La crémaillère, sa vie, son œuvre.

Présente dès les débuts du chemin de fer, la crémaillère est bien un système ferroviaire exceptionnel, utilisé pour les lignes à très fortes rampes et pentes pour résoudre le problème du manque d’adhérence de la roue acier sur le rail acier, ceci aussi bien en traction qu’en freinage, et aussi bien en palier qu’en rampe. Avec elle, les chemins de fer ont conquis les montagnes à une époque où, seul moyen de transport, ils devaient aller partout. Mais pour Nicolas Riggenbach, l’inventeur du premier système réellement mis en place, les choses furent bien difficiles, car on lui contesta la paternité de son invention.

Les premières craintes, toujours salutaires, de messieurs les ingénieurs.

La crainte du manque d’adhérence des locomotives est au cœur de la problématique ferroviaire dès le départ de cette grande aventure. Les ingénieurs craignent que la simple adhérence ne puisse permettre aux locomotives d’entraîner les trains. Les calculs, toujours angoissants, démontrent qu’une locomotive de vingt tonnes ne pouvait mathématiquement entraîner un train pesant plus de vingt tonnes sans qu’elle patine. On supposait que, dans ce cas, les deux masses s’équilibraient, et que l’on supposait aussi que les roues des locomotives et des wagons étaient « mathématiquement » lisses. On ne savait pas que les tables de roulement des roues se déformaient sous le poids de la locomotive et s’écrasaient sur le champignon du rail, créant une imperceptible surface favorisant l’interpénétration des surfaces des métaux de la roue et du train et créant un imperceptible « engrenage ». À trop supposer, faute de pouvoir observer et mesurer, on calcule toujours de travers…

Et, il y avait encore, dans les années 1850, des débats houleux à ce sujet dans les milieux scientifiques, alors que des locomotives « Crampton », pesant 29 tonnes, pouvaient remorquer, à 100 km/h, des trains pesant plus d’une centaine de tonnes. Les savants ne s’en étaient pas encore aperçus.

Pour commencer, l’ingénieur anglais Blenkinsop construit, en 1812, une locomotive pour trains miniers, circulant, même en palier, avec l’aide d’une crémaillère latérale à la voie. De son côté, l’ingénieur Brunton réalise, en 1810, une locomotive mue par des béquilles, ou jambes articulées, avec des pieds marchant sur le sol et qui poussent la locomotive en avant. Mais les ingénieurs s’aperçurent que, concrètement et plus pour des raisons de manque de puissance que de manque d’adhérence, il fallait bien limiter les rampes à quatre ou cinq pour mille, et, au-delà, avoir recours à des techniques différentes. Le manque d’adhérence, ce sera pour plus tard, avec des trains plus lourds et des rampes plus prononcées. En effet, à 40 pour mille, une locomotive ne remorque plus que le double de son poids et à 60 pour mille son propre poids seulement.

Le grand débat de la fin des années 1880.

Anatole Mallet, le grand ingénieur suisse à qui l’on devra les locomotives « compound » et articulées dans le monde entier, se passionne pour les chemins de fer à crémaillère dont, d’ailleurs, la Suisse est la patrie, et supporte très mal le doute professé quant à leur avenir par un autre grand de l’époque, le Français Charles Couche, dont les traités font autorité.

Mallet sait que l’emploi de la crémaillère peut fournir, sur les chemins de fer, une adhérence artificielle, et que cette technique a été essayée par Blenkinsop, dès l’origine de la locomotive. Mais ce n’est que depuis les années 1860-1870 que l’application de ce dispositif a été réalisée d’une manière pratique et a pris rapidement une importance considérable.

Si on laisse de côté quelques tentatives faites en Angleterre et en Amérique, dans lesquelles un rail denté en fonte agissait concurremment avec l’adhérence sur des plans inclinés de chemins de fer ordinaires et à titre de solution provisoire, on peut dire que les chemins de fer du Mont-Washington aux États-Unis, et du Rigi, en Suisse, construits presque simultanément, ont été les premiers véritables chemins de fer à crémaillère du monde et ceux dont tous les autres sont des descendants.

 
Anatole Mallet note, dans un article écrit pour la « Revue Générale des Chemins de Fer » en 1888, que ces applications ont été suivies d’un grand nombre d’autres, et « cette solution, regardée au début avec défiance presque par tout le monde, commence d’être généralement acceptée et même considérée par beaucoup comme un auxiliaire précieux capable de rendre, dans certains cas, les plus grands services pour l’établissement économique des chemins de fer ».

Les débuts de la crémaillère au mont Washington ?

Le chemin de fer du Mont Washington, dans l’État de New Hampshire, est construit par Sylvester Marsh. La ligne est ouverte sur une première section en août 1868, puis sur la totalité de sa longueur dans l’été de 1869. Un tout premier essai a eu lieu sur un petit tronçon d’essais dès 1866, et l’idée de faire un chemin de fer sur le mont Washington aurait été conçue par Marsh dès 1857.

Les premiers renseignements sont publiés dans le numéro de la revue américaine « Artizan » du 1ᵉʳ octobre 1868, mais se réduisent à une simple mention, sans aucun détail sur la construction de la machine et de la crémaillère. Un an plus tard, la revue « Engineering » dans ses numéros des 26 novembre et 24 décembre 1869, donne une description très sommaire de ce chemin de fer, le dernier de ces numéros reproduisant, d’après des photographies, des vues à trop petite échelle, pour que les lecteurs puissent distinguer des détails de la machine et de la voie, et se faire une opinion.

« Les Rigi sont rares ».

Le premier essai du chemin de fer du Rigi a lieu seulement le 21 mai 1870 et l’ouverture en a été retardée d’un an par l’impossibilité, du fait de la guerre franco-allemande, d’avoir plus tôt le reste des rails fabriqués à Ars-sur-Moselle. Mais, d’après Mallet, cet incident de parcours inspire à Charles Couche l’analyse de la page 727 du Tome II de son grand ouvrage « Voie, matériel roulant et exploitation technique des chemins de fer » qui explique que la crémaillère « simple et hardie » du chemin de fer du Mont Washington a déterminé deux habiles ingénieurs suisses, messieurs Riggenbach et Näff, « à la reproduire dans des conditions à peu près identiques. »

Mallet explose : « Le savant Inspecteur général des mines (il s’agit de Couche dont Mallet se plaît à rappeler qu’il n’est pas du bercail ferroviaire…) avait-il réfléchi que des ouvrages comme le chemin de fer du Rigi ne se font pas en quelques jours, qu’il faut des études préparatoires, des demandes de concession, des formalités, des réunions de capitaux, toutes choses qui, avec, l’exécution proprement dite, exigent des années et que, si les constructeurs du chemin de Rigi avaient attendu la réussite du chemin de fer du Mont Washington, ce n’est pas quelques mois après celui-ci qu’ils auraient ouvert leur ligne à l’exploitation, mais trois ou quatre ans plus tard ».

Et Mallet en remet une… couche pour Couche : « Cet esprit distingué, si juste dans la plus grande partie de ses vues, s’est, on peut le dire, trop empressé de limiter les applications du système. On a souvent reproduit sa fameuse phrase « Les Rigi sont rares », encore accentuée par les lignes qui la précèdent : « On ne voit guère à quelles autres circonstances que le Rigi peut s’appliquer le système à crémaillère. »

Ces lignes sont écrites en 1873, peu de temps après l’ouverture du Rigi, il est vrai, et depuis lors, en moins de quinze années, on compte en 1888 pour l’Europe seulement, une quarantaine de lignes à crémaillère en exploitation, dont quelques-unes de grande importance. Mallet jubile.

Pourquoi tant d’ingénieurs ne croient pas en l’avenir de la crémaillère.

La position de Couche est juste en théorie : pour le déplacement du poids du moteur à bord de la locomotive, et sur une longue rampe très sévère, les contraintes sont telles que le rendement global du système puisse être mis en doute. Mallet, pour sa part, maintient que si ces craintes peuvent s’avérer fondées a priori, le nombre de lignes en service prouve la valeur du système et que l’auteur du chemin de fer du Rigi a été le propagateur des chemins de fer à crémaillère en Europe et ailleurs, et qu’il aurait le droit d’attacher son nom à ce système, avec autant, sinon plus, de titres que Marsh qui, chose à noter, n’a jamais reproduit son unique application, tandis que l’ingénieur suisse n’a cessé de développer et de perfectionner les siennes.

Riggenbach est chargé, dès 1853, de la Direction du matériel et de la traction du chemin de fer du « Central-Suisse ». Il doit aussi s’occuper de la rampe de 26 pour mille qui va d’Olten à l’entrée du grand tunnel du Hauenstein. La difficulté de la traction, sur cette rampe, située dans une région alpestre, les patinages fréquents et leurs conséquences plus ou moins fâcheuses, appellent son attention sur l’avantage qu’il y aurait à recourir à l’adhérence artificielle, lorsque l’adhérence simple devient insuffisante, et sur la possibilité qu’il y aurait, dès lors, d’aborder des inclinaisons beaucoup plus considérables que celles en usage sur les chemins de fer ordinaires.

Il se met au travail et cherche à perfectionner la crémaillère de Blenkinsop et arrive à des formes de crémaillères à échelle et à des types de locomotives à engrenages permettant de faire des essais.

L’ingénieur Riggenbach fait exécuter des modèles qu’un très grand nombre de personnes peuvent voir, notamment le célèbre professeur Culmann, de l’École polytechnique de Zurich, qui vient souvent à Olten pour faire des essais de résistance des matériaux, et qui, lui aussi, exprime un grand doute sur la valeur des chemins de fer à crémaillère : « Une locomotive munie d’une grande roue dentée et gravissant péniblement le long d’une crémaillère ordinaire, est, au point de vue mécanique, une énormité ! »

Riggenbach a la bonne idée de prendre un brevet en France.

Les modèles de Nicolas Riggenbach sont montrés dans diverses réunions d’ingénieurs et d’architectes, avec des brochures explicatives, mais l’idée la plus heureuse est de prendre un brevet d’invention en France, par une demande déposée le 12 Août 1863, sous le numéro 59.625 et le titre: « Nouveau système de voie et de locomotive destinées au franchissement des montagnes », et, pour son brevet français, l’ingénieur suisse fait élection de domicile dans les bureaux d’André Kœchlin et Cie, à Mulhouse qui est parmi les plus grands constructeurs de locomotives en Europe à l’époque.

Le brevet décrit l’adjonction, au milieu de la voie ordinaire, dans l’entraxe exact des rails, d’une crémaillère de forme spécialement conçue pour ne pas retenir et faire s’écouler sur la voie toutes les substances, comme le sable, les menus charbons, les cendres, la neige, et tout ce qui viendrait à tomber sur la crémaillère. Cette crémaillère est à échelle, avec des dents rapportées à section trapézoïdale. La locomotive a une transmission démultiplicatrice à engrenages pour diminuer la vitesse et augmenter l’effort de traction et créer une possibilité de descendre des charges considérables sans danger, la machine faisant frein naturellement par son engrènement avec la crémaillère – du moins tant que la roue dentée ne se soulève pas au-dessus du rail.

Des dessins très complets accompagnent ce brevet déposé au Conservatoire National des Arts et Métiers, à Paris et qui constitue un document dont l’authenticité est absolue et la date certaine. Il est bien difficile, en effet, de soutenir dès lors que Riggenbach ait pu importer d’Amérique, en 1869, et même en 1866, un système qu’il avait fait breveter dès 1863…

La crémaillère : une invention américaine ou suisse ?

Dans les années 1880, un conflit oppose l’opinion publique américaine et suisse sur le thème de la paternité de l’invention. Un journal américain, voulant prouver qu’il y avait plagiat de la part de l’ingénieur suisse, mais forcé d’admettre l’existence du brevet de 1863, a imaginé que Riggenbach, dans la crémaillère du Rigi, n’avait pas reproduit les dispositions de son brevet, mais copié celles du chemin du Mont Washington. Le journaliste ajoute que les constructeurs du Rigi avaient eu connaissance des appareils de Marsh par une visite au Mont Washington et un rapport fait en Juin 1869, par un jeune ingénieur suisse, Groeniger, alors aux États-Unis.

Or la visite et le rapport de Groeniger ne pouvaient avoir aucune influence sur les dispositions du matériel du chemin de fer du Rigi qui était en pleine construction depuis longtemps. Quant à la différence alléguée de la crémaillère du brevet avec celle du Rigi et la similitude absolue entre cette dernière et la crémaillère de Marsh, elles ne sont qu’apparentes et obtenues, grâce à un habile procédé de sélection qui consiste à ne représenter qu’une des dispositions de crémaillère contenues dans le brevet (la moins bonne naturellement) et à ne donner, pour les autres, que des vues ne permettant pas de juger de la forme réelle des dents. On ne peut voir, par exemple, que les dents du brevet et celles du chemin de fer du Rigi sont à section trapézoïdale, tandis que les dents du Mont-Washington sont de simples fuseaux. Si on donne les dessins au complet, tout ce trompe-l’œil s’évanouit.

L’institut de France, « le premier corps savant du monde » d’après Anatole Mallet, l’a formellement reconnu. En décernant, dans sa séance annuelle du 23 février 1885, le prix Montyon de Mécanique à Nicolas Riggenbach, l’Académie des Sciences mentionnait entre autres faits la construction des chemins de fer de montagne et en particulier la bonne disposition de la crémaillère et l’emploi de l’air avec injection d’eau faisant office de contre-vapeur à la descente.

La crémaillère à échelle de Riggenbach : pas si bonne qu’on le prétend ?

Mais la guerre contre Riggenbach ne se termine pas pour autant, car d’autres de ses adversaires ou concurrents présentent de nouvelles formes de crémaillères, et pour les faire mieux valoir, on a répété sur tous les tons que la crémaillère à échelle avait fait son temps, qu’elle n’était plus à la hauteur des besoins, et on lui découvre subitement une grande quantité de défauts.

Et pourtant cette crémaillère, qui a vingt ans d’existence, a été appliquée par son auteur lui-même à 34 chemins de fer en service ou en construction, soit entièrement à crémaillère, soit à traction mixte, soit funiculaires, dont neuf en Suisse, quatre en Autriche-Hongrie, dix en Allemagne, cinq en Portugal, deux en Italie, deux au Brésil, un en Asie et enfin un en France (à Langres), pour ce qui est des utilisations connues.

Un des élèves de Riggenbach, l’ingénieur Abt, découvre que la juxtaposition de deux crémaillères à dents verticales, mais décalées, donne un mouvement plus doux. Il perfectionne son système en créant des crémaillères à trois dentures décalées utilisées pour les lignes à très fortes rampes.

L’ ingénieur Strub, lui, imagine une crémaillère découpée dans le champignon d’un rail ordinaire, solution qui est utilisée pour la ligne de la Jungfrau, ligne la plus élevée d’Europe quand elle est ouverte en 1912, puisqu’elle culmine à 3 457 mètres.

Enfin le système Locher est utilisé pour les lignes ayant des rampes considérables, comme celle du mont Pilate en Suisse avec 480 millimètres par mètre soit 48 % ! Avec de telles rampes on craint que la roue dentée ne se dégage de la crémaillère et ne monte par dessus les dents. Le système Locher, pour répondre à ce risque, se compose de deux roues dentées horizontales enserrant une crémaillère plate équipée de deux dentures horizontales taillées en opposition l’une par rapport à l’autre. Le système offre ainsi toutes les garanties mécaniques contre le soulèvement de la roue puisque l’effort s’exerce horizontalement sur une crémaillère prise en étau entre deux roues dentées couchées.  Notons que ce système ne doit pas être confondu avec le simple système à rail central qui lui ressemble et qui consiste en un rail lisse posé dans l’ axe de la voie et enserré entre deux roues appliquées par air comprimé : c’est le système Hanscotte, essayé en France, par exemple, à La Bourboule ou au Puy au début du siècle.

Problèmes de traction.

Les premiers trains à crémaillère du XIXᵉ siècle sont à vapeur dans la mesure où c’est la seule force motrice disponible. Mais l’inconvénient de la traction à vapeur est que l’eau de la chaudière, sur les fortes rampes, s’accumule dans la partie de la chaudière située vers le bas de la rampe, et cela nuit à la production de vapeur et risque même de provoquer une explosion de la chaudière dans la mesure où le feu attaque directement une partie du foyer mise à nu, et le détruit.

Les ingénieurs trouvent la solution de la locomotive à chaudière inclinée, dite « kneeling cow » par les anglo-saxons, dans la mesure où, arrêtée à l’horizontale dans la gare de départ, la locomotive se présente avec sa chaudière fortement inclinée vers l’avant, lui donnant l’aspect d’une vache agenouillée sur ses pattes avant. D’autres ingénieurs utilisèrent des chaudières verticales et inclinées, ou horizontales mais disposées transversalement pour ne pas subir l’inclinaison de la pente

Mais la traction électrique seule est parfaitement adaptée aux lignes à très fortes pentes, et les premiers chemins de fer à très haute altitude, comme la Jungfrau ou le Gornergrat en Suisse, sont à traction électrique. Toutefois, la fragilité des caténaires craignant les chutes de neige obligea les réseaux à effectuer une surveillance très active, et même, dans certains cas, à démonter les caténaires et à fermer les lignes en hiver.

Les appareils de voie à crémaillère : une complexité extrême.

À la fois curiosité technique du chemin de fer et superbe pièce de mécanique, l’appareil de voie pour chemins de fer à crémaillère a posé bien des problèmes pour sa mise au point, et semble un défi aux lois de la mécanique quand on voit les parties de la crémaillère bouger ou pivoter et se mettre en place à chaque changement de position. Pourtant ce système fonctionne bien et assure une sécurité qui n’a jamais été prise en défaut.

L’ensemble des quatre principaux systèmes de crémaillère, Riggenbach, Abt, Strub et Locher, inventés à la fin du XIXe siècle, pose le délicat problème du changement de voie pour un train. On peut résoudre le problème en le supprimant…. et un certain nombre de lignes sont construites avec des crémaillères uniquement sur les rampes, les appareils de voie étant seulement présents dans les gares ou zones de croisement spécialement prévues en palier et démunies de crémaillère.

Mais l’interruption de la crémaillère pose un autre problème, celui du début de l’engrènement de la roue dont les dents doivent bien coïncider avec celles de la crémaillère, faute de quoi un choc se produit avec risque de soulèvement de la locomotive et « dégrènement » (terme d’époque) de la roue. Et d’autre part il est très difficile, sinon impossible, de ménager des zones plates quand le site de la ligne est très escarpé. Le « tout crémaillère » s’impose alors comme une nécessité.

La solution : l’audace mécanique.

Il faut donc bien prévoir une crémaillère continue pour les lignes en rampe continue. Mais il est hors de question, sauf dans le cas où ce serait une ligne à un seul train, d’éviter des appareils de voie notamment sur les indispensables zones de croisement réparties le long de la ligne et permettant un trafic intense.

La solution employée, par exemple pour la célèbre ligne de la Jungfrau, est l’appareil de voie à tronçons de crémaillère mobiles. Dans la mesure où les roues d’un train suivant une direction donnée coupent nécessairement les rails de l’autre direction, il faut bien que la crémaillère de la direction non donnée soit interrompue pour laisser le passage libre pour ces roues. Des tronçons de crémaillère sont montées sur un pivot central et prennent un angle différent, actionnées par des leviers et des renvois solidaires de l’appareillage de commande des lames mobiles de l’appareil de voie. Ces tronçons peuvent se positionner par-dessus les rails de la direction non donnée pour former un chemin continu pour la direction donnée.

La crémaillère Wetli : quelque chose de Citroën.

Ce système pourrait, à première vue, paraître comme inutilement baroque et « tarabiscoté », mais il ne l’est nullement. Tout le monde connaît les engrenages à chevrons dont André Citroën, avant de construire des automobiles, en fabriqua comme pièce industrielle en achetant le brevet d’un mécanicien polonais talentueux. L’ingénieur suisse Kaspar Wetli a exactement la même idée, pour les chemins de fer à crémaillère, et pour les mêmes excellentes raisons qu’André Citroën, car ces engrenages sont extraordinaires.

 Pour bien centrer le débat, et le débattement.

Ces engrenages à chevrons ont de nombreuses qualités mécaniques, en particulier celui de parfaitement centrer l’effort lors de sa transmission, ce qui évite les contraintes mécaniques latérales et les frottements des engrenages à denture droite classiques. Ce sont donc, pourrait-on dire, des engrenages « autocentreurs » à la manière de Citroën, ignorant toute tendance à glisser latéralement et à exercer des pressions ou des contraintes indésirables et générateurs d’usure. C’est bien ce que perçoit André Citroën lorsqu’il se lance dans leur fabrication industrielle, et il en sera le symbole de sa marque. Aujourd’hui toujours, d’ailleurs, les chevrons Citroën sont là pour le rappeler.

Le système WetIi est appliqué pendant quelque temps, sur la ligne de Wädenswil à Einsiedeln en Suisse. Les dents de la crémaillère sont disposées obliquement à l’axe de la voie de manière à former un engrenage hélicoïdal sur lequel les frottements sont beaucoup moins sensibles que sur les dents rectilignes des engrenages ordinaires. Elles forment alors autant de chevrons en forme de V, ayant leurs sommets dans l’axe de la voie, et posés sur les traverses entre les rails. Le tambour moteur, pourvu de saillies hélicoïdales formées par l’enroulement de ce « V » engrène avec ces chevrons successifs, ceux-ci étant rapprochés de manière à ce qu’il y en eût toujours au moins un en prise.

La catastrophe imprévue.

Kaspar Wetli n’a pas eu de chance.  Son système, déjà relativement complexe et difficile à installer sur les voies, est abandonné à la suite d’un accident terrible qui se produit le 30 novembre 1876, après un mois d’essais. Un train est monté au sommet de la rampe avec un wagon de marchandises chargé à 20 tonnes. À la descente, plusieurs dents de la crémaillère se brisent, laissant alors la locomotive et le wagon dévaler la pente avec une vitesse vertigineuse. Les freins sont, alors, impuissants et ne peuvent plus modérer la vitesse, et le train vient se briser au bas de la pente avec son wagon.

La conclusion d’une commission d’experts est qu’il semble toutefois que « cette catastrophe doit être attribuée plutôt aux défauts de la construction qu’à un vice inhérent au système lui-même, et il y a lieu de penser qu’avec une crémaillère plus robuste et une voie bien construite » aurait permis au système Wetli de donner des résultats aussi satisfaisants que les crémaillères à dents rectilignes des systèmes classiques.