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LA SUSPENSION PNEUMATIQUE DES TGV

Publié le lundi 07 septembre 2020 à 22:19

Par 2B, le 07/09/2020.

À sa sortie d’usine, le TGV 001 était doté de 6 bogies moteurs identiques à quelques micro-détails près pour les bogies extrêmes (adjonction de la brosse de contact, de l’enregistreur de vitesse et des balises de cab-signal). La suspension secondaire était réalisée par des ressorts pneumatiques dits « coussins » Sumiride du fabricant japonais Sumitomo. Ce ressort était placé sous l’appui de l’anneau porteur (pour les bogies articulés des remorques) ou sous le châssis des motrices et reposait sur une traverse de charge. Cette traverse était liée par des bielles à l’anneau porteur ou au châssis en formant un parallélogramme déformable. Ce type de coussin, déjà utilisé sous les voitures TEE Inox A4Dtux et Vru, n’accepte que des débattements verticaux : pour les prises de courbe, il faut faire appel à une traverse intermédiaire pivotante. Dans le cas du TGV 001, cette fonction était assurée par des blocs sandwich, se déformant à la torsion et au cisaillement, intercalés entre la traverse de charge et le longeron du bogie. Ce dispositif simple était déjà bien connu pour son application aux locomotives CC Alsthom (le plus connu et visible étant celui des BB 4400 kW et BB 67400).

Dès les premiers tours de roues, le confort vibratoire du TGV n’interpella pas outre mesure, il fut même perçu comme bon. Les performances, la vitesse et les innovations avaient-elles occulté les qualités du confort qui, petit à petit, se dégradait inexorablement ? Il y a eu de l’eau du circuit des toilettes qui s’était répandue dans le circuit pneumatique alimentant la suspension, autrement dit de l’eau dans le gaz responsable de la « dureté » croissante de la suspension ? Ce fut du moins la raison avancée à l’époque. Toujours est-il que les nouvelles venues, les rames RTG et les voitures Corail, avaient placé la barre du confort, vibratoire en particulier, assez haut. Il n’en fallut pas plus pour éveiller l’idée d’adapter cette suspension à ressorts métalliques au TGV 001. De plus cette solution fut jugée économique par son absence de consommation d’air et de maintenance ou de réglage des valves de nivellement. Pour cette expérimentation, la remorque de 1ère classe fut encadrée par deux nouveaux bogies porteurs de type Y 229 B en remplacement d’un essai identique, mais avec des Sumiride. Ce ne fut pas non plus la panacée et les remorques furent de plus excitées par de désagréables ondes longitudinales. Les tentatives d’amélioration du confort du TGV 001 en restèrent là, les rames TGV électriques de série pointant le bout de leur nez.

La période passée aux essais des TGV Patrick et Sophie en tant que chef de bord étant terminée, je retournai à mon affectation précédente, le bureau d’études des caisses des automoteurs et des TGV. Après l’euphorie due aux bonnes performances techniques des rames de présérie du TGV PSE suivie par une mise en service commercial plutôt réussie des rames de série, eu égard à l’ampleur du projet, il apparut que le confort vibratoire du TGV était en train de devenir un vrai problème. On ne pouvait plus ignorer les remontrances des voyageurs (certains osaient même dire « TGV, train à grandes vibrations »).

Le sujet fut posé sur la planche (à dessins) et on peut dire que tout avait été tenté pour sauver cette suspension métallique en s’obstinant à essayer des tas de combinaisons de ressorts acier. Il faut préciser que, les rames sortant de construction à cadence soutenue, si une solution miracle avait émergé, elle aurait fait l’économie de bouleversements techniques importants. Néanmoins, faute de résultats encourageants, voilà que la suspension pneumatique refit surface. Nous fumes informés qu’une remorque R5 (appelée R15) serait extraite de la composition de la rame 10 et serait mise à notre disposition pour des essais de suspension pneumatique. Mon collègue des bogies et moi (des caisses) avons couché sur le papier les dessins d’ensemble et de détails pour l’installation d’une suspension pneumatique à la R15. L’exécution des pièces et le montage de l’ensemble furent réalisés par les Ateliers SNCF de Bischheim. La remorque fut prête au printemps 1980.

La suspension était réalisée par un empilage de pièces. On trouvait de haut en bas :

  • le ressort pneumatique composé d’une membrane souple, qui accepte les mouvements verticaux transversaux et de torsion, sertie à sa partie supérieure sur une plaque de fermeture, et d’un pot autour duquel la membrane est emmanchée à force afin de supporter la charge et garantir l’étanchéité. En outre, le pot referme un ressort métallique faisant office de suspension de « secours ». La plaque de fermeture est en contact avec la potence de l’anneau porteur. Les membranes sont à présent fournies par le manufacturier allemand Continental. L’alimentation en air se fait par le dessus de la plaque de fermeture.
  • Une structure tubulaire qui supporte la charge et qui renferme le réservoir d’air normalisé associé à la membrane d’une contenance de 108 litres. La tuyauterie de communication entre les deux suspensions est prise sur un siège logé dans la virole de chaque réservoir. Cette tuyauterie possède un clapet anti-retour en cas d’avarie d’un coussin.
  •  Une structure sur laquelle repose l’ensemble réservoir et dont la hauteur ménage le montage de l’amortisseur transversal caisse-bogie. Cette pièce est montée sur le longeron de bogie.
  • Un amortisseur vertical monté entre la plaque de fermeture et la potence de l’anneau porteur complète l’installation.
  • Comme nous en étions restés aux expérimentations faites sur le TGV 001, les réservoirs d’air supplémentaires de 15 litres, en amont des valves de nivellement, furent maintenus.

La hauteur de l’empilage était telle qu’elle se substituait à celle du ressort métallique et de sa chaise de repos. Le « plan haut » de suspension est défini par l’altitude de la dernière spire d’un ressort métallique ou de la plaque de fermeture de la membrane pneumatique en contact avec le dessous de la potence de l’anneau porteur (cas du bogie articulé). Le « plan bas » de suspension est défini par l’altitude de la plaque de fermeture de la membrane pneumatique placée en-dessous du réservoir additionnel. Dans le cas d’un bogie d’une remorque extrême, le plan de suspension est forcément bas (pneumatique ou métallique).

Dans le cas du premier essai, la membrane était directement appliquée sous l’anneau porteur: le montage « plan haut » avait l’avantage de se passer de barres de torsion antiroulis.

La remorque était attelée par une barre d’attelage reliée à la traverse inférieure de l’anneau porteur et à l’autre bout à un wagon couvert à bogies Gass pour rouler à au moins 140 km/h (le choix du wagon avait été fait dans l’urgence). La voiture de mesures était une Grand Confort de la Division MED (essais dynamiques). La rame d’essai, tractée par une incontournable BB 15000 et R15 en fin de convoi, fut mise à quai n°1 de la gare de Strasbourg. Elle devait circuler sur la boucle Strasbourg-Nancy-Metz-Reding-Strasbourg pour établir des mesures de confort sur un parcours de référence. Quelques minutes avant le départ, MM. Garde, Metzler, Forray et Révillon (l’aréopage de la Direction du Matériel) prirent place à bord. Dès la première montée en vitesse, le confort y était remarquable, la voiture glissait au dessus de la voie. A 140 km/h, on enregistra une note de confort vertical de 40 heures alors que dans le meilleur des cas, le confort avec la suspension métallique peinait à atteindre les 18 heures.

La note de confort est calculée par un algorithme et une pondération à partir de l’accélération mesurée en caisse dans la direction étudiée (transversale, verticale ou longitudinale). Elle est exprimée en heures et est censée représenter le temps au bout duquel un individu normalement constitué éprouve une certaine fatigue. Les accéléromètres sont fixés au plancher du véhicule, de préférence à une fixation au siège car ce dernier peut se révéler être un atténuateur ou un amplificateur vibratoire en fonction de ses caractéristiques mécaniques et de son état de charge.

Afin d’étayer un dossier comparatif, la R15 circula tour à tour équipée de ressorts métalliques de bogies moteurs TGV, de voitures VTU et de rames RTG. Enfin, la R15 clôtura cette campagne d’essais par une version plan bas, laquelle donnera les meilleurs enregistrements.

Face à ces résultats remarquables, la décision fut prise d’étendre l’essai à la moitié d’une rame TGV en suspension pneumatique. C’est la rame TGV PSE n°10 qui fut désignée pour cette application. La rame 10 ainsi équipée (4 bogies porteurs sur 7, coté 1ère classe) sortit des Ateliers de Bischheim. À l’évidence, dès les premiers tours de roues, le niveau de confort était bien en-deçà de celui constaté sur la R15. Les circulations tant sur ligne classique que sur le tronçon sud de la nouvelle LGV (ligne à grande vitesse) Paris -Lyon, confirmèrent ce constat décevant. Cette expérimentation fut complétée par un dispositif appelé « plan bas  » : en fait, les éléments constitutifs de la suspension étaient les mêmes, il suffisait d’inverser le ressort pneumatique et le réservoir d’air, ce dernier se retrouvant appliqué sous la potence de l’anneau porteur. Les essais se firent de manière comparative avec ce qui a été réalisé en « plan haut ». Les résultats furent un peu meilleurs en plan bas, globalement meilleurs que la meilleure solution à ressorts métalliques, mais pas suffisamment bons pour décider d’une application de série. À noter que durant ces deux phases d’expérimentation, seuls les bogies porteurs ont été équipés en suspension pneumatique, les bogies moteurs des remorques extrêmes conservant leur suspension métallique d’origine. Pendant ce temps-là, les rames de série entamèrent le service commercial avec l’apparition des plaintes des voyageurs évoquées ci-dessus.

Un autre événement fit renaitre l’intérêt de la suspension pneumatique : la commande des TGV postaux. Ces rames assureraient le transport de courrier conteneurisé dont le chargement se ferait depuis un quai spécialisé. L’altitude du plancher d’un véhicule ferroviaire par rapport au niveau du rail varie sensiblement : en effet, même à l’état statique des remorques du TGV, si l’on additionne l’usure des tables de roulement jusqu’à la réforme des roues, l’écrasement des suspensions métalliques primaires et secondaires dû à la charge, l’amplitude peut atteindre 160 mm, dont la plus grande part est attribuée à la suspension secondaire. Or, la hauteur du ressort pneumatique est insensible à la charge : cette vertu s’avéra donc bien adaptée au TGV postal pour garantir une relativité de l’altitude entre le quai de chargement et le véhicule la plus faible possible. De plus la notion de confort était bien loin des préoccupations pour le transport du courrier !

Il arriva qu’un jour, je reçus l’instruction de constituer deux collections des dessins de montage et de détails de la suspension « plan haut  » de la rame 10, de prendre un train pour La Rochelle et de les remettre au bureau d’études d’Alsthom à Aytré. À quelques « bricoles » près, la suspension des TGV La Poste est celle que nous avions dessinée dans les bureaux d’études de la SNCF…. 

Lors de l’inauguration du TGV PSE, le président de la République donna le feu vert à la construction du TGV Atlantique. Au fil du temps, il se dit que ce TGV serait un TGV de 2ème génération, plus performant. La qualité du confort en serait l’une de ses composantes. Alors, le Directeur du Matériel (Roger Forray) et le chef de projet du TGV A (François Lacôte) demandèrent au Département Construction de reprendre le dossier du confort des TGV. Pour cela, on repartit d’une feuille déjà bien griffonnée de la rame 10 du TGV PSE et d’une feuille blanche que sera le TGV 001, lequel retrouva sa destinée initiale : un prototype. Lors des essais précédents, les résultats obtenus sur la rame 10 avaient mis en exergue un phénomène qui est appelé « l’effet de rame », lequel n’avait pas été décelé sur la R15 isolée. Il a été prouvé que le comportement vibratoire d’une remorque se transmet aux autres (même au-delà des véhicules adjacents) au travers des éléments de liaison entre les caisses, la rotule en particulier. Dans ce contexte, la base de la nouvelle étude du TGV 001 fut le découplage des caisses.

Dans le cas d’un TGV classique, la caisse d’une remorque comprend une extrémité dite « porteuse » qui, par l’intermédiaire d’une structure nommée « anneau porteur », s’appuie sur deux ressorts reposant sur chaque longeron du bogie. L’autre extrémité dite « portée » repose sur l’anneau porteur de la remorque adjacente par l’intermédiaire d’un anneau fixe (boulonné) ; la liaison entre les deux anneaux est réalisée par une rotule qui garantit tous les degrés de liberté et assure également la fonction de choc et traction. Les remorques extrêmes ont aussi une extrémité portée, leur extrémité porteuse étant tout simplement constituée par leur châssis reposant sur le bogie d’extrémité. Il en va ainsi depuis les extrémités du tronçon articulé vers le centre de la rame. Le point de rencontre mécanique est toujours la remorque R4, ce qui fait que cette remorque est encadrée par deux anneaux porteurs et repose donc sur quatre ressorts.

C’est le principe de la R4 classique qui fut retenu pour le TGV 001 nouveau. Chaque caisse reposant sur quatre ressorts, pas de rotule entre les caisses, la fonction choc et traction étant assurée par une barre d’attelage, à l’identique de celle qui relie les voitures RIB. En outre, la demi-coquille de verrouillage de la barre supportait un cadre et les soufflets et passerelles d’intercirculation. Les cinq caisses du TGV 001 ont été découplées aux Ateliers de Bischheim, mises sur tréteaux et débarrassées de leurs liaisons mécaniques d’origine. Elles ont reçu de nouveaux anneaux porteurs qui ont été réalisés par les Ateliers SNCF du Mans et six bogies porteurs de type Y 231 ont été commandés pour le TGV 001, appelé à présent TGV 001 A (A pour Atlantique). Avec un nouveau collègue aux bogies, nous avons redéfini toute la transformation du TGV 001 A, dont le point fort fut la définition de nouveaux anneaux de suspension, des liaisons caisse-bogie (mécaniques, pneumatiques et électriques) et l’adaptation des caisses aux nouveaux bogies. Après la dépose des turbomoteurs, les Ateliers de Bischheim prirent en charge l’étude de l’implantation d’un groupe électrogène de 250 kVA (récupéré sur un fourgon générateur) dans la motrice 2, du groupe électrogène de 10 kVA pour les sections d’essais dans la motrice 1, des attelages automatiques compatibles des rames TGV-PSE, du nouveau schéma électrique et du système de freinage. Finalement, cette réhabilitation du TGV 001 avait nécessité d’importants travaux. A l’occasion, la rame reçut une livrée à base de blanc 701, de bleu TEN 207 et de chamois 432 : c’est la livrée qui était pressentie pour les futures rames TGV A suivant une proposition de Jacques Cooper

Une fois la rame assemblée, celle-ci reposait entièrement sur des suspensions métalliques capables d’un plan haut et d’un plan bas obtenu par la modularité de l’empilage des ressorts et de leurs pièces d’adaptation sous les potences d’anneaux et sur les longerons de bogies. La traction du TGV 001 A démotorisé fut confiée à la rame TGV PSE n° 10 dont la puissance fut « boostée » par l’implantation de composants précédemment utilisés sur la rame n° 16 lors du record à 380 km/h. Cet attelage réalisa un nombre conséquent de marches à 160 km/h sur lignes classiques, à 300 km/h et plus sur LGV et à 120 km/h sur le difficile parcours entre Montereau et Melun via Héricy (V+ 10 km/h de la vitesse de la ligne). Malgré de nombreuses configurations testées, le confort n’était pas mauvais, mais encore en deçà des voitures Corail et des RTG !

Donc, on adapta une suspension pneumatique au TGV 001 A, toujours à quatre ressorts par caisse. Avec un montage classique en plan haut, le sourire s’afficha enfin sur tous les visages des ingénieurs et des techniciens impliqués dans ces recherches dès les premières circulations. On retrouvait les 40 heures de confort enregistrées sur la R 15 isolée, et ce coup-ci même à 300 km/h. Je me souviens d’une marche où j’avais posé au plancher une pièce de 10 Francs sur la tranche : celle-ci n’était tombée qu’après avoir parcouru 108 km sur LGV ! Durant la marche du retour vers Villeneuve, il fut décidé d’interrompre les essais le temps de changer tous les essieux aux profils de roues neufs du TGV 001 A par des essieux de TGV PSE retirés du service et dont les profils de roues étaient usés. Après cette opération, ce fut reparti pour les marches d’essais. Après l’entrée sur LGV, la vitesse montait autant que l’enthousiasme descendait. Les craintes furent plus que confirmées ; avec ses roues à limite d’usure la rame était totalement instable avec pour corolaire un niveau de confort inacceptable dans les basses fréquences (lacet, tangage et roulis de la rame). La marche du retour ne fit que confirmer cette déception supplémentaire. Ce fut aussi la dernière circulation qui mit un point définitif à la vie de ce formidable prototype que fut le TGV 001. Qu’il fut autonome ou tracté, il aura amplement rempli sa mission qui était de confirmer ce qu’il fallait faire mais aussi de « dire » ce qu’il ne fallait pas faire.

Au cours des diverses circulations effectuées par le TGV 001 A, la remorque R 15 avait été incorporée dans le prototype. Le but recherché était double : d’une part comparer le mode vibratoire de structures de caisses différentes (malgré une filiation extérieure évidente, l’ossature de caisse de type TGV 001 est sensiblement différente de celles des rames de série) reposant sur un même type de suspension et d’autre part d’apprécier le niveau de confort si une suspension à quatre ressorts avait du être appliquée au TGV A et au TGV PSE par rétrofit.

L’histoire ne devait pas s’arrêter là, car le problème du confort du TGV restait entier. Tous les espoirs furent à nouveau placés sur la seule rame 10 TGV PSE. Durant toutes ces marches d’essais aux multiples configurations, plusieurs enseignements commencèrent à émerger en ce qui concerne le type de membranes et le tarage des amortisseurs qui convenaient le mieux. Les essais reprirent sur la moitié de la rame 10 et à présent seulement en plan bas, avec adjonction de barres de torsion antiroulis, lequel avait toujours donné les meilleurs résultats (pour ne pas dire les moins mauvais).

Mr. Jean Dupuy, Directeur Général de la SNCF, suivant de près l’évolution du confort des TGV, vint un jour en visite à bord de la rame 10 pour faire le point sur l’avancement de ce dossier. Visiblement contrarié par la présentation d’un imbroglio de résultats en comparant la demi-rame X équipée de membranes A et d’amortisseurs Z avec la demi-rame Y équipée de membranes B et d’amortisseurs W qui font qu’elle se comporte mieux dans un sens que dans l’autre etc., il finit par déclarer à ses ingénieurs « Messieurs, j’en ai marre de vos bouts de rame ». Dès ce jour, toutes les nouvelles configurations essayées se firent sur une rame complète, à l’exception des bogies extrêmes, toujours en suspension métallique.

François Lacôte, lors d’une rencontre devant ma planche à dessin, me soumit l’idée de supprimer les amortisseurs verticaux et transversaux de liaison caisse-bogie se comportant en shunts vibratoires et de les remplacer par des amortisseurs caisse-caisse qui en feraient une rame auto-amortie. Seuls les indispensables amortisseurs antilacet entre caisse et bogie seraient conservés. Il me demanda d’en étudier l’installation. Cela revenait à retourner le handicap vibratoire de la rame articulée à son avantage. Cette disposition installée sur tout le tronçon articulé allait donner des résultats très encourageants. Au cours des marches d’essais, un dernier problème demandait à être amélioré : la souplesse des membranes. Celles que nous utilisions étaient associées à un réservoir normalisé d’une contenance de 108 litres, en conformité aux prescriptions du service des Mines, et logé dans une structure tubulaire supportant la charge. Une augmentation de ce volume d’air serait favorable à l’assouplissement de la suspension. Lors d’une réunion à Bischheim, il fut décidé d’essayer des réservoirs structuraux permettant ainsi de passer de 108 à 160 litres d’air associés à la membrane.

Ce montage de nouveaux réservoirs étant réalisé, 3 types de membranes furent testés. La membrane, à l’instar d’un pneu d’automobile, est confectionnée par des couches en fibres polyamide : les couches tissées sont positionnées par couples en inclinaisons opposées. Le tout est ensuite enrobé de caoutchouc. Nous avons essayé des membranes à 6 couches, 4 couches et 2 couches. Le manufacturier Continental ne souhaitait pas que nous installions des membranes 2 couches par crainte d’explosion de celles-ci. Au fond, les membranes 4 couches donnant satisfaction, ce sont elles qui furent montées en série. Autant le confort transversal est bon avec une grande souplesse de la suspension dans cette direction, autant il devient désagréable lorsque la caisse vient écraser les butées transversales lors de fortes accélérations dans les courbes avec fortes insuffisances de dévers. Il a donc fallu imaginer un dispositif créant une souplesse décroissante lorsque les déplacements transversaux excèdent ± 25 millimètres entre la caisse et le bogie. Pour cela, la division des bogies et les services de la station d’essais de Vitry ont défini des « jupes » dont la mise au point du profil a nécessité de nombreuses adaptations à partir de prototypes en bois. La jupe définitive de la membrane est réalisée en aluminium moulé.

La suspension SR 10 était née (SR10 pour suspension rame 10). Il ne restait plus qu’à l’adapter aux bogies moteurs des remorques extrêmes. Ainsi, le TGV Atlantique pourrait naître sous de bons augures et le confort des 107 TGV PSE serait considérablement amélioré par une grande opération de rétrofit.

Mais avant une application de série aux TGV PSE et TGV A, il a fallu régler un dossier technico-économique d’importance. En effet un réservoir normalisé nécessite une dépose pour une épreuve de pression tous les 20 ans et à une auscultation endoscopique des cordons de soudure par échantillonnage. Par contre, les réservoirs structuraux satisfaisants au confort auraient dû subir les mêmes tests tous les 3 ans, opérations dont on imagine les coûts de maintenance. Pour obtenir leur homologation à 20 ans, un collègue des bogies a consacré environ quatre cents heures pour l’établissement de l’épais dossier technique. Celui-ci a été soumis à l’approbation du service des Mines en collaboration avec les experts en réservoirs d’air du département des caisses et structures. Il est à noter que les dessins constituant ces études sont l’entière propriété de la SNCF et qu’aucun industriel n’a été autorisé à les renuméroter pour sa propre utilisation.

Ce sont les ateliers SNCF de Bischheim qui ont réalisé en chaîne spéciale l’installation de la suspension SR à l’ensemble du parc TGV PSE.

En résumé, le confort des TGV (bien que celui-ci varie légèrement avec l’état de la voie et des tables de roulement des essieux) se situe à 300 km/h :

– en vertical entre 22 et 25 heures

– en transversal entre 12 et 15 heures, passant à 18 heures à 220 km/h et à 25 heures à 160 km/h.

A titre de comparaison, la voiture Corail affiche un confort de 25 /26 heures en vertical à 160 km/h et d’une vingtaine d’heures à 200 km/h. Par contre le confort de la voiture corail est toujours faible en transversal : de l’ordre de 8/10 heures à 160 km/h, il chute sensiblement à 200 km/h (autour de 5/6 heures) et n’est même pas imaginable à 300 km/h.

A compter de cet épisode sur les suspensions secondaires des TGV, la SNCF ne commandera plus que des matériels à voyageurs dotés de suspensions pneumatiques dont nous venons de décrire les vertus. Comme nous l’avons vu pour les TGV postaux, cette suspension est insensible à l’état de charge du véhicule : c’est donc un avantage supplémentaire pour faciliter l’accès à bord des trains aux PMR (personnes à mobilité réduite). Ainsi les lacunes verticales à combler entre le quai et le véhicule sont d’amplitude moindre. Plus tard, François Lacôte m’a confié que les trois années consacrées à la recherche du confort à grande vitesse auront coûté le prix d’une rame TGV ! Quel qu’en fut le coût, cette suspension SR 10 est appliquée à quelques 700 rames TGV (rames export incluses), voire près de 800 si l’on considère les Eurostar TMST et KTX 1 comme des rames doubles, aura roulé à 574,8 km/h et les 25 rames AGV en sont également dotées

5 féŽvrier 2008. PrŽsentation de l’AGV Alstom ˆ La Rochelle.

Lors d’un récent déjeuner, il me confiait également qu’il avait été contacté par SNCF au sujet des suspensions secondaires du TGV vingt-vingt (2020) : il a œuvré pour que la SR10 soit maintenue dans son inégalable principe. Seule variante a-t-il ajouté : la commande de la valve de nivellement se fera par une visée laser… (au lieu d’une tige filetée : à voir, ai-je pensé).

2B