03 - Isostatisme de l'engin roulant au 1:87
Introduction
Evitons de réinventer la roue
On va partir du principe que ça, c’est déjà fait…
Pour cette étude de l’isostatisme de l’engin roulant en HO, je me baserai sur mes illustres prédécesseurs à commencer par les travaux du CLAG et de la Scalefour Society depuis les années 80.
Si je ne considère que la version de 2003 du Scalefour Digest n°41.0, pas moins de 25 contributeurs ont constitué « The principles of model locomotive suspension » rédigé par Russ Elliott à partir des travaux antérieurs depuis 1985 déjà par K.R. (Ken) Morgan et Mike Sharman.
Ce document est maintenu et toujours accessible sur le site du CLAG.
Ci-contre, trois schémas tirés de www.clag.org.uk.
On y voit un chassis de 030 muni d’un axe moteur fixe et de deux axes moteurs oscillants associés par un balancier définissant un troisième point de sustentation par rapport à la voie à distance donnée du plan de roulement, c’est la fameuse suspension à trois points.
Les schémas à droite montrent que toutes les roues sont en contact avec les rails à charge constante et sans aucun élément élastique.
On va partir du principe que ça, c’est déjà fait…
Pour cette étude de l’isostatisme de l’engin roulant en HO, je me baserai sur mes illustres prédécesseurs à commencer par les travaux du CLAG et de la Scalefour Society depuis les années 80.
Si je ne considère que la version de 2003 du Scalefour Digest n°41.0, pas moins de 25 contributeurs ont constitué « The principles of model locomotive suspension » rédigé par Russ Elliott à partir des travaux antérieurs depuis 1985 déjà par K.R. (Ken) Morgan et Mike Sharman.
Ce document est maintenu et toujours accessible sur le site du CLAG.
Ci-contre, trois schémas tirés de www.clag.org.uk.
On y voit un chassis de 030 muni d’un axe moteur fixe et de deux axes moteurs oscillants associés par un balancier définissant un troisième point de sustentation par rapport à la voie à distance donnée du plan de roulement, c’est la fameuse suspension à trois points.
Les schémas à droite montrent que toutes les roues sont en contact avec les rails à charge constante et sans aucun élément élastique.
En français, pas grand-chose
En français, sauf erreur de ma part, on ne trouve que peu de choses :
La traduction par François Gobbey aux étitions LR Presse du fameux « Flexichas » de Mike Sharman, dont voici un modèle en construction intégrale, photo à gauche,
L’exposé de principe de Gérard Huet et la présentation de ses productions de l’époque dans le Cahier du Modélisme n°11 de 1994, voir schéma de droite,
Nos propres travaux.
Les paliers avec ajouts de glissières verticales soudées de Gérard Huet ne m’ont pas convaincu et pour être honnête, notre propre approche est confidentielle avec moins de 1'000 essieux installés.
Autant dire que la révolution ne viendra pas cette fois et que le présent texte ne vise qu’à rappeler les principes les plus sains à nos yeux, en essayant d’éviter l’écueil du catalogue de nos propres productions.
Mike Sharman le disait fort bien dans « Flexichas », l’approche isostatique est une religion basée sur sa pratique !
En français, sauf erreur de ma part, on ne trouve que peu de choses :
La traduction par François Gobbey aux étitions LR Presse du fameux « Flexichas » de Mike Sharman, dont voici un modèle en construction intégrale, photo à gauche,
L’exposé de principe de Gérard Huet et la présentation de ses productions de l’époque dans le Cahier du Modélisme n°11 de 1994, voir schéma de droite,
Nos propres travaux.
Les paliers avec ajouts de glissières verticales soudées de Gérard Huet ne m’ont pas convaincu et pour être honnête, notre propre approche est confidentielle avec moins de 1'000 essieux installés.
Autant dire que la révolution ne viendra pas cette fois et que le présent texte ne vise qu’à rappeler les principes les plus sains à nos yeux, en essayant d’éviter l’écueil du catalogue de nos propres productions.
Mike Sharman le disait fort bien dans « Flexichas », l’approche isostatique est une religion basée sur sa pratique !
Tentons de respecter l’aspect de la roue
Le train jouet nous a habitués à des rayons très courts, jusqu’à 385 mm, alors que la voie normale réelle présente des courbes d’au moins 80 m de rayon dans les dépôts, soit plus de 900 mm en HO.
Les problèmes de roulement ne sont donc pas les mêmes.
Sur deux files de rail, le profil des roues réelles présente une conicité (1/20) de la bande de roulement, qui correspond à l’inclinaison des rails à la même pente vers le plan médian de la voie.
Cette conicité tend à centrer l’essieu pendant la marche et crée une fréquence propre de lacet parfois amortie mécaniquement.
De plus, pour éviter tout déraillement, les roues réelles ont un boudin dont le profil se raccorde à la bande de roulement par un congé.
Il en va de même dans les modèles réduits mais les rayons étant diminués, la hauteur des boudins a été volontairement augmentée.
La norme Proto’87 tente de définir des roues qui respectent l’échelle, alors que les normes NEM 311.1 et RP25-88 s’en approchent déjà très nettement.
Voici deux extrèmes en photo : une Pacific 2.231C Jouef en norme jouet et une Chapelon Roco convertie au Proto’87.
Le train jouet nous a habitués à des rayons très courts, jusqu’à 385 mm, alors que la voie normale réelle présente des courbes d’au moins 80 m de rayon dans les dépôts, soit plus de 900 mm en HO.
Les problèmes de roulement ne sont donc pas les mêmes.
Sur deux files de rail, le profil des roues réelles présente une conicité (1/20) de la bande de roulement, qui correspond à l’inclinaison des rails à la même pente vers le plan médian de la voie.
Cette conicité tend à centrer l’essieu pendant la marche et crée une fréquence propre de lacet parfois amortie mécaniquement.
De plus, pour éviter tout déraillement, les roues réelles ont un boudin dont le profil se raccorde à la bande de roulement par un congé.
Il en va de même dans les modèles réduits mais les rayons étant diminués, la hauteur des boudins a été volontairement augmentée.
La norme Proto’87 tente de définir des roues qui respectent l’échelle, alors que les normes NEM 311.1 et RP25-88 s’en approchent déjà très nettement.
Voici deux extrèmes en photo : une Pacific 2.231C Jouef en norme jouet et une Chapelon Roco convertie au Proto’87.
Le besoin d’une suspension
La suspension des véhicules ferroviaires réels fait largement appel à des éléments élastiques pour équilibrer la charge des roues.
Les locomotives réelles ajoutent des balanciers parfois complexes pour répartir la masse entre les essieux.
Source : A. Schaefer, dlok.de.
Le train jouet évite les déraillements avec une jante assez élargie et une hauteur de boudin assez augmentée pour encaisser les lacunes et les gauchissements d’une voie posée sur un plan de jeu ou grimpant allègrement des rampes improbables en réalité.
En modélisme, les travaux du CLAG se traduisent par une suspension qui ne fait pas appel à des éléments élastiques mais à des appuis sur les portées ou sur les axes et qui répartissent la charge au moyen de l’équilibrage des appuis d’une structure déformable.
Cette approche évite de calibrer la position et la constante de raideur d’éléments élastiques, cependant nos travaux s’en autorisent parfois comme on le voit à droite pour simplifier la construction en évitant de nombreux leviers et articulations.
Mais voyons déjà l'inscription en courbe en termes d'empattement rigide et de jeux latéraux avant d'aborder l'isostatisme plus en détail !
La suspension des véhicules ferroviaires réels fait largement appel à des éléments élastiques pour équilibrer la charge des roues.
Les locomotives réelles ajoutent des balanciers parfois complexes pour répartir la masse entre les essieux.
Source : A. Schaefer, dlok.de.
Le train jouet évite les déraillements avec une jante assez élargie et une hauteur de boudin assez augmentée pour encaisser les lacunes et les gauchissements d’une voie posée sur un plan de jeu ou grimpant allègrement des rampes improbables en réalité.
En modélisme, les travaux du CLAG se traduisent par une suspension qui ne fait pas appel à des éléments élastiques mais à des appuis sur les portées ou sur les axes et qui répartissent la charge au moyen de l’équilibrage des appuis d’une structure déformable.
Cette approche évite de calibrer la position et la constante de raideur d’éléments élastiques, cependant nos travaux s’en autorisent parfois comme on le voit à droite pour simplifier la construction en évitant de nombreux leviers et articulations.
Mais voyons déjà l'inscription en courbe en termes d'empattement rigide et de jeux latéraux avant d'aborder l'isostatisme plus en détail !
Empattement rigide et inscription en courbe
Les wagons longs à deux essieux
L’inscription en courbe plus serrée sur nos réseaux qu’en réalité est un problème d’isostatisme à part entière, peu traité jusqu’ici sauf de par un congé de raccordement spécifié par les normes de roulement.
Quand on abaisse la hauteur du boudin depuis la norme jouet au Proto’87 en passant par la norme fine intermédiaire, le débattement latéral de l’essieu calculé selon le rayon d’inscription ne suffit pas !
Premier exemple : prenons un wagon long à deux essieux, un cas typiquement européen.
Voici le kit Huet modifié AMF’87 à roues NEM fines ou P87 en option d’un wagon TA60, avec sa longueur de 17.4 m et son empattement de 9 m, d’autres modèles existent de ce wagon mais ils ne sont pas annoncés pour être possiblement destinés au Proto’87.
Qu’arrivera-t’il chez vous, passera, passera pas ?
Installons un essieu de 10.6 mm en norme RP25-88 ou NEM 311.1 sur un tronçon courbe « un peu excessif » car le rayon est de 135 mm juste pour voir, à 4.50 m du plan contenant le centre de courbure.
Nous affichons ici la face interne des profilés de rails.
Visiblement, ça ne passe pas : les roues vont monter sur le rail.
L’inscription en courbe plus serrée sur nos réseaux qu’en réalité est un problème d’isostatisme à part entière, peu traité jusqu’ici sauf de par un congé de raccordement spécifié par les normes de roulement.
Quand on abaisse la hauteur du boudin depuis la norme jouet au Proto’87 en passant par la norme fine intermédiaire, le débattement latéral de l’essieu calculé selon le rayon d’inscription ne suffit pas !
Premier exemple : prenons un wagon long à deux essieux, un cas typiquement européen.
Voici le kit Huet modifié AMF’87 à roues NEM fines ou P87 en option d’un wagon TA60, avec sa longueur de 17.4 m et son empattement de 9 m, d’autres modèles existent de ce wagon mais ils ne sont pas annoncés pour être possiblement destinés au Proto’87.
Qu’arrivera-t’il chez vous, passera, passera pas ?
Installons un essieu de 10.6 mm en norme RP25-88 ou NEM 311.1 sur un tronçon courbe « un peu excessif » car le rayon est de 135 mm juste pour voir, à 4.50 m du plan contenant le centre de courbure.
Nous affichons ici la face interne des profilés de rails.
Visiblement, ça ne passe pas : les roues vont monter sur le rail.
D’accord, avec un rayon de 135 mm, on exagère un peu mais c’est pour rendre les phénomènes plus visibles.
Essayons déjà de trouver son rayon d’inscription en RP25-88.
Voici déjà la vue en « coupe » de la voie au centre de cet essieu et observons la vue perpendiculaire à la voie, le chassis du wagon étant aligné sur la corde de l’arc de courbe dont la longueur est égale à l’empattement du wagon.
Avec ce rayon caricatural, disons qu’on n’est pas trop surpris qu’il y ait des problèmes même si à l’arrêt il n’y a pas d’interférence.
Le déraillement est assuré car le boudin de la roue entrera en contact avec le rail au moindre mouvement du wagon !
Pour que le congé de raccordement fasse son office, il faut que les cercles limites de la roue touchent le rail avant le boudin.
Essayons déjà de trouver son rayon d’inscription en RP25-88.
Voici déjà la vue en « coupe » de la voie au centre de cet essieu et observons la vue perpendiculaire à la voie, le chassis du wagon étant aligné sur la corde de l’arc de courbe dont la longueur est égale à l’empattement du wagon.
Avec ce rayon caricatural, disons qu’on n’est pas trop surpris qu’il y ait des problèmes même si à l’arrêt il n’y a pas d’interférence.
Le déraillement est assuré car le boudin de la roue entrera en contact avec le rail au moindre mouvement du wagon !
Pour que le congé de raccordement fasse son office, il faut que les cercles limites de la roue touchent le rail avant le boudin.
Amis nostalgiques du petit rayon Jouef, passons le rayon à 385 mm et observons l’autre roue pour mieux comprendre le phénomène.
Le cercle à mi hauteur du boudin, qui marque le point d’inflexion entre le congé de raccordement au plan de roulement et les trois arrondis du boudin, ne touchera pas le rail en premier.
C’est bien la zone des arrondis qui touchera d’abord et comme le congé ne peut pas faire son travail, le déraillement est encore assuré !
Si on augmente à 500 mm de rayon comme ici à droite, le congé de raccordement commence à faire un peu effet mais le boudin touche encore le rail avant la limite du congé.
Le wagon déraille une troisième fois, mais un peu moins facilement.
Pour simplifier, je vais nommer ce cercle le « cercle limite ».
Le cercle à mi hauteur du boudin, qui marque le point d’inflexion entre le congé de raccordement au plan de roulement et les trois arrondis du boudin, ne touchera pas le rail en premier.
C’est bien la zone des arrondis qui touchera d’abord et comme le congé ne peut pas faire son travail, le déraillement est encore assuré !
Si on augmente à 500 mm de rayon comme ici à droite, le congé de raccordement commence à faire un peu effet mais le boudin touche encore le rail avant la limite du congé.
Le wagon déraille une troisième fois, mais un peu moins facilement.
Pour simplifier, je vais nommer ce cercle le « cercle limite ».
Poursuivons l’essai à 600 mm de rayon : on arrive dans la zone d’incertitude, le boudin touche-t’il avant ou après le cercle limite ?
Il faut aller en fait jusqu’à 800 mm pour en être sûr, et voilà pourquoi nous considérons que le rayon d’inscription effectif de ce wagon en norme NEM 311.1 est à 800 mm et certainement pas moins.
Ce n’est pas une critique d’un modèle particulier mais une constatation géométrique basée seulement sur le profil du boudin et la mesure de l’empattement rigide !
Il faut aller en fait jusqu’à 800 mm pour en être sûr, et voilà pourquoi nous considérons que le rayon d’inscription effectif de ce wagon en norme NEM 311.1 est à 800 mm et certainement pas moins.
Ce n’est pas une critique d’un modèle particulier mais une constatation géométrique basée seulement sur le profil du boudin et la mesure de l’empattement rigide !
Et si on passe en Proto’87, qu’est-ce que ça change ?
Sur ces vues avec 600 et 800 mm de rayon, on constate que le résultat est identique pour ce qui est du rayon d’inscription, ce qui n’est pas surprenant avec la méthode d’élaboration des profils normalisés.
Par contre, comme on le voit ici, la marge de manœuvre est très réduite et au moindre contact en dehors du congé de raccordement, le déraillement demandera beaucoup moins d’effort : une petite marche de 0.31 mm, comme la hauteur du boudin à l’échelle et donc en Proto’87, est vite franchie…
Sur ces vues, le champignon du rail est large de 0.8 mm et on voit que l’espace entre le boudin et le rail est très réduit.
Il est souhaitable d’avoir une marge un peu plus grande qui surviendra quand le boudin sera moins oblique, au-delà d’un mayon d’un mètre !
Rappelons juste que ce mètre de rayon correspond au rayon minimal de courbure sur les voies de dépôt réelles.
Enfin, il est tout à fait normal qu’en réalité les rails soient légèrement surécartés en courbe et en particulier dans les appareils de voie, nous devrions en faire autant en modèle réduit et d’autant plus que les rayons sont trop petits !
Sur ces vues avec 600 et 800 mm de rayon, on constate que le résultat est identique pour ce qui est du rayon d’inscription, ce qui n’est pas surprenant avec la méthode d’élaboration des profils normalisés.
Par contre, comme on le voit ici, la marge de manœuvre est très réduite et au moindre contact en dehors du congé de raccordement, le déraillement demandera beaucoup moins d’effort : une petite marche de 0.31 mm, comme la hauteur du boudin à l’échelle et donc en Proto’87, est vite franchie…
Sur ces vues, le champignon du rail est large de 0.8 mm et on voit que l’espace entre le boudin et le rail est très réduit.
Il est souhaitable d’avoir une marge un peu plus grande qui surviendra quand le boudin sera moins oblique, au-delà d’un mayon d’un mètre !
Rappelons juste que ce mètre de rayon correspond au rayon minimal de courbure sur les voies de dépôt réelles.
Enfin, il est tout à fait normal qu’en réalité les rails soient légèrement surécartés en courbe et en particulier dans les appareils de voie, nous devrions en faire autant en modèle réduit et d’autant plus que les rayons sont trop petits !
