de roue) : il n'y a plus de moyeu, et la couronne de frottement est réalisée en deux parties montées de part et d'autre du voile de roue, la timonerie venant enserrer la roue pour appliquer les garnitures sur le disque.

Les diamètres de disques d'essieux les plus courants sont :

* 590, 610 et 640 mm pour les applications métros lourds / automoteurs / automotrices / matériels remorqués voyageurs, l'épaisseur la plus courante étant 110 mm.

* autour de 400 mm pour les tramways, l'épaisseur étant d'environ 50 à 60 mm.

Le frein à disque en fonte reste aujourd'hui le plus couramment utilisé, car il représente malgré tout le meilleur compromis économique actuel en regard des performances requises, que ce soit pour de la grande vitesse (ICE, Shinkansen) ou du service urbain (RER, métros ou tramways). Certains wagons à haute vitesse sont également équipés de disques de frein en fonte afin d'améliorer les performances en freinage (trains de fret à 200 km/h).

 

Le frein à disque en acier

La nécessité d'assurer le freinage des bogies porteurs du TGV Atlantique par disques seuls pour éliminer les semelles, génératrices de bruit de roulement, a entraîné le développement du disque en acier, dit disque haute puissance.

Compte-tenu du fait que le TGV est un matériel freinant peu fréquemment, et que l'acier est un matériau très difficile à mouler sans défaut, la conception s'est portée vers des disques sans ventilation afin d'éviter les pertes constatées avec le TGV-PSE. Le disque a ainsi pu être réalisé par forgeage, technique de formage plus facile à maîtriser et permettant d'éviter les défauts de fabrication.

 

Disque double en acier pour TGV - Document SAB WABCO

 

L'acier utilisé est un acier allié à haute limite élastique, et traité en surface pour présenter une dureté élevée. Ce disque a révélé d'importantes capacités de dissipation énergétique, puisqu'elles sont environ 2,5 fois plus élevées qu'un disque en fonte de dimensions équivalentes (18 à 20 MJ pour ce disque, contre environ 8 MJ pour un disque en fonte de dimensions équivalentes). La puissance maximale injectable a elle aussi été considérablement augmentée, passant d'environ 150 à 200 kW pour un disque TGV-PSE à 350 kW pour un disque en acier du TGV Atlantique.

 

Disque double en acier sur bogie TGV Duplex

 

En parallèle, le freinage à disques seuls a contraint à l'époque, compte-tenu de la sensibilité à l'humidité des garnitures en matériau composite et de leur capacités thermiques limitées, à mener le développement de garnitures en matériau fritté.

Ce matériau est réalisé sous la forme d'une poudre à base métallique (fer, cuivre ou bronze) agglomérée sous forte pression et haute température (procédé dit de frittage). La garniture pour TGV a été réalisée sous forme de plots fixés par brasage sur une tôle support (et non plus sous forme d'une garniture monobloc, comme les garnitures en matériau composite) de manière à améliorer la répartition du flux thermique lors du freinage. Malheureusement, il s'est vite avéré que cette garniture avait deux propriétés incompatibles : sa dureté et sa rigidité la rendaient quasi-insensible à l'humidité, mais provoquait des points chauds sur le disque. En l'assouplissant, les points chauds disparaissaient, mais la sensibilité à l'humidité augmentait rapidement. Il a donc fallu trouver un compromis, lequel a montré depuis 15 ans sa justesse...

 

Garniture de frein à disque en matériau fritté pour TGV

 

Les garnitures en matériau fritté présentent également un très bonne résistance à la température, puisqu'elles acceptent des température moyenne de 600 à 700°C sans variation notable du coefficient de frottement (sachant que certains points du disque lors du freinage d'urgence en conditions extrêmes atteignent 900 à 1000°C).

Le succès du disque en acier du TGV a poussé les concepteurs à imaginer des disques en acier ventilés, pour allier puissance de freinage et capacité d'évacuation thermique, ce qui permettrait des exploitations à forte charge en arrêts fréquents. Le problème s'est notamment posé au début des années 90 pour les voitures V2N, que l'on souhaitait freiner avec seulement deux disques par essieu et sans semelles, mais aussi pour le TGV Corée puis le TGV Taïwan que l'on entrevoyait à l'époque comme des métros à grande vitesse (avec des arrêts de 300 km/h à 0 tous les 50 km...). Le premier s'est révélé finalement moins critique, le deuxième passant en définitive dans le giron des japonais...

Néanmoins, le disque ventilé en acier a été développé dans le cadre du Projet V2N, et après quelques déboires dus aux difficultés de maîtriser le moulage de l'acier, ce disque a montré de gros avantages qui, alliés aux performances des récentes garnitures en matériau composite hautes températures, ont permis d'équiper certaines applications à contraintes spécifiques, alliant fortes puissances (jusqu'à 500 kW) et énergies moyennes (jusqu'à 13/14 MJ). Ces disques ont ainsi permis, pour la ZTER, de supprimer les semelles des essieux moteurs encore présentes sur le XTER, tout en autorisant le freinage depuis 200 km/h avec une décélération augmentée de 30%.

 

L'avenir du frein à disque

La course à la vitesse d'un côté, aux matériels urbains capacitifs de l'autre, associée à une optimisation des coûts impliquent la recherche de solutions encore plus performantes que les solutions actuelles.

C'est ainsi que sont apparus depuis peu des disques en aluminium renforcé de particules en céramique, associés aux garnitures en matériau composite. Ces disques, bien que légèrement moins capacitifs thermiquement que les disques en fonte, présentent des facteurs de conduction thermique meilleurs que la fonte, ce qui réduit fortement les usures du disque et surtout de la garniture : la chaleur est plus rapidement transférée de la surface vers l'intérieur du disque, et comme l'usure de la garniture composite croît très rapidement avec la température... Par ailleurs, ces disques procurent un gain de masse de 40% par rapport à un disque en fonte de même taille. Mais leur coût encore prohibitif les réserve pour l'instant à des applications très ciblées.

En parallèle, des explorations se poursuivent en direction de disques à âme métallique revêtu de céramiques, associés à des garnitues en matériau spécifique, voire des disques en céramique massive. La piste du carbone reste également explorée.

 

Le frein dynamique

Depuis que la traction électrique existe, l'on sait que le moteur électrique peut aisément produire un effort de freinage si l'on utilise l'inertie du train pour le faire fonctionner en génératrice.

Pour les engins à traction diesel et transmission hydrodynamique, un frein dynamique utilisant la pression d'huile a été développé pour assurer la même fonction.

 

Le frein électrodynamique

Lorsqu'une génératrice débite sur une charge (résistance par exemple), apparaît sur son arbre un effort résistant tendant à la ralentir. Ceci est vrai quel que soit le type de génératrice : courant continu, synchrone ou asynchrone. Seules les méthodes pour amorcer le processus et l'entretenir diffèrent.

C'est donc tout naturellement qu'un moteur de traction électrique, quel qu'il soit, peut être utilisé en génératrice de manière à produire un effort de freinage qui ralentira l'origine de son mouvement, c'est-à-dire l'essieu auquel il est mécaniquement couplé par la transmission.

Ainsi est né le frein électrodynamique, qui couvre :

* le frein rhéostatique : les moteurs de traction débitent dans des rhéostats embarqués à bord de l'engin, lesquels dissipent ensuite l'énergie sous forme calorifique dans l'atmosphère

* le frein à récupération : les moteurs de traction débitent dans la ligne d'alimentation haute tension, l'énergie ainsi restituée pouvant être réutilisée par les autres convois, ou renvoyée vers le réseau d'alimentation par le biais des sous-stations.

Le premier type de frein présente l'avantage de pouvoir être mis en oeuvre indépendamment de toute alimentation haute tension, donc notamment sur une locomotive diesel-électrique. Par contre, l'énergie de freinage est dissipée en pure perte.

Le second type de frein présente l'avantage de pouvoir récupérer l'énergie de freinage, et donc d'améliorer très sensiblement le bilan économique de l'exploitation des véhicules. Cependant, il nécessite :

* l'installation à bord de l'engin d'équipements d'alimentation des moteurs réversibles et performants, de manière à pouvoir renvoyer dans la ligne d'alimentation un courant de caractéristiques proches de celui fourni par les sous-stations, c'est-à-dire peu "pollué" par les harmoniques.

* la présence de consommateurs en même temps sur la ligne d'alimentation, l'énergie électrique ne pouvant par définition se stocker. Ce type de frein ne peut donc fonctionner lors des heures creuses (premiers et derniers trains), ou alors nécessite des sous-stations réversibles (donc un peu plus chères) pour renvoyer l'énergie vers le distributeur (EDF en France). Ce dernier aspect n'est quasiment jamais mis en oeuvre, compte-tenu des contraintes de "pureté" du courant renvoyé imposées par les distributeurs d'énergie électrique.

C'est pourquoi le frein rhéostatique équipe majoritairement les matériels grandes lignes (locomotives, TGV), qui freinent peu souvent et dont le frein mécanique est dimensionné pour pouvoir fonctionner seul de manière temporaire sans échauffements ni usures excessives, tandis que le frein à récupération équipe plutôt les matériels urbains (tramways, métros) et sub-urbains (automotrices). A noter que certains matériels (tramways notamment) sont équipés des deux types de frein, notamment lorsque le frein mécanique reste relativement sous-dimensionné thermiquement pour cause de contrainte en termes de volume disponible sur les bogies.

Le frein rhéostatique présente un autre avantage : moyennant une conception idoine des équipements de puissance et de leur électronique de commande, le frein rhéostatique peut être considéré comme sécuritaire, et donc il peut en être tenu compte dans le respect des performances de freinage au regard de la signalisation. Sans cet aspect, le TGV n'aurait certainement pas vu le jour, puisque le frein rhéostatique permet de palier le fait que le nombre réduit de bogies (architecture articulée de la rame) et l'espace réduit disponible sur les bogies moteurs ne permet pas d'installer une importante capacité de freinage mécanique.

Il faut noter enfin que certaines contraintes spécifiques, indépendantes du matériel roulant, peuvent influer grandement sur le choix du type de frein électrodynamique. Ainsi, en France, si la récupération est partout possible en alimentation 1,5 kV continu (moyennant des contraintes réglementaires), en revanche elle est délicate en alimentation 25 kV monophasé. En effet, la SNCF alimente son réseau à partir du réseau EDF le plus proche, mais deux sous-stations adjacentes ne sont pas forcément connectées sur la même phase d'alimentation (triphasée) EDF, pour des questions d'équilibrage de la consommation. C'est pourquoi les lignes SNCF alimentées en 25 kV monophasé sont équipées, entre les sous-stations, de sectionnements destinés à éviter les court-circuits pour différence de phase entre sous-stations. La probabilité que deux trains soient sur la même section d'une cinquantaine de kilomètres étant faible, et les sous-stations n'étant la plupart du temps pas réversibles (pour éviter de renvoyer sur le réseau EDF une tension qui ne soit pas "pure"), il est clair que le freinage par récupération n'est pas intéressant car peu disponible. Seules les lignes de banlieue alimentées en monophasé peuvent présenter un taux de récupération intéressant, justifiant même l'absence de freinage rhéostatique associé (cas des Z 20500). En Allemagne en revanche, la DB alimente l'ensemble de ses lignes à partir d'un réseau unique, sans déphasage. Il n'y a donc pas de sectionnements systématiques, ce qui permet de garantir pratiquement à coup sûr la présence d'un train (donc d'un consommateur) dans un rayon relativement proche. Ainsi, les matériels de la DB ne sont quasiment jamais équipés du freinage rhéostatique.

 

Le frein hydrodynamique

Le frein hydrodynamique est à la transmission hydrodynamique ce que le frein électrodynamique est à la traction électrique.

Il fut développé pour permettre un freinage dynamique (donc sans usure) sur les automoteurs et locomotives diesel de faibles puissances équipés d'une transmission hydrodynamique (boîte intégrant un coupleur et un convertisseur de couple hydrauliques).

 

Coupe d'une turbo-transmission - Document VOITH

 

Le principe est très simple : il consiste à injecter de l'huile sous pression entre deux coupelles munies d'aubages radiaux, et tournant l'une par rapport à l'autre (le stator est fixé au corps de la boîte, le rotor étant fixé sur l'arbre de sortie entraîné par l'essieu). La pression du fluide, associée à sa viscosité, génèrent un effort retardateur qu'il est possible de moduler en jouant sur la pression d'huile. Pour stopper l'effort, il suffit de vidanger totalement le frein.

 

Principe de fonctionnement d'un frein hydrodynamique - Document VOITH

 

L'énergie est dissipée sous forme calorifique dans l'huile, laquelle circule en permanence dans le frein et est refroidie par l'intermédiaire de l'échangeur huile/eau de la boîte (le circuit de refroidissement de l'eau étant généralement celui du moteur de traction diesel). L'huile est celle de la transmission, utilisée pour le couplage ou la conversion de couple durant les phases de traction, et dans le frein hydrodynamique durant les phases de freinage.

Une paire de volets vient obturer partiellement le frein hors phase de freinage, de manière à éviter les surchauffes consécutives au brassage par les aubages du rotor de l'air injecté dans le frein après vidange en fin de freinage (et par suite de quoi les inflammations spontanées des restes d'huile dans le frein...). Cette dispositoin réduit aussi la résistance du frein hydrodynamique en phase de traction que pourrait générer ce brassage de l'air entre les aubages.

 

Coupe transversale d'un frein hydrodyanmique - Document VOITH

 

Ce type de frein est particulièrement efficace au-delà de 50 km/h, pour autant que les systèmes de refroidissement de la boîte et du moteur soit correctement dimensionnés. Ainsi, il équipe avec succès de nombreux automoteurs (X 2100, automoteur TER X 72500 et autorail TER X 73500).

 

Le frein électromagnétique

Avec le développement de la grande vitesse dans les années soixante en France et la généralisation du 160 km/h sur des lignes cantonnées pour le 140 km/h en Allemagne s'est développé, en parallèle du frein à disque, le frein électromagnétique sur rail.

Celui-ci consiste à appliquer sur la surface de chaque rail un patin constitué d'électro-aimants. Ceux-ci créent un effort vertical par attraction qui, combiné avec le coefficient de frottement du patin sur le rail, engendre un effort de retenue. Le champ se reboucle ici dans le rail de manière transversale : chaque élément de patin comporte donc un pôle Nord et un pôle Sud côte à côte.

Le caractère non modérable de ce type de frein le réserve aux freinages d'urgence, d'autant qu'il a tendance à user la surface du rail (en même temps que s'use la semelle de frottement du patin...). Cependant, il présente deux avantages importants :

* il s'affranchit totalement de l'adhérence roue-rail, et est quasiment insensible aux conditions extérieures et aux facteurs dégradant cette adhérence ; il apporte donc un complément de décélération intéressant et fiable.

* il améliore notablement l'adhérence roue-rail pour les freins dynamique et mécanique agissant sur les essieux, par un effet de nettoyage énergique de la surface des rails.

C'est ainsi qu'il équipe la quasi totalité des véhicules de la DBAG roulant à plus de 140 km/h (et jusqu'aux ICE1 et ICE2, où il peut être appliqué depuis 280 km/h !), la totalité des tramways dans le monde et de nombreux véhicules de par l'Europe. En France, son utilisation reste cantonnée à des applications particulières pour lesquelles le frein mécanique est insuffisant pour garantir les performances requises. Il équipe donc le matériel RER moderne de la RATP dans son ensemble (MI79 et 84, MI2N), ainsi que quelques matériels de la SNCF (RTG, MI2N et ZTER). Ce type de frein a aussi équipé les premières voitures autorisées à 200 km/h pour le Capitole, ainsi que les voitures Grand Confort.

 

Patins de frein électromagnétique installés sous un bogie porteur d'ICE1 - Document SAB WABCO

 

On distingue deux types de frein électromagnétique sur rail, correspondant à deux utilisations un peu différentes :

* Les patins équipant les tramways sont de type à suspension basse : ils sont fixés au châssis de bogie par l'intermédiaire de ressorts, ceux-ci maintenant les patins à une distance de 8 à 12 mm au-dessus du rail. Cette distance est suffisamment faible pour que la simple mise sous tension des patins provoque leur application sur les rails par effet d'attraction magnétique. Ce montage n'est cependant applicable qu'en raison de la faible vitesse de circulation des tramways (100 km/h maxi), ce qui évite les contacts intempestifs des patins avec les rails lors des circulations. Par ailleurs, les patins magnétiques des tramways sont en général monoblocs, en raison de leur faible longueur (1 mètre maxi). Enfin, les patins sont maintenus appliqués jusqu'à l'arrêt afin de garantir un complément de décélération le plus longtemps possible ; le corollaire est un jerk important au voisinage de l'arrêt, le coefficient de frottement des patins présentant une forte remontée au fur et à mesure que la vitesse instantanée décroît.

 

Dispositif de frein électromagnétique à patin non articulé et suspension basse installé sur bogie de tramway CITADIS

 

* Les patins équipant les matériels sub-urbains et grandes lignes sont à suspension haute : ils sont fixés au châssis de bogie par l'intermédiaire de vérins pneumatiques maintenant les patins à une distance d'environ 100 mm du rail, ce afin d'éviter les contacts intempestifs avec ce dernier lors des circulations à haute vitesse. Les vérins permettent, lors du déclenchement des freinages d'urgence, d'approcher les patins des rails à une distance suffisamment faible pour que la mise sous tension provoque leur application sur les rails par attraction magnétique.

 

Dispositif de frein électromagnétique à patins articulés et suspension haute- Document SAB WABCO

 

A la fin du freinage, l'alimentation électrique est coupée et les vérins sont vidangés, ce qui provoque la remontée des patins par des ressorts intégrés aux vérins. Les vérins sont donc réglés pour n'exercer aucun effort, mais une simple approche. Les patins sont, dans ce type d'application, remontés à faible vitesse (autour de 15 km/h), afin d'éviter le phénomène de jerk au moment de l'arrêt : la perte de décélération qui en résulte reste négligeable au regard du temps de freinage important. Enfin, ces patins sont en général articulés pour améliorer leur inscription sur les différents types de voie et d'appareils de voie, ainsi qu'en raison de leur longueur (autour de 1,3 mètres en moyenne). Ils sont par ailleurs munis d'étraves dont la forme permet le passage en position appliquée sur les appareils de voie (les coeurs d'aiguilles notamment) sans détérioration de l'un ou l'autre.

Les patins de frein électromagnétique sont généralement montés sous les longerons de bogie, entre les roues. On trouve cependant quelques rares cas de mini-patins montés à l'extérieur du bogie, en porte-à-faux.

Néanmoins, la masse de ce dispositif (environ 800 kg par bogie pour un véhicule grandes lignes, les patins devant être reliés entre eux par un cadre) et le coût important restent prohibitifs.

A noter que les patins de frein électromagnétique les plus répandus sont ceux constitués de bobinages alimentés par la batterie du véhicule. Il existe néanmoins depuis quelques années des patins à aimants permanents. Ceux-ci présentent l'avantage d'être indépendants de l'alimentation électrique du véhicule (et de soulager celle-ci !), ainsi que de pouvoir être utilisés comme frein de parking. Mais ils nécessitent l'adjonction d'un mécanisme complémentaire, actionné de manière pneumatique ou hydraulique selon les fabricants, qui permet le bouclage du flux magnétique des aimants dans les rails (position de freinage) ou dans la culasse du patin (position hors freinage). Ce type de patin équipe notamment les locomotives Re460 des SBB/CFF.

 

Le frein à courants de Foucault

Ce type de frein existe depuis le début des années 70, mais son histoire ferroviaire n'est qu'une suite d'espoirs et de renoncements en Europe, tandis qu'il s'est imposé depuis longtemps sur les Shinkansen japonais sous sa forme rotative et qu'il équipe avec succès de nombreux bus et poids-lourds (sous la forme du fameux frein Telma, du nom de la société qui l'a conçu).

Le principe est d'utiliser le phénomène suivant lequel un objet aimanté déplacé devant une masse métallique y induit des courants (dits courants de Foucault, du nom de leur inventeur) qui, en retour, créent une force magnétique s'opposant à l'objet de leur création, en l'occurence au mouvement de l'aimant.

Il existe deux types de freins utilisés dans le monde, et un troisième ayant fait l'objet d'une expérimentation de courte durée sur le TGV 001.

 

Le frein SENF

Premier frein à courants de Foucault ferroviaire, le frein SENF (Sans Entrefer Ni Frottement) consistait à générer des courants de Foucault dans les roues grâce à des bobinages installés autour de celles-ci dans la partie inférieure, et fixés sur les boîtes d'essieux. Des courants étaient également induits dans les rails du fait de la relative proximité des bobines par rapport à ceux-ci, générant un complément d'effort indépendant de l'adhérence roue-rail.

 

Principe du frein SENF

 

Les essais ont montré l'efficacité de ce frein, supposé par ailleurs renforcer l'adhérence sollicitable par effet magnétique au contact roue-rail. Mais leur gros désavantage était d'augmenter sensiblement les masses non suspendues (ce qui est défavorable pour les applications grande vitesse), et de rester malgré tout tributaire de l'adhérence roue-rail. Peut-être ce type de frein était-il également trop en avance sur son temps...

 

Le frein rotatif

Généralisé par les japonais sur les bogies porteurs de leurs Shinkansen depuis la fin des années 80, le frein rotatif à courants de Foucault consiste à installer sur les essieux des disques similaires à ceux utilisés par le frein mécanique, mais dans lesquels on induit, grâce à des bobinages, des courants de Foucault produisant un effort de freinage.

Il s'agit donc tout simplement de la version ferroviaire du ralentisseur Telma.

Cependant, son principal inconvénient est d'être totalement tributaire de l'adhérence roue-rail, la portion d'adhérence utilisée par ce frein n'étant pas utilisable par les autres frein (électrodynamique ou mécanique). Par ailleurs, son efficacité décroît rapidement avec la vitesse.

Son principal avantage est de ne présenter aucune usure, puisqu'il n'y a pas de frottement, d'être totalement modérable (l'effort étant proportionnel au courant dans les bobinages sur une grande plage de vitesses) et de pouvoir être alimenté à partir du frein électrodynamique (par le courant produit par les moteurs de traction fonctionnant en génératrices).

 

Le frein linéaire

Afin de s'affranchir de l'adhérence roue-rail, et de profiter pleinement du complément de décélération que peut apporter ce type de freinage, ont été conçus des patins installés entre les roues des bogies, dans un montage similaire à celui des patins du frein électromagnétique sur rail.

 

Principe de fonctionnement du frein linéaire à courants de Foucault

 

Le principe est ici de générer dans le rail des champs magnétiques longitudinaux dont la déformation produit des courants de Foucault qui engendrent un effort de freinage. Les pôles Nord et Sud sont donc ici alternés dans le sens longitudinal, contrairement au frein électromagnétique sur rail.

 

Frein linéaire à courants de Foucault monté sur bogie moteur de TGV - Document ALSTOM

 

Pour fonctionner, les patins doivent être amenés à proximité du rail, l'entrefer devant être d'environ 8 à 10 mm : ceci implique qu'hors phase de freinage, ils soient relevés, tandis qu'en position de freinage ils doivent être approchés à l'aide de vérins pneumatiques.

Par ailleurs, le fonctionnement n'est optimal que si l'entrefer est maintenu sensiblement constant tout au long du freinage : ceci nécessite que les patins soient calés sur un référentiel en-dessous de la suspension primaire, à savoir sur les boîtes d'essieux. Mais alors, ils constituent une masse non suspendue, et leur masse importante (1200 kg environ pour deux patins et le cadre associé) est difficilement compatible avec la circulation à grande vitesse (qui nécessite une stricte limitation des masses non suspendues). Cet aspect explique aussi qu'il soit nécessaire de les relever hors phase de freinage, et qu'il faille un dispositif assez imposant de butées sur les boîtes d'essieux, qui plus est réglables, pour pouvoir obtenir un entrefer constant sur toute la plage d'usure des roues.

Il présente par ailleurs un autre inconvénient : l'effort de freinage décroît rapidement avec la vitesse en-dessous de 200 km/h, tandis que l'effort d'attraction patin-rail augmente de manière exponentielle lorsque la vitesse décroît, ce qui interdit son utilisation en-dessous de 150 km/h environ, faute d'arracher les rails ou(et) de déformer les châssis de bogie (et le patin !). Il est donc réservé au domaine des grandes vitesses.

Néanmoins, ce type de frein présente le gros avantage d'être sans usure, et parfaitement modérable (comme le frein rotatif).

Les premiers essais remontent au TGV 001, puis ce frein a été mis en sommeil car son utilité pour le TGV-PSE n'a pas été démontrée. Malgré tout, son promoteur, l'équipementier allemand KNORR Bremse, a continué son optimisation car il a fait partie des freins envisagés pour l'ICE1. Son abandon outre-Rhin à l'époque de l'ICE1 suite à de trop fréquentes perturbations des circuits de voie sur lignes classiques l'a remis en selle dans le cadre du développement du TGV-NG en France, pour des vitesses de 350 km/h (il sera même essayé sur une rame TGV Réseau en deux versions, l'un correspondant au produit existant d'origine KNORR Bremse, l'autre développé par ALSTOM). Mais le projet TGV-NG n'aura pas de suite immédiate, et le frein linéaire à courants de Foucault rejoint les cartons du côté français... pour renaître outre-Rhin, où il équipe maintenant les rames ICE3 de série. Fera-t-il un retour en France prochainement ? L'avenir nous le dira.