Comment peut-on (encore) aimer les très vieux wagons ?

Les premières lignes de chemin de fer ont été faites pour le transport du charbon. George Stephenson, dès les années 1810-1820, refusait de transporter des voyageurs : « Les voyageurs ? Ils voyageront à la vitesse du charbon. » disait-il. Et, autour des mines, tout a commencé par des wagons.

La très ancienne, longue et persistante évolution des wagons à marchandises fait que l’on a oublié l’époque de leurs débuts – sauf pour quelques passionnés de chemins de fer et de très rares auteurs qui, aujourd’hui, osent encore se lancer dans cette histoire lointaine (voir en fin d’article). Le fait est significatif : l’intérêt porté aux très vieux wagons à marchandises n’a jamais fléchi, et, aujourd’hui encore, de courageux et désintéressés auteurs se lancent dans cette aventure.

Par rapport aux voitures qui ne transportent que des voyageurs et dont le cahier des charges ne varie guère en matière de différences de charge à transporter, de conditions de transport, de vitesse, les wagons à marchandises ont, dès leurs débuts, la vie dure avec des différences de contraintes importantes sur la suspension ou le châssis selon la marche à vide ou en pleine charge, des mécaniques efforts au démarrage et au freinage importants, des variations de vitesse ou de qualité des voies extrêmes… C’est pourquoi leur construction est à la fois complexe pour leur donner les caractéristiques de souplesse d’emploi et de résistance voulues, mais à la fois très traditionnelle et même parfois simple pour qu’ils puissent conserver leurs qualités sur les longues distances et les longues périodes séparant les opérations d’entretien. Ils doivent s’adapter à toutes sortes de chargements, toutes sortes de voies et de lignes, et même endurer des conditions d’utilisation que l’on peut qualifier, pour reprendre un mot à la mode, d’« extrêmes ».

Il est vrai que le passage, aujourd’hui, très sonore d’un train de marchandises traversant une gare dans un fracas de ferraille n’évoque pas, le plus souvent, une idée de technique très évoluée. Mais le croire serait une erreur, car, si le matériel à marchandises a le caractère rudimentaire de ce qui doit résister à tout, il est néanmoins l’objet d’une étude minutieuse. Les organes de roulement, de suspension, de traction et de choc ne diffèrent pas fondamentalement de ceux de l’ensemble des véhicules ferroviaires, mais le réglage de certains d’entre eux, comme le freinage et la suspension, doit tenir compte des très fortes variations de poids représenté par les cas extrêmes d’un wagon vide ou à pleine charge, sans compter tous les cas intermédiaires de charge plus ou moins complète, ou, pour les wagons-tombereaux, par exemple, des différences de densité entre divers matériaux transportés donnant des différences de charge très importantes à volume égal.

À l’époque, tout se joue au niveau de la caisse du wagon dont la nature du chargement à transporter détermine les caractéristiques techniques, les formes, les volumes, la présence d’un toit ou non, de portes, etc. Il est vrai que toutes les voitures à voyageurs ne transportent que des voyageurs et que tous les voyageurs du monde peuvent monter dans toutes les voitures du monde… Du côté des wagons à marchandises, il a bien fallu créer, très tôt dans l’histoire des chemins de fer, des wagons spécialisés : il n’est pas possible de transporter des liquides dans un wagon-tombereau ou couvert, ni de mettre du sable ou d’autres pulvérulents dans un wagon-citerne, et, même au sein des wagons-citernes, il y a des variantes en fonction des liquides à transporter.

Une histoire longue et complexe, techniquement.

Ancêtres du matériel remorqué, puisque ayant existé bien avant les voitures de voyageurs, les wagons de marchandises marquent le rôle utile du chemin de fer dans le domaine de l’industrie et du commerce. Ils restent, dans l’opinion du grand public, des serviteurs discrets et oubliés, vivant à l’ombre de la voiture de voyageurs, circulant sur la pointe des pieds la nuit pour s’adonner à des tâches obscures, loin des grandes gares animées.

En dépit d’une apparente diversification des wagons de marchandises, s’étendant actuellement jusqu’à plus de 40 types divers, le principe de fond reste le même avec une caisse à bords plus ou moins hauts, ou bien une caisse couverte reposant sur un châssis, même si l’on a ajouté une foule de perfectionnements, comme des systèmes de déchargement par trémies, ou des systèmes de bâchages rapides, ou des systèmes spéciaux pour le transport de semi-remorques routières ou de conteneurs. Avec cette diversification datant d’il y a une cinquantaine d’années, un changement s’est fait dans les matériaux de construction avec la quasi-suppression du bois.

À l’origine, le wagon de marchandises s’inspire étroitement, comme la voiture de voyageurs d’ailleurs, des techniques des véhicules routiers de la première moitié du XIXe siècle. Un châssis formé de deux longerons en bois, puis ultérieurement en acier, reposant sur deux essieux au moyen de plaques de garde qui permettent un coulissement vertical de l’essieu pour la suspension et quatre ressorts à lames qui assurent cette dernière fonction, voilà la « typologie » du wagon de marchandises fixée d’une manière permanente de 1830 à 1950. À cette même époque, environ 90 % du parc de wagons de marchandises étaient formés de la sorte avec des plats, des tombereaux et des couverts à deux essieux.

Seules les plaques de garde guidant les débattements verticaux de l’essieu sont une technique ferroviaire : le reste est routier dans son principe même. Les dimensions plus importantes et le recours au métal tendront toutefois à donner au wagon de marchandises un aspect et des techniques quelque peu différents, entraînant, par exemple, un système de choc et de traction spécifiques au chemin de fer.

Mais d’autres techniques, comme le freinage à vis et timonerie, sont étroitement inspirées de « camions » hippomobiles du moment, et la quasi-totalité du parc de wagons de marchandises anglais, après la dernière guerre encore, connaît toujours ce système obligeant les mécaniciens et chauffeurs à arrêter leur train avant une pente et à aller serrer individuellement tous les freins des wagons du train, en appuyant toutefois sur des leviers à crémaillère, chose plus commode que de tourner un volant.

Sur ce châssis à longerons, on trouve, outre les entretoises, les deux traverses de tamponnement supportant, à chaque extrémité, les organes de traction (attelage) et de choc (tampons). Les premiers wagons étaient attelés par de simples chaînes à trois maillons (dites «three link coupling »), c’est-à-dire un système qui reste en vigueur jusque très récemment au Royaume-Uni. Ces chaînes se tendaient les unes après les autres au démarrage du train, formant de redoutables « coups de raquette » responsables de bien des ruptures d’attelage, sans parler des dégâts occasionnés aux marchandises. Quant aux tampons, ils ne sont apparus que vers 1840, les extrémités de longerons du châssis en tenant simplement lieu auparavant.

Par-dessus le châssis, on bâtit la caisse : il s’agit essentiellement d’une ossature métallique recevant un garnissage de planches sur les parois et un toit recouvert de toile goudronnée pour les couverts. Le principe de la caisse à brancards et à tirants métalliques ne varie plus guère ensuite, donnant aux wagons cet aspect caractéristique et complexe. Bien entendu, le plancher est, lui aussi, en bois, tout comme les marchepieds, ou même les guérites de serre-frein.

Du point de vue de l’ingénieur, les wagons ont suivi une évolution tout à fait identique à celle des voitures. Ils ont été entièrement en bois, dès l’origine, y compris leur châssis, à l’exception de quelques pièces en fer servant à l’assemblage, ou certaines parties des roues. Puis, peu à peu, ils ont bénéficié des progrès de la construction métallique avec un châssis puis une ossature fabriqués en acier. Leur capacité, faible au début, et d’environ une tonne ou deux, a augmenté peu à peu pour atteindre la dizaine de tonnes vers 1860, puis, par une évolution continuelle, elle est passée au triple de nos jours pour le wagon à deux essieux, et peut atteindre la soixantaine de tonnes pour les grands wagons à bogies spécialisés, et même la centaine de tonnes sur certains réseaux industriels spécialisés, notamment dans les pays neufs.

La première réponse à l’excès de demande de transport : faire léger.

Les trains de marchandises s’allongent, s’alourdissent à partir de 1860, et les réseaux ne savent plus comment répondre à une demande qui croît vertigineusement. Vers 1880, la capacité des lignes est utilisée à fond, aux limites de la signalisation en ligne et des capacités de garage sur les faisceaux en gare, créant un grand stress chez les aiguilleurs, le personnel des gares, le personnel de l’exploitation. En 1910, c’est la saturation du réseau, le « choc de l’imprévu » selon le mot célèbre du professeur François Caron.

Les équipes de conduite doivent utiliser les locomotives en étant continuellement à la limite des possibilités de ces dernières, tandis que ces trains lourds à remorquer sont tout aussi difficiles à freiner à une époque où le freinage continu est encore inconnu et où des armées de vigiles et de serre-freins, postés sur les wagons, guettent les coups de sifflet leur donnant l’ordre de serrer ou de desserrer.

Les ingénieurs sont bien obligés de constater que les locomotives, d’un type courant, proches de celles qui assurent l’ensemble du trafic marchandises à l’époque sur le réseau français, offrent, par leur faible puissance de traction, des charges qui décroissent très rapidement avec la vitesse, mais surtout avec le profil – même si ces deux éléments conservent des valeurs qui passent pour très modérées aujourd’hui. Que faire avec cent cinquante à deux cents tonnes remorquées à un modeste 20 km/h sur une ligne avec des rampes de seulement 10 pour mille ?

La réponse est de faire des wagons très légers, pour commencer. C’est ce qui explique, vers 1910 encore, la présence de nombreux wagons en bois, châssis compris, dont la tare est de seulement de 4 à 5 tonnes, et la charge de 8 à 10 tonnes. On gagne partout sur le poids : les wagons à bestiaux ont des panneaux partiels et des rideaux de cuir, tandis que beaucoup de couverts ont des parois formées de persiennes ou de caillebotis. Les tombereaux ont des bords bas, et leurs dossiers (extrémités) sont en forme de pignon pour faciliter le bâchage, ce qui permet des bords plus bas encore.

La seconde réponse : faire petit.

Pendant le XIXe siècle, les ingénieurs des réseaux européens ont repris la pratique anglaise des petits wagons, elle-même issue des wagonnets des mines et des chariots pouvant être remorqués par un cheval. Cette pratique permet de mieux ajuster l’offre à la demande, c’est-à-dire de n’avoir qu’un minimum de wagons partiellement chargés parce que trop grands.

Un autre inconvénient du petit wagon est l’impossibilité théorique de transporter des longues charges : poutres, grumes, rails. La seule solution, pendant l’ensemble du XIXe siècle, est de juxtaposer deux wagons plats, plus ou moins éloignés par une perche reliant les crochets d’attelage, ou bien d’utiliser une succession de trois wagons plats, celui du centre faisant simplement office de liaison entre les deux autres qui supportent la charge sur une traverse.

C’est ainsi qu’il est possible de transporter des charges longues de 25 mètres – mais qui ont une fâcheuse tendance à glisser au moindre coup de frein, d’où l’interdiction formelle de placer de telles compositions dans les trains mixtes voyageurs – marchandises !

Cette politique du petit wagon mieux chargé demande toutefois un nombre plus grand de wagons, beaucoup plus de mouvements en gare, une gestion administrative plus complexe. Elle allonge les trains puisqu’il y a un plus grand nombre d’attelages. Elle augmente enfin le poids mort par tonne transportée : à l’époque, les réseaux américains utilisent des wagons métalliques et à bogies de 40 tonnes pesant 15 tonnes. Mais, avec de petits wagons de 10 tonnes tarant 6 tonnes, on en est à un poids mort de 24 (au lieu de 15) tonnes pour la même charge.

C’est pourquoi cette politique du petit wagon est pratiquée jusqu’à ce que les progrès des locomotives à vapeur permettent d’augmenter la charge des trains, chose acquise à partir des années 1920 et 1930 en Europe. Les données, à ce moment-là, sont donc radicalement changées, et l’on a intérêt à utiliser des wagons métalliques à plus forte contenance et à moindre tare relativement.

Un problème de stabilité difficile à résoudre.

Une bonne stabilité de roulement à toutes les vitesses est tout aussi nécessaire pour le bon comportement des marchandises chargées sur un wagon qu’elle le serait pour le confort des voyageurs dans une voiture, sinon plus encore, car les voyageurs sont parfois plus résistants et plus endurants que certaines marchandises très fragiles…

Le wagon, généralement, ne comporte que deux essieux et n’a pas à satisfaire à des impératifs de confort aux vitesses élevées aussi rigoureux que ceux d’une voiture. Le cas du wagon à deux essieux a permis de traiter le problème mathématiquement. Le but est d’éviter l’apparition des conditions incitant la caisse du wagon à osciller en résonance avec les oscillations de l’essieu, lesquelles résultent en particulier du mouvement de lacet lors du parcours sur les rails engendré par la conicité des tables de roulement des roues. Or, la fréquence d’oscillation de la caisse est fixe, et elle ne dépend que de ses dimensions et de ses caractéristiques. La fréquence d’oscillation de l’essieu, par contre, varie en proportion de la vitesse. Si les deux fréquences coïncident, le phénomène connu en physique sous le nom de résonance se réalise avec les amplitudes d’oscillation de la caisse prennent une valeur considérable et dangereuse, aussi bien pour le wagon que pour le chargement.

Il faut donc éviter que cette coïncidence puisse se produire ou, du moins, faire en sorte qu’elle ne se produise qu’à une vitesse non dangereuse, donc basse. Le calcul et l’expérimentation permettent de déterminer les caractéristiques à donner au wagon pour que sa fréquence propre d’oscillation reste toujours inférieure à la fréquence d’oscillation de l’essieu, même pour les vitesses les plus élevées atteintes en service. L’application de cette méthode est devenue de plus en plus difficile au fur et à mesure de l’augmentation de la vitesse des trains de marchandises, les vitesses limites théoriques permettant le calcul étant, du fait des progrès, souvent remises en cause et dépassées.

C’est pourquoi l’on préfère, en général, construire les wagons actuels de telle façon que leur fréquence propre d’oscillation soit très basse. La vitesse à laquelle apparaît la résonance est alors faible, souvent de l’ordre de 35 km/h. Il faut évidemment, à un moment donné, franchir cette vitesse critique. Mais cela n’a pas une grande importance parce que ce n’est pas une vitesse dangereuse et qu’elle n’est pas utilisée comme vitesse de régime du train. Une fois cette vitesse franchie, on s’éloigne de plus en plus de la résonance et les qualités de roulement du wagon s’améliorent à mesure que la vitesse croît. Des études ont montré qu’on parvient à ce résultat en donnant au wagon un faible empattement entre ses essieux, et en le dotant de ressorts de suspension longs et doux, et de plaques de garde souples.

Le poids par essieu, donnée cruciale.

Le poids par essieu d’un wagon est limité par des considérations relatives à la voie. La plupart des grandes lignes admettant des essieux chargés à 20 tonnes, il en résulte qu’un wagon à deux essieux devra peser au maximum 40 tonnes. Or, c’est là un poids qu’on atteint très facilement lorsqu’on transporte des marchandises denses, comme du charbon, du minerai, des tôles. Il y a intérêt à ce que le poids du wagon vide, c’est-à-dire sa tare, soit aussi faible que possible, afin de réserver pour le fret transporté la plus grande partie du poids admissible. En outre, il serait désavantageux d’alourdir inutilement le wagon, puisque cela conduirait à faire tirer par la locomotive un poids supplémentaire inutile. L’allègement des wagons a donc fait l’objet de grands progrès, permis par le développement de la soudure électrique et par l’emploi d’aciers peu sensibles à la corrosion.

Mais, dans le cas des wagons, d’autres considérations interviennent. Le tonnage d’un train de fret est parfois très élevé : il circule dans l’est ou le nord de la France des trains de minerai ou de charbon pesant jusqu’à 3 600 tonnes. L’effort nécessaire pour tirer ces 3 600 tonnes se transmet, depuis la locomotive, par le crochet de traction, à la traverse de tête et au châssis tout entier de chaque wagon. La traverse de tête d’un wagon supporte non seulement. l’effort de traction nécessaire pour mettre en mouvement le véhicule dont elle fait partie, mais l’effort nécessaire pour tirer tous les wagons qui se trouvent derrière lui. Il faut donc donner au châssis du wagon une robustesse toute particulière. Afin de limiter au minimum l’augmentation de poids qui en résulterait, on se borne souvent à relier les deux traverses de tête d’un même wagon par deux solides tirants qui assument, à eux seuls, le rôle de transmettre l’effort de traction.

Il est également possible d’adopter la traction continue. Une tige de traction robuste et rigide réunit, sans aucun intermédiaire élastique, les deux crochets de traction d’un même wagon. Lorsque les tendeurs d’attelage sont serrés, les tiges de traction des wagons composant le train forment, d’un bout à l’autre du train, une chaîne continue et rigide, qui transmet l’effort de la locomotive et à laquelle sont accrochés élastiquement les wagons. Chaque châssis, librement « accroché » à la chaîne en question, supporte alors les seuls efforts relatifs à la traction du wagon dont il fait partie.

La traction continue a reçu son application sur les wagons que la SNCF a fait construire depuis la Seconde Guerre mondiale. Ainsi, à l’époque, la tare d’un wagon couvert moderne à deux essieux peut être de 11,5 t environ et celle d’un wagon-tombereau de 10 t environ, ce qui réserve 30 t pour le chargement.

Durée de vie, standardisation, quand on achète 10 000 wagons par an.

Au lendemain de la Seconde Guerre mondiale, les réseaux européens évaluaient la durée de vie d’un wagon à 50 ans. Comme, à l’époque, le parc de la SNCF comprenait environ 300 000 wagons, il aurait fallu, en supposant un renouvellement régulier, commander chaque année 6 000 wagons. En raison des retards pris dans le renouvellement au cours des guerres et dans les années qui les suivent, ainsi que des destructions, ce sont des commandes d’environ 10 000 wagons par an que la SNCF prévoit dans le cadre du IVe Plan de Modernisation. Il est d’ailleurs apparu comme souhaitable d’abréger la durée de vie des wagons, de façon à pouvoir mettre à la disposition de la clientèle du chemin de fer un matériel répondant bien aux exigences du moment et notamment à l’évolution des moyens de manutention.

Marc Seguin avait déjà noté l’intérêt de la standardisation : « Il est très désavantageux d’avoir sur un chemin de fer un grand nombre de modèles d’ustensiles employés au même service, parce que cela complique les opérations d’entretien et de réparations… En outre, on fait fabriquer les pièces à un prix bien inférieur, lorsqu’on peut les faire établir en grandes masses. » Voilà ce qu’il écrit en 1839 dans son ouvrage « De l’influence des chemins de fer ».

Aussi comprend-on tout le souci que la SNCF des années d’après-guerre a apporté à unifier et à standardiser l’ensemble de son matériel roulant marchandises, dans la mesure où cela lui était techniquement possible. Tout progrès comporte nécessairement une rupture dans l’unification établie précédente. Mais on peut néanmoins, sur un nouveau type, conserver certains organes et certaines pièces qui existaient sur les matériels anciens et qui ont fait leurs preuves.

Le souci d’unifier les types de wagons et de standardiser les pièces qui les constituent a rapidement débordé le cadre national dès les années 1920. C’est une tâche qui n’incombe plus à un réseau européen seul, mais à l’ensemble de tous les chemins de fer européens. Après les premières standardisations opérées entre les deux guerres mondiales, de nouveaux principes de cette unification dans le cadre européen ont été posés, en novembre 1950, par l’Union Internationale des Chemins de fer (UIC). Des types de wagons européens ont été définis et des commissions composées d’ingénieurs des réseaux de tous les pays ont élaboré les dessins de ces matériels qui, aujourd’hui, circulent dans l’Europe entière.

Un matériel roulant, donc, en constante évolution.

Le matériel roulant fret de la S.N.C.F. a su ne pas rester en retard pour répondre aux importants défis qui se sont posés depuis la Seconde Guerre mondiale, et surtout après le choc pétrolier qui n’a pas empêché le triomphe du tout camion, du tout pétrole. L’évolution du matériel roulant remorqué pour les trains de marchandises devenus trains de fret s’est faite sous le signe de la sécurité et qu’elle est marquée par une grande continuité, beaucoup de solutions du chemin de fer moderne se trouvant déjà en germe dans le chemin de fer de l’époque de Marc Seguin en 1830.

Vous voulez savoir comment aimer ces vieilles choses ? Si, vraiment, vous voulez tout savoir sur elles, et sans jamais oser le demander, toutes les réponses se trouveront ci-dessous dans ce premier volume d’une série qui s’annonce comme monumentale :

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