PIECE D'ATTELAGE

EN EXTREMITE DE PLANCHER DE VEHICULE FERROVIAIRE

Domaine de l'invention

La présente invention se rapporte à la réalisation de structures en matériaux composites en replacement de structures métalliques de façon notamment à permettre d'alléger à moindre coût les structures des véhicules. Comme dans tout domaine de transport, l'allégement des structures permet à l'utilisation une moindre consommation d'énergie, ce qui a un intérêt à la fois économique et écologique.

La présente invention concerne en particulier la réalisation d'un dispositif de liaison assurant la reprise des efforts au niveau d'articulations ou attelages entre des voitures de train et la réalisation d'un plancher aux extrémités longitudinales du véhicule répartissant ces efforts au niveau de la caisse desdites voitures.

La présente concerne notamment le secteur des transports en général et le ferroviaire en particulier et ce pour tous les segments concernés : trains à grande vitesse, trains régionaux ou véhicules ferrés de transport urbain et les différentes architectures de trains.

Arrière plan technologique

Les voitures de transport ferroviaire sont pourvues à leurs extrémités longitudinales de dispositifs de liaison ou d'attelage avec les autres voitures d'un train. Ces dispositifs sont en général assez complexes puisqu'ils reprennent les efforts statiques et dynamiques entre les voitures de façon ponctuelle, au sens que ces efforts de liaison ne sont pas répartis sur toute la largeur du véhicule : en effet d'un véhicule à l'autre, ces efforts sont transmis par exemple par des dispositifs à rotule, des crochets ou autres dispositifs centrés par rapport à la largeur des voitures.

Par contre, à l'intérieur du véhicule, pour optimiser la masse du véhicule, on cherche à faire participer les divers équipements qui traversent longitudinalement le véhicule, comme les planchers, les faces et les châssis dans la totalité de leur section à la reprise des efforts d'attelage et des efforts subis par la voiture lors de son utilisation.

Les figures 1 et 2 illustrent un exemple de géométrie d'extrémité de véhicule ferroviaire et de dispositif d'attelage A entre véhicules en vue de côté pour la figure 1 et en vue de dessous pour la figure 2. Le point d'application des efforts est représenté par la flèche F et la figure 2 représente la transmission T des efforts dans les dispositifs reliant l'attelage à la structure de la voiture.

La structure de référence ferroviaire est depuis toujours et encore aujourd'hui une structure en matériaux métalliques, acier ou aluminium.

C'est un système de poutres, poutre de tête et longrines, qui permettent de transmettre les efforts au châssis, aux faces et au plancher.

Il y a donc besoin d'optimiser la liaison entre les dispositifs de liaison et les planchers, de façon à y diffuser les efforts, c'est à dire à optimiser la façon dont des efforts initialement ponctuels sont transformés en flux sur une section de plancher notamment dans le cadre de la présente invention pour laquelle on utilise des matériaux composites pour réaliser les structures du véhicule.

Par ailleurs, l'introduction de matériaux composite implique es solutions d'assemblage nouvelles du fait que les matériaux composites ne se prêtent pas au soudage et une structure en matériaux composite doit être reconçue par rapport à la même structure en matériaux métalliques pour lui donner de la valeur et l'optimiser.

Brève description de l'invention

La présente invention a pour objectif de définir un dispositif de reprise et de diffusion des efforts d'une pièce d'attelage en extrémité de plancher d'un véhicule ferroviaire et notamment un plancher en matériau composite de ce véhicule. L'invention a pour avantage d'utiliser l'extrémité de plancher, qui peut être une plateforme d'extrémité de voiture, comme moyen pour transmettre les efforts d'attelage vers les faces de la voiture ferroviaire. Ce dispositif est notamment optimisé et limité en terme de dimensions et est conçu pour permettre la reprise des efforts longitudinaux de traction/compression entre les véhicules, diffuser ces efforts dans le plancher et dans les faces, c'est à dire les parois longitudinales de la voiture.

Plus précisément, la présente invention propose principalement un dispositif de liaison et de reprise et diffusion d'efforts d'une liaison centrée telle qu'un dispositif d'attelage d'un véhicule qui comprend un élément de plancher raidi sur lequel est fixé un bâti support du dispositif de liaison, l'élément de plancher raidi étant réalisé en matériau sandwich borduré sur trois côtés par des profilés en matériaux composites réalisés par:

- au moins un profilé transverse de fixation du support et - deux profilés latéraux de fixation du plancher sur des faces du véhicule;

le panneau sandwich comportant une âme bordurée sur trois côtés par les profilés et des peaux recouvrant l'âme et les profilés.

Cette constitution permet d'utiliser l'élément de plancher en extrémité de caisse comme dispositif de reprise de l'attelage et de liaison entre l'attelage et les faces du véhicule .

Avantageusement, au moins l'une des peaux de l'élément de plancher raidi comporte des fibres ma oritairement orientées à + et -45° par rapport au profilé transverse pour diffuser les efforts de fixation du support depuis le profilé transverse vers les profilés latéraux.

Avantageusement, les profilés transverses et/ou les profilés latéraux comportent 25% ±5% de fibres à 0°, où 0° correspond à l'axe longitudinal du profilé, 25% ±5% de fibres à +45°, 25% ±5% de fibres à -45° et 25% ±5% de fibres à 90°.

Selon un mode de réalisation avantageux, ledit profilé transverse comporte au moins une poutre transverse comportant un flan supérieur, un flan inférieur et un flan latéral reliant le flan supérieur au flan inférieur.

Selon un mode de réalisation particulier, lesdits profilés sont des profilés carbone.

Le profilé transverse comporte avantageusement deux poutres transverses.

Avantageusement, le profilé transverse intègre des inserts de serrage de vis de liaison traversantes de fixation d'une semelle du bâti support sur le plancher raidi.

Selon un mode de réalisation particulier, les profilés latéraux sont des poutres tubulaires de section rectangulaire . Les profilés latéraux sont avantageusement disposés en prolongement de l'âme sur les bordures latérales de l'élément de plancher, au moins une des peaux se prolongeant sur un bord latéral externe des profilés latéraux.

Préférablement , au moins l'une des peaux comporte une surépaisseur au niveau dudit profilé transverse.

L'invention concerne en outre un dispositif de liaison et de reprise et diffusion d'efforts comportant un bâti support d'un dispositif d'attelage de véhicule pour lequel le bâti support est réalisé sous forme d'un caisson formé par assemblage de deux profils en I comportant chacun une semelle horizontale, de fixation du bâti support sur l'élément de plancher, un panneau vertical et un plateau supérieur horizontal de fixation du bâti support sous une traverse du véhicule éventuellement partie d'un second élément de plancher, les panneaux verticaux entre le plateau supérieur et la semelle des deux profils en I recevant une poutre de fixation du dispositif de liaison du véhicule.

Le bâti support est avantageusement réalisé en matériaux composites.

Selon un mode de réalisation avantageux, chaque profil en I du bâti comporte:

- une première peau, réalisant une face supérieure externe au caisson de la semelle, une face latérale externe au caisson du panneau vertical et une face inférieure externe au caisson du plateau supérieur;

- une seconde peau, réalisant la face supérieure du plateau supérieur;

- une troisième peau, réalisant une face supérieure interne au caisson de la semelle, une face latérale interne au caisson du panneau vertical et une face inférieure interne au caisson du plateau supérieur, et, - une quatrième peau réalisant la face inférieure de la semelle.

L'invention concerne en outre un véhicule comportant au moins un dispositif de liaison selon l'invention.

Selon un premier mode de réalisation, les faces du véhicule comportent des brancards de réception des bords latéraux de l'élément du plancher pourvus des profilés latéraux, lesdits brancards comportant des cornières support, pourvues d'une aile horizontale sur laquelle se fixe une face inférieure de l'élément de plancher au niveau d'un profilé latéral, la bordure du plancher au niveau du profilé se fixant directement sur la face.

Selon un second mode de réalisation, les faces comportent des brancards de réception des bords latéraux de l'élément du plancher pourvus des profilés latéraux, lesdits brancards comportant des cornières support, pourvues d'une aile horizontale sur laquelle se fixe une face inférieure de l'élément de plancher au niveau d'un profilé latéral et pourvus d'une aile verticale sur laquelle se fixe la bordure du plancher au niveau dudit profilé latéral.

L'invention prévoit avantageusement dans le cas d'un véhicule comportant au moins un dispositif de liaison muni d'un bâti support en caisson comportant une semelle et un plateau supérieur respectivement au dessous et au dessus du caisson et comportant une traverse, éventuellement partie d'un second élément de plancher, de fixer le plateau supérieur sous sous la traverse et de fixer la semelle sur l'élément de plancher raidi.

Brève description des dessins

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description qui suit d'un exemple non limitatif de réalisation de l'invention en référence aux dessins qui représentent: En figure 1: une vue de côté d'une extrémité de voiture ferroviaire avec dispositif d'attelage;

En figure 2: une vue de dessous de l'extrémité de la figure 1;

En figure 3: une vue de trois quart arrière et du dessus d'un premier exemple d'extrémité de voiture munie d'un dispositif d'attelage et d'un dispositif de liaison de 1 ' invention;

En figure 4: une vue de trois quart arrière et du dessus d'un second exemple d'extrémité de voiture munie d'un dispositif d'attelage et d'un dispositif de liaison de 1 ' invention;

En figure 5: une vue de trois quart arrière et du dessous de l'extrémité de voiture de la figure 4;

En figure 6: une vue en perspective d'un premier exemple de support d'attelage d'un dispositif de l'invention;

En figure 7: une vue en perspective d'un second exemple de support d'attelage d'un dispositif de l'invention;

En figure 8: une vue en perspective de dessus d'un exemple d'extrémité de plancher d'un dispositif de 1 ' invention;

En figure 9: une vue éclatée de dessus de l'extrémité de plancher de la figure 8;

En figure 10: une vue en perspective de dessus d'un détail de la fixation du plancher de la figure 8 sur une face latérale de véhicule;

En figure 11: une vue en perspective de dessus d'un détail de la fixation du plancher de la figure 8 sur une face latérale de véhicule;

En figure 12: une représentation schématique de la fixation du plancher des figures 10 et 11 sur la face du véhicule . Description détaillée de modes de réalisation de

1 ' invention

La présente invention s'adresse en particulier à la réalisation de systèmes d'attelage entre des voitures ferroviaires dont la structure est réalisée en matériaux composites et pour lesquelles un ou plusieurs planchers réalisés avec de tels matériaux sont utilisés pour reprendre les efforts du système d'attelage.

Plus généralement l'invention peut s'appliquer à un véhicule comportant un moyen de liaison centré par rapport à un axe du véhicule et pour lequel les efforts doivent être repris par une plateforme en matériaux composites de ce véhicule du véhicule et transmis à la caisse de ce véhicule.

Dans le cadre de la description qui suit d'une application particulière de l'invention on se place dans le contexte des systèmes d'attelage pour voitures ferroviaires passagers à deux étages à structure en matériaux composites pour lesquelles les planchers ne sont pas alignés avec dans un même plan horizontal que le dispositif d'attelage.

Dans le cadre de la réalisation de voitures traditionnelles à châssis métallique, les figures 1 et 2 montrent respectivement en vue de côté et vue de dessus une réalisation de liaison entre un dispositif d'attelage et la caisse du véhicule.

Le dispositif d'attelage A est monté sur une traverse T à l'arrière du véhicule et relié d'une part aux faces F de ce véhicule par des jambes de force Jl, J2 transmettant les efforts d'attelage auxdites faces et d'autre part à un plancher du véhicule par une jambe de force J3.

Cette construction est complexe et conduit à des liaisons ponctuelles avec la caisse du véhicule qui subissent des efforts importants. Les figures 3 et 4 représentent deux types de réalisation selon l'invention pour un véhicule passager à deux étages.

Dans la figure 3, applicable par exemple à un élément d'attelage porteur 11 d'une voiture d'un train à grande vitesse à deux étages 101, le dispositif d'attelage est au dessus de la partie courante du plancher bas 41 et comporte une structure de liaison 51 entre le dispositif d'attelage porteur et le plancher bas dans un plan vertical perpendiculaire à l'axe de la voiture pour reprendre les efforts verticaux et un dispositif de liaison selon l'invention qui sera détaillé plus loin.

L'extrémité du plancher bas est ici surélevée par rapport au bas de la caisse de la voiture du fait de la présence des bogies aux extrémités de la voiture.

Dans la figure 4, le dispositif d'attelage 12 de type supporté est fixé d'une part à une avancée au niveau du plancher haut de la voiture 102 par des jambes 52 pour reprendre les efforts verticaux sur l'attelage et d'autre part au plancher bas 42 par un dispositif de liaison selon l'invention pour reprendre les efforts longitudinaux.

Il est à noter que les figures 3 et 4 peuvent s'appliquer à l'avant et l'arrière d'une même voiture l'un portant l'élément d'attelage porteur 11 et l'autre l'élément d'attelage supporté 12.

L'attelage peut aussi être fixé à une extrémité de plancher inférieur dans le même plan que la partie courante du plancher.

Les efforts verticaux sont constitués par une charge de compression qui peut atteindre 2000kN.

Pour la reprise des efforts longitudinaux et leur transfert vers les faces 10 de la voiture, la solution de l'invention comporte une extrémité de plancher 41, 42 en matériau sandwich borduré sur 3 côtés par des profilés en matériaux composites.

La figure 5 représente l'élément de plancher 42 qui est plus précisément décrit aux figures 8 et 9. L'élément de plancher comporte:

- un profilé transverse 51, 52 qui permet l'introduction des efforts venant du dispositif d'attelage dans le plancher;

- des profilés latéraux 61, 62 sous forme de poutres de section rectangulaires qui permettent la collecte des efforts du plancher, sur une longueur adaptée à ces efforts, et de les introduire sur les faces du véhicule;

- des peaux inférieure et supérieur 402, 403 réalisées en tissu de fibres imprégnées d'une résine, par exemple des fibres de carbone Haute Résistance (grade dit « HR ») dont le module de traction se situe entre 220 et 260GPa et dont la tenue à rupture se situe entre 3000 et 5500MPa telles que des fibres connues sous la dénomination TR50S de la société Mitsubishi ou connues sous la dénomination T700 de la société Toray ou équivalents associées à une résine époxy classe 120° comme par exemple la résine de type R367-2 de la société Structil .

Le composite recherché pour les peaux doit avoir une résistance à la traction à 0° >700 MPa, un module en

traction à 0° >100 GPa, une résistance en compression à 0° >500 MPa, un module en compression à 0° >100 GPa, un module en traction à 90° >3 GPa, une résistance au cisaillement plan Tau_12 >30 MPa, un module de cisaillement plan - G_12 >2 GPa et une contrainte inter laminaire de cisaillement >25MPa.

L'orientation des fibres dans les peaux du plancher est conçue pour favoriser la transmission des efforts du profilé transverse aux profilés latéraux; - une âme 401 généralement réalisée en nid d'abeille aluminium avec un diamètre de cellules entre 4 et 6 mm et une masse volumique entre 60 kg/m ³ et 100kg/m ³ .

La liaison du profilé transverse est facilitée par une architecture locale particulière des peaux du plancher sandwich .

Pour ce faire, les deux peaux du panneau sandwich constituant le plateau sont ma oritairement orientées à + et -45° pour diffuser les efforts vers les deux poutres latérales. Par exemple environ 50% de fibres à +-45° pour environ 25 à 30% de fibres à 0° et 90°.

En outre, des surépaisseurs 404 réalisées par des couches de tissu imprégné supplémentaires les zones d'extrémité sont nécessaires pour passer les efforts localement en matage au niveau de la fixation du dispositif d'attelage sur le plancher.

Le plancher est fixé aux faces du véhicule au niveau des profilés latéraux 61, 61 comme représenté aux figures 10 et 11.

Selon la figure 10, la partie de face 110 sur laquelle se fixe le plancher 42 est métallique et comporte un brancard 120 sur lequel se fixe le bord latéral de l'élément de plancher .

Le brancard 120 est constitué d'une cornières support pourvue d'une aile horizontale 121 sur laquelle se fixe la face inférieure de l'élément de plancher au niveau du profilé latéral 62 par exemple par rivetage ou boulonnage.

Selon la figure 11, la fixation reprend la peau inférieure 402 éventuellement renforcée par une surépaisseur 405 et la face inférieure de la poutre constituée par le profilé latéral 62. Dans ce cas, la bordure du plancher au niveau de la face latérale externe du profilé latéral 62 se fixe directement sur la face 110 de la même façon par rivetage ou boulonnage.

Le brancard 120 comporte ici un profil support 124, 125 sous l'aile horizontale 121 pour répartir les efforts d'appui de l'élément de plancher.

Dans le cas de la figure 12, les parties de faces 110' sur les quelles se fixe l'élément de plancher 42 sont elles mêmes en matériaux composites et les brancards 123 comportent des cornières support, pourvues d'une aile horizontale 121 sur laquelle se fixe une face inférieure de la bordure de l'élément de plancher et pourvus d'une aile verticale 122 sur laquelle se fixe la bordure du plancher au niveau dudit profilé latéral 61, 62.

Un repli 403a de la peau supérieure 403 sur la face latérale du profilé latéral est éventuellement réalisé pour renforcer les bords de l'élément de plancher.

L'utilisation des profilés latéraux 61, 62 permet en particulier de réaliser a liaison entre l'élément de plancher 41, 42 et les faces 110, 110' au moyen d'une double liaison rivetée, verticalement et sur la tranche du panneau.

Le profilé transverse est constitué ici de deux poutres 51, 52 du fait de la géométrie du bord de panneau composite qui comporte une avancée pour recevoir le dispositif de liaison. La première poutre 51 est pour ce faire de longueur réduite par rapport à la seconde poutre 52. Il est aussi possible dans le cas où le bord du panneau recevant le dispositif de liaison est droit de réaliser le profilé transverse sous la forme d'une unique poutre plus large.

Le profilé transverse a une géométrie adaptée aux interfaces des dispositif de liaison à l'extrémité.

Les surépaisseurs des peaux 404 en figure 8 et en figure 9 sont déterminées selon des calculs dimensionnels usuels. Pour ce qui concerne la figure 8, cette figure représente la transmission des efforts d'attelage 510 depuis l'avant du panneau 42 depuis les poutres 51, 52 du profilé transverse vers les poutres des profilés transverses 61, 62 et la transmission des efforts 511 depuis ces profilés transverses vers les brancards 120 ou les faces 110 de la caisse du véhicule.

L'élément de plancher ou plateau d'extrémité de voiture est renforcé localement par les profilés qui sont selon la figure 9 avantageusement des poutres en composite carbone, deux poutres en « C » 51, 52 situées à l'extrémité du panneau côté caisson de poussée qui permettent d'une part de lier mécaniquement les deux peaux du sandwich dans la zone de liaison avec le caisson de poussée, et ceci afin de d'une part de diffuser au mieux les efforts sur les deux peaux du panneau et d'autre part de charger le panneau de la façon la plus homogène possible dans sa largeur.

L'empilement retenu pour les fibres carbone des poutre est L'empilement est de type empilement quasi-isotrope. On choisira préfèrentiellement un empilement dont les fibres ont des orientations de 25% à 0° / 25% à +45° / 25% à -45° / 25% à 90° avec une tolérance de l'ordre de 5%.

La fixation du caisson de poussée est réalisée au moyen de boulons comportant des de liaison traversantes et des écrous permettant d'assurer la liaison de l'aile inférieure du caisson de poussée sur le plateau d'extrémité.

Les poutres intègrent des inserts 406 tels que des bobines aluminium permettant d'assurer le serrage des vis traversantes sans écraser le matériau composite des poutres et du panneau.

Selon la figure 12, les liaisons entre l'élément de plancher sandwich et les brancards présentent la particularité que la peau du sandwich est prolongée de façon à ce que la peau supérieure du plateau sandwich recouvre la face supérieure et verticale externe des poutres longitudinales 61, 62. La peau inférieure du plateau sandwich recouvre pour sa part la face inférieure de la poutre longitudinale 61, 62.

Par ce principe de liaison utilisant des profilés insérés dans le panneau sandwich, le chargement de la peau supérieure se diffuse au niveau de la ligne de liaison latérale sans discontinuité tandis que le chargement de la peau inférieure se diffuse au niveau de la liaison inférieure. Les profilés en forme de poutre assurent en outre la continuité du chargement entre les deux peaux du panneau.

Ainsi, les efforts longitudinaux introduits dans le plateau constitué par l'élément de plancher se diffusent le long de la liaison et viennent recharger le brancard.

Dans le cadre de l'invention et pour une voiture à étage, il est prévu de répartir la charge de la liaison entre des éléments de plancher ou plateaux haut et bas.

Pour ce faire, un bâti support 31, 32, appelé aussi caisson de poussée et représenté notamment aux figures 6 sert de support intermédiaire pour le dispositif d'attelage et transmets les efforts entre ce dispositif et l'élément de plancher .

La figure 6 représente la fixation du bout porteur 11 de l'attelage et La figure 7 représente la fixation du bout supporté de l'attelage sur le bâti support.

Le bâti support est une pièce en double « I » comportant une partie de caisson dans laquelle est fixé le dispositif d ' attelage .

Le bâti support 31, 32 réalise un caisson pourvu d'une semelle élargie et d'un plateau formé par assemblage de deux profils en I . Chaque profil comporte une semelle horizontale 310, 310', de fixation du bâti support sur l'élément de plancher par boulonnage ou rivetage de la semelle dans la partie de l'élément de plancher comportant le profilé transverse 51, 52.

Chaque profil comporte en outre un panneau vertical 311, 311' et un plateau supérieur horizontal 312, 312'.

Le plateau horizontal sert à fixer le bâti support sous une traverse du véhicule éventuellement partie d'un second élément de plancher.

Les panneaux verticaux entre le plateau supérieur et la semelle des deux profils en I reçoivent une poutre 21, 22 de fixation du dispositif 11, 12 d'attelage du véhicule.

Le bâti support 31, 32 est éventuellement réalisé en matériaux composite monolithique.

Dans ce cas, chaque profil en I du bâti comporte:

une première peau (« C externe ») , réalisant une face supérieure externe au caisson de la semelle 312, 312', une face latérale externe au caisson du panneau vertical 311, 311' et une face inférieure externe au caisson du plateau supérieur 312, 312';

- une seconde peau, réalisant la face supérieure du plateau supérieur 312, 312';

une troisième peau (« C interne ») , réalisant une face supérieure interne au caisson de la semelle 310, 310', une face latérale interne au caisson du panneau vertical 311, 311' et une face inférieure interne au caisson du plateau supérieur 312, 312', et,

- une quatrième peau réalisant la face inférieure de la semelle 310, 310 ' .

La fixation des poutres support 21, 22 des attaches 11, 12 se fait par des lignes de rivets 313, les poutres support 21, 22 comportant par exemple des nervures 210, 220 s 'appliquant contre la tranche des panneaux pour réduire les efforts en cisaillement sur les rivets 313.

Le caisson formé par les panneaux et les parties centrales des semelles et des plateaux transmet les efforts de liaison aux planchers haut et bas, appelés aussi plateaux d'extrémité haut et bas, qui eux-mêmes les transmettent aux faces de la voiture sans nécessiter de jambes de force ou de treillis de bielles comme dans l'art antérieur.

L'invention concerne tout véhicule 101, 102 comportant au moins un dispositif de liaison selon l'invention.

Pour réaliser le panneau ou élément de plancher, la peau supérieure 403 du panneau incluant les retours verticaux 403a en flanc des panneau est drapée sur un moule puis le panneau est assemblé sur cette peau et la peau inférieure est déposée dans le moule avant polymérisation. Cette solution permet d'assurer la précision nécessaire de la cote de largeur du panneau pour son introduction dans le montage de la caisse.

L'invention n'est pas limitée aux exemples représentés et peut en particulier s'appliquer à des voitures ou wagons d'un seul étage et à tout type de véhicule roulant à attelage .