Les crissements agacent les riverains des premiers chemins de fer ? Des roues folles et des rails en bois seront la solution pour les experts de la première moitié du XIXe siècle. La réduction du bruit de crissement en courbe est un problème très ancien. En effet, il est né avec le chemin de fer et ses deux ennemis jurés : la courbe et les roues calées. Les ingénieurs des premiers chemins de fer ont bien eu à faire face à ce choix cornélien : soit on cale les roues et l’on roule tout droit, soit on ne les cale pas et l’on peut accepter des courbes. Mais, rouler en courbe avec des roues calées (pour ceux qui veulent le beurre et l’argent du beurre…) fait grincer les dents et crisser les roues. Il est assez intéressant de partir chercher les origines de ce problème, et de voir comment il a hanté les esprits des premiers ingénieurs qui ont hésité entre roues folles et roues calées. Les sinistres crissements ont été la douce musique des paroles du « Ah ! Je vous l’avais bien dit ! » pour les oreilles des partisans de la roue folle, tandis que les partisans de la roue calée feignaient, sans doute, de ne rien entendre.
Des véhicules que l’on peut faire riches, mais dont il est difficile de les faire beaux…
C’est ainsi que Charles Couche, dans son magistral traité : « Voie, matériel roulant et exploitation technique des chemins de fer » (Dunod, Paris, 1870, tome II, 1ᵉʳ fascicule consacré au matériel roulant) traite du matériel roulant des chemins de fer. Peu différent des véhicules des routes, ils en diffèrent par les rebords saillants des roues et le parallélisme « plus ou moins absolu » (sic) de leurs essieux qui « ne leur permet pas de tourner court », ce qui est la seule raison leur interdisant de circuler sur les routes.
Et, encore, pouvons-nous ajouter que Couche n’est pas allé chercher très loin dans l’histoire : les véhicules à quatre roues de l’antiquité n’avaient pas d’avant-train tournant et seule la force des bœufs les tiraient de biais pour leur faire prendre les virages par une succession d’à-coups sur un chemin ordinaire. L’ensemble des « voies romaines », dallées permettaient des vitesses deux fois supérieures à celles des chemins ordinaires et ces voies étaient dotées d’ornières, au moins sur les parties en montagne. C’est d’ailleurs cette caractéristique quasi ferroviaire avant l’heure qui faisait que ces véhicules excellaient dans le guidage par ornières des voies romaines, et surtout celles qui furent taillées dans la chaussée des routes de montagne pour éviter que les véhicules ne glissent vers le ravin.
Mais Couche ajoute : « Ils n’ont pas d’ailleurs l’élégance de formes et l’harmonie de proportions à laquelle se prêtent les voitures, on peut les orner de peintures ou de dorures, on peut les faire riches, il est difficile de les faire beaux… ». Couche aimait-il les chemins de fer ?
Les particularités des véhicules ferroviaires sont :
- Les mentonnets de guidage
- Le calage des roues sur les essieux
- La conicité des bandages
- Le parallélisme des essieux
- La position des roues sous les caisses qui, elles, débordent latéralement
- La charge appliquée sur des fusées extérieures aux roues
Couche ajoute que ces particularités sont dictées par le fait de rouler sur des rails saillants, d’où la conséquence onéreuse qu’est l’établissement de voies à grand rayon de courbure. La problématique créée par la courbe et le calage est donc née.
« L’état normal des chemins de fer est l’alignement droit. C’est la trajectoire par excellence. »
C’est, très exactement, ce qu’écrit Couche dans son traité, page 2 du 2ᵉ tome. La ligne droite, comme celle du parti dans le domaine politique, est la trajectoire ferroviaire par excellence… « Si l’on s’en écarte, c’est qu’il le faut par suite d’exigences économiques imposées par la configuration du terrain, et par suite de la nécessité d’augmenter le parcours entre deux points situés à des niveaux différents pour répartir cette différence sur un développement insuffisant. »
Faut-il des courbes ? Il faut, selon le mot de Couche, appliquer au matériel « des tempéraments par lesquels il peut, sans perdre son caractère essentiel, être approprié au parcours des courbes ».
Mais, d’abord, il faut rouler droit, et faire que le véhicule se maintienne dans l’axe de la voie sans avoir recours au guidage permanent par les mentonnets – faute de quoi, les mentonnets dureront ce que durent les roses… Il a fallu très vite comprendre, pour les ingénieurs, que le calage des roues était le plus précieux des moyens, le plus performant, pour assurer ce roulement « naturel » dans l’axe de la voie sans solliciter à l’extrême les mentonnets. Avec l’accroissement des charges et des vitesses, la multiplication de causes pernicieuses détourne les véhicules de cet axe : une charge inégale sur les roues, un graissage inégal pour les deux fusées d’un même essieu, une traction « oblique ou excentrique ». C’est ainsi que l’une des roues d’un essieu tend à prendre de l’avance sur sa « conjuguée » – un joli terme d’époque : dirait-on aujourd’hui compagne ou conjointe ?
Toujours est-il que le mariage, c’est bien le calage sur un même essieu. Reprenons notre sérieux et revenons à Couche : rendre les roues solidaires en les calant sur l’essieu est la solution pour limiter cette avance en la transformant en glissement. « Le frottement intervient comme modérateur, comme gardien de la position normale de l’essieu » écrit Couche.
Des ingénieurs « distingués… »
Couche ne manque pas de descendre « en flammes » (l’expression n’est pas d’époque, car l’aviation n’existait pas encore !) un certain nombre d’ingénieurs, notamment anglais, qui sont convaincus que la situation normale est l’indépendance des roues et que « elle doit prévaloir un jour ». Ces ingénieurs, que, malheureusement, Couche ne nomme pas, acceptent les roues calées pour un matériel roulant et une voie imparfaites et rudimentaires, telle que l’on les connaît à l’époque. Ils pensent cependant que les trains du futur, plus rapides, roulant sur de meilleures voies au tracé plus favorable, auront des roues montées librement sur les essieux.
On peut comprendre que la pression latérale des rails sur les mentonnets impose à l’essieu une fatigue proportionnelle au rayon de la roue, et la contrainte est exercée au point où la roue est enfilée sur l’essieu – là où, justement, se produit la rotation de la roue autour de l’essieu dans le cas des roues folles sur essieux fixes. C’est en ce point précis, aussi, qu’il faut ménager, mécaniquement, la possibilité de la rotation par palier lubrifié ou ultérieurement par des roulements à billes – comme on le fera pour les premières automobiles dont, justement, la fusée et ses roulements resteront le point faible et délicat des avant-trains des premières voitures. La roue avant qui « choisissait la liberté » dans une descente et qui filait seule sur la route était une réalité courante de la Belle époque : les fusées, lieu de toutes les contraintes mécaniques du train avant automobile, cassaient comme du verre. La création de ce point fragile dans le chemin de fer, avec ses roulements subissant de fortes contraintes du fait de la poussée des mentonnets, inquiète les ingénieurs qui veulent conserver la solution classique, simple, et éprouvée de l’essieu monté avec ses roues calées.
Des expériences sont tentées à l’époque de Couche, notamment avec du matériel articulé de la ligne de Sceaux engagé en 1846, et dont Couche a suivi avec intérêt la tenue en service sur les courbes à très faible rayon dont Arnoux voulait prouver la compatibilité avec son système. D’après Couche, l’expérience n’a pas été propre « à éclairer ou à trancher la question », d’autant plus que, selon Couche toujours, Arnoux aurait pu éviter bien des complications techniques en utilisant, le plus simplement du monde, des « chariots américains » (que l’on nommera « bogies » ultérieurement) à essieux rapprochés qui se seraient parfaitement inscrits en courbe à faible rayon. Notons que le terme d’époque « chariot américain » est utilisé en Europe pour désigner les bogies, le matériel américain en étant déjà muni d’une manière générale.
La ligne de Sceaux : roues folles et contre-courbes à volonté.
Aujourd’hui toujours, à Paris, la façade courbe de la gare de la place Denfert-Rochereau reste le dernier témoin d’un très curieux système qui, lui, ne crissait pas, même en courbe de 25 m de rayon : en effet cette gare avait été construite pour épouser la forme de la voie en boucle de retournement du système Arnoux dont les trains pouvaient ainsi pénétrer dans la gare terminus et faire un demi-tour immédiat en parcourant la boucle sans changer de sens de marche et sans manoeuvres.
Grâce à l’appui de Thiers, d’Arago et de Laplace, le système Arnoux est choisi pour la construction de la ligne de Sceaux. Etablie dans un curieux écartement de 1,81 m, cette ligne est inaugurée le 23 juin 1846. Jusqu’à Bourg-la-Reine la ligne est à tracé normal car l’occupation du sol, déjà importante, restreint la place et impose un tracé direct. Mais entre Bourg et Sceaux, la place abonde et la ligne accumule courbes et contre-courbes à titre de démonstration: sur une distance à vol d’oiseau de 600 m, la ligne parcourt réellement une distance plus de 4 fois supérieure en totalisant 2.600 m. Les courbes sont au rayon de 50 m. Le matériel est entièrement monté sur des essieux radiants à roues folles (comme des trains avant à pivot central de charrettes) et l’ensemble des essieux radiants d’un train est commandé par des tringleries servant aussi d’attelages, et dont l’orientation est commandée par des galets inclinés posés sous la locomotive et prenant appui contre la face interne des rails.
La démonstration est certes convaincante, mais elle se fait au prix d’une perte de temps réelle, les voyageurs constatant bien que le terrain n’impose nullement un tracé aussi tourmenté. Malgré cet aspect de manège, la ligne connaît un grand succès avec 2.500 voyageurs par jour, et est prolongée quelques années plus tard jusqu’à Orsay puis Limours. Mais, le système, en dépit des appuis dont Arnoux dispose en haut lieu, n’est pas satisfaisant et il est remplacé par un chemin de fer classique en 1891.
Les partisans de la roue non calée resteront « décalés ».
A la suite des travaux de Max Maria von Weber en 1848 qui démontre, pour la première fois, l’existence de trajectoires sinusoïdales avec les essieux à roues calées, la question reste d’actualité, au moins en arrière-plan et rarement sur le devant de la scène, dans les revues et les ouvrages spécialisés. L’ingénieur allemand Klingel publie un ouvrage sur la question « Uber der Lauf des Eisenbahnwagens auf gerader Bahn » en 1883 et montre, une fois encore, que la ligne droite est la meilleure solution, et que la courbe conjuguée avec les roues calées est l’ennemi du chemin de fer.
L’ingénieur français Nadal, dans les Annales des mines en 1896 ou dans son ouvrage « Les locomotives à vapeur » en 1906, et son collègue Marié dans son « Traité de la stabilité du matériel » de 1924 remettent la question à l’ordre du jour. L’ingénieur allemand Bäseler, bien connu pour ses traversées de jonction double qui caractérisent le chemin de fer d’Europe centrale, aborde de nouveau le problème dans son article « Das Gehmeimnis der Freien Lenkachse » dans la revue des chemins de fer allemands de 1929, proposant la solution des essieux radiants pour faciliter l’inscription en courbe.
La revue britannique « The Locomotive » publie un article en octobre 1938 « The free wheel on railway vehicles » dans lequel il est démontré que la roue tournant librement sur l’essieu fixe diminuera la résistance au roulement en courbe jusqu’à une valeur de 27,5 %, notamment pour les véhicules à grand empattement.
Aujourd’hui encore, malgré les efforts de ces « distingués ingénieurs », l’essieu monté à roues calées continue d’inonder l’humanité de ses bienfaits, et le Parisien moyen peut se boucher les oreilles ou serrer les dents, notamment sur la ligne 13 du métro, dans les courbes fameuses encadrant la station Saint-Lazare, où les crissements aigus rappellent que le cri du métal torturé est insupportable pour les âmes sensibles.
La fausse solution : la roue presque silencieuse, mais qui « crisse » un peu quand même.
Un certain nombre d’ingénieurs ont essayé, au cours du XIXe siècle, de faire des roues silencieuses, mais classiques, calées sur le corps d’essieu, et n’ayant comme seule différence avec la roue tout acier que l’interposition d’un « matelas » insonorisant qui briserait le passage des vibrations. Le bois, ou même le papier mâché, est une solution essayée sur de nombreux réseaux, notamment sur les lignes anglaises pour épargner les oreilles des fragiles et exigeants « gentlemen » voyageant en voiture Pullman. D’autres constructeurs, notamment Bugatti pour ses autorails, utilisèrent la technique de l’interposition de caoutchouc dans le « voile » métallique de la roue, entre la table de roulement et le la partie centrale emmanchée à force sur le corps d’essieu. Il semble que la tenue de ces roues, dans le temps et à la distance parcourue ait fait naître des inquiétudes, en dépit des revues spécialisées.
Enfin des roues, compliquées, qui ne crissent vraiment pas du tout.
Alors, avec la conicité, cela ne crisse pas ?
Le « Traité des chemins de fer» de G. Humbert de 1891 apporte une réponse chiffrée et scientifique à cette question. La conicité des roues au 1/20ᵉ n’a de sens que pour des courbes d’un rayon de 500 mètres, et pour des rayons inférieurs ou supérieurs, il y a des contraintes mécaniques et des glissements et surtout des crissements… La conicité ne sert donc pas à jouer un rôle de « différentiel » entre les deux roues d’un essieu monté, malgré une opinion fort répandue, y compris dans les milieux ferroviaires. Chaque rayon de courbure exigerait sa propre conicité ! L’utilité de la conicité est d’éviter un roulement en lacet avec des chocs violents des boudins de guidage contre les faces internes des rails. C’est déjà beaucoup.
Nous vous laissons lire, en guise de conclusion, ces deux pages 255 et 256 du « Traité des chemins de fer » de Humbert, elles-mêmes étant extraites du fameux cours de chemin de fer de Sévène (utilisé dans les Grandes écoles de l’époque) très instructives et « en direct ». Notons que nous avons déjà donné ces deux pages en guise de conclusion pour un article, déjà paru, sur la conicité des roues. La conicité et le crissement, décidément, ont partie liée…
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