CHAPITRE II

5 i*'. — De l'adliéreiice. — Limite qu'elle îmiiose à reff«"»rl de Iraclion. — Accouplement des essieux. — Tvpes principaux de machines : à roues libres, à roues accouplées, mixtes.

g 2. — TraTail et effort de traction de la locomotive. — Démonstration de la formule

vpdU générale, R =i —^ — . — Conséquences qu'on peut tirer de cette formule.

$ 3. — Machines à trois essieux. — Application de la formule générale aux trois types de machines à trois essieux. — Calcul de la puissance de ces machines. — Remarques. — Vitesse mini ma.

?S 1" — DE L'ADHERENCE

La première notion et la plus importante à considérer quand on étudie remploi de la locomotive à la traction des trains, c'est ce coefficient de frottemenl du fer sur le fer, dont nous avons déjà parlé, et qu'on nomme l'adhérence. QueUe que soit, en effet, la puissance du moteur placé sur la locomotive, l'adhérence impose à Teffort de traction une limite qu'on ne peul dépasser, et voici pourquoi.

Ainsi que nous l'avons déjà expliqué (tome I, page 74), la puissance de la vapeur est employée dans la locomotive à produire le mouvement alternatif de deux pistons, qui se meuvent dans deux cylindres placés de part et d'autre du véhicule ; ce mouvement alternatif est transformé, par l'intermédiaire d'une bielle et d'une manivelle, en un mouvement de rotation d*un essieu, qu'on appelle Vessieti moteur^ et qui entraîne dans sa rotation les roues dont il est solidaire. Le mouvement de rotation de ces roues les fait avancer sur les rails et ce mouvement produit le déplacement de la locomotive et, par suite, celui du train.

Mais, pour que ce mouvement d'avancement par roulement puisse avoir lieu, il faut de toute nécessité que les résistances à vaincre dans ce but ne soient pas plus ^andes que celles que les roues motrices auraient à sui'monter pour tourner sur place, en glissant ; autrement, c'est ce dernier

mouvement qui se produirait et tout le travail de la machine à vapeur serait employé à le faire naître et à Faccélérer. On dit dans ce cas que la locomotive patine.

La résistance totale du train, c'est-à-dire l'effort de traction maximum à demander à la locomotive, a donc pour limite supérieure la résistance des roues motrices au glissement.

Si l'on appelle :

Ts la partie du poids de la machine qui porte sur les roues motrices ;

/le coefficient de frottement du fer sur le fer ; le produit mf représentera précisément la force qui produirait ce glissement.

xsf est donc le plus grantl effort qu'on puisse demander k une locomotive pour la traction des trains.

Le poids xs se nomme poids adhérent ; quant au coefficient/, on l'appelle coeîiicieni d'adhérence ou simplement adhérence.

On comprend dès lors l'importance du rôle que joue ce produit rsf, puisque, quelle que soit la puissance du moteur installé sur la locomotive, il représente dans tous les cas le maximum de l'effet de traction qu'on peut lui demander.

Il inporte donc de connaître avant tout la valeur de ce produit et, par conséquent, d'étudier séparément chacun de ses facteurs. Nons commencerons par le coefficient /.

La valeur de ce coefficient est très variable suivant les climats et, dans une même région, suivant les circonstances atmosphériques.

Des expériences très nombreuses et très précises ont été faites à cet égard en Angleterre par M. Wood^ en France par 5^^wm aîné^ par M. Bochet, ingénieur en chef des mines, par MM. Vuilleminy Guebhard ei Dieuddnné, ingénieurs de la compagnie de l'Est ; les résultats obtenus peuvent être résumés ainsi qu'il suit :

C'est par les temps secs et en pays bien découvert que l'adhérence atteint sa plus grande valeur ;

C'est par les temps de brouillard et de légère humidité qu'elle descend à sa valeur la plus faible ;

Par les grandes pluies, au contraire, lorsque les rails sont complètement mouillés, l'adhérence augmente et se rapproche de la valeur qu'elle a par les temps secs.

L'adhérence est faible dans les souterrains, où les rails sont toujours recouverts d'une légère humidité ; elle diminue également quand, à l'automne, les rails sont recouverts de feuilles mortes, ainsi qu'en temps de verglas.

Ces résultats, dont l'un au moins peut paraître singulier, sont cepen-

clant établis d'une manière certaine par de nombreuses expériences et confirmés depuis de longues années par la pratique journalière des chemins de fer.

Il n'est pas étonnant que les rails soient plus glissants par le temps humide que par le temps sec, mais ce qui peut surprendre, c'est qu étant très glissants lorsqu'ils sont recouverts d'une légère humidité, ils ne le soient presque plus quand une pluie abondante les a mouillés complètement.

On explique ce fait jusqu'à un certain point, en remarquant qu'une très petite quantité d'eau ne fait que délayer les poussières et les petits corps étrangers qui recouvrent toujours plus ou moins la surface des rails, tandis qu'une grande pluie les enlève complètement et établit à peu près le frottement direct du fer sur le fer. Quoi qu'il en soit de cette explication, le fait est certain et il faut bien l'admettre.

Voici les valeurs trouvées pour le coefficient d'adhérence dans les diverses circonstances atmosphériques.

Par les temps très secs, ce coefficient, rapport entre le frottement et la

pression qui le produit, s'élève jusqu'à 1/4, soit 0,25.

Dans les temps de légère humidité, de brouillard et dans les souterrains, il s'abaisse jusqu'à 1/9 ou 1/10, quelquefois même 1/11, soit en'

moyenne 0,10 àO, 11.

Quand une forte pluie a lavé les rails, il remonte jusqu'à 1/5 ou 1/6,

soit 0,17 à 0,20.

Dans les circonstances ordinaires, il est de i/6 à 1/7, soit. 0,14 à 0,17. Ce sont ces derniers chiffres qu'on adopte habituellement en France dans les calculs relatifs à la traction. L'expérience a montré qu'avec ces chiffres le patinage des machines est rare au moins en pleine voie. D'ailleurs, quand il se produit, on le combat, soit en lavant les rails par un jet de vapeur, soit en employant du sable qui, répandu sur la surface des rails, augmente beaucoup le coefficient de frottement.

A cet eff'et, une boîte à sable est placée sur le dos de la chaudière et le mécanicien a sous la main un appareil qui lui permet, chaque fois que cela est nécessaire, de faire couler le sable par un tuyau qui le dépose tout près et en avant du point de contact de la roue motrice avec le rail. Nous reviendrons sur ce point quand nous décrirons la locomotive.

On voit qu'en somme le coefficient / varie dans des limites assez restreintes et que sa valeur résulte des circonstances atmosphériques. Pour augmenter le produit ny/*, il faut donc augmenter l'autre facteur, w; on y parvient au moyen de V accouplement.

Le poids w est, avons-nous dit, la partie du poids de la machine qui porte sur l'essieu moteur. Considérons une locomotive portée par trois essieux, et supposons, ce qui revient à négliger les inégalités de répartition, que

chaque essieu supporte, le tiers du poids P de la machine. Le poids adhérent Ts est au plus égal à — P, D'ailleurs, le poids qui porte sur un essieu ne peut pas être augmenté au delà d'une certaine limite sous peine de détériorer la voie et le matériel.

Nous admettrons que cette limite soit fixée à 14 tonnes par essieu sur une bonne voie en rails d'acier^, de sorte qu'avec une paire de roues motrices l'adhérence en service normal soit comptée au maximum pour

ii^^ = 2335Ug..

et que l'effort de traction se trouve limité à ce chiffre, dans les circonstances ordinaires du coefficient d'adhérence. Si l'effort à produire est supérieur à ce chiffre, on accouple deux essieux; pour cela, on monte sur les deux roues à solidariser (fig. 533) deux manivelles AB, CD d'égale longueur

Fig. yoo.

et dans des positions exactement parallèles et on réunit leurs extrémités par une bielle horizontale BD articulée aux points B etD, et dont la longueur est égale à la distance qui sépare les axes des deux essieux. Les deux roues, ainsi réunies par la bielle (T accouplement BD, ne peuvent plus tourner qu'ensemble. Pour que l'une d'elles tourne en glissant sur le rail, il faut nécessairement (jue l'autre tourne en glissant aussi, et (ju'elle surmonte pour cela le frottement de glissement correspondant au poids dont elle est chargée.

Le poids adhérent se trouve, par suite, doublé, et la limite de Teffort de traction devient, dans Thypothèse où nous nous sommes placés, égale à 4 670 kilogrammes.

On peut de même accoupler les trois essieux de la machine et porter ainsi à 9340 kilogrammes le maximum del'efiort de traction.

Nous verrons plus loin qu'on emploie également des machines portées par 4, 3 et même 6 essieux, qui permettent d'élever encore la limite de cet effort.

Mais en nous limitant, pour le moment, aux machines ordinaires à trois

* Sur les voies extrêmement robustes parcourues par des trains rapides et lourds, on a été conduit & élever cette limite et à la porter à. 13, 16 ou môme 18 tonnes par essieu. Mais lo chiflfre <le 14 tonnes correspond bien aux conditions ordinaires de la praUque, en dehors de ce cas spécial.

essieux, si nous comparons les chiffres indiqués ci-dessus à ceux que nous avons donnés précédemment pour la résistance des trains dans diverses conditions de vitesse, de charge et de rampe, nous en tirerons immédiatement les conséquences suivantes :

Pour les trains légers et rapides, Tadliérence d'un seul essieu suffît généralement sur les rampes faibles;

Pour les trains express sur les rampes un peu fortes et pour les trains omnibus en général, deux essieux accouplés sont nécessaires;

Pour les trains de marchandises, il faut presque toujours trois essieux accouplés au moins.

De là, trois types distincts dans les locomotives courantes à trois essieux :

Les machines à roues libres;

Les machines à roues accouplées^ dans lesquelles les trois essieux sont réunis par des bielles d'accouplement ,

Les machines mixtes, dont un essieu est libre et les deux autres accouplés.

Les figures 556, 537 et 558 représentent la disposition générale d'une machine de chacun de ces trois types.

L'accouplement fournit un moyen très simple d'obtenir le supplément d'adhérence dont on a besoin; mais il n'est pas sans quelques inconvénients pour le matériel.

Les résistances passivesdu mécanisme se trouvent augmentées ; elles peuvent devenir très grandes, si les bielles d'accouplement ne sont pas rigoureusement égales en longueur k la distance qui sépare les axes des essieux accouplés, ou si les diamètres au roulement des roues accouplées ne sont pas exactement les mêmes.

L'accouplement des essieux commande donc des conditions particulières de précision dans la construction des machines; en outre, comme les bandages des roues peuvent s'user inégalement et qu'on ne peut pas les remettre constamment sur le tour, il y a presque toujours, dans les machines en service, une petite inégalité de diamètre des roues accouplées et, par suite, un frottement de glissement de ces roues sur les rails.

Ces inconvénients s'accroissent rapidement avec le nombre des essieux accouplés. Mais ils ne sauraient entrer en balance avec l'avantage précieux qu'on trouve à élever le poids adhérent sans augmenter le poids mort de la machine et, en fait, aujourd'hui qu'on a réussi à faire des bielles d'accouplement parfaitement ajustées, Taccouplement des essieux est d'une pratique absolument courante et d'ailleurs indispensable, en raison du poids toujours croissant des trains qu'il s'agit de remorquer à grande vitesse.

Les types primitifs des machines dites mixtes (c'est-à-dire à deux essieux accouplés) comportaient simplement un essieu porteur placé à l'avant (fig. 557), et les machines de ce type ont fait depuis longtemps et font encore

d'une manière satisfaisante sur un certain nombre de lignes le service des trains express.

Mais, dans le but d'augmenter la puissance de ces machines pour leur

Fig. 556. — Locomotive à roues libres. (Compagnie du Great-Eastern-Railway.)

Fig. 557. — Macliino mixte. (Compagnie P.-L.-M.)

Fig. 558. — Locomotive à 3 essieux accouplés. (Compagnie d'Orléans.)

permettre de remorquer des trains plus lourds et à plus grande vitesse, on a été amené à allonger leur chaudière et à agrandir leur boîte à feu, ce qui a conduit à avoir k l'arrière un porte-à-faux assez considérable, qui n'est pas sans inconvénient au point de vue de la stabilité de la machine. C'est pour ce motif qu'on a adopté en France, sur un certain nombre de réseaux (P.-L.-M., Orléans, État) un quatrième essieu, simplement porteur comme

36i TRAITE DES CHEMINS DE FER

l'essieu d'avant, mais placé en arrière ou au-dessous du foyer. A la compaf^nie du Nord, on a préféré conserver les deux essieux accouplés à TarritTe et remplacer l'essieu porteur d'avant par un bogie : cette solution a d'ailleurs été adoptée également depuis par tous les autres réseaux, de sorte que cette machine (deux essieux accouplés avec bogie à Tavant) représente actuellement le type courant des locomotives pour trains express.

On a également construit et on emploie actuellement des machines à deux essieux accouplés qui ont à la fois un bogie k Tavant et un essieu porteur à l'arriére.

Quoi qu'il en soit et sans entrer ici dans le détail des différents types de machines employées sur les chemins de fer, question qui sera traitée plus loin, on voit par les explications qui précèdent que par suite des dispositions particulières de la transmission du mouvement dans les locomotives, il existe, indépendamment de toute considération sur la puissance du moteur employé, une limite à l'effort de traction que Ton peut demander à ce moteur et ([ue cette limite est représentée par ro/; il s'agit maintenant de voir comment on doit combiner les divers éléments de la locomotive de manière à lui permettre de fournir cet effort de traction maximum m /•