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Le moteur à simple expansion

C'est le premier type de moteur, celui des débuts, dans lequel la vapeur ne travaille qu'une seule fois avant de s'échapper dans l'atmosphère. Par la suite apparut le moteur compound à double expansion, mais ce progrès ne signifia nullement la disparition du moteur à simple expansion, bien au contraire. Bien des ingénieurs restèrent fidèles au moteur primitif pour de nombreuses raisons.

Le principe du moteur à simple expansion

Schéma de principe.

Ce moteur comprend les cylindres, les pistons et leurs tiges, les crosses de tiges de piston et leurs glissières, les bielles motrices et d'accouplement, et le système de distribution. En un mot, il comprend tous les organes nécessaires à la transformation en énergie mécanique (mouvement rotatif) de celle produite par la chaudière. Toutefois, le moteur à vapeur utilisé par les locomotives est à double effet: la vapeur est admise tantôt d'un côté, tantôt de l'autre côté du piston, ceci pour actionner le piston alternativement dans un sens puis dans l'autre (contrairement au moter à essence automobile qui n'utilise qu'une face du piston. De plus, les locomotives à simple expansion ont 2 ou parfois 3 cylindres. Avec 2 cylindres décalés de 90° et travaillant, comme il se doit, sur le même essieu moteur, on obtiendra, pour chaque tour de roue, 4 poussées successives. Avec 3 cylindres décalés à 120 °, on obtiendra 6 poussées. L'effort moteur est donc assez constant, surtout si l'on considère qu'il ne s'agit nullement d'explosions brusques comme dans le cas du moteur automobile. D'ailleurs, c'est pour cela que le moteur à vapeur ne "cale" pas à basse vitesse et qu'il dispose de toute sa force au démarrage. La locomotive à vapeur est inégalable pour "arracher" en douceur un train très lourd, les premiers centimètres du parcours se faisant dans un silence complet avant le premier coup d'échappement.

La position des cylindres : un grand débat

Toujours placés à l'avant, les cylindres peuvent être soit à l'extérieur des longerons du châssis (et donc bien apparents), soit à l'intérieur. Cette alternative fit l'objet d'un grand débat vers la fin du XIXe siècle : les ingénieurs anglais préféraient les cylindres intérieurs, parce que ceux-ci, placés au centre de la locomotive près de l'axe médian, créaient moins de mouvements parasites et donnaient des locomotives plus stables. Les ingénieurs des autres pays, comme l'Allemagne, les Etats-Unis, l'Italie, l'Autriche, préféraient des cylindres extérieurs, ceux-ci étant plus accessibles pour la maintenance, et parce que cette disposition dispensait du fragile essieu coudé en forme de vilebrequin.

Exemple de machine à moteur à simple expansion : La 141 R

Disposition et emplacement des tiroirs

Les tiroirs ont pour rôle d'admettre la vapeur alternativement sur chaque face du piston. Ils sont commandés par une contre-manivelle placée sur l'essieu moteur attaqué par la bielle motrice. Ils peuvent être plans ou cylindriques, c'est-à-dire que le tiroir proprement dit coulisse sur une "glace" plane ou dans un cylindre usiné dans la fonte du cylindre. Dans les machines à cylindres intérieurs, les tiroirs sont placés entre les cylindres et sont actionnés directement par des coulisses de l'essieu moteur. C'est la disposition la plus simple et celle d'origine des premières locomotives anglaises. L'augmentation, toutefois, des diamètres des cylindres a conduit les ingénieurs à les placer parfois à l'extérieur des longerons (cas des locomotives italiennes ou belges). Dans les machines à cylindres extérieurs, on peut placer les tiroirs à l'intérieur, et on les commande par des bielles intérieures. Les machines américaines, pour des questions de facilité d'entretien, ont toujours eu leurs tiroirs placés extérieurement, au-dessus des cylindres. Cette pratique s'est généralisée en Europe et elle est restée définitive jusqu'à la fin de la traction vapeur. Les tiroirs sont contenus dans des "boîtes à tiroirs" placés sur les cylindres, dans la même enveloppe.