Bielles à longueur variable, transmissions par engrenages : choses osées sur une locomotive à vapeur.

L’inscription en courbe, et, s’il vous plaît, sans que cela grince, casse, éclate au niveau des roues et des bielles ? Cela fut, pendant deux siècles, le cauchemar des ingénieurs des chemins de fer. Il y a des locomotives qui ont, elles seules, réalisé un exploit avec une inscription en courbe parfaite permise par des bielles à longueur variable, tandis que d’autres bénéficiaient de jeux latéraux démesurés au niveau des essieux moteurs, et d’autres renonçaient aux bielles et adoptaient des systèmes d’engrenages dignes de l’horlogerie suisse mais qui donnent la chair de poule à tout ingénieur normalement constitué.

Comment peut-on imaginer une bielle à longueur variable, s’allongeant quand elle se trouve à l’extérieur des courbes, et se raccourcissant quand elle est à l’intérieur, tout en gardant la rigidité nécessaire pour transmettre la force motrice du piston jusqu’aux manivelles des roues motrices ? D’autres locomotives ont eu des engrenages, comme de vieilles horloges ou comme les trains-jouets des enfants. Qui a osé ? Allez vous verser une bonne tasse de café pour lire ce qui suit …

Les locomotives à vapeur, au grand désespoir des ingénieurs, n’aiment pas les courbes.

Les locomotives à vapeur n’aiment pas les courbes quand elles ont un beau, long et lourd châssis rigide solidarisant de nombreux essieux parallèles entraînés par deux ou quatre cylindres et des bielles, ce qui est le cas de la quasi-totalité des locomotives. Le tout doit être bien rigide, bien d’équerre, ceci pour assurer une rotation parfaite des roues et des bielles. Tout au plus peut-on tolérer un léger débattement vertical des roues pour la suspension, mais minime, et tellement minime que la suspension des locomotives est toujours très dure de manière à ce que les débattements soient très limités : en effet, une bielle de liaison entre les roues motrices doit rester parallèle, quelle que soit sa position dans son mouvement circulaire, aux essieux et au plan de roulement. Elle ne peut prendre une position oblique dans le plan vertical sans, alors, forcer sur les manivelles des roues et les obliger à se rapprocher. Le débattement vertical est donc limité à quelques millimètres autorisés par le jeu des bielles et des manivelles, pas plus. Ce n’est pas une suspension de « 2 cv Citroën » …

Mais les courbes posent aussi, et inévitablement, le problème de l’impossibilité de ménager un fort jeu latéral pour les essieux, ou de les orienter obliquement comme on le fait pour un train avant de voiture automobile : sur un véhicule ferroviaire, tout doit rester bien parallèle. On peut, certes, ménager un jeu infime de quelques millimètres permettant un léger coulissement latéral des essieux, mais très peu, car un jeu plus important coincerait les bielles qui ne peuvent, elles, prendre une position oblique dans le plan horizontal et s’allonger.

Mais un autre problème se pose à son tour : l’allongement des locomotives, demandée par l’augmentation de leur puissance elle-même imposée par une demande de transport croissante, rend encore plus cruciale l’inscription en courbe, ceci d’autant plus qu’il faut multiplier les essieux moteurs, donc multiplier la complexité générale des organes mobiles. Les ingénieurs de cette belle époque riche en problèmes techniques ferroviaires se mettent sur leurs planches à dessin, et trouvent de nombreuses solutions qu’ils vont essayer sur le terrain.

L’idée de messieurs Ewald Richard Klien et de Heinrich Robert Lindner.

Les locomotives de messieurs Klien et Lindner ont été parfaites, pour ce qui est de l’inscription en courbe. Ce système « Klien-Lindner » fut très utilisé en Allemagne où il a été monté sur des centaines de locomotives devant circuler sur des lignes sinueuses et accidentées. Il a été très peu utilisé en dehors de l’Allemagne alors qu’il est reconnu comme étant le seul système permettant de résoudre parfaitement le problème de l’inscription en courbe des locomotives. Le système est très astucieux et fait des locomotives utilisatrices  une curiosité de l’histoire des chemins de fer. Ce système n’utilise pas des bielles à longueur variable.

Ces deux inventeurs sont ingénieurs pour le compte du réseau de Saxe. Ce réseau est fait d’un grand nombre de lignes accidentées parcourues par de lourds trains de marchandises.  Klien et Lindner doivent résoudre un problème aux données inconciliables. D’une part, il faut des locomotives de plus en plus puissantes, donc plus lourdes, mais d’autre part, les voies sont faiblement armées et ne supportent que de faibles charges à l’essieu. La solution est de multiplier le nombre d’essieux pour mieux répartir le poids, mais les lignes sont, aussi et pour comble de malchance, très sinueuses: ceci interdit donc des locomotives longues à grand nombre d’essieux.

L’idée de ces deux ingénieurs est une solution de compromis, et donc de rendre orientable le dernier essieu moteur de la locomotive. Pour cela, cet essieu se compose d’un corps d’essieu classique, solidaire du châssis et entraîné par les bielles, mais non doté de roues. Autour de ce corps d’essieu classique se trouve un deuxième essieu creux, en forme de manchon et portant les roues qui sont calées à ses extrémités. Ce manchon, ou essieu creux, est solidaire du corps d’essieu réel par une articulation sphérique centrale lui permettant de prendre une position oblique, ceci grâce à une timonerie d’orientation dépendant du tender et guidant l’essieu creux en courbe. Cette articulation permet aussi au manchon de coulisser dans le sens longitudinal, par rapport au corps d’essieu solidaire du châssis, donc d’assurer un débattement latéral par rapport à la locomotive : ainsi, en courbe à faible rayon, les roues calées sur le manchon peuvent non seulement prendre une position oblique mais aussi se déplacer latéralement. On ne voit plus, avec un tel dispositif, ce qui viendrait empêcher une inscription en courbe, même serrée, et, effectivement, l’inscription en courbe à faible rayon est réellement exceptionnellement facile et douce.

Applications et performances du système « Klein-Lindner ».

Deux grands constructeurs allemands, « Maffei » et « Borsig », vont appliquer ce système à certaines de leurs locomotives pour voies étroites de 600 à 750, ou même 914 mm. « Maffei » utilise des systèmes de guidage intégraux concernant l’ensemble des essieux et placés sous la totalité de la locomotive. « Borsig », pour sa part, utilise des systèmes de guidage partiels concernant les essieux extrêmes, ce qui augmente la longueur de la partie guidée de la locomotive quand elle roule en alignement.

Le système trouve sa pleine application dans les lignes à voie étroite, et c’est ainsi que des locomotives à quatre essieux moteurs pour la voie de 60 s’inscrivent sans difficulté dans des courbes de seulement 15 mètres de rayon, tout en développant une puissance de 100 ch. Pour les écartements égaux ou supérieurs à 750 mm, on a pu construire des locomotives à quatre ou cinq essieux moteurs développant entre 100 et 300 ch. et dans des courbes descendant jusqu’à 30 mètres de rayon. Pour les locomotives à quatre essieux moteurs, qui est le cas le plus fréquent avec ce système, l’armée allemande a adopté la locomotive-tender du type 040T avec succès, abandonnant les locomotives articulées système « Fairlie » ou « Mallet », et autres. Les locomotives à cinq essieux couplés ont un empattement rigide réduit à une valeur de 1520 à 1620 mm pour un empattement total de 3700 à 3900 mm, ce qui leur permet de s’inscrire dans des courbes de 30 à 40 mètres de rayon.

Le réseau de Saxe donne l’exemple.

En voie normale, on peut prendre l’exemple des « IX-V » du réseau de la Saxe. Conçues par « Klien-Lindner », ce sont des machines joliment dessinées et élégantes. Elles sont capables de remorquer de lourds trains de plus de 1 300 t  à 50 km/h en palier, et d’attaquer des rampes de 10 pour 1000 à 25 km/h avec plus de 600 t. Elles forment une série de cinquante locomotives très perfectionnées avec le compoundage, la surchauffe, le séchage de la vapeur. La disposition Klien Lindner permet même de placer l’essieu arrière à l’extrémité du châssis de la locomotive, et de ménager ainsi, entre l’avant dernier essieu et le dernier essieu, l’espace nécessaire pour loger un gros foyer générateur d’une bonne puissance de traction.

Toutefois il est à noter que, à puissance égale comparée avec des locomotives articulées « Mallet », la locomotive « Klien-Lindner » est sensiblement plus lourde, comme il a pu l’être constaté sur l’important réseau privé Steinbeis, situé en Bosnie : entre une « Mallet » à quatre essieux et une « Klien-Lindner » légère, et une « Mallet» à six essieux et une « Klien-Lindner » lourde, les locomotives sont équivalentes sur le plan de l’effort de traction. Mais la « Mallet » légère est bien plus légère que sa concurrente, d’une part, et, d’autre part, la « Mallet » lourde ne pèse pas plus que sa concurrente en version lourde.  Or sachant l’importance extrême des limites de poids à l’essieu dans le domaine ferroviaire, on comprend que l’excellent système « Klien-Lindner » a pour principal inconvénient d’alourdir les locomotives, chose explicable par le doublement du poids des essieux avec leurs manchons et leurs articulations.

En conclusion, ce système permet, en autorisant des courbes à très faible rayon, de faire des lignes à tracé économique, mais demande, malgré tout, des lignes de qualité, à armement très fort, ce qui, à la limite, fait perdre l’économie réalisée dans l’absence d’ouvrages d’arts et dans un tracé qui « colle » au terrain en suivant les courbes de niveau. Toutefois ce système à élargi le choix offert aux ingénieurs chargés d’installer des lignes, souvent provisoires, en terrain difficile et accidenté.

Caractéristiques techniques de la « IX-V » du réseau de Saxe.

Type : 140

Année de construction : 1902

Moteur : 4 cylindres compound

Cylindres basse pression :  770 x 630 mm

Cylindres haute pression : 770 x 530 mm

Diamètre des roues motrices : 1240 mm

Surface de la grille du foyer : 3,17 m2

Pression de la chaudière : 14 kg/cm2

Masse : 72 t

Vitesse : 80 km/h

Les bonnes ideés de Monsieur Luttermoller.

Ce ingénieur, qui pratique le progrès technique par la suppression du progrès et donc des ennuis, et qui dirige la fameuse usine « Orenstein & Koppel », à Berlin, a trouvé encore mieux : puisque les bielles posent des problèmes d’inscription en courbe, supprimons les bielles. Remplaçons-les par une succession d’engrenages placés entre les essieux moteurs. Les essieux, munis de roues dentées à leur centre, sont désormais logés directement dans les boîtes d’essieux des longerons de la locomotive, mais avec un fort jeu latéral par rapport à l’axe de la voie. Des roues dentées sont placées entre les essieux et s’engrènent sur les roues dentées des essieux. Ces roues dentées peuvent glisser latéralement les unes par rapport aux autres. Ainsi, les courbes peuvent être négociées avec moins de friction. Nous voilà avec des engrenages en plus et des bielles en moins… mais rien ne prouve que le nombre de problèmes, de soucis et de cauchemars diminuera d’autant.

Pour les faisceaux de voies desservant le grand port de Hambourg, avec des courbes serrées, pas moins de 16 puissantes et grosses locomotives-tender à vapeur du type 050, série 57, sont construites, roulant avec des essieux « Luttermöller » avant et arrière. Ces belles locomotives ne dureront pas, car les engrenages ont tendance à chauffer dès que l’on roule tant soit peu vite, et à des vitesses plus élevées que celles des manœuvres sur les quais du port. Monsieur Luttermöller avait oublié que les engrenages détestent les locomotives à vapeur, et que les locomotives à vapeur le leur rendent bien, notamment à cause des hautes températures et des puissières de charbon. Cette incompatibilité viscérale et fondamentale a fait que les locomotives à vapeur du monde entier se sont passées de toute forme d’engrenage.

Mais soyons objectifs et reconnaissons que, dans certaines conditions modérées, ces transmissions « Luttermöller » s’en sont tirées avec les honneurs du jury. Quatre de ces locomotives ont été achetées par « Preston Services » et utilisées sur un petit réseau industriel dans le comté du Kent au Royaume-Uni, où deux sont actuellement conservées, la troisième et la quatrième ayant été vendues. Une cinquième locomotive provenant d’un autre moulin à sucre argentin a également été vendue par « Preston Services » et se trouve désormais sur le petit réseau industriel du « Böhmetal Kleinbahn » en Allemagne.

Une locomotive « Orenstein & Koppel » à cinq essieux, en voie métrique, avec le système « Luttermöller », a été acquise par le Chemin de fer du Sud du Harz et a roulé entre Braunlage, Walkenried et Tanne en 1928. Elle s’est tellement bien comportée sur cette voie sinueuse qu’en 1930, la firme « Henschel » transforme deux locomotives « Mallet » construites en 1925, et les équipe avec le système « Luttermöller ». Des locomotives à essieux « Luttermöller » ont été utilisées sur des lignes à voie étroite en Indonésie (Ile de Java). Il y en eut en Argentine à la raffinerie de canne à sucre « Ingenio San Martin del Tabacal », dans la province de Salta.