Comprendre le chemin de fer
Les roues ferroviaires
Au début.
D'où vient la roue? Difficile à dire, mais on présume qu'elle vient de la région de Sumer, en Mésopotamie, 3500 ans avant notre ère. Cependant, nous savons plus de choses sur l'origine de la roue ferroviaire. Le nom de "railroad" (route de rail) est apparue autour de la fin des années 1700 et du début des années 1800. Ce qui nous permets de pointer cette période comme étant le début de la roue ferroviaire. En fait, c'est à cette époque que l'homme fit une découverte révolutionnaire: en mettant quelque chose de dur sous les roues d'un véhicule, on pouvait considérablement augmenter la charge de ce dernier. Les premières roues du chemin de fer ressemblaient à ce qui était commun à cette époque, les roues des chariots. Un noyau de bois, des rayons de bois et une jante de métal autour, afin de prévenir l'usure trop rapide du bois. Puis, on s'est rapidement aperçu que l'ajout d'une bande de bois sur les planches déjà au sol permettaient de conserver les roues en équilibre sur ces "rails" improvisés.

Étrangement, c'est à la même période où la locomotive vapeur est apparue qu'on s'est rendu compte qu'il était beaucoup plus économique que les boudins (flanges) soient sur la roue, au lieu du rail. La roue ferroviaire était née!

Par la suite, le design a rapidement évolué: noyau de fonte avec rayon de bois, autour duquel on ajoutait une table de roulement (jante) qui comportait le boudin. Puis on remplaça les rayons de bois par des rayons de fonte. Finalement, on enleva complètement les rayons, pour les remplacer par un centre plein (qu'on appelle la toile), ce qui alla créer les roues ferroviaires tel qu'on les connaît de nos jours. Dans les 1850, quelques milliers de designs différents étaient en utilisation. Chaque fonderie avait son propre catalogue, de parfois une centaines de modèles! C'était l'heure des expérimentations.

Nomenclature

Écartement des roues
En 1867, il y a 17 000 milles de voies ferrées en Amérique du Nord qui ont un écartement de 4 pieds 8 pouces et demi. Ce qui représente 53% de toutes les voies ferrées. Le reste se compose d'écartements de 3 pieds allant à 6 pieds. Même que certains chemins de fer ont jusqu'à 4 écartements différents, en partie à cause des acquisitions de leurs compétiteurs. On développe alors les essieux de compromis: un système de rail en entonnoire permets de modifier l'écartement des roues et faisant bouger les roues latéralement sur l'essieu. Ça évite peut-être de couteux transbordements entre des wagons d'écartements différents, mais au diable la sécurité! Il fallait trouver un écartement standard à tout le monde.

Évidemment, chaque chemin de fer dit détenir le meilleur écartement, pour ne pas payer une modification à ses voies. Peu après la guerre Civile aux États-Unis, en 1863, le président Abraham Lincoln signe un décret pour la construction du chemin de fer jusqu'à la côte Ouest. Le décret impose un écartement de 4" 8' 1/2, ce qui mets fin à la guerre des écartements. Durant une fin de semaine de 1887, toutes les voies ferrées des États-Unis, sont changées pour l'écartement standard de 4" 8' 1/2. L'opération se déroule sur 36 heures, et le trafic ferroviaire n'est interrompu que pendant moins de 12 heures. Bien que les Américains avaient beaucoup plus de voies ferrées que les Canadiens, les Américains ont profité de l'expérience canadienne. Le Grand Tronc a modifié toutes ses voies à l'écartement standard (421 milles de voie principale et 60 milles de voie d'évitement) durant la fin de semaine du 3 et 4 octobre 1873, en moins de 24 heures, avec seulement 16 heures d'intéreption du trafic ferroviaire.

Une fois l'écartement standard adopté, des centaines de designs de roue disparaissent, et la course à l'évolution technologique de cet élément vital du chemin de fer commence.

Roue sur essieu

Montage de la roue
Les roues sont solidaires de l'essieu. C'est-à-dire que les roues tournent en même temps que l'essieu. Pour installer les roues sur l'essieu, on place la roue dans une presse et on pousse l'essieu dans le centre de la roue. Le moyeu de roue étant légèrement plus petit que le diamètre de l'essieu, la roue tient sur l'essieu uniquement par pression, sans aucun autre moyen. Un jeu de chauffage et refroidissement des composantes fait dilater le moyeu de roue afin qu'il demeure solidement en place.

Profil de roueProfil de roue
L'évolution la plus importante dans ce domaine viendra de la forme de la toile de la roue. Au début, la toile de la roue était droite. Cette partie de la roue connecte le moyeu avec la jante. La charge appliquée sur l'essieu est transférée au moyeu, puis à la toile, et finalement à la jante. Un problème se pose lors du freinage. La force du sabot de frein est appliquée directement sur la table de roulement de la roue. Cette friction crée une chaleur au niveau de la jante, ce qui lui fait prendre de l'expansion. Au fur à mesure que la jante se dilate, elle tente d'entraîner avec elle la toile de la roue, qui elle, n'a pas reçue cette énergie en chaleur. Il en résulte un fendillement de la toile (puisque l'acier "froid" n'est pas très élastique), et une faiblesse de la roue. En répétant le processus quelques fois, la roue se fracture, et le déraillement est inévitable.

Pour remédier à ce problème, les ingénieurs ont mis au point la toile de forme courbée. Lorsque la jante se dilate, la toile agit comme un diaphragme et bouge avec la jante. Comme les roues à toile droite font défaillance 10 fois plus souvent que les roues à toile courbée, elles ont été graduellement retirées du service. De nos jours, presque la totalité des wagons ont des roues à toile courbée.

Profil de la table de roulement
Il existe deux profils de table de roulement de la jante: conique et cylindrique. Sur les roues à table de roulement conique, la forme conique est conçue pour permettre à l'essieu de se centrer de lui-même entre les deux rails (voir la page sur les rails pour plus de détail). Sans cette forme conique, la différence inévitable de diamètre entre les deux roues de l'essieu (il faut se souvenir que les roue sont solidaires de l'essieu. Elles tournent avec lui) va faire en sorte qu'une roue tournera légèrement plus vite que l'autre. La résultante est qu'une roue va pousser plus fort sur l'essieu, et ce dernier va pivoter, et ne sera plus perpendiculaire aux rails. Cette position de l'essieu va favoriser une usure prématurée des boudins de roue, qui vont frotter en permanence les rails, jusqu'au jour où, un boudin sera tellement usé qu'il va "mordre" dans le rail, le chevaucher, puis retomber de l'autre côté provoquant ainsi un déraillement.

La forme cylindrique, où l'épasseur de la jante est continu (même épaisseur vers l'avant et vers l'arrière de la roue) fut développé pour les trains de passagers à haute vitesse. Les bogies montées avec des roues à jantes coniques finissent par faire du "balancement" à haute vitesse. Le bogie se promène de gauche à droite entre les rails. Ce balancement se transmets à la structure du wagon et procure une incomfrotable vibration. Les roues à jantes cylindriques ne se balanceront pas à haute vitesse, mais ne pourront pas s'auto-centrer aussi bien que les roues à jantes coniques, surtout dans les courbes. Leurs bodins vont s'user beaucoup plus rapidement.

Présentation vidéo sur l'auto-centrage des roues et essieux ferroviaires. La vitesse du chargement du vidéo depend de votre vitesse de connexion. Le plug-in Flash Player est requis. Si vous ne voyez pas le vidéo ci-bas, veuillez essayer cette page.

D'autres standards ont par la suite été développés, notamment sur la hauteur des boudins, l'angle entre le boudin et la table de roulement, la "rondeur" à l'extrémité extérieur de la table de roulement, etc. Ces standards ont grandement améliorés la sécurité et le rendement du matériel roulant sur nos voies. De nos jours, le problème le plus fréquent est l'écaillage. Ce problème se caractérise par l'écaillement de la surface de roulement de la jante. Lorsqu'une roue présente ce problème, elle doit être retirée du service et souvent, elle ne pourra terminer sa vie utile, qui est finie lorsque le boudin a atteint une hauteur hors-norme dû à l'usure de la table de roulement.

Les véhicules circulant sur des peneumatiques (camions, autoas, autobus, etc.) ont une surface de contact entre la chaussée et le pneu qui fait entre 1" et 7" de diamètre. Cette grande surface de contact implique forcément une grande friction. C'est friction, qu'on apelle aussi l'adhérence, est qui permets au véhicule de combattre la force d'inertie lors d'accélérations et de freinages. Les wagons et locomotives ont une surface de contact entre le roue et le rail qui ne dépasse guère 1/4". Cette si petite surface, pour un poids 100 fois plus important qu'une auto, ne donne pas beaucoup d'adhésion. Par conséquent, il y a très peu de perte de friction entre la roue et le rail. C'est ce qui permets à un train de transporter des chargements énormes. Mais c'est aussi ce qui rends sa conduite plus difficile, avec des accélérations très lentes, et des freinages très longs.

La grandeur
Au début de l'article, je vous mentionnais qu'il a déjà existé des milliers de type de roue. En 1960, il en restait 20, et de nos jours, il n'existe plus qu'un seul, qui se recoupe en 5 grandeurs, de 28" à 38". Plus de 90% des wagons sur nos rails ont des roues de 36". Il n'y pas si longtemps, les roues de 33" étaient la norme, mais après que plusieurs problèmes d'écaillement des rails dû à une charge trop concentrée, les roues de 36" ont équipé les wagons de plus de 70 tonnes. Pour les locomotives, les mesures de roues sont de 36", 40" et 42".

Les classes
Les roues ferroviaires sont distribuées en classes. La classification se fait selon la teneur en carbone de chaque mélange d'acier ayant servi à fabriquer la roue. Dans l'ordre, les classes sont L, A, B, C et U. La classe U (untreated) signifie que l'acier n'a pas été traité à la chaleur (précontraint) et n'est plus utilisée. La tenur en carbone se modifie durant la processus de manufacture de l'acier pour fabriquer la roue. À quoi sert de savoir la classe de la roue? La classe de la roue, c'est ce qui détermine quelle sera l'utilisation de la roue (quel type de wagon, de tonnage). Les roues de classes différentes ne peuvent être mélangées sur un même essieu. Les classes B et C sont recommandées pour les échanges de wagons entre les compagnies, et sur les locomotives. Les roues de classes L sont moins sujettes aux fractures, alors que les roues de classe C ne doivent jamais être installées sur des voitures de passagers dont les sabots de frein s'appliquent directement sur la roue. Les roues de classe C sont plus brillantes et plus durs, ce qui est l'opposé des roues de classe L.

Fabriquer une roue ferroviaire
Il existe deux techniques différentes de fabrication d'une roue. L'acier moulé et l'acier travaillé. Dans un cas l'acier liquide est versé dans un moule, dans l'autre, l'acier chauffé à blanc est forgé. Dans tous les cas, les roues sont traitées à la chaleur, pour rendre l'acier plus dur et plus résistant. Ce traitement est simplement la façon de contrôler la façon dont l'acier est refroidie.

La roue moulée
La matière première pour le moulage d'une roue provient de vieilles roues, de vieil acier et bien entendu, de matière neuve tel que le carbone et le fer. Le procédé de fonderie change de compagnie en compagnie. Il en va de même pour les techniques de moulage. Pour certains fabricants, on verse le métal chaud dans un moule en grès, alors que d'autres utilisent une technique d'injection au jet d'air comprimé dans un moule en graphite, qui est ensuite tourné sur tous les côtés, un peu comme la technique de moulage du chocolat. Certaines roues refroidissent dans leur moule, d'autres dans des puits, etc. Peu importe, les roues sont toutes refroidies de manière contrôlée. Le test de dureté de Brinnell est ensuite fait sur chaque roue. Le test de Brinnell consiste à appliquer une charge de 3000 kg sur une bille d'acier de 10 mm pendant 10 secondes. Ensuite, on mesure la trace laissée par la bille, ce qui donne un indice de dureté. Les roues sont ensuite mesurées et vendues en paire, de diamètre semblable. La table de roulement peut être sablée, meulée ou laissée tel quel après le moulage, selon les demandes de l'acheteur.

Pressage de roueLa roue travaillée
La roue travaillée commence sa vie sous forme de lingot d'acier cylindrique. On coupe une tranche de ce lingot à l'épaisseur d'une roue. On emmène cette tranche d'acier à 2300 degrés F pour être plus facile à modifier. La tranche est d'abord lavée avec un jet d'eau à très haute pression. Puis, une succession de presses forment la roue à son profil presque définitif. Un ordinateur contrôle les presses et le processus s'arrête automatiquement lorsque la roue a atteint sa forme définitive. Le tout prends moins d'une minute. À ce stade, il manque à la roue la forme oblique de la toile, et le trou du centre. Une dernière presse pousse le centre de la roue pour modifier la forme de la toile, puis le centre est percé, à l'aide d'un poinçon. La roue suit alors le même processus de refroidissement contrôlée que la roue moulée.

Épaisseur de la jante
IEpaisseur de la jantel existe trois types d'épaisseur de jante. L'épaisseur unique, l'épaisseur double, et l'épaisseur multiple. Les roues à simple épaisseur ne pourront pas être reprofilées. Une fois usée, elles seront jetées. Les roues à profilage double peuvent être reprofilé une fois, alors que les roues à épaisseur multiple peuvent être reprofilée à plusieurs reprises. Ces dernières .équipent les voitures de passagers et les locomotives. Plus la roue a une jante épaisse, plus elle peut être reprofilé, mais le coût de fabrication augmente substanciellement. Un chemin de fer doit faire des calculs d'entretien versus coûts d'achat pour savoir quelle épaisseur de roue acheter.

Marquage
Finalement, les roues sont marquées sur l'arrière de la toile. Le marquage se fait avec des poinçons alors que l'acier est encore chaud. On y retrouve le design de la roue, le nom du manufacturier, la classe, l'année, le mois et le numéro de série. Il y aussi du marquage sur la jante et sur le moyeu. Il y a cependant une exception: les roues destinées aux locomotives sont marquées à la peinture (stencil) parce que les roues sont souvent remachinées par les chemins de fer qui les achètent. Elles sont alors poinçonées à froid une fois l'étape de remachinage terminée.

Marquage

Défauts de roue
Les défauts de roue les plus fréquents sont l'écaillage, les jantes fissurées, les jantes étendues (rim spread), perte de la rondeur, fissure thermique (fissure traversant la roue dans le sens du rayon), amat de dépôt sur la jante, méplat (les célèbres "flat spot"), bris de la toile, roue flottante (roue qui bouge sur l'essieu).

EcaillageL'écaillage se produit lorsque trop de poids est concentré sur la roue. Cette concentration est causée non seulement par une surcharge du wagon, mais aussi par le design de la roue, et l'état du rail. Si vous êtes capable de dessiner un cercle de un pouce de diamètre à l'intérieur d'un écaillement, la roue doit être retirée du service.

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