De Fell à Hanscotte : l’adhérence pour les locomotives à fortes rampes.

Lorsque, vers la fin du XIXe siècle, les lignes de chemin de fer touristiques partent à la conquête des hauts sommets et des hauts bénéfices, il faut bien se résoudre à se passer de la simple adhérence pour que les locomotives à vapeur puissent assurer un service efficace et sans faille sur des lignes à fortes rampes, ceci sans patiner au démarrage ou en cours de trajet. La crémaillère est une solution intelligente et sûre, mais elle est chère, et surtout elle impose des contraintes compliquées dans l’installation des voies et aussi dans la conception des locomotives. La crémaillère, ce sont des systèmes différents et concurrents de roues dentées s’engrenant dans autant de systèmes de crémaillères demandant une grande précision mécanique. C’est pourquoi un certain nombre d’ingénieurs de l’époque essaient des systèmes à crémaillère…. sans crémaillère, ou, si l’on veut sans dents. On espère une plus grande simplicité mécanique, une plus grande tolérance en matière de normes, une plus grande douceur de roulement, et, surtout, des économies substantielles en matière de fabrication. Est-ce que ce sera le cas ? Pas franchement, répondront les comptables.

Le système Hanscotte à rail central, sur le chemin de fer du Puy de Dôme en 1906. On pose fièrement, la bedaine en avant, pour la photographie devant édifier les générations futures. (Voir l’article dédié aux « roues couchées » déjà paru sur ce site-web).

Le système Fell           

Les Britanniques ont quelque peu oublié aujourd’hui John Barraclough Fell, ingénieur anglais qui essaya son premier système ferroviaire en 1863 sur le plan incliné du Cromford and High Peak Railway dans le Derbyshire, avec utilisation d’un câble. Il faut dire que le relief des montagnes britanniques n’est pas tel qu’il ait nécessité des générations d’ingénieurs spécialisés dans les fortes rampes comme en Suisse, par exemple… Et Fell a du aller voir si l’herbe était plus verte ailleurs, et elle l’était, notamment en Nouvelle-Zélande, et en France où il crée sa réputation avec un système à rail central en 1868 crée pour les besoins du chantier de construction du tunnel ferroviaire. ce système permet aussi le franchissement du Mont-Cenis à une époque où les diligences mettent un temps fou et versent parfois dans les ravins. Ce chemin de fer est installé entre la France et l’Italie, de Saint-Michel-de-Maurienne à Suse en passant par le col.

Le franchissement du Mont-Cenis avant le chemin de fer. Il faut 12 à 15 heures, si tout se passe bien, pour couvrir les 80 km séparant St-Michel-de-Maurienne (en France) et Suse (en Italie), soit une vitesse moyenne de 6,66 km/h maximale. Le chemin de fer Fell fera deux fois mieux.

Fell n’est pas vraiment l’inventeur de son système. Utiliser le principe de deux roues horizontales, enserrant avec force un rail central pour augmenter l’adhérence, est une technique connue déjà avant lui. Mais le système est délicat et complexe, et son fonctionnement aléatoire. Le rail de guidage est en position surélevée et placée dans l’axe de la voie, au centre. Il est très ancien, et, avant Fell et donc avant Hanscotte qui le perfectionnera à la fin du XIXe siècle, il est utilisé d’une manière spontanée par un certain nombre d’ingénieurs ayant à affronter le classique et fondamental problème du manque d’adhérence et ayant à faire circuler des locomotives dans des cas très propices aux patinages et aux glissements, tant au démarrage qu’au freinage, comme des grands chantiers boueux ou en milieu humide. Par exemple, dès les années 1830 il est appliqué par les ingénieurs Vignoles ou Eriksson à quelques locomotives du premier chemin de fer du canal de Panama, ou encore en 1847 à un chemin de fer houiller en Pennsylvanie.

D’autres chemins de fer dénommés « système Fell » ont fonctionné dans le monde, notamment en Nouvelle-Zélande avec trois lignes : le Rimutaka Incline (1878-1955), le Roa Incline  (1909-1966) et le Rewanui Incline (1914-1965). Le Cantagalo Railway fonctionne au Brésil pendant un siècle, de 1860 jusqu’en 1960. En France, le chemin de fer du Puy-de-Dôme fonctionne avec ce système de 1907 à 1926. La seule ligne actuelle conservant le rail central Fell serait la ligne électrique du Snaefell Mountain Railway sur l’Ile de Man, doté d’un rail central qui ne sert qu’au freinage.

C’est bien Fell qui utilise le premier ce système d’une manière à la fois connue et spectaculaire, déjà sur le chemin de fer de Cromfort à High Peak, dans le Derbyshire au Royaume-Uni, puis en faisant circuler des trains pendant plusieurs années sur les rampes du Mont Cenis à partir de 1865 où il relie Lans-le-Bourg, en France, et le sommet du passage à 1775 mètres d’altitude, avec des rampes de 85 pour mille.

A l’époque, une locomotive est transportée depuis la ligne du High Peak anglaise et essayée sur place : elle grimpe les rampes à 13 km/h, en remorquant un train de trois wagons formant une charge de 16 tonnes. Des essais avec une autre locomotive plus perfectionnée déplace 42 tonnes à 11 km/h et 33 tonnes à 14 km/h. La cause est entendue et Fell pourra installer son chemin de fer, mais à titre provisoire, puisque la grande ligne dite de la Maurienne est en construction et le tunnel du Mont-Cenis en cours de creusement.

Double traction laborieuse et train mixte marchandises-voyageurs sur le réseau néozélandais en voie de 1067mm, vers 1920. La rampe de « 1 in 15 » (mesures à l’anglaise, donc) correspond à un 66 pour mille, quand même… sauf erreur de calculette de notre part.

Comment fonctionne une locomotive Fell ?

Le principe d’une locomotive Fell est la présence de roues motrices horizontales sous la machine, outre les roues motrices classiques qui, elles, roulent sur les deux rails de la voie. Il existe ainsi deux ou quatre roues horizontales supplémentaires venant enserrer, à la manière des mâchoires d’un étau, le rail central surélevé, ce qui empêche tout patinage et permet l’escalade de très fortes rampes que les locomotives classiques à simple adhérence ne peuvent gravir par le seul fait de leur propre poids sur le rail.

Contrairement au cas du système Hanscotte (qui sera un perfectionnement du Fell) où la locomotive n’a qu’un seul ensemble moteur entraînent les roues verticales par des bielles plus les roues horizontales par des chaines, le système Fell est beaucoup plus complexe, car il comporte deux ensembles moteurs. Le premier, avec deux cylindres, entraîne les roues verticales comme sur une locomotive classique. Le deuxième, aussi avec deux autres cylindres, entraîne les roues horizontales par un deuxième jeu de bielles couchées sous la locomotive. Il n’y a pas de lien mécanique entre les deux systèmes autre que celui de leurs efforts conjugués par la voie, chacun prenant en compte ses propres qualités d’adhérence pour propulser la locomotive.

La pression des roues verticales est obtenue, d’une manière classique, par le poids de la locomotive sur les rails, tandis que la pression des roues horizontales contre le rail central est obtenue par des ressorts que l’on règle, la tension étant ajustée par le mécanicien. Le réglage est difficile et pose des problèmes d’irrégularité d’adhérence, surtout dans les courbes, ce qui entraîne parfois des patinages, des à-coups, ou même des bris d’organes moteurs. Le système Hanscotte fera appel à la pression fournie par des cylindres utilisant de l’air comprimé, ce qui donne une pression plus douce, plus souple, mais aussi plus puissante et efficace.

Le plus gros inconvénient sur le système Fell, est que le mécanisme moteur des roues horizontales est solidaire du châssis de la locomotive, ce qui forme un tout rigide qui réagit mal aux inégalités de la voie, alors que, sur le système Hanscotte, ce deuxième ensemble est indépendant du châssis, formant un ensemble distinct relié par des biellettes, et peut se déplacer librement sous la locomotive en suivant les irrégularités de la voie. Mais le système Fell est plus simple, plus robuste et convient assez bien à une exploitation de type chantier.

Le simple rail central du système Fell est beaucoup plus facile à poser et, surtout, il est infiniment moins coûteux, que celui des autres systèmes, notamment le système à  crémaillère et roues dentées qui réclame un usinage et une installation faites avec beaucoup de précision. Mais le principal inconvénient du système Fell est l’irrégularité de la traction: les roues enserrant le rail central pouvant, parfois, patiner du fait des mouvements de lacet de la locomotive ou des décentrements du rail central par rapport à l’axe de la voie. Avec une crémaillère, la traction est exercée d’une manière constante et douce, sans à-coups ni patinages.

Le système Fell. Un seul « mouvement « , ou ensemble mécanique, assure la transmission de la force motrice à la fois aux roues classiques verticales et aux roues horizontales, ceci avec deux jeux de bielles séparées. Hanscotte, lui, séparera les deux mouvements.
Locomotive Fell. La complexité du double mouvement n’est pas visible, les bielles des roues motrices horizontales étant sous la locomotive.
Modèle réduit de musée du double mouvement d’une locomotive Fell. Document l’Illustration, numéro spécial Chemins de fer, 1935. Les deux embiellages sont bien présents : au-dessus le mouvement horizontal, et en dessous, le mouvement vertical classique.

Fell et le Mont Cenis.

En 1860 le percement du tunnel du Mont Cenis est commencé depuis trois longues années, mais les ingénieurs commencent à comprendre qu’ils n’étaient pas au bout de leurs peines, et devant l’impatience des voyageurs lassés des dangers d’un dangereux parcours de 13 à 15 heures en diligence de St-Michel de Maurienne à Suse en Italie, les pouvoirs publics se laissent tenter par un système de chemin de fer à fortes rampes qui peut provisoirement permettre le passage du col, en attendant l’ouverture du tunnel de la grande ligne reliant la France à l’Italie. Ce système est le système Fell.

Après des essais sur une ligne provisoire en rampe de 85 pour mille le système est déclaré exploitable en juillet 1866 et Fell obtient la concession définitive de la ligne de Saint Michel de Maurienne à Suse, ligne ouverte dès le mois de juin 1868.

Implantée le long de la grande route, la ligne est posée dans un écartement très curieux de 1100 mm, et comprend des rampes atteignant jusqu’à 85 pour mille et des courbes descendant jusqu’à 40 mètres de rayon : c’est donc bien un système pour répondre à des situations extrêmes. Les trains effectuent le parcours, long de 77 km, en 10 heures, et gagnent de précieuses heures par rapport au parcours en diligence, tout en offrant une sécurité incomparablement meilleure. Les voyageurs du train Fell ne regrettent pas leur choix et oublient les caisses hautes des diligences oscillant à au-dessus des précipices, les roues de la diligence frôlant le vide et faisant tomber dans le ravin le sable et les cailloux de la route étroite qui se délite… La ligne est fermée en 1871 quand le tunnel de la grande ligne est enfin ouvert. Fell propose aux habitants de la haute Maurienne de conserver son chemin de fer, mais ceux-ci refusent, déjà acquis à la vitesse et au confort du « grand » chemin de fer. Toutefois ils conserveront, non par sentimentalité mais par pragmatisme et manque d’argent, les plaques de tôle des pare-avalanches du train Fell pour recouvrir les toits de leur maison.

L’oraison funèbre du système Fell pourrait se résumer à dire que ce qui a condamné ce système a été un ensemble de progrès effectués par les locomotives classiques vers la fin du XIXe siècle, notamment dans le domaine de la puissance et de l’effort de traction. Désormais les locomotives des années 1890 acceptent des rampes exceptionnelles de l’ordre de 40 à 50 pour mille sur certaines lignes de montagne, une valeur qui se rapproche suffisamment des remarquables 85 pour mille atteints par Fell pour enlever aux investissements spéciaux et aux équipements spéciaux tout intérêt. Même certaines lignes ayant des sections à crémaillère installées une dizaine d’années plus tôt peuvent, désormais, s’en passer pour ce qui est de l’effort de traction et de l’adhérence à la montée, mais les conservent pour des raisons de sécurité à la descente.

Train Fell sur la ligne du Mont Cenis en 1869. Gravure « Nouvelles conquêtes de la science ».
Même en rampe de 66 pour 1000, le tracé d’une voie posée sur la route reste ardu et en zigzags, et de type « Transandin » mais sans rebroussements. Les nombreux refuges, présents sur cette carte d’origine Chaix, montrent que, du temps des diligences, la traversée du Mont Cenis était très dangereuse.

Le système Hanscotte : verrouiller les trains à la voie, quand il y a du vent.    

Nous sommes en France, en 1906. Lorsqu’il faut escalader une montagne imposant une différence d’altitude de 1000 m à une voie ferrée, et lorsqu’il faut « asseoir cette voie sur un trachyte terreux et même cendreux » bien friable, et lorsque les vents sont si violents qu’ils peuvent renverser les trains, comment faire ? L’ingénieur Hanscotte, au début du XXe siècle, a la solution avec un système verrouillant mécaniquement les trains à la voie et qu’il a déjà utilisé en 1904 pour le tramway électrique de La Bourboule.

A l’époque, un des objectifs imposés aux ingénieurs est qu’il faut faire très simple et surtout plus économique que la crémaillère, quand une municipalité, peu fortunée par définition, veut construire une petite ligne de montagne transportant les touristes vers un des sommets du voisinage.

En 1862, Nicolas Riggenbach, un ingénieur suisse de grand talent, dépose un brevet pour un système de crémaillère qui sera utilisé non seulement sur le chemin de fer suisse du Righi en 1870, mais aussi aux Etats-Unis, puis dans le monde entier. Le système se compose d’une échelle couchée dans l’axe de la voie. Les dents d’une roue située sous la locomotive s’engrènent dans les barreaux de section trapézoïdale.

La crémaillère, comme l’ont montré aussi plusieurs autres ingénieurs comme Abt ou Locher, est la seule solution permettant à un train de monter une forte rampe, mais, c’est vrai, elle demande un positionnement très précis, elle demande une grande précision mécanique, et elle coûte cher.

C’est pourquoi d’autres ingénieurs essaient de trouver des solutions comparables, mais moins complexes mécaniquement. Jules Étienne Hanscotte (1860-1936), ingénieur français des Arts et Métiers, entre à la Société de construction des Batignolles en 1898 et ses brevets déposés en nom propre furent utilisés par cette dernière, notamment le système Hanscotte utilisé sur la ligne de chemin de fer de Clermont-Ferrand au sommet du Puy-de-Dôme entre 1907 à 1926, et comprenant  des rampes atteignant jusqu’à 130 pour 1000. Hanscotte propose, en quelque sorte, une crémaillère sans dents, avec des roues lisses, classiques, enserrant un rail lisse surélevé et placé dans l’axe de la voie. A La Bourboule, en 1904, un tramway sur forte pente et donne de bons résultats pour un coût d’établissement bien moindre qu’un tramway à crémaillère. Hanscotte, du coup, est autorisé à présenter le projet du Puy-de-Dôme.

Les caractéristiques de la ligne du Puy-de-Dôme.

La Compagnie du chemin de fer de Clermont-Ferrand au sommet du Puy-de-Dôme est créée chez Maitre Lavirotte , notaire à Lyon, par un monsieur Jean Claret, ceci le 13 août 1907, et elle fusionne avec les tramways de Clermont-Ferrand en 1911. Sa voie métrique est posée entre la place Lamartine à Clermont-Ferrand et le sommet du Puy-de-Dôme. En octobre 1912, la section entre la Place Lamartine et Les Quatre Routes (2,5 km) est électrifiée et intégrée au réseau urbain de tramways de Clermont-Ferrand.

Ici, il s’agit d’affronter sur une ligne de presque 15 km, une déclivité de 120 pour mille, soit 120 mm par mètre, ou, en valeurs routières d’aujourd’hui, 12% : c’est déjà une très sévère rampe et que l’on n’autoriserait pas sur une autoroute. La voie est en écartement métrique, et la traction est à la vapeur – comme il est règle pour un temps encore sur ce type de chemin de fer de montagne en France. Le rail central supplémentaire est à double champignon, et il pèse 27 kilogrammes par mètre. Il est plus élevé de 180 mm par rapport aux rails de roulement. Il est aminci « en sifflet » à ses origines pour faciliter la prise des roues horizontales lorsque les locomotives se présentent au bas de la rampe. Il est fixé, en position couchée, sur des supports métalliques eux-mêmes assemblés sur les traverses par des tirefonds.

Le rail central est interrompu sur les passages à niveau et sur les appareils de voie. La distance de 4264 mm d’axe en axe séparant les deux groupes de roues horizontales est suffisante pour permettre ces interruptions du rail central sur de petits passages à niveau, et l’un des deux groupes reprend le contact avec le rail quand l’autre ne l’a pas encore quitté. En outre les interruptions sont pratiquées là où la déclivité est nulle. Notons que l’ensemble des 14,925 km de la ligne ne sont pas équipés en troisième rail, notamment les 2,4 km initiaux de Clermont-Ferrand à Quatre Routes, et les 9,6 km situés en amont de La Baraque sur le plateau de La Font de l’Arbre.

Le matériel roulant est construit par Fives-Lille et comprend cinq locomotives à vapeur, douze voitures à voyageurs, et un wagon couvert de service. La largeur des véhicules ne dépasse par 2,40 m, et la hauteur est de 3,85 m pour les locomotives, tandis que la hauteur du matériel remorqué est limitée à 3,30 m. Les locomotives sont toujours en tête des trains, contrairement à la pratique systématique de la pousse en queue qui est usuelle sur l’ensemble des lignes à crémaillère de montagne. Mais les locomotives fonctionnent cheminée en arrière de manière à procurer à l’équipe de conduite une vision optimale vers l’avant, car, rappelons-le, la ligne est, pour une grande partie de sa longueur, établie en accotement le long des routes.

La ligne fondée par Jean Claret ne durera pas : son exploitation est suspendue dès 1925, laissant la place à une route à péage parcourue par des autobus. Déjà…

Perfectionner n’est pas forcément simplifier.

Les locomotives sont des 030 et sont munies, outre les six roues motrices classiques, de deux groupes de deux roues horizontales, formant comme des mâchoires d’étau, et fixées à chaque extrémité de la locomotive, à 4624 mm l’un de l’autre (voir le paragraphe précédent), et pouvant coulisser latéralement pour épouser le désaxement éventuel du rail central par rapport à la voie ou ses variations de largeur. Les deux roues horizontales de chaque groupe sont fermement appuyées contre chaque face latérale du rail central grâce à l’action de pistons et de cylindres à air comprimé. Ces roues horizontales sont motrices, et actionnées par un système de chaînes Varietur et d’engrenages à chevron Citroën – André Citroën avait breveté son système bien avant de construire des automobiles.

La pression des roues horizontales contre le rail central est donc indépendante de leur usure, de celle du rail, de la largeur du rail, de la position du rail par rapport à l’axe de la voie variable notamment en courbe. Cette pression peut être modifiée par le mécanicien qui agit sur un robinet.

Les voitures du train ont aussi des roues horizontales enserrant le rail, et très utiles pour le freinage ou la résistance aux vents latéraux. Les trains circulent en rampe de 30 pour mille à 30 km/h, cette vitesse descendant à 15 km/h en rampe de 9 pour mille, et 12 km/h à 12 pour mille.

Le fonctionnement d’un système complexe mais performant.

Si le rail central avait une épaisseur mathématiquement constante et si ce rail était placé dans l’axe de la voie, et si la voie était en alignement parfait, le mécanisme à roues horizontales fonctionnerait sans que les roues aient à se déplacer latéralement. Mais de telles conditions ne peuvent pas être réalisées pratiquement, notamment dans les courbes, dans l’entrée et la sortie des courbes, mais aussi du fait du manque de planéité de la voie. Les roues se déplacent donc latéralement pendant leur rotation.

Ce mécanisme est disposé de manière à obtenir une pression contre le rail central qui soit uniforme, quelle que soit l’usure des roues, la réduction de leur diamètre, l’état du rail, et la charge à remorquer. Mais on peut faire varier cette pression et la régler en fonction des déclivités, de l’état du rail (gras ou sec, selon les intempéries), et de la charge à remorquer. Toutefois il faut maintenir parallèles les arbres des roues horizontales, quelque soient les déplacements latéraux.

Enfin, ce qui n’est pas le point le moins important, il faut que ces roues, quand elles se déplacent latéralement, ne cessent pas d’être motrices tout en ne créant pas une opposition à la marche de la locomotive. La locomotive est guidée, d’une manière classique, par les boudins de ses roues verticales, et ceci lui donne un mouvement de lacet normal du aux irrégularités de la voie et aux mouvements du mécanisme moteur, mais il ne faut pas que la pression des roues horizontales s’oppose à ces mouvements, car cela créerait une contrainte mécanique qui freinerait la locomotive ou perturberait sa marche.

Toutefois, dans les courbes à faible rayon, ces roues horizontales interviennent pour un guidage de la locomotive qui se fait beaucoup plus en douceur que d’une manière classique, avec les boudins de guidage des roues normales, ceci à la manière des rames de métro sur pneumatiques guidées par leurs petites roues horizontales.

Il est intéressant aussi d’apprendre que le système participe au freinage. Non seulement il y a des patins de freinage sur les roues motrices verticales, mais aussi sur les roues motrices horizontales, tandis que deux mâchoires viennent prendre appui directement sur le rail central, le prenant en étau. Il y a donc bien trois systèmes de freins par locomotive. Les freins agissant sur le rail central, par les roues horizontal ou par les mâchoires, ne doivent pas avoir tendance à renverser le rail et doivent donc exercer une pression équilibrée, exactement comme les freins de bicyclette appuyant de chaque coté de la jante d’une roue. Un seul levier commande le freinage sur les roues motrices horizontales et verticales. Bien entendu, sur les parties de la ligne non équipées du rail central, seul le freinage classique sur les roues motrices verticales de la locomotive est utilisé. Les voitures ne sont pas freinées depuis la locomotive, et chacune d’elles est commandée par un garde agissant sur un freinage mécanique classique.

Notons que, aujourd’hui, et depuis 2012, le puy de Dôme est toujours accessible et par chemin de fer, mais avec un train classique électrique et à crémaillère, dit « Le Panoramique des Dômes ». Le trajet est rapidement bouclé en 15 minutes grâce à des automotrices dernier cri pour se trouver à la gare au sommet, qui est souterraine pour ne pas nuire à la beauté des lieux.

Le système Hanscotte : en vert sombre, l’entraînement des roues motrices couchées par engrenages avec roues de champs (et non « roues de champ »). En vert clair, les roues couchées vues en coupe et leurs arbres verticaux d’entraînement. En rouge, le rail central posé sur ses supports.
Système Hanscotte avec roues couchées reportées aux extrémités du châssis.
Voiture du système Hanscotte, munie d’un système de freinage utilisant, à très bon escient, le rail central.
Rare vue d’un train Hanscotte en service sur la ligne du Puy de Dôme. Heureuse époque où les routes, peu encombrées, pouvaient service de champ d’essais aux ingénieurs des chemins de fer. Nous sommes au lieu dit « Les quatre routes » et la locomotive vient de pénétrer sur la portion de voie équipée d’un rail central.

Caractéristiques techniques des locomotives Hanscotte :

Type : 030T

Date de construction : 1905

Course des pistons : 520 mm

Diamètre des cylindres : 420 mm

Diamètre des roues motrices : 900 mm

Diamètre des roues horizontales : 820 mm

Pression des roues horizontales contre le rail central : de 0 à 50 tonnes

Surface de grille : 1,38 m2

Surface totale de chauffe : 72 m2

Pression de la chaudière : 14 kg/cm2

Masse totale : 28 tonnes

Poids du mécanisme à roues horizontales : 5 tonnes

Masse totale en service : 33 tonnes

Vitesse maximale : 30 km/h

Affiche du PLM de Louis Tauzin. Vers 1910.

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