Jackshaft (locomotive) - Jackshaft (locomotive)
Un arbre de transmission est un arbre intermédiaire utilisé pour transférer la puissance d'un arbre motorisé tel que l'arbre de sortie d'un moteur ou d'un moteur à des arbres entraînés tels que les essieux moteurs d'une locomotive. Comme appliqué aux locomotives de chemin de fer aux 19e et 20e siècles, les arbres de vérin étaient généralement alignés avec les essieux moteurs des locomotives et reliés à eux par des tiges latérales . En général, chaque essieu moteur d'une locomotive est libre de se déplacer d'environ un pouce (2,5 cm) verticalement par rapport au châssis, le poids de la locomotive étant supporté par des ressorts. Cela signifie que si le moteur, le moteur ou la transmission est fixé de manière rigide au châssis de la locomotive, il ne peut pas être solidaire de l'essieu. Ce problème peut être résolu en montant l'arbre de vérin sur des paliers non suspendus et en utilisant des tiges latérales ou (dans certains premiers exemples) des entraînements à chaîne.
Les arbres à vérins ont été utilisés pour la première fois dans les premières locomotives à vapeur, bien que les concepteurs ne les aient pas encore appelés par ce nom. Au début du 20e siècle, un grand nombre de locomotives électriques entraînées par arbre de vérin ont été construites pour le service lourd de grandes lignes. Les entraînements par arbre à vérin étaient également utilisés dans de nombreuses locomotives à essence et diesel qui utilisaient des transmissions mécaniques.
Locomotives à vapeur
Le chemin de fer de Baltimore et de l'Ohio a été un pionnier dans l'utilisation de locomotives entraînées par vérin. Alors que l'essieu moteur de la première locomotive Grasshopper était directement entraîné par des engrenages droits du vilebrequin , le Traveler livré en 1833, utilisait un arbre de transmission, comme toutes les locomotives Grasshopper et Crab plus tard. Ces locomotives utilisaient un engrenage élévateur pour atteindre une vitesse de marche raisonnable en utilisant des roues motrices de petit diamètre. Il est à noter que le terme arbre de transmission n'a pas été utilisé par les concepteurs de ces machines. Au lieu de cela, ils ont fait référence à ce que l'on appellerait plus tard un arbre de transmission comme «un essieu séparé, à environ trois pieds en avant de l'essieu avant, et portant des manivelles couplées par des bielles aux manivelles des deux essieux routiers». Dans son brevet de 1837 pour ce qui est devenu connu sous le nom de classe de locomotives de crabe , Ross Winans a appelé son arbre de transmission comme «un arbre de roue à pignon» ou «troisième essieu».
Dans une locomotive à vapeur conventionnelle, le vilebrequin est l'un des essieux moteurs . Dans une locomotive à vapeur entraînée par arbre de vérin, le vilebrequin fait tourner un arbre de vérin qui, à son tour, fait tourner le conducteur. Certaines locomotives à vapeur ont eu des conceptions intermédiaires entre ces extrêmes, avec des vilebrequins distincts de l'essieu moteur. Phineas Davis « premier B & O s Grasshopper testés sur le B & O en 1831 était dans cette classe, comme ce fut le chemin de fer de Stockton et Darlington » s Swift à partir de 1836, lorsque le vilebrequin a été directement entre les essieux moteurs. Ces deux exemples utilisaient des cylindres verticaux, avec le vilebrequin dans le plan des essieux moteurs. Le premier utilisait un entraînement par engrenage pour le premier essieu moteur, le second utilisait des tiges latérales pour cette liaison. Dans ce dernier cas, la raison déduite de l'utilisation d'un vilebrequin distinct des essieux menés était «de prendre les chocs de travail loin de l'arbre de puissance».
Plusieurs locomotives ont été construites avec des cylindres horizontaux entraînant un vilebrequin directement au-dessus de l' essieu moteur arrière , avec un ressort commun supportant à la fois l'arbre et l'essieu afin qu'ils puissent se déplacer verticalement ensemble. Ross Winans a conçu une série de locomotives 0-8-0 à partir de 1842, lançant ce qui est devenu la classe de moteurs B&O Mud Digger . Comme les locomotives Grasshopper avant eux, les vilebrequins de ces moteurs étaient orientés vers les arbres menés. Dans son brevet de 1843, Winas a qualifié le vilebrequin de cinquième arbre, ou essieu. En 1880, le Fowler Steam Plough Works de Leeds en Angleterre a reçu un brevet sur une conception de locomotive 0-4-0 similaire avec des tiges latérales verticales entre le vilebrequin et l'essieu arrière. Ici, la motivation était d'éloigner les cylindres et les tiges de piston de la poussière et de la saleté sur un moteur avec de petites roues motrices. Une de ces locomotives Fowler survit, une très petite 0-4-2 T.
Les premiers concepteurs de locomotives à turbine à vapeur ne comprenaient pas la nécessité de réducteurs ou de suspensions à ressort. Une fois ces problèmes compris, les arbres de vérin sont apparus comme une alternative pour relier le réducteur de sortie de la turbine aux roues motrices . Giuseppe Belluzzo, d'Italie, a obtenu plusieurs brevets américains sur des variantes de cette idée. Les alternatives aux entraînements à arbre de vérin comprenaient l'utilisation d'un entraînement à douille avec la turbine au-dessus de l'essieu moteur, ou une combinaison d'un entraînement à douille avec une boîte de vitesses suspendue horizontalement entre un essieu moteur de locomotive et l'arbre de turbine.
Locomotives électriques
De nombreuses premières locomotives électriques étaient également équipées d' arbres de transmission . Une étude générale de la conception des locomotives électriques à partir de 1915 montre 15 arrangements distincts d'entraînement à arbre de transmission sur 24 modèles de locomotives distincts.
Certaines premières locomotives utilisaient des moteurs de traction à courant continu de petit diamètre montés sur des essieux individuels, mais la majorité, en particulier pour les locomotives à courant alternatif, n'avaient qu'un ou deux moteurs de grand diamètre. Ces moteurs de grand diamètre étaient plus gros que la plupart des roues motrices et étaient donc montés bien au-dessus du niveau des essieux moteurs. Le ou les moteurs entraînaient l'arbre de transmission ou les arbres de vérin à travers des engrenages ou des tiges latérales , puis l'arbre de transmission faisait tourner les roues à travers des tiges latérales . En Europe, Oerlikon et Brown, Boveri a été le pionnier d'une variété de conceptions d'arbre de transmission, tandis qu'aux États-Unis, Westinghouse était dominant. Les premières études sur les conceptions de locomotives électriques citées ici utilisent toutes le terme arbre de transmission ou arbre de vérin.
Les exemples incluent le PRR DD1 et FF1 locomotives électriques , ainsi que les Suisses de classe Ce 6/8 Crocodile et son cousin à voie étroite, le chemin de fer rhétique Ge 6/6 I .
Le développement continu des moteurs électriques les a rendus plus petits, et par la Seconde Guerre mondiale, la plupart des arbres de transmission nouveaux et rendus obsolètes.
Locomotives à combustion interne
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Lorsque Baldwin a commencé à construire des locomotives à combustion interne dans les premières décennies du 20e siècle, ils ont utilisé une transmission à 2 vitesses du moteur à essence à un arbre de transmission. Les premiers brevets de locomotive à combustion interne de Baldwin couvraient l'utilisation des deux tiges latérales et de la transmission par chaîne pour relier l' arbre de transmission aux roues motrices. Les premières locomotives à combustion interne Baldwin utilisaient une configuration 0-4-0 et pesaient de 3,5 à 9 tonnes, mais en 1919, une configuration 0-6-0 de 25 tonnes était disponible. Ces locomotives ont été largement utilisées sur les chemins de fer à tranchées à voie étroite de la Première Guerre mondiale .
Le diesel British Rail Class 03 (photo) est un exemple plus récent. Les arbres à vérins étaient utilisés sur certaines locomotives diesel-mécaniques et diesel-hydrauliques , mais étaient rarement utilisés sur les moteurs diesel-électriques . La classe D3 / 7 de British Rail a fait exception .
Mouvement de suspension
Une difficulté avec l'entraînement de la tige d'accouplement à partir d'un arbre de vérin est la nécessité de permettre le mouvement de suspension vertical des essieux. Plusieurs dispositions mécaniques ont été utilisées pour permettre cela.
Tiges horizontales longues
L'agencement le plus simple consiste à utiliser de longues tiges d'accouplement, fonctionnant horizontalement. Un grand mouvement vertical en bout de roue ne donne lieu qu'à un petit mouvement horizontal au niveau de la transmission de l'arbre de transmission. Pour une locomotive diesel-mécanique, cela peut être compensé par un montage horizontalement conforme de la transmission. Le moteur lourd est porté sur les roues motrices pour le poids d'adhérence , mais la boîte de vitesses relativement légère peut être montée à une extrémité, au-delà de l'empattement couplé. Un carter d' entraînement final est également suffisamment étroit pour être monté entre les cadres, ce qui lui permet d'être monté bas et au niveau des essieux moteurs.
Cette disposition est courante pour les shunters diesel à vitesse lente, mais pas généralement pour les vitesses de ligne principale. Le D-lok suédois de 1925 l'a utilisé, avec deux moteurs engrenés sur un seul arbre de transmission avec des tiges courtes entre deux essieux moteurs d'une disposition 1-C-1 .
Tiges fendues
Des paliers à glissement verticaux dans des pavés à cornes permettraient le mouvement, mais ceux-ci doivent être conçus avec soin, sinon la force exercée à travers les tiges serait gaspillée en faisant simplement glisser ce palier d'avant en arrière. Ces joints coulissants doivent être agencés pour permettre le déplacement de la suspension, mais de manière à ce que la force de la tige soit toujours perpendiculaire à la glissière.
Le E550 italien à dix couplés de 1908 avait des moteurs jumelés, chacun avec un arbre de transmission. Une tige triangulaire était portée entre celles-ci, tournant de manière synchronisée et donc toujours horizontale. Celui-ci portait un tourillon de maneton coulissant pour l'essieu central et des roulements pour les longues bielles d'accouplement aux paires de conducteurs inégalement espacées devant et derrière. Une disposition similaire a été utilisée pour le chemin de fer suisse Bern – Lötschberg – Simplon Be 5/7 1-E-1 de 1912.
Des liens conceptuellement similaires ont été utilisés pour les crocodiles suisses Ce 6/8 II . Comme ceux-ci n'avaient qu'un seul moteur de traction à chaque extrémité, le châssis triangulaire était également porté par un arbre de transmission aveugle et non alimenté. Il était légèrement incliné, car l'arbre de transmission du moteur était au-dessus de l'axe de la roue.
Tiges diagonales de Winterthur
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La plupart des classes de crocodiles suisses utilisaient à la place la tige diagonale de Winterthur ou le dessin Schrägstangenantrieb (allemand).
Ces locomotives étaient articulées, avec un gros moteur de traction sur chacun des deux bogies à chaque extrémité. L'arbre de transmission était ainsi placé au-dessus et entre les roues motrices. Pour maximiser la longueur de sa tige d'entraînement et réduire son angulation, celle-ci était connectée à proximité de l'essieu moteur le plus éloigné. La tige d'accouplement entre ces essieux était «triangulaire», avec un roulement supplémentaire monté sur son bord supérieur, prenant la poussée de la tige d'entraînement de l'arbre de transmission. Contrairement à la plupart des bielles, cela lui permet d'être monté dans le même plan que les roulements de bielles. Cela réduit les longueurs en porte-à-faux des manetons et leurs charges de flexion.
Cette disposition est simple et robuste, mais ne donne pas une géométrie parfaite et est donc connue pour ses grincements et son fonctionnement irrégulier, notamment si les roulements de bielles s'usent. Pour les locomotives suisses: des locomotives puissantes et bien entretenues fonctionnant à faible vitesse sur des pentes abruptes, c'était une conception acceptable. Il n'a cependant pas fait beaucoup de percées dans les services de passagers rapides.
Liens Ganz et Kandó
Certaines des liaisons les plus complexes utilisées pour les locomotives express étaient les liaisons Ganz , Kandó ou Bianchi. Celles-ci se présentaient sous la forme d'un triangle inversé, descendant de l'arbre de transmission du moteur surélevé à l'axe de la roue.
La forme Ganz a été utilisée sur les locomotives hongroises Les Belles Hongroisses 2BB2 400 pour le PO français . Celui-ci comportait quatre maillons formant le triangle, les deux sommets supérieurs étant montés sur le châssis de la locomotive (par un court maillon oscillant) et sur le maneton de l'arbre de transmission. Le sommet inférieur du triangle contenait une courte liaison triangulaire, qui reliait les côtés du triangle au maneton de la roue. En inclinant ce lien, le mouvement de suspension était absorbé. Cette liaison fonctionnait bien à grande vitesse et comme elle était entièrement composée d'articulations pivotantes sans glissement, il n'y avait pas de mouvement perdu. C'était pourtant complexe, lourd et déséquilibré.
La liaison Kandó était similaire en compensation, mais les sommets supérieurs étaient portés par une paire d'arbres de moteur.
La seule de ces liaisons avec une durée de vie étendue ou longue était la liaison Bianchi symétrique et mieux équilibrée, utilisée en Italie.