Systèmes de freinage ferroviaires - Effort et dissipation de l’énergie

Dès la préhistoire du chemin de fer s’est posé le problème de ralentir puis arrêter les véhicules, quel que soit leur mode de propulsion. Très vite, le frein à friction, utilisant le frottement d’un matériau sur un autre pour produire un effort et dissiper l’énergie cinétique sous forme de chaleur, s’est imposé en raison de sa facilité de mise en œuvre.

Ainsi, un historien, ayant visité les mines de Leberthal en Alsace (France) vers 1550, nous apprend qu’« une pièce de bois, disposée horizontalement au-dessus d’une roue, était articulée au flanc du wagonnet. Le conducteur, qui était un enfant, pouvait ainsi appuyer de la main ou du pied contre la périphérie de la roue et modérer la vitesse de ces chariots miniers lancés dans de faibles déclinaisons ». Il s’agit ici de l’ancêtre du frein à sabots.

Durant l’essor du chemin de fer au début du XIX^e siècle, le freinage fait toujours appel au frein à friction, sous la forme là encore d’un frein dit à sabots venant frotter sur les roues des véhicules, s’inspirant directement du dispositif de freinage en vigueur sur les diligences de l’époque.

Ainsi en est-il du chemin de fer entre Saint-Étienne et Andrézieux, mis en service en 1827. Dans le sens de la descente, les convois, qui pouvaient compter jusqu’à 14 véhicules pesant chacun 5 tonnes en charge, avançaient par le simple effet de la gravité. Ils étaient donc équipés d’un système de freinage sous la forme, sur chaque wagon, de deux sabots montés tête-bêche sur un levier pivotant autour d’un axe lié au châssis.

L’arrivée des premières locomotives à vapeur est par ailleurs l’occasion de mettre en œuvre les premiers freins dynamiques : la distribution de la vapeur aux cylindres était conçue de telle sorte qu’il soit possible de fonctionner en marche arrière (on dit alors « battre contre vapeur ») pour ralentir le convoi en cas d’obstacle inopiné sur la voie.

Dès lors, et durant près de 150 ans, la technique du freinage n’évolue pratiquement plus. Le premier matériau employé pour la fabrication des semelles, à savoir le bois, fait cependant place, durant le XIX^e siècle, à la fonte en raison d’une meilleure efficacité (notamment vis-à-vis des risques d’incendie liés à l’échauffement durant le freinage) et du faible coût procuré par le développement de la sidérurgie à cette époque.

Il faut donc attendre les années 1960, et la course à la vitesse lancée par les exploitants ferroviaires au Japon et en Europe afin de contrer l’essor de l’automobile et du transport aérien, pour observer le développement de nouveaux types de freins. Apparaissent alors les trains à grande vitesse (200 à 210 km/h) : pour ces applications, il s’avère très vite que le freinage par semelles sur roues est insuffisant et inadapté, en raison d’une part de ses faibles capacités de freinage (coefficient de frottement très faible de la fonte) et d’autre part de la sollicitation thermique inacceptable qu’il génère au niveau des tables de roulement des roues. L’augmentation de la vitesse entraîne dès lors l’apparition sur les véhicules du frein à disques et du frein électromagnétique sur rails (patin magnétique). Ces innovations vont, plus que la traction (le record à 331 km/h dès 1955 l’a montré), permettre une exploitation quotidienne au-delà de 200 km/h dans des conditions de sécurité et de coût acceptables.

Les années 1970 voient par ailleurs se généraliser l’utilisation des freins dynamiques, essentiellement liés au développement de la traction électrique moderne et de la traction diesel (qu’elle soit diesel-électrique ou diesel-hydraulique).

Enfin, les courants de Foucault trouvent une application ferroviaire sous la forme de patins approchés à quelques millimètres du rail, permettant de plus de s’affranchir des problèmes liés à l’adhérence roue-rail.

Les progrès depuis lors seront constants et viseront essentiellement à améliorer les capacités énergétiques du frein à friction, notamment dans l’objectif de réduire (ou du moins de ne pas augmenter) le nombre des organes installés tandis que la vitesse des trains s’accroît (270 km/h, puis 300 à 320 km/h, des vitesses de 350 à 380 km/h étant évoquées) ou que leur masse augmente (cas des véhicules de transports urbains).