Le train pendulaire ? La question reste pendante en France.

Tout un monde de lois de la physique sépare, d’une part, les êtres vivants (animaux, hommes) ainsi que les véhicules à deux roues en alignement (bicyclettes, motocyclettes, etc) qui « penchent » dans les virages pour retrouver leur équilibre et annuler les effets de la force centrifuge, et, d’autre part, les véhicules à roues montées sur des essieux qui ne peuvent pas pencher dans les virages et ne peuvent donc compenser cette force centrifuge. Ces derniers véhicules ne restent donc stables et ne versent pas tant que le centre de gravité n’est pas déplacé par la force centrifuge hors du polygone de sustentation formé par les points de contact des roues avec la route ou la voie ferrée. Il y a ainsi une limite à ne pas franchir en courbe pour un véhicule routier ou ferroviaire, et cette limite dépend, entre autres facteurs, de la vitesse. Cette limite, toutefois, est assez élevée dans le monde des chemins de fer pour que des voyageurs d’un train puissent sentir les effets de la force centrifuge, glissant sur leur siège ou obligés, s’ils sont debout, à trouver un pont d’appui supplémentaire pour ne pas être incommodés., ou carrément jetés à terre.

C’est pourquoi l’idée du train pendulaire est présente dans les esprits des ingénieurs du monde entier dès les années 1900, avec l’augmentation des vitesses, d’une part, et, d’autre part, le désir d’augmenter le confort offert aux voyageurs. On voit surgir dans les revues scientifiques, et plus rarement sur des terrains d’essais, un certain nombre de « trains du futur », souvent suspendus à un rail aérien pour bénéficier d’une pendulation naturelle, ou aussi, mais plus rarement, bénéficiant d’une pendulation asservie gérée par des gyroscopes.

Les « vrais » trains pendulaires : suspendus sous un seul rail.

Il y a eu des essais de trains pendulaires au vrai sens du terme, c’est-à-dire suspendus à un rail, et donc utilisant naturellement leur situation de « pendule » pour rester verticaux à l’arrêt ou roulant en alignement, et s’inclinant d’eux-mêmes en courbe. Les téléphériques, suspendus à un câble et non sous un rail, peuvent être considérés comme étant pendulaires, mais, si l’on veut parler de chemin de fer, donc de rails, nous ne connaissons que le tramway allemand de Wuppertal qui reste un exemple quasi unique du « vrai » train pendulaire. Construit par un ingénieur du nom d’Eugène Langen en 1900 et en principe destiné à une exposition berlinoise qui ne l’accepta pas, il est installé dès 1901 à Wuppertal, et, fait notoire, il est toujours en service. Plus d’un siècle de succès, cela mérite toute notre admiration. C’est, sans nul doute, le seul exemple au monde de « vrai » train suspendu (donc, par définition, vraiment « pendulair ») et en service courant depuis plus d’un siècle.

D’autres projets de trains pendulaires, réels ou en projet, et suspendus à un rail, sont rapportés dans des ouvrages anciens, comme un tramway mu par la seule force du conducteur tournant une manivelle, flottant et guidé par le rail qui soutient la « locomotive ».

Les trains moins pendulaires : un rail dessus et un autre dessous.

Il y a eu, aussi, des essais de trains pendulaires utilisant deux ou trois rails, mais, assez curieusement, dits « monorail ». Ce ne sont pas des monorails au vrai sens du terme, puisqu’ils ont plusieurs rails. Certes, leur voie comporte un rail aérien (disons principal) auquel le train est suspendu et guidé avec un système de roulement, mais aussi un autre rail placé sous le train (disons auxiliaire) et qui participe au guidage et empêche les oscillations parasites du train, et assure l’inclinaison en courbe. Beaucoup de projets du genre apparaissent dans les années 1930, notamment pour des trains à grande vitesse, comme le monorail système Bennie de 1930 au Royaume-Uni, avec propulsion par hélices et moteurs d’avion, et qui a bien connu un début de construction d’une ligne.

D’autres systèmes, constituant mécaniquement l’inverse des précédents, présentent un train monorail avec le rail principal cette fois au sol, le train roulant sur ce rail. Le système comporte donc aussi un rail auxiliaire de guidage aérien au-dessus du train, et ce rail assure la stabilité, le maintien vertical et l’inclinaison en courbe, comme le système Kearney, présenté en 1910 au Royaume-Uni, et qui a peut-être été essayé.

Le vrai train monorail avec un seul rail, posé sur le sol, et sans rail auxiliaire.

Ceci semble impensable… Autant imaginer une bicyclette tenant, à l’arrêt, en équilibre sur ses roues ! Et, pourtant, cet exploit a bel et bien existé. L’équilibre du train est assuré par des gyroscopes dans le cas, très intéressant, du système Louis Brennan essayé au Royaume-Uni. La première démonstration publique a lieu le 10 novembre 1909 puis une deuxième a lieu à l’Exposition Japon-Royaume-Uni de Londres en 1910, avec un véhicule à plateau long de 12,2 m et large de 3 m, mû par un moteur à essence de 20 CV, à transmission électrique, le tout pouvant atteindre 35 km / h. La génératrice de la transmission électrique alimente aussi les moteurs des gyroscopes et un compresseur d’air. Le système d’équilibrage utilise un asservissement pneumatique déplaçant les gyroscopes.

D’autres prétendus « monorails » ont, malgré tout, fonctionné avec deux rails supplémentaires posés en contrebas du rail de roulement, et empêchant les oscillations du train: c’est surtout le système Lartigue, en France, Irlande et Royaume-Uni, Algérie, qui est l’application la plus remarquée, bien qu’éphémère, la ligne française de Feurs à Pannessières ayant connu un déraillement le jour de l’inauguration, précipitant Monsieur le Sous-Préfet dans l’herbe…

Tous ces systèmes dits monorails (vrais ou faux) posent les graves inconvénients d’une voie compliquée et chère et dont les appareils de voie sont tout aussi complexes puisque devant être composés d’un tronçon de voie mobile.

Le pendulaire appliqué aux trains classiques : la renaissance du problème.

Tous ces trains pendulaires vus jusqu’à présent, soit monorails, soit à deux ou trois rails, posent le même problème qui est de trouver une solution de remplacement permettant d’éviter une voie classique à deux files de rails dont le coût est jugé prohibitif. L’incroyable complexité de ces voies aux rails surélevés, l’impossibilité de faire des appareils de voie simples fonctionnant avec seulement le déplacement, limité, de deux aiguilles, la nécessité de faire un matériel roulant intégralement nouveau et demandant une répartition sévère des masses et des poids de part et d’autre du rail principal, avec l’aide ou non de rails auxiliaires pour l’équilibrage, voilà qui conduit inéluctablement à l’abandon de ces systèmes.

Toutefois, la pendulation n’a pas dit son dernier mot. Les trains du XXe siècle roulent de plus en plus vite, et beaucoup plus vite que ceux du XIXe, passant de vitesses de pointe qui sont de 80/90 km/h vers 1890 à 130/140 km/h vers 1930. Mais les voies, et surtout les tracés des lignes et les courbes, sont les mêmes et, même si le risque d’instabilité et de versement n’est pas encore engagé, des problèmes d’inconfort commencent à se poser pour les voyageurs. L’exploration de grandes vitesses commence à poser le problème des courbes, et c’est bien pour cette raison que la construction intégrale de lignes à grande vitesse et à courbes de très grand rayon de courbure sera la solution préférée pour les pays ayant les moyens ou la volonté de se doter de réseaux exemplaires. Les autres, eux, reprendront le difficile et hasardeux chemin du train pendulaire…

Déjà aux Etats-Unis, comme c’est souvent le cas.

Le « Pendulum Train » américain de 1936 du réseau américain Atchison, Topeka and Santa Fe Harbour Line en est la preuve. Ne voulant pas construire intégralement des lignes spéciales à grande vitesse et à courbes à très grand rayon, ce réseau conçoit et essaie des voitures à caisse inclinable en courbe pour son « Pendulum Train ». Ce train, pour le moins, offre un design extérieur très réussi et qui est remarqué par la presse ferroviaire à l’époque.

Mais la solution retenue est la pendulation naturelle des caisses des voitures qui sont, effectivement, « suspendues » à un point d’articulation placé très haut dans la caisse : ce point est au sommet de grands ressorts verticaux, eux-mêmes coiffant et prolongeant des caissons verticaux posés sur les longerons des bogies. Cette disposition n’est guère favorable à la stabilité du bogie en courbe qui est fortement sollicité par la force centrifuge qui prend son appui au sommet de ce montage vertical.

Les ressorts permettent l’inclinaison de la voiture, mais aussi assurent un rappel en position normale. Ce « Pendulum Train » est resté sans descendance, soit du fait de la Seconde Guerre mondiale, soit, plus certainement, du fait de son instabilité en courbe. Et pourtant, l’idée demeure présente chez les ingénieurs du monde entier.

La redécouverte française de 1957.

Dans le numéro de novembre 1957 de la Revue Générale des Chemins de Fer (RGCF) paraît, sous la signature de ingénieurs Mauzin et Chartet, et aussi du Chef d’Études Lenoir de la direction du Matériel, un important article intitulé « Une nouvelle voiture dite pendulaire destinée aux grandes vitesses ».

La présence de cet article dans une revue aussi influente prouve bien que, contrairement à une idée assez répandue, la grande vitesse est restée, après les essais des Landes à 331 km/h en 1955, tout à fait à l’ordre du jour pour une SNCF dont le Directeur Général n’est autre que Louis Armand, avec Roger Hutter comme Directeur des Études Générales, et Camille Martin comme Directeur du Matériel. Une telle volonté de créer le chemin de fer du futur, et d’instaurer en France la grande vitesse marquera en profondeur l’évolution de la SNCF jusqu’à l’époque du TGV.

Il est vrai que, à l’époque, il n’est pas encore question d’un réseau dédié à la grande vitesse. L’Italie a déjà ouvert le chemin dès 1927 et le Japon le reprendra à son compte après la Seconde Guerre mondiale notamment pour créer un nouveau réseau en voie normale de 1435 mm, puisque la totalité du réseau japonais est en voie de 1067 mm (dit « métrique anglais ») qui est devenu insuffisant.

Les dirigeants de la SNCF en sont encore au stade où l’on n’écarte nullement l’idée que des trains à grande vitesse puissent circuler sur des lignes classiques, s’insérant dans les sillons des trains à vitesse normale, moyennant des aménagements spéciaux comme des dévers plus forts en courbe pour la voie ou la pendulation pour le matériel roulant. C’est d’ailleurs ainsi que, entre autres grands réseaux mondiaux, les British Railways voient les choses avec leur fameux Advanced Passenger Train (APT) dont la mise au point et les essais mèneront à l’échec que l’on sait (voir l’article sur les LGV paru précédemment sur ce site-web).

Un compartiment pendulaire essayé dans une voiture ordinaire, pour voir… mais on voit rien.

Les ingénieurs de la SNCF estiment, dans cette période enthousiasmante où commence à se mettre en place toute une technologie nouvelle qui est celle de la grande vitesse, que « actuellement, on peut considérer que le dévers maximum admis est à son maximum » et qu’il n’est plus possible, pour gagner de la vitesse en courbe, d’agir sur cette valeur. Or, il reste à annuler la désagréable impression que pourraient ressentir les voyageurs soumis à la force centrifuge qui se crée lors de l’inscription en courbe : la seule solution serait, pour compenser le manque de dévers, d’incliner les caisses des voitures vers l’intérieur de la courbe, et selon l’angle de la « pesanteur apparente » que donnerait, par exemple, un fil à plomb tenu dans la voiture.

C’est alors que, dans une voiture classique, ces ingénieurs installent un petit compartiment à quatre places qui est mobile autour d’un axe placé dans le sens longitudinal. La hauteur de cet axe, par rapport au compartiment, est réglable à volonté. Des essais à 160 km/h dans des courbes de 800 m de rayon montrent que les accélérations transversales sont réduites de 0,24 g à 0,06 g et que le meilleur confort correspond à la position de l’axe placé à la hauteur de la tête des voyageurs occupant le petit compartiment expérimental. Si l’on ferme le petit compartiment pour empêcher toute vision à l’extérieur pour les voyageurs, ceux-ci sont absolument incapables de dire s’ils roulent en courbe ou en alignement. Quant à l’angle d’inclinaison du compartiment, il est très impressionnant du fait que la caisse de la voiture s’incline en sens opposé par rapport au compartiment.

C’est à partir de cette toute première expérience relatée dans le N° de novembre 1957 page 9 de la RGCF que l’idée du train pendulaire prend corps, et l’on construira une automotrice expérimentale qui, inachevée, restera une voiture : c’est la fameuse voiture Chartet.

La voiture (ou l’automotrice ?) Chartet entre en scène.

La première apparition de ce véhicule fort original se fait dans la RGCF de novembre 1957, la voiture en question venant d’être construite par la SNCF et soumise à des essais. Trois grands problèmes de fond ont accompagné sa conception : le premier étant celui de la vitesse limite pouvant être atteinte sans risque de basculement du véhicule vers l’extérieur de la courbe, le deuxième étant celui des efforts latéraux exercés par le véhicule sur la voie, et le troisième étant celui du freinage aux grandes vitesses. Aujourd’hui ces trois problèmes sont, avec leurs solutions, parfaitement entrés dans l’ordinaire du quotidien de la SNCF, mais, dans les années 1950, au lendemain d’une Seconde Guerre mondiale qui a laissé le chemin de fer français dans l’état technique des années 1930, on comprend à quel point ils représentent, pour les ingénieurs, les frontières d’un continent inconnu…

Tout particulièrement, le deuxième problème, celui des efforts latéraux, contient en lui celui des mouvements de lacet du véhicule sur la voie et celui des défauts de tracé et de nivellement de la voie : la solution sera l’abandon de l’essieu monté avec ses roues solidaires de leur corps d’essieu, pour l’adoption, unique dans l’histoire du chemin de fer à notre connaissance, de roues « indépendantes » (au sens automobile du terme), donc non reliées entre elles par des corps d’essieu et ne formant, en aucun cas, un essieu monté traditionnel avec ses deux roues solidaires.

Seulement, et ce qui est peu connu et pratiquement oublié aujourd’hui même de la part des connaisseurs les plus érudits en matière d’histoire des chemins de fer, ce que l’on désigne par « voiture Chartet » ou encore « voiture pendulaire de la SNCF » n’était pas, sur le papier, une voiture, mais bel et bien une automotrice électrique, pour ne pas dire un « Zébulon pendulaire ». Chaque bogie doit, d’après le schémas publié page 584 de la RGCF de novembre 1957 et reproduits ci-contre, comporter quatre moteurs entraînant chacun, d’une manière totalement indépendante leur propre roue. Disposés « tête-bêche » dans le bogie, deux moteurs entraînant les deux roues de droite et deux autres celles de gauche, ces moteurs sont, dans leur principe, en quelque sorte les précurseurs des transmissions de certaines voitures « hybrides » actuelles avec leurs moteurs électriques actionnant directement chacun leur propre roue (voir le plan schématique ci-contre).

Cette disposition, avec l’absence d’essieux montés, doit certainement produire une grande douceur de roulement, un silence remarquable, une absence de vibrations, et aussi, et surtout, une absence de mouvements de lacet. Toutefois, si l’on lit soigneusement la description des essais de l’époque relatés par la RGCF, la voiture Chartet a bien été, provisoirement du moins, une voiture : les essais se sont effectués sans moteurs (remplacés par des lests), la voiture étant remorquée par une des deux rares automotrices Alsthom-Somua (série Z-4700 de la SNCF) sur la ligne électrifiée de Melun à Montereau par Héricy (rive droite de la Seine). Les courbes à faible rayon abondent, descendant jusqu’à 485 m, et il est possible de tracter la voiture Chartet à 140 km/h (vitesse maximale en service de l’automotrice), ce qui, à une telle vitesse et sur des rayons aussi faibles, permet de tester la voiture dans des situations extrêmes avec une insuffisance de dévers de 300 mm parfaitement corrigée.

Les essais de 1967-1968 et l’abandon de la pendulation naturelle pour la pendulation asservie.

Après la publication de l’article sur la voiture Chartet dans son numéro de novembre 1957, la RGCF reste silencieuse sur cette question treize années, puisqu’elle n’y revient que dans le numéro de janvier 1970 avec un article sur la pendulation envisagée pour les rames TGV à turbine à gaz signé par Fernand Nouvion pour qui un « système de positionnement asservi à l’accélération centrifuge » est d’une nécessité évidente. Fernand Nouvion fait une allusion aux essais entrepris en 1967-1968 avec la voiture Chartet et semble considérer leur enseignement comme un fait acquis et nécessaire pour les grandes vitesses.

La RGCF revient sur ce thème, à nouveau, peu de temps après, en mai 1970 avec un article très documenté, et signé des ingénieurs SNCF Terrasse et Joly. Cet article occupe les pages 297 à 319, soit 22 pages pleines d’équations dans un style qui fera, à l’époque, une renommée certaine pour la RGCF – pour ne pas dire une « image de marque » dont les effets se font encore sentir injustement aujourd’hui…

La voiture Chartet, est-il rappelé, a une caisse reposant sur des points d’articulation situés à 1750 mm au-dessus du plan de roulement, tandis que le centre d’inertie de la caisse est à 700 mm au-dessous des points d’articulation : ainsi, il est possible de pratiquer ce que l’on appelle à l’époque la pendulation « naturelle ». Mais cet article montre que, pendant des essais effectués en 1957, et repris en 1967 et 1968 entre Brive et Limoges, la voiture Chartet révèle que cette pendulation « naturelle » a pour seul, mais grave, inconvénient de ne compter que sur l’inertie de la voiture, donc de réagir avec un retard dans les entrées et les sorties des courbes. Ce retard soumet les voyageurs à des accélérations transversales non compensées de 0.08 g pendant plusieurs secondes, et très désagréables pour eux. C’est ce que l’on appelle l’« erreur de trainage ».

C’est alors que l’on abandonnera la pendulation, dite encore « naturelle », pour une toute autre solution technique : l’inclinaison asservie. La voiture Chartet sera désormais munie d’un système de vérins pouvant assurer une compensation totale ou seulement partielle, celle-ci pouvant varier entre les 2/3 ou le 1/3 de la compensation totale, cette dernière solution étant préférée par les voyageurs effectuant les essais.

Ne dites pas « pendulation » pour les véhicules actuels…

Les caisses des véhicules, depuis les essais de 1967, cesseront d’être des « pendules », au sens véritable du terme, car leur centre d’inertie sera au-dessus de l’axe d’oscillation, créant une tendance à s’incliner vers l’extérieur des courbes : mais un mécanisme d’asservissement de commande vient fournir l’effort nécessaire pour incliner la caisse vers l’intérieur de la courbe.

Comme le note la RGCF en 1970, le terme de « pendulation » doit être abandonné, puisque le véhicule n’est plus un « pendule ». C’est donc une erreur, aujourd’hui, de parler de « pendulation » et de « pendulaire » avec des véhicules dont l’inclinaison vers l’intérieur des courbes est bel et bien obtenue par un mécanisme qui fournit un effort considérable (vérins de 4000 daN) pour incliner une caisse qui n’est nullement pendulaire et qui a tendance à « partir » naturellement vers l’extérieur de la courbe ! Mais… comme d’habitude, l’usage s’est établi, et les prêtres du « parler vrai » prêcheront dans le désert.

En juin 1972 : André Portefaix explique la CID dans la RGCF.

Avec les magnifiques voitures « Grand Confort » qui font la fierté de la SNCF sur les trains « Capitole » et « Étendard » de la région sud-ouest, se joue le dernier acte (manqué) de la « pendulation » sur le matériel voyageurs français.

La pression médiatique, au début des années 1970, est très forte avec les essais entrepris en Allemagne (rame E403), au Japon, en Italie, au Royaume-Uni (APT), au Canada (Turbotrains) et la France ne veut pas paraître en retard dans cette course dont les résultats seront, tout compte fait, bien inférieurs aux enjeux et aux espoirs.

André Portefaix, Ingénieur Hors-Classe à la Direction du Matériel de la SNCF, fait le point sur ce que l’on appelle la « CID », ou Compensation de l’Insuffisance du Dévers : le dévers maximal des voies de la SNCF est de l’ordre de 160 mm, ce qui correspond, pour une courbe de 1000 m de rayon, à une vitesse de seulement 116 km/h. Il ne peut être question, sur des lignes parcourues par des trains de tous types, de pratiquer des valeurs supérieures, surtout quand on pense que des trains de wagons-citernes, dont le centre de gravité est très élevé, rouleront à des vitesses très basses et même pourront stationner en pleine voie, fortement et inutilement inclinés vers l’intérieur de la courbe, retenus par un signal fermé. Il faut donc corriger, pour les voitures des trains rapides (on songe à 200 km/h) l’insuffisance de dévers : la solution, une fois encore, revient, malgré le changement de nom pour « CID » (Correction d’Insuffisance du Dévers), à l’asservissement de l’inclinaison des caisses lors de l’inscription en courbe. Mais il ne s’agit pas d’un simple changement de nom : avec André Portefaix on apprend (enfin) que les essais de la voiture Chartet ont montré que la « pendulation naturelle » était très inconfortable pour les voyageurs au point qu’il a fallu monter un indispensable système de rappel assisté, ce qui a bien, dans les faits, mis fin à la « pendulation naturelle » et fait de cette voiture la première voiture à comportant des « détecteurs » et des « actuateurs » d’une pendulation devenant asservie.

Lorsqu’il est question, à la fin des années 1960, de faire rouler des trains à 200 km/h sur des lignes classiques parcourues aussi par des trains lents, les ingénieurs sont confrontés directement au problème de l’insuffisance de dévers. Cette insuffisance comporte quatre limites et quatre risques graves : le chavirement du véhicule vers l’extérieur de la courbe, la montée du boudin de roue sur le rail extérieur, le ripage de la voie vers l’extérieur, la fatigue et même des malaises pour les voyageurs. 

Ni pendulation, ni CID, en fin de compte.

André Portefaix, dans son article de juin 1972, conclut avec un certain nombre de doutes qui ont aussi l’empreinte de la clairvoyance. La CID (Correction d’Insuffisance du Dévers), écrit-il, n’offre pas le moindre intérêt pour les lignes à grande vitesse, puisque les rayons de courbure seront supérieurs à 3000 m, et ne pourrait se justifier que sur des parcours de prolongement hors LGV sur le réseau classique : mais déjà les parcours Lyon-Grenoble ou Lyon-Saint-Etienne ont montré que la CID ne s’imposait pas. Toutefois, André Portefaix pense que la CID peut être intéressante pour certains parcours sinueux, mais avec des rames automotrices, et avec des compensations limitées requises par des circulations à 180 km/h au lieu de 150 km/h en courbe de 1000 m dans les zones montagneuses de l’Europe : le « Pendolino » est donc pressenti par ce grand ingénieur. Mais il pense aussi que la CID va entraîner des complications techniques, des coûts supplémentaires et que « l’ingénieur formé dans la belle simplicité de la locomotive à vapeur » la refusera… Il conclut en écrivant, dubitativement : « La CID, luxe d’aujourd’hui, a bien quelques chances de suivre le sort de ces luxes d’hier que furent la climatisation ou l’éclairage électrique ».

L’échec de la rame pendulaire TGV a clos le débat en France ou Alstom a bien travaillé sur des TGV pendulaires. Mais le rachat de Fiat Ferroviaria, concepteur des Pendolino, et autres ETR 450, ETR 460 (250 km/h), a marginalisé les essais du TGV pendulaire P01/DTP2 qui aurait pu parcourir les lignes à grande vitesse à 300 km/h « sans penduler », et rouler jusqu’à 220 km/h avec la pendulation sur les lignes qui les prolongeraient. Concrètement, et surtout sur le réseau français, il a été démontré que cela n’avait guère d’opportunité.

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