Une transmission mecanique française

D'une boite deux solutions

Dans le courant de l'année 1961, la S.N.C.F. avait passé commande, pour des locotracteurs diesel de 150 CH effectifs, de 35 boites de vitesses ZENS en supplément des 45 commandées en 1960.

Cette boite fût conçue par M. Pierre ZENS, Directeur Général de la Cie de Chemins de Fer Départementaux, tout d'abord pour des locomotives diesel destinées aux diverses lignes du réseau C.F.D. ; et fabriquée aux Ateliers C.F.D. de Montmirail où des locomotives diesel ont été construites entièrement non seulement pour les lignes C.F.D. mais aussi pour l'industrie privée.

Deux idées maîtresses guidèrent l'élaboration de cette boite. La première fût d'obtenir un changement de vitesse n'impliquant pas une perte subite de l'effort de traction de la locomotive à chaque passage ; la seconde fût celle d'une boite convenant principalement aux locomotives plutôt qu'aux autorails, et qui puisse être par la suite adoptée pour des puissances assez considérables.

La résolution du problème conduisit au modèle de boite de vitesse dénommé " ASYNCHRO" ; la seconde condition ayant été satisfaite par la construction de locomotives de 800 CH effectifs convenant aussi bien à un service de ligne qu'à la plus pénible man?uvre, bien que, en conséquence particulière de la commande S.N.C.F, des 80 boites, la plupart des nombreuses transmissions en service sont utilisées à moins de 400 CH.

Probablement plus que toute autre boite de vitesse, la boite ASYNCHRO a été conçue spécialement comme élément d'une locomotive complète, et dessinée par les mêmes techniciens.

A l'origine furent construites des petites locomotives à 2 et 5 essieux, mais les C.F.D. ont orienté leur activité vers la construction de locomotives plus importantes destinées à la traction sur plusieurs de leurs lignes, et les développements postérieurs de la locomotive et de la transmission furent considérés comme une question unique.

Il apparut nécessaire d'éviter toute grosse rupture de l'effort de traction pendant le changement de démultiplication afin d'éliminer les chocs et les à-coups dus à l'attelage non rigide des wagons ; afin également d'assurer une traction continue essentielle pour les locomotives de 25 à 30 tonnes et plus et de 300 à 400 CH de puissance effective qui étaient envisagées.

De plus, avec une transmission mécanique, la vitesse du moteur est proportionnelle à la vitesse de marche à chaque rapport de démultiplication, et il fallut songer à pouvoir désolidariser le moteur des roues motrices, par exemple lors du passage des vitesses ou lors d'un tamponnement un peu brutal, ce qui fût obtenu par l'introduction d'un système de roue libre entre boite de vitesse et essieu moteur, dispositif ayant en outre d'autres avantages comme celui d'empêcher tout surmenage du moteur. Finalement un modèle à cage contrôlée par ressort fût adopté de préférence au type à rouleaux plus classique ; et un coupleur hydraulique fût intercalé aussi dans la transmission pour obtenir un démarrage progressif et éliminer l'usure de l'embrayage.

Description d'une transmission pour locomotive.

Dès le début de ses études de matériel diesel, les C.F.D. envisagèrent la construction de locomotives plus puissantes que les premières à 4 et 6 roues, et en fait jusqu'au maximum de puissance nécessaire sur les six réseaux.

On décida que la solution multimoteurs serait plus satisfaisante vu que l'augmentation des performances de la locomotive s'obtiendrait simplement par la multiplication des mêmes moteurs et des mêmes transmissions au lieu de leur remplacement par des modèles différents et plus forts. Cela remédiait aux immobilisations totales sur la ligne en cas de panne, et, de plus, pour les petites unités au moins, permettait l'utilisation des moteurs standards de véhicules routiers.

A mesure que la puissance augmenta, l'empattement des locomotives à deux moteurs et deux essieux devint trop important, et on étudia un projet à deux bogies qui avait le mérite de se prêter à un accroissement de puissance quasi illimité. Des unités BB de 800 CH effectifs ont été construites. Sur de telles locomotives toutes les réactions dans les attelages sont évitées par le fait que le changement d'une même vitesse est décalé d'une boite sur l'autre, de telle sorte que la locomotive exerce toujours un effort de traction appréciable.

Dans l'étude de cette boite on a recherché la plus grande simplicité de fabrication et d'entretien. Le premier pas a donc été d'éliminer les dispositifs synchroniseurs conventionnels comme les embrayages à cônes ou multidisques pour chaque étage de vitesse ; sous réserve cependant, quelque soit le type de la transmission, d'introduire un dispositif de roue libre pour séparer les essieux de la transmission. Aucune difficulté à ce sujet ne se présenta car il existe des roues libres à rendement satisfaisant d'un couple de 600 m.kg.

Pour satisfaire ces exigences, M. ZENS adopta une solution originale.                                                     

Il fixa un coupleur hydraulique au volant du moteur, et monta un seul embrayage principal à l'arbre d'entrée de la boite, mais situé à l'extérieur de celle-ci. Puis entre les deux, accolé à l'embrayage principal, un embrayage-frein (ou synchroniseur-zéro), dont l'objet est de stopper rapidement toutes les pièces en rotation dans la boite de vitesses. Pour que cet arrêt soit possible on ajouta une roue libre à l'arbre de sortie de la boite. Il n'y eut plus alors de problème de passage d'une combinaison à l'autre, toutes les pièces mobiles de la boite étant momentanément au repos lorsque le passage a lieu. A cause de ce principe la boite fut nommée « ASYNCHRO ».

Le résultat fut une boite telle que la montre en coupe la figure 2.                                               

L'embrayage-frein et l'embrayage principal sont sur l'arbre primaire à l'extérieur du carter, au coin supérieur droit de la figure 2. Le frein est du type embrayage multidisque, et il peut être choisi à volonté du type « à sec » ou « à bain d'huile ». Tous les engrenages sont droits et peuvent être de grande dimension grâce à la place disponible. La combinaison frein d'arbre-embrayage principal est commandée pneumatiquement par un seul ensemble cylindre-piston à l'extérieur de la boite, et offre deux positions :

• embrayage         frein
• (1) en prise      lâché
• (2) débrayé       serré

Comme les pièces sont au repos lors du changement de la vitesse, c'est sur des pièces au repos que les crabots agissent pour chaque paire de pignons fous. Fixé au corps de la boîte de vitesses se trouve un distributeur principal qui dirige l'air comprimé d'impulsion vers des cylindres de changement des vitesses à l'extérieur de la boîte ; l'un de ces cylindres est représenté du côté gauche de la figure 2. Les pistons de ces cylindres poussent les arbres cannelés supportant les crabots et chacun de ces arbres comporte un cylindre à chaque extrémité. Il y a six de ces cylindres pour une boîte à 8 vitesses. Le distributeur est commandé depuis le tableau de bord de la cabine à travers une valve et trois groupes de conduites : A, B et C. Si l'on tient compte de ce que chacune d'elles admet l'air ou l'évacue, elles peuvent être désignées respectivement par A1 B1 et C1.  A2 B2 et C2. Pour les 8 vitesses la valve combine ces conduites comme suit :

• 1{suli}ère{/suli} vitesse : A1 B1 C1                     5{suli}ème{/suli} vitesse : A2 B1 C1
• 2{suli}ème{/suli} vitesse : A1 B1 C2                    6{suli}ème{/suli} vitesse : A2 B1 C2
• 3{suli}ème{/suli} vitesse : A1 B2 C1                    7{suli}ème{/suli} vitesse : A2 B2 C1
• 4{suli}ème{/suli} vitesse : A1 B2 C2                    8{suli}ème{/suli} vitesse : A2 B2 C2

Le conducteur dispose d'un petit levier de présélection et, à proximité, un bouton-poussoir pour l'impulsion. Il déplace le levier sélecteur auteur d'un petit secteur jusqu'à la marque correspondant à l'étage qu'il a choisi, et presse le bouton lorsqu'il veut effectivement passer la vitesse, l'opération étant ensuite faite automatiquement. Après action du levier de présélection et du bouton, l'impulsion déplace d'abord le piston d'un distributeur primaire vers la droite, puis par l'effet de l'air admis fait fonctionner l'embrayage-frein, met le moteur au ralenti et tourne l'électrovalve du côté admission d'air. Par la seconde conduite issue du distributeur primaire, la pression d'air qui maintenait la tige de commande de l'engrenage précédemment enclenché est relâchée, et le ressort solidaire de cette tige la ramène en position pour le prochain mouvement.

Une succession des opérations

Dès que les pièces tournantes ont été stoppées par le frein d'arbre (opération qui prend une seconde à une seconde et demie après action sur le bouton-poussoir), la pression d'huile de la boite de vitesses tombe à zéro un contact ferme un circuit vers une électrovalve, ce qui a pour effet d'ouvrir l'admission d'air vers le distributeur principal qui répartit l'air nécessaire aux cylindres de commande aux extrémités des tiges de crabots, une fois l'étage de vitesse présélectionné. En chemin l'air passe au travers d'un détendeur auquel on peut donner un réglage déterminé. Dès que le crabot est en place, le piston du distributeur primaire revient sur la gauche, relâchant le frein, mettant l'embrayage en prise, et rétablissant l'alimentation du moteur au régime initial.

Dans une boîte où l'arbre primaire est au repos, l'entrée du crabot de changement de vitesse est facilitée par un mouvement angulaire de l'arbre de sortie, qui est donné par la roue libre quand le véhicule est en marche. La forme de la face d'entrée du crabot est aussi choisie pour faciliter son introduction. Bien qu'il existe deux boites de vitesses sur la locomotive, elles sont toutes deux commandées par un seul mouvement de sélection et une seule action du bouton-poussoir ; la seule condition est que le détendeur du circuit d'air de commande d'une boite soit plus lent que celui de l'autre boite ; ainsi les deux boites passent leur vitesse avec tua léger décalage et l'effort de traction s'exerce constamment.

Un effort de traction et vitesse

Un défaut important de toutes les transmissions mécaniques est que la vitesse de traction est proportionnelle au régime du moteur pour un étage donné, donc que la puissance maximum ne peut être obtenue qu'à la vitesse maximum dans chaque étage de vitesse. De plus, dans la grande majorité des transmissions mécaniques il y a une chute momentanée à zéro de l'effort de traction à chaque passage de vitesse. Les conséquences de ces deux faits sont améliorées dans le dispositif ZENS ASYNCHRO comme le montre la figure 4. Comme il est facile de le voir, une boîte à 8 rapports ne présente pas de trop grosses discontinuités dans sa courbe puissance-vitesse, et comme les deux boites d'une locomotive changent de vitesse à des instants légèrement décalés il n'y a pas de notable chute de puissance de la locomotive à ces instants. La figure 4 donne aussi la propre comparaison de M. ZENS d'une boîte à 8 vitesses et d'une transmission électrique ou hydraulique pour le même emploi. La figure 5 montre la courbe d'effort de traction de la locomotive illustrée figure 6. Avec une locomotive tous usages de vitesse maxima 80 à 85 km/h, une boîte à 8 vitesses donne un bon étalement, avec relativement peu de différences en effort de traction et vitesse pour chaque étage.

source : Extrait de DIESEL RAILWAY TRACTION Septembre 1961 P.333 et Seq.