EL TREN DE RODAJE DE LOS VEHCULOS FERROVIARIOS

Antonio Baamonde RocaIngeniero de Caminos,Canales y Puertos

Resumen del texto de: ANNA ORLOVA, YURI BORONENKO dentro del MANUAL DE DINMICA FERRROVIARIA, SIMON IWNICKI (Editor)

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ndice de contenidos0. Resumen 1. Introduccin 2. Funciones principales del tren de rodaje y terminologa Anexo: Explicacin sencilla del funcionamiento del bogie de eje simple y de dos ejes 3. Componentes del bogie A. Juegos de ruedas Anexo: Esquema bsico del juego de ruedas B. C. D. E. F. G. Cajas del eje (o cajas de grasa) Ruedas Suspensin Elementos elsticos (muelles) Amortiguadores Limitadores y evita golpes 1. 2. 3. 4. 5. 6. Guas de cuerno Guas cilndricas Vigas de enlace Limitadores con enlaces radiales Limitadores con brazos de arrastre Barras de traccin

Anexo: Chasis del bogie H. Conexin del cuerpo del vehculo (caja) al bogie 1. 2. 3. 4. 5. 6. Placa de ncleo plano Cazoletas de ncleo esfrico Pivote central Enlace Watts Enlace pendular Conexin del cuerpo del vehculo (caja) al bogie sin traviesa bailadora

Anexo: Esquema general del diseo de bogies con y sin traviesa bailadora 4. Diseo habitual de bogie para vehculos de pasajeros Anexo: Coches no articulados y articulados Anexo: Coches pendulares de pasajeros Anexo: SISTEMA TALGO PENDULAR 5. Diseo habitual de bogie para vagones de carga 6. Diseo habitual de bogie para tranvas Anexo: Diseo ptimo de tranvas de piso bajo 7. Principios de seleccin de parmetros de suspensin A. B. C. Seleccin de caractersticas de la suspensin vertical Seleccin de la rigidez de la suspensin primaria lateral y longitudinal Seleccin de la suspensin de amortiguacin

8. Diseos avanzados de bogie Anexo: Bogies de ltima generacin 9. Conclusiones 10. Referencias 11. Bibliografa

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0. Resumen

En este estudio se realiza un repaso descriptivo del tren de rodaje de los vehculos ferroviarios y, dentro de este campo, del bogie y sus componentes. Tambin se presentan los diseos de bogies ms utilizados tanto para vehculos de pasajeros como para vehculos de mercancas y para tranvas, se establecen unos criterios para la seleccin de parmetros de suspensin en vehculos y, por ltimo, se muestran los diseos avanzados de bogie o, dicho de otra forma, hacia dnde avanza en la actualidad la investigacin y el desarrollo de la tecnologa del tren de rodaje. Palabras clave: Vehculos ferroviarios, dinmica ferroviaria, tren de rodaje, bogie, juego de ruedas, caja del eje (caja de grasa), suspensiones, amortiguadores.

1. Introduccin

Este estudio toma como referencia fundamental el Captulo 3 del Manual de Dinmica Ferroviaria, Handbook of Railway Vehicle Dynamics, editado por Simon Iwnicki (Ref.:01). Este captulo 3 est dedicado al tren de rodaje de los vehculos ferroviarios, textualmente se titula: The Anatomy of Railway Vehicle: Running Gear, y fue elaborado por Anna Orlova y Yuri Boronenko; y comienza por definir sus funciones elementales y hacer una descripcin general de su tecnologa habitual para pasar a continuacin a presentar al bogie como elemento central para desarrollar el estudio de este tema. Por tanto el captulo pasa a definir y describir los componentes de los bogies, el diseo habitual de estos elementos en vehculos de pasajeros, mercancas y tranvas, los principios fundamentales para la seleccin de parmetros de la suspensin y a presentar diseos avanzados de bogies.

El objeto de nuestro estudio es realizar un resumen de los temas desarrollados en el captulo tratando de explicar sus contenidos de la forma ms comprensible y sencilla posible. Para ello se utilizar el mismo esquema del documento de referencia extrayendo tanto sus contenidos bsicos como los grficos o datos que se estimen necesarios. Por otro lado y con el objeto de facilitar la comprensin de esos contenidos se irn agregando explicaciones y aclaraciones a los mismos redactadas a partir de la bibliografa y referencias consultadas. Estas partes no directamente extradas del documento de referencia se diferenciarn del resto poniendo el formato del texto en cursiva.

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2. Funciones principales del tren de rodaje y terminologa

La diferencia principal entre un vehculo ferroviario y otros tipos de vehculos de transporte es el sistema de guiado. La superficie de los carriles no slo sirve de apoyo a las ruedas sino que tambin las gua lateralmente. Los carriles y las agujas cambian la direccin de rodadura de las ruedas y as determinan la direccin la direccin de desplazamiento del vehculo ferroviario. El tren de rodaje es el sistema que proporciona el movimiento seguro del vehculo a lo largo de las vas. Este sistema incluye componentes tales como juegos de ruedas con cajas de grasa, la suspensin elstica, los frenos, la traccin y los dispositivos para transmitir las fuerzas de traccin y frenado al cuerpo del vehculo. Sus principales funciones son:

La transmisin y la distribucin de la carga vertical de las ruedas del vehculo a los carriles. Guiado del vehculo a lo largo de la va. Control de las fuerzas dinmicas debidas al movimiento por irregularidades del carril, en curvas, agujas y despus de impactos entre vehculos. Amortiguacin eficaz de movimientos oscilatorios. Aplicacin de las fuerzas de traccin y frenado.

Dependiendo de su mecanismo de rodadura, los vehculos se pueden describir como provistos de bogies o no provistos de bogies. En vehculos sin bogies tanto la suspensin como los frenos y los equipos de traccin se montan en el bastidor del vehculo, las fuerzas de traccin y frenado son transmitidas a travs de barras de traccin o guas de cuerno y, si se tratan de vehculos convencionales de dos ejes, se generarn mayores esfuerzos en curvas cerradas que en los vehculos equivalentes con bogies, por lo que su longitud es limitada. Un tren de rodaje montado en una estructura independiente que puede girar con respecto al cuerpo del vehculo es conocido como bogie. Dependiendo del nmero de juegos de ruedas que se unen en el mismo podemos clasificar los bogies, el tipo ms comn es el de dos ejes pero a menudo encontramos tambin bogies de tres y cuatro ejes sobre todo en locomotoras. Antiguamente, los bogies simplemente permitan el movimiento del tren de rodaje en un plano horizontal respecto al cuerpo del vehculo y con ello los juegos de ruedas presentaban ngulos de ataque menores en las alineaciones curvas. Los bogies modernos tienen una estructura que les permite transmitir todos los esfuerzos4

longitudinales, horizontales y verticales desde el cuerpo del vehculo a las ruedas. Esta estructura o bastidor se equipa adems con los dispositivos de frenado, traccin, suspensin y amortiguacin; y en ella se pueden instalar tambin elementos de control de inclinacin, de lubricacin del contacto rueda carril y mecanismos para facilitar el posicionamiento radial de las ruedas en las curvas. Los vehculos provistos de bogies son normalmente ms pesados que los vehculos de dos ejes sin bogies, sin embargo, su diseo suele ser ms simple lo que se traduce en una mayor fiabilidad y facilita su mantenimiento.

Explicacin sencilla del funcionamiento del bogie de eje simple y de dos ejes

Para explicar grficamente el funcionamiento del bogie de dos ejes o carretn en comparacin con el bogie de eje simple se incluye como Figura 1 un croquis explicativo extrado de una publicacin de Isao Okamoto, How Bogies Work (Ref.: 02)

FIGURA 01: Comparacin del efecto de irregularidades en la va entre un bogie de eje simple y un bogie de dos ejes

Aclaracin a la figura, traducciones:Car suspension point: Punto de suspensin del vehculo Smaller effect of track irregularity on car suspension point: Menor efecto de irregularidades en la va en el punto de suspensin del vehculo Single axle bogie: Bogie de eje simple Two axle bogie: Bogie de eje doble

Nota aclaratoria de terminologa: Se ha mantenido el trmino bogie con el fin de evitar malos entendidos al considerar que es un trmino ms extendido en el mundo ferroviario que el ms castellanizado boje. De todas formas ambos trminos son recogidos por la Real Academia Espaola de la Lengua que los define de la siguiente manera:

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bogie. 1. m. Conjunto de dos pares de ruedas montadas sobre sendos ejes prximos, paralelos y solidarios entre s, que se utilizan en ambos extremos de los vehculos de gran longitud destinados a circular sobre carriles. boje . 1. m. Conjunto de dos pares de ruedas montadas sobre sendos ejes prximos, paralelos y solidarios entre s, que se utilizan en ambos extremos de los vehculos de gran longitud destinados a circular sobre carriles. El vehculo se apoya en cada boje por medio de un eje vertical, gracias a lo cual puede describir curvas muy cerradas.2

3. Componentes del bogie

A. Juegos de ruedas

Un juego de ruedas se compone de dos ruedas rgidamente conectadas por un eje comn. El juego de ruedas est apoyado sobre cojinetes montados en el eje.

El juego de ruedas proporciona al vehculo lo siguiente:

La distancia necesaria entre el vehculo y la va El guiado que determina el movimiento dentro del ancho de va, incluso en curvas y agujas El medio de transmisin de la traccin y las fuerzas de frenado a los carriles para acelerar y decelerar el vehculo

El diseo del juego de ruedas depende de:

El tipo de vehculo (de traccin o remolcado) El tipo de sistema de frenos utilizado (zapata, freno de disco en el eje, o freno de disco en la rueda) La construccin del centro de la rueda y la posicin de los cojinetes en el eje (por dentro o por fuera) El inters de limitar las fuerzas de alta frecuencia mediante el uso de elementos resistentes entre el centro de la rueda y la llanta Los principales tipos de diseo de juegos de ruedas se muestran en la Figura 2. A pesar de la variedad de diseos, todos estos juegos de ruedas tienen dos

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caractersticas comunes: la conexin rgida entre las ruedas a travs del eje y el perfil transversal de la superficie rodante de la rueda, llamado perfil de la rueda.

FIGURA 02: Diseos comunes del juego de ruedas(a) Juegos de ruedas con cojinetes internos y externos

(b) Juegos de ruedas con discos de freno en el eje y en la rueda

(c) Juegos de ruedas de material rodante de traccin con posicin de engranajes asimtrica y simtrica

(1: Eje; 2: Rueda; 3: Cojinete; 4: Disco de freno; 5: Engranaje de diente)

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Anexo: Esquema bsico del juego de ruedas

Para complementar de el concepto general de los juegos de ruedas se incluye como Figura 3 un esquema bsico del juego de ruedas y el eje montado sobre la va, esta figura explicativa se ha extrado del trabajo de Isao Okamoto ya referenciado con anterioridad, How Bogies Work (Ref.: 02)

FIGURA 03: Conjunto de juego de ruedas y eje sobre la va

Aclaracin a la figura, traducciones:Axle: Eje Flange: Pestaa o reborde de la rueda Gauge: Ancho de va Rail: Carril Tread gradient: Inclinacin de la banda de rodaje de la rueda Wheel: Rueda Wheel diameter: Dimetro de la rueda Wheel tread: Banda de rodaje o suela de la rueda

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B. Cajas del eje (o cajas de grasa)

La caja del eje es el dispositivo que permite que el juego de ruedas pueda girar al proporcionar el alojamiento del cojinete y, al mismo tiempo, los soportes para que la suspensin primaria sujete el juego de ruedas al chasis del vehculo. La caja del eje transmite las fuerzas longitudinales, laterales y verticales desde el juego de ruedas a los dems elementos del bogie.

Las cajas del eje se clasifican de acuerdo con:

Su posicin sobre el eje dependiendo de si los cojinetes estn dentro o fuera El tipo de cojinete utilizado, que puede ser rodamiento de rodillos o de friccin

La forma externa de la caja del eje se determina por el mtodo de conexin entre la caja del eje y el bastidor del bogie y su objetivo es lograr una distribucin uniforme de las fuerzas en el cojinete. La construccin interna de la caja del eje est determinada por el cojinete y su mtodo de sellado. En la Figura 4 podemos observar un esquema de una caja de eje con cojinete de friccin. Este tipo de cajas de eje tienen como componentes la carcasa (1), el propio cojinete (2) que generalmente est hecho de aleacin con bajo coeficiente de friccin, el cojinete (3) que transmite las fuerzas desde la carcasa de la caja del eje hasta el cojinete, un dispositivo de lubricacin (4) que engrasa el eje del cojinete. Sellado delantero y trasero (5 y 6) para evitar que entre suciedad o cuerpos extraos en la caja del eje, el sellado delantero (6) se puede retirar para comprobar el estado de los rodamientos y aadir lubricante. FIGURA 04: Diseo de una caja de eje con cojinete de friccin

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Las fuerzas verticales y longitudinales se transmiten a travs de la superficie interna del cojinete y las fuerzas laterales por sus caras. Este tipo de cajas de eje de cojinete de friccin se han quedado hoy en da obsoletas ya que presentan varias desventajas importantes como son: elevado coeficiente de friccin cuando se inician desde el reposo, poca fiabilidad, necesitan un mantenimiento intensivo, contaminan el medio ambiente, etc. En la Figura 5 podemos observar varios tipos de cajas de eje con cojinetes de rodamientos de rodillo. Este tipo de cojinetes se clasifican de acuerdo con:

El tipo de rodamiento (cilndrico, cnico, esfrico) El mtodo de ajuste (ajuste de presin, ajuste por contraccin, ajuste por cojinete o de tapn)

El factor principal que determina la construccin de la caja del eje es la forma en que experimenta las fuerzas axiales y distribuye la carga entre los rodillos. FIGURA 05: Diseos de rodamientos de rodillos

(a) Cilndrico de dos hileras, (b) Autoalineado de una hilera, (c) Cnico de dos hileras

Los rodamientos de rodillos cilndricos (a) tienen una gran capacidad dinmica en la direccin radial pero no para transmitir fuerzas axiales. Los rodamientos de rodillos cnicos (b) y (c) transmiten las fuerzas axiales a travs de la superficie cilndrica debido a la inclinacin de su eje de rotacin. Aunque tambin presentan ciertos inconvenientes este tipo de rodamientos son los ms utilizados hoy en da.

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Los rodamientos de rodillos esfricos no son muy utilizados debido a su alto coste y su baja capacidad de carga, pero sin embargo presentan una importante ventaja respecto al resto en cuanto a su mejor distribucin de la fuerza delantera y trasera. Los rodamientos de bolas son, sin embargo, a menudo combinados con los rodamientos cilndricos para transmitir fuerzas axiales. El material rodante de alta velocidad a menudo est provisto de tres tipos de rodamientos en la caja del eje: dos para transmitir las fuerzas radiales y otro (generalmente un rodamiento de bolas) para trabajar axialmente. En la Figura 5 se presentan dos tipos de caja del eje de alta velocidad. FIGURA 06: Cajas del eje de alta velocidad

(a) Triple rodamiento en trenes de alta velocidad japoneses (b) Triple rodamiento en trenes de alta velocidad franceses

Nota aclaratoria de terminologa: Se ha traducido axleboxes literalmente como cajas del eje ya que, a la vista de lo desarrollado en este apartado, nos parece ms descriptivo y exacto que el trmino ms ferroviario, aunque tal vez algo obsoleto, de cajas de grasa. Segn hemos podido consultar en diccionarios especializados la definicin de cajas de grasa en la jerga ferroviaria sera:Caja de grasa: Depsito de grasa utilizado para lubricar los elementos de rodadura de un vehculo

Lo cual no se ajusta exactamente a la descripcin de las cajas del eje que actualmente se instalan en los vehculos, en las cajas del eje habr grasa pero tambin constan de otros elementos, por lo tanto se ha optado por dejar el trmino cajas del eje.

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C. Ruedas

Las ruedas y los ejes son las partes ms crticas del material rodante ferroviario. Su fallo mecnico o un exceso de sus dimensiones de diseo pueden causar el descarrilamiento. Las ruedas se clasifican en macizas, con llantas y ensambladas como se muestra en la Figura 7.

FIGURA 07: Principales tipos de ruedas ferroviarias

(a) Ruedas macizas; (b) Ruedas con llantas; (c) Ruedas ensambladas

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Las ruedas macizas tienen tres elementos principales: la llanta, el disco y el eje, y comnmente difieren en la forma del disco que puede ser recto, cnico, en forma de S, con radios o corrugado. Las ruedas con llantas se equipan con una llanta ajustada al disco de la rueda que puede ser reemplazada cuando alcanza su lmite mximo de rodaje. Con el objeto de reducir las fuerzas de interaccin rueda carril mediante la reduccin de la masa no suspendida se han desarrollado ruedas ensambladas con componentes flexibles, que incorporan una capa de material con bajo mdulo de elasticidad (goma, poliuretano). Esto ayuda a atenuar la actuacin de las fuerzas de alta frecuencia en el contacto rueda carril.

FIGURA 08: Fotografa de ruedas ferroviarias (Ref.: 03)

D. Suspensin

La suspensin es el conjunto de elementos elsticos, amortiguadores y otros elementos asociados a ellos que conectan el juego de ruedas a la carrocera del vehculo. Si el bogie tiene una estructura rgida, la suspensin por lo general consta de dos partes: la suspensin primaria que conecta los juegos de ruedas al bastidor del bogie y

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la suspensin secundaria entre el bastidor del bogie y la parte baja de la carrocera del vehculo. A este tipo de bogies se les denomina doblemente suspendidos. Algunas veces, sobre todo en bogies de vagones de mercancas, se utiliza solamente una suspensin simple. Cuando sta ocupa la posicin de la suspensin primaria se suele denominar suspensin de caja de eje y cuando ocupa la posicin de la suspensin secundaria se le denomina suspensin central. E. Elementos elsticos (muelles)

Los elementos elsticos (muelles) son componentes que tienden a retornar a su dimensin original cuando las fuerzas que han causado su movimiento vibratorio desaparecen.

Los elementos elsticos sirven para:

Distribuir las cargas verticales entre las ruedas (la descarga de cualquiera de las ruedas es peligrosa pues causa la reduccin o prdida de las fuerzas de guiado) Estabilizar el movimiento de los vehculos en la va (como el movimiento oscilatorio lateral generado por el propio avance) Reducir las fuerzas dinmicas y aceleraciones debidas a

irregularidades en la va

La capacidad de los elementos elsticos para llevar a cabo las funciones anteriormente sealadas viene determinada por su fuerza caracterstica, la cual es la relacin entre la fuerza que acta sobre el elemento elstico, P, y su movimiento de desviacin z: P = P (z). La fuerza caracterstica del elemento elstico puede ser lineal o no lineal. En el caso de fuerza caracterstica lineal, el movimiento de desviacin es proporcional a la fuerza. En el caso de que sea no lineal, el movimiento de desviacin se incrementa (o, menos frecuente en aplicaciones ferroviarias, decrece) con el incremento de la carga.

En el documento principal de referencia de este estudio (Ref.:01) se realiza una descripcin pormenorizada de los principales tipos de elementos elsticos ferroviarios y se recoge tambin una tabla esquemtica y diversos croquis con su representacin grfica, a ellos nos remitimos para profundizar en este tema.

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F. Amortiguadores

La amortiguacin en los vehculos ferroviarios es proporcionada por lo general por el empleo de dispositivos de amortiguacin o bien viscosos o bien de friccin (o rozamiento).

La friccin se produce por el deslizamiento relativo de dos cuerpos rgidos en contacto. La fuerza de rozamiento puede ser constante o depender de la masa de la caja del vehculo, pero siempre acta para resistir la relacin de movimiento. La fuerza de rozamiento es proporcional al coeficiente de rozamiento , la presin entre superficies Q, y el rea de la superficie de contacto S. Esta relacin puede ser representada por la siguiente frmula:

Donde: F0 = es la magnitud de la fuerza de rozamiento = es la velocidad relativa del movimiento = es el valor absoluto de la magnitud de la velocidad relativa El signo menos denota que la fuerza de rozamiento siempre se produce en direccin opuesta a la velocidad

El amortiguamiento viscoso se desarrolla entre dos partes separadas por una capa de lquido viscoso (lubricante) o en dispositivos conocidos como amortiguadores hidrulicos, por donde fluye el lquido viscoso a travs de un orificio y disipa la energa. La fuerza de amortiguacin viscosa es proporcional a la velocidad:

Donde: = es el coeficiente = es la velocidad relativa del movimiento n = es la energa Dependiendo del diseo del dispositivo y de las propiedades del lquido la energa n puede ser mayor, igual o menor que 1.

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Los gases tambin son viscosos. Por lo tanto, conduciendo un gas a travs de una vlvula de mariposa (orificio amortiguador) puede tambin producir la suficiente fuerza para amortiguar la oscilacin de los vehculos ferroviarios. La amortiguacin de las vibraciones tambin se puede conseguir por otros medios como la introduccin de amortiguadores activos que la controlan proporcionalmente a la velocidad.

Un amortiguador es el dispositivo que controla las oscilaciones en la suspensin primaria y secundaria del vehculo mediante la disipacin de energa. Amortiguadores de friccin o rozamiento son los dispositivos que transforman la energa de las oscilaciones en energa trmica mediante rozamiento. Este tipo de amortiguadores se utilizan principalmente en vehculos de carga debido a su simplicidad y bajo coste. Los amortiguadores hidrulicos son casi universalmente utilizados en bogies de pasajeros y algunas veces tambin en modernos bogies de carga. La energa disipada en un amortiguador hidrulico es proporcional a la velocidad, y por tanto a la amplitud y a la frecuencia de vibracin. As, el amortiguador hidrulico se auto regula ante las excitaciones dinmicas y proporciona una amortiguacin fiable y previsible de las oscilaciones del vehculo. Los vehculos ferroviarios utilizan amortiguadores hidrulicos telescpicos como el mostrado en el esquema de la Figura 9. El amortiguador hidrulico funciona forzando al fluido de trabajo a travs de un orificio (vlvula de control de flujo) desde una cmara dentro de otra cuando el vehculo oscila sobre la suspensin. Esto produce amortiguacin viscosa y la energa cintica de las oscilaciones es transformada en calor. FIGURA 09: Amortiguador hidrulico telescpico

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(1) La carcasa con el dispositivo de cierre (2) El cilindro de trabajo con sus vlvulas (3) El eje con un pistn (4) Vlvulas del cilindro de trabajo (5) Pistn del eje (6) Vlvulas del pistn

Cuando el pistn se mueve respecto al cilindro, el fluido de trabajo fluye a travs de las vlvulas desde la cmara sobre el pistn hacia la cmara bajo el mismo y al revs.

La fiabilidad de los amortiguadores hidrulicos depende sobre todo de la junta entre el eje y la carcasa. Ocasionalmente el malfuncionamiento de esa junta causa una excesiva presin en la cmara sobre el pistn y ocasiona la salida del fluido. G. Limitadores y evita golpes

Los limitadores y evita golpes son dispositivos que limitan el desplazamiento relativo de las unidades de bogies tanto en direccin longitudinal como lateral. 1. Guas de cuerno

Un diseo simple de suspensin utiliza guas de cuerno para limitar el movimiento de la caja del eje (o caja de grasa), como podemos ver en la Figura 10. Este diseo tiene varias desventajas, incluyendo el rpido desgaste de las superficies de friccin que produce el aumento de la holgura y, con ello, la prdida de caractersticas elsticas longitudinal y lateralmente, y el aumento de la fuerza de rozamiento en direccin vertical tanto en aceleracin como en frenado, cuando la caja del eje es presionada contra la pletina. El diseo se podra mejorar mediante la aplicacin de materiales anti-friccin que no requieran lubricacin y tengan una alta resistencia al desgaste.

FIGURA 10: Caja del eje entre guas de cuerno

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2. Guas cilndricas

stas incluyen dos guas verticales y dos cilindros que deslizan a lo largo de ellas. Normalmente las guas verticales van instaladas en el bastidor del bogie y los cilindros en la caja del eje como se muestra en la Figura 11. Los cilindros se insertan en la caja del eje mediante cojinetes coaxiales de goma lo cual proporciona cierta flexibilidad entre el juego de ruedas y el bastidor del bogie en el sentido tanto longitudinal como lateral. Debido a la simetra axial de los cojinetes de caucho, la rigidez en el sentido longitudinal y lateral es la misma, lo cual puede limitar que el sistema proporcione la suspensin ptima en algunos casos. FIGURA 11: Conexin entre caja del eje y chasis del bogie mediante guas cilndricas

Una caja del eje limitada con guas cilndricas pero con el desplazamiento del mismo por las guas debido a la deformacin de un bloque de metal con caucho multicapa no presenta las desventajas de la construccin clsica anteriormente descrita. Este tipo de diseo de caja del eje es el que se utiliza en los bogies franceses TGV Y2-30. Con el objetivo de obtener la relacin ptima de la rigidez horizontal y vertical el bloque est constituido por dos secciones orientadas longitudinalmente, como vemos en la Figura 12.

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FIGURA 12: Secciones del bloque metlico con caucho multicapa utilizado para conectar la caja del eje al chasis del bogie

3. Vigas de enlace

Con el fin de evitar el desgaste se desarrollan enlaces con forma de vigas elsticas delgadas que soportan el juego de ruedas en la direccin longitudinal. Se puede ver el diseo de este limitador en la Figura 13. Cuando los muelles de la suspensin primaria se mueven de su posicin, las vigas de enlace se comban, mientras que para la aceleracin y el frenado experimentan traccin o compresin. Para proporcionar mayor flexibilidad en la construccin vertical es necesario que al menos una de las vigas de enlace tenga flexibilidad longitudinal. Esto se consigue fijando la viga a un muelle flexible longitudinal o fijando la viga al bastidor mediante articulaciones elsticas radiales. La principal desventaja de este sistema es la alta tensin que se desarrolla tanto alrededor de las articulaciones como al final de la viga. FIGURA 13: Conexin entre la caja del eje y el chasis del bogie usando vigas de enlace

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4. Limitadores con enlaces radiales

El uso de cojinetes de caucho-metal evita el rozamiento y el correspondiente desgaste. El principal problema con un diseo de enlace radial es obtener un movimiento lineal de las cajas del eje con la rotacin de los enlaces. Alstom dise un sistema de tal forma que los enlaces son posicionados en diferentes niveles en una configuracin anti-paralelogramo, Figura 14, solucin cuya aplicacin se ha extendido. Los enlaces que conectan la caja del eje con el bastidor proporcionan el desplazamiento lineal de su centro. Mediante una cuidadosa seleccin del tamao y el material de los elementos de caucho es posible obtener valores de la rigidez necesaria en las diferentes direcciones. Debido a la posicin de los enlaces, los desplazamientos laterales no causan prdidas de alineacin de la caja del eje y adems proporcionan ptimas condiciones a los cojinetes. La desventaja de los enlaces radiales es la significativa rigidez vertical de la conexin debido a la rigidez a torsin de los cojinetes. Si se incrementase la longitud de las palancas se podra disminuir esta rigidez vertical pero sta est limitada por el espacio disponible en el bastidor del bogie. FIGURA 14: Enlaces radiales posicionados a diferentes alturas en una configuracin anti-paralelogramo.

5. Limitadores con brazos de arrastre

Las suspensiones con brazos de arrastre permiten el diseo de chasis de bogies ms cortos y ligeros. Este tipo de diseos se han extendido ampliamente en nuestros das para la suspensin primaria de los vehculos de pasajeros, como el bogie Y32 que se muestra en la Figura 15.

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Las desventajas de estos diseos son, por un lado, el desplazamiento longitudinal al que se ven sometidas las cajas del eje causado por el desplazamiento vertical de la suspensin y, por otro lado, la torsin a la que se somete al chasis del bogie debida al desplazamiento lateral del juego de ruedas. FIGURA 15: Suspensin con brazo de arrastre en un bogie Y32.

6. Barras de traccin

stas se utilizan normalmente para transmitir fuerzas longitudinales (aceleracin y frenado) tanto en la suspensin primaria como en la secundaria. Constan casi siempre de una varilla que tiene en sus extremos sendos toros de caucho o cojinetes. La longitud de las barras de traccin puede ajustarse para mantener la linealidad en las dimensiones cuando se necesita debido al desgaste de las ruedas o de los componentes de la suspensin. En la Figura 16 se puede observar una barra de traccin. FIGURA 16: Barra de traccin.

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Anexo: Chasis del bogie

Para completar la informacin sobre los componentes del bogie, presentamos a continuacin como Figura 17 una fotografa de un chasis de bogie en forma de H que, como veremos ms adelante, es el que normalmente se utiliza en coches de pasajeros. Esta figura se extrae de la publicacin anteriormente referenciada de Isao Okamoto, How Bogies Work (Ref.: 02).

FIGURA 17: Chasis de bogie en forma de H

Aclaracin a la figura, traducciones:Cross beam: Travesao de cruce Side beam: Vigas laterales.

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H. Conexin del cuerpo del vehculo (caja) al bogie

La conexin entre el cuerpo del vehculo, lo que podramos llamar carrocera y que en trminos ferroviarios se denomina comnmente como caja, debe cumplir estos requisitos:

Permitir el giro relativo del bogie respecto a la caja en las curvas. Transmitir la traccin vertical y las fuerzas de frenado. Proporcionar un control adicional de las entradas de la suspensin lateral. Ayudar a mantener la estabilidad del bogie. Proporcionar estabilidad longitudinal al chasis del bogie y distribuir

equitativamente la carga sobre el juego de ruedas (para la traccin del material rodante).

Estos problemas se resuelven de forma diferente dependiendo del tipo del material rodante (de traccin o remolcado, pasajeros o carga, moderada o alta velocidad). Si el vehculo es estable con la velocidad de diseo, entonces la introduccin de una resistencia adicional no es necesaria. Si la deflexin esttica de la suspensin es suficiente, entonces la flexibilidad vertical entre la caja del vehculo y el bogie puede no ser necesaria. Los diseos en general pretenden hacer que la conexin entre le bogie y la caja sea lo ms simple posible para utilizar un nmero pequeo de elementos y con ello reducir el nmero de elementos con superficie de friccin. 1. Placa de ncleo plano

En los bogies de tres piezas de mercancas la conexin ms comn es la placa de ncleo plano, que es asegurada mediante un pivote pasador en el centro, Figura 18. La placa transmite la mayor parte del peso de la caja y las fuerzas de interaccin longitudinales y laterales. El pivote pasador tiene grandes huecos en el plano de la caja y slo proporciona retencin de emergencia. Cuando la caja se balancea en la placa de ncleo plano aparece una resistencia de torsin gravitatoria de carcter suave. La placa de ncleo plano permite al bogie rotar en las curvas y, al mismo tiempo, crea una torsin de friccin que se opone a esa rotacin. Por lo tanto la placa circular de ncleo plano proporciona una conexin entre el bogie y la caja en todas las direcciones. Esta solucin es de construccin simple pero tiene mltiples desventajas. En primer lugar, las holguras existentes en sentido lateral y longitudinal. En segundo lugar, el23

movimiento relativo se produce bajo una presin de contacto alta y por lo tanto las superficies se someten a un desgaste importante. En las curvas, la caja se inclina hacia la parte soporte creando un esfuerzo de torsin adicional que resiste la rotacin del bogie y incrementa la fuerzas rueda carril. Cuando la caja se balacea en va recta, la superficie de contacto llega a ser muy pequea y las altas presiones de contacto pueden producir fisuras en la placa de centro plano. Para combatir estos problemas, los diseos modernos utilizan la placa de centro plano combinada con soportes elsticos secundarios que resisten el balanceo de la caja y reducen la carga en ncleo central. FIGURA 18: Placa de ncleo plano.

2. Cazoletas de ncleo esfrico

En este caso, la caja descansa en la cazoleta de ncleo esfrico y en soportes elsticos secundarios, Figura 19. La ventaja de este diseo es que no deja holgura en el plano horizontal y la ausencia de contacto en el borde cuando se bambolea la carrocera. Esto se traduce en menor tensin en el contacto e incrementa la vida til del ncleo esfrico. Estas cazoletas de ncleo esfrico son muy utilizadas en bogies de carga de ancho UIC, trenes elctricos y coches de metro en Rusia. FIGURA 19: Cazoleta de ncleo esfrico.

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3. Pivote central

El deseo de excluir contactos en los bordes e incrementar el esfuerzo torsor de friccin para resistir el derrape del bogie lleva al desarrollo de bogies con pivote central como el que se muestra en la Figura 20. La mayora de la masa de la caja es transmitida en este caso a los soportes secundarios y la caja slo puede girar en relacin al apoyo alrededor del eje vertical. Este diseo estaba ampliamente extendido en los coches de pasajeros de la antigua URSS. La desventaja estriba en las holguras en las direcciones longitudinal y lateral. El diseo proporciona suficiente calidad slo en bogies que tienen suspensin secundaria de baja rigidez lateral.

FIGURA 20: Pivote central.

4. Enlace Watts

Esta solucin, que se muestra en la Figura 21, permite al bogie rotar y moverse lateralmente a la vez que restringe el movimiento longitudinal. Por lo tanto proporciona un medio de transmisin de las fuerzas de traccin y frenado. Los pivotes en el enlace van provistos de cojinetes de caucho para prevenir la transmisin de vibraciones de alta frecuencia en el mecanismo.

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FIGURA 21: Enlace Watts.

5. Enlace pendular

El enlace de pndulo consiste en una varilla vertical conectada a cada extremo de la caja y del chasis del bogie por cojinetes cnicos de caucho, como se muestra en la Figura 22. El mecanismo se mantiene en una posicin central mediante dos muelles precomprimidos. Soportes elsticos laterales proporcionan estabilidad a la caja del vehculo. Para los pequeos desplazamientos tpicos del bogie en tramos de va rectos el soporte pendular proporciona una rigidez casi infinita determinada por la compresin inicial de los muelles. Cuando se producen los grandes desplazamientos del bogie en curvas, el soporte proporciona menor rigidez. De esta forma, el soporte de pndulo presenta una suave caracterstica no lineal. El inconveniente de esta solucin es la conexin rgida con una holgura en la direccin longitudinal, los complejos requisitos de ajuste para los muelles precomprimidos y las fuerzas de friccin en los soportes deslizantes adicionales.

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FIGURA 22: Enlace pendular.

6. Conexin del cuerpo del vehculo (caja) al bogie sin traviesa bailadora

La complejidad de los diseos descritos con anterioridad permiti el desarrollo de los bogies modernos sin traviesa bailadora utilizando resortes o amortiguadores de aceite o de aire. En este tipo de suspensiones los resortes pueden alcanzar grandes deflexiones a cortante proporcionando un desplazamiento longitudinal lo suficientemente grande como para permitir al bogie rotar en curvas (Figura 23).

FIGURA 23: Esquema del comportamiento de bogie sin traviesa bailadora pasando una curva.

La parte superior de los resortes de aceite descansa sobre bloques flexibles que proporcionan una junta cilndrica con eje de rotacin perpendicular al eje de la va (Figura 24).

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FIGURA 24: Resorte apoyado en juntas cilndricas de caucho metal.

Un enfoque similar se utiliza en bogies con suspensin secundaria de aire. En este caso el resorte de aire es amenudo situado en serie con un resorte de caucho metal para proporcionar cierta suspensin en el caso de que el resorte de aire se desinfle. La transmisin de las fuerzas longitudinales se realiza mediante una conexin tipo pivote central, enlace Watts, barras de traccin o, en el caso de un bogie Y32, a travs de cables de suspensin. Los diseos de bogies sin traviesa bailadora normalmente consiguen reducir la masa del bogie entorno a 0,5 1,0 toneladas.

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Anexo: Esquema general del diseo de bogies con y sin traviesa bailadora

Para facilitar una mejor comprensin de todos los apartados referentes a la conexin del bogie con la caja del vehculo en general y, ms en particular del ltimo

anteriormente expuesto, se presenta a continuacin como Figura 25 dos sencillos esquemas explicativos del el sistema de funcionamiento de un bogie con traviesa bailadora y otro sin ella. Se trata de unos croquis generales extrados de la publicacin anteriormente referenciada de Isao Okamoto, How Bogies Work (Ref.: 02).

FIGURA 25: Bogies con y sin traviesa bailadora

Aclaracin a la figura, traducciones:Air bolster spring: Resorte de aire de la traviesa bailadora Anti-yawing damper: Amortiguador anti-derrape. Bogie frame: Chasis del Bogie Bolster: Traviesa bailadora Bolster anchor: Anclaje de la traviesa bailadora Bolster Bogie: Bogie con traviesa bailadora Bolsterless Bogie: Bogie sin traviesa bailadora Centre pivot: Pivote central Side bearer: Soporte lateral. Traction transfer device: Dispositivo de transferencia de traccin

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4. Diseo habitual de bogie para vehculos de pasajeros

Los diseos ms comunes de vehculos de pasajeros utilizan un par de bogies de dos ejes en cada vehculo. Sin embargo, en los trenes articulados, como por ejemplo los TGV franceses, se sitan bogies de dos ejes entre las cajas de dos vehculos, mientras que los trenes Talgo espaoles utilizan bogies de eje simple articulado.

Anexo: Coches no articulados y articulados

Con el fin de explicar de forma grfica la diferencia entre vehculos no articulados con bogies no articulados y vehculos articulados con bogies articulados se incluye la Figura 26 extrada de nuevo del trabajo de Isao Okamoto, How Bogies Work (Ref.: 02). Se trata de dos sencillos croquis explicativos con su diseo esquemtico.

FIGURA 26: Bogies no articulados y bogies articulados

Aclaracin a la figura, traducciones:Articulated bogie: Bogie articulado Articulated cars: Coches (vehculos ferroviarios de pasajeros) articulados. Non-articulated bogie: Bogie no articulado Non-articulated cars: Coches (vehculos ferroviarios de pasajeros) no articulados.

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Anexo: Coches pendulares de pasajeros (trenes Talgo)

Para complementar la figura anterior y puesto que en el texto de referencia se menciona tambin el sistema de los trenes Talgo espaoles que utilizan bogies de eje simple articulado, aportamos como Figura 27 este esquema de tren de pasajeros extrado de la propia pgina Web de este fabricante.

FIGURA 27: Esquema de tren pendular de pasajeros con bogies de eje simple articulado (Ref.: 04)

En bogies de pasajeros, el juego de ruedas va montado generalmente sobre en un chasis rgido en forma de H, tal y como se expuso con anterioridad en la Figura 17, que divide la suspensin en dos etapas. La suspensin primaria transmite las fuerzas desde el juego de ruedas hacia el chasis del bogie y la suspensin secundaria transmite las fuerzas desde ste hacia la caja del vehculo ferroviario. Las funciones principales de la suspensin primaria son el guiado del juego de ruedas en va recta y en curvas, y el aislamiento dinmico del chasis del bogie respecto de los esfuerzos dinmicos producidos por las irregularidades de la va. La suspensin secundaria proporciona la reduccin de la actuacin de las aceleraciones dinmicas en la caja del vehculo lo cual determina el confort del pasajero. La fuente de estas aceleraciones son las oscilaciones provocadas tanto por las irregularidades del perfil de la va como por la propia naturaleza de los elementos de suspensin del chasis del bogie y de la caja del vehculo. Es particularmente importante reducir las influencias laterales, a las que los pasajeros son particularmente sensibles y, por lo tanto, la rigidez de la suspensin secundaria en direccin lateral debe ser diseada lo menor que sea posible. Los diseos modernos de bogies utilizan elementos elsticos que tienen poca rigidez en la direccin horizontal. Se incluyen como ejemplos el bogie ETR 500, Figura 28,

31

que utiliza resortes secundarios de aceite y el bogie Series E2 Shinkansen, Figura 29, que utiliza una suspensin secundaria mediante resorte de aire.

FIGURA 28: Bogie de tren ETR 500 (Italia)

FIGURA 29: Bogie Series E2 Shinkansen (Japn)

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ANEXO: SISTEMA TALGO PENDULAR

Como complemento al estudio del tren de rodaje que se est desarrollando nos parece interesante tambin explicar el funcionamiento del sistema TALGO de pendulacin, ya que resuelve los problemas de sustentacin que se vienen explicando, en general en todo este estudio y concretamente en este punto del mismo, de una forma totalmente distinta conceptualmente. Aprovechamos la mencin del texto de referencia a este sistema en este apartado para incluir a continuacin la explicacin que la propia empresa espaola hace de su tecnologa mundialmente reconocida y utilizada. Pendulacin Talgo (Ref.: 04) Los trenes pendulares tienen el objetivo de incrementar la velocidad de paso por curva sin disminuir los niveles de confort del pasajero. El sistema de pendulacin de los trenes Talgo es el denominado de pendulacin natural y consiste en elevar el centro instantneo de rotacin de la suspensin, por encima del centro de gravedad del sistema. Esto da lugar a la generacin de un sobreperalte en caja que proporciona una disminucin de la aceleracin lateral que siente el viajero para una misma velocidad de paso por curva. De esta forma se consigue un incremento del nivel de confort lateral. El sistema es totalmente inercial y no necesita de elementos internos ni externos que obliguen a la caja a girar de forma pendular, por lo que es totalmente fiable y con coste nulo en mantenimiento. En las Figuras 30 y 31 se explica, ahora de forma grfica, la diferencia entre el sistema pendular Talgo y los sistemas convencionales.

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FIGURA 30: Esquema comparativo del comportamiento en curvas entre el sistema de pendulacin Talgo y los sistemas de trenes convencionales (Ref.: 04).

34

FIGURA 31: Aceleraciones y reacciones experimentadas y soportadas por la caja en curvas en un vehculo convencional y otro equipado con el sistema de pendulacin Talgo (Ref.: 04).

35

5. Diseo habitual de bogie para vagones de carga

En la mayora de los casos, los vagones de mercancas utilizan dos bogies no articulados de dos ejes por vehculo. Sin embargo, existen ciertos diseos de vagones de mercancas articulados, principalmente en vagones de piso bajo para el transporte de contenedores. La mayora de los bogies de carga presentan una suspensin en una sla etapa o simple, ya est situada entre el juego de ruedas y el chasis del bogie (similar a la suspensin primaria en los bogies de pasajeros conocida a menudo como suspensin de la caja del eje), o entre el chasis del bogie y la traviesa bailadora (similar a la suspensin secundaria de los bogies de pasajeros conocida a menudo como suspensin central). En la Figura 32 podemos observar que los diseos con suspensin central son aproximadamente un 6% ms utilizados que los que utilizan suspensin en la caja del eje. Algunos vagones especficos utilizan tambin doble suspensin como los bogies de pasajeros para reducir las fuerzas en los carriles o mejorar el aislamiento dinmico de la carga frente a vibraciones excesivas. FIGURA 32: Proporciones de bogies de carga por tipo de suspensin.

Los bogies con suspensin central son comunes en los pases de la antigua URSS, USA, Canad, China, Australia y la mayora de los pases de frica. Estos bogies son conocidos normalmente como bogies de tres piezas. En la Figura 33 se incluye como ejemplo el bogie americano Barber S-2.

FIGURA 33: Bogie americano Barber S-2.

36

Los bogies Y25 (y similares como el Y33) son comnmente utilizados en Europa. Estos bogies tienen suspensin primaria en una sola fase que consiste en un conjunto de pares de muelles helicoidales encajados y un amortiguador de enlace de friccin Lenoir que proporciona la amortiguacin lateral y vertical. Se muestra un ejemplo de este tipo de bogie en la Figura 34.

FIGURA 34: Bogie Y-25.

(7) La carcasa con el dispositivo de cierre a) b) c) Vista general Esquema de la suspensin primaria (amortiguador Lenoir) Esquema de elstico del sistema de rodamiento 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Juego de ruedas Chasis rgido en forma de H Palanca de frenado Cazoleta central Cojinetes laterales Conjunto de muelles Caja del eje (o caja de grasa)

6. Diseo habitual de bogie para tranvas

Los tranvas y los vehculos de metro ligero suelen estar diseados para negociar curvas de radios muy pequeos y para ser lo suficientemente compactos para circular por la calle de las ciudades rodeados de vehculos privados. Las tendencias modernas por los tranvas de suelo bajo para mejorar la accesibilidad nos dirigen hacia la necesidad de trenes de rodaje muy compactos. Tradicionalmente los bogies de los tranvas tienen un chasis rgido y una doble suspensin similar en su diseo a los bogies convencionales de pasajeros. Los

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diseos ms modernos normalmente utilizan una de las soluciones articuladas que se muestran en la Figura 35.

FIGURA 35: Configuraciones tpicas de tranvas.

En el ejemplo de arriba, una seccin corta est fijada rgidamente al bogie central, de modo que las secciones de la caja y el bogie rotan juntas cuando pasan una curva (Figura 36). A menudo se utilizan coronas giratorias para unir la caja de los tranvas a los bogies si es necesario permitir grandes ngulos de rotacin (Figura 37).

FIGURA 36: Bogie de tranva con conexin rgida a la caja del vehculo.

FIGURA 37: Bogie de tranva con corona giratoria para apoyo de la caja del vehculo.

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Los dos ejemplos anteriores son representativos de los bogies que tradicionalmente se han venido utilizando en tranvas que presentan en general dos caractersticas bsicas: eje rgido y dimetro de rueda pequeo. Sin embargo los tranvas de piso bajo necesitan de soluciones alternativas a stas, siendo habitual en estos casos que se monten ruedas de rotacin independiente en un bastidor comn bajo el chasis (Figura 38).

FIGURA 38: Bogie de tranva con sistema de rotacin de ruedas independiente.

Anexo: Diseo ptimo de tranvas de piso bajo

Para profundizar en el estudio de del diseo ptimo de tranvas de piso bajo nos remitimos a la publicacin de Jan Capek y Josef Kolr, Optimal Design of low-floor tram (Ref.: 05), donde se recogen los principios fundamentales del diseo de este tipo de trenes en varios aspectos y, como es lgico, tambin desarrolla las pertinentes explicaciones sobre los bogies ms apropiados para este tipo de configuraciones. De esta publicacin hemos extrado la Figura 39 que recoge dos ejemplos de bogies de traccin para tranvas de piso bajo: uno con bogie de traccin con capacidad de pivotar y otro sin capacidad de pivotar.

FIGURA 39: Bogies de traccin para tranvas de piso bajo (Ref.: 05)

.

39

7. Principios de seleccin de parmetros de suspensin

Los parmetros de un vehculo ferroviario pueden considerarse ptimos si sus caractersticas dinmicas reunen estos tres grupos de requisitos:

1. Existe suficiente reserva de velocidad crtica con respecto a la velocidad de diseo. 2. La calidad de la marcha, las fuerzas de la va y los factores de seguridad satisfacen los estndares en va recta y en curvas en todo el abanico de velocidades de operacin. 3. El desgaste de los elementos de friccin y de los perfiles de las ruedas se encuentran dentro de los lmites aceptables.

La experiencia en el desarrollo de los vehculos ferroviarios demuestra que en la etapa preliminar los parmetros de suspensin pueden ser estimados utilizando ciertas simplificaciones que veremos en los siguientes apartados. De todas formas para asegurarse de que los parmetros han sido optimizados, se consigue un mayor refinamiento de la solucin utilizando simulaciones por ordenador. Para profundizar en la modelizacin de la dinmica ferroviaria recomendamos la consulta del texto realizado al respecto por Manuel Melis Maynar, (Ref.: 06), en el que se realiza una importante aproximacin a los modelos de la dinmica vertical de la va y su aplicacin mediante herramientas informticas.

A.

Seleccin de caractersticas de la suspensin vertical

La suspensin debe controlar y amortiguar los movimientos de las masas suspendidas y no suspendidas en el vehculo para obtener la calidad de viaje mejor posible a la vez que se cumplen estrictamente los requisitos de seguridad satisfaciendo las limitaciones especficas del servicio, tales como garantizar que el vehculo se mantiene dentro del glibo. Los elementos elsticos del bogie tienen varios diseos, como se ha venido describiendo con anterioridad, pero, en un anlisis simplificado inicial del comportamiento vertical, no es importante la construccin concreta del elemento elstico sino la fuerza caracterstica que proporciona, como por ejemplo la relacin entre la carga vertical ejercida sobre el elemento (P) con su deflexin esttica (f): P = P (f).

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La deflexin esttica de una suspensin con caractersticas lineales (rigidez constante) viene dada por la frmula: fst = Pst / c Donde Pst es la carga esttica sobre la suspensin y c es la rigidez de la suspensin. Para una suspensin lineal, hay una relacin entre la frecuencia de la reaccin y la deflexin esttica: 2 = c / M = g / fst Donde M es la carga suspendida del vehculo y g es la aceleracin de la gravedad.

Con el fin de evitar desviaciones excesivas de la suspensin, los diseos modernos utilizan muelles no lineales para proporcionar la rigidez ptima en las proximidades de la deflexin esttica correspondiente a la carga de diseo. En los elementos con rigidez variable, las oscilaciones dinmicas aparecen alrededor de la posicin de equilibrio que viene dada por la carga esttica Pst. En este caso, para estimar la frecuencia de oscilacin, la rigidez equivalente y la deflexin equivalente se utiliza la siguiente formulacin:

El desarrollo de estas simplificaciones matemticas para la eleccin se pueden consultar en el texto referencia principal de este estudio (Ref.: 01) coment al inicio de este captulo, y, como se

se puede profundizar en la modelizacin y

simulacin por ordenador consultando la publicacin de Manuel Melis (Ref.: 06), tambin anteriormente referenciada.

El valor final de la rigidez vertical para la suspensin que debe elegirse es el mximo de los valores mnimos calculados utilizando las limitaciones de diseo y servicio.

B.

Seleccin de la rigidez de la suspensin primaria lateral y longitudinal

Investigaciones tericas y experimentos demuestran que la estabilidad del juego de ruedas aumenta con la rigidez de su conexin con el chasis del bogie. Sin embargo, el carcter de esta dependencia es claramente no lineal y la relacin entre la rigidez de la suspensin y la masa y conicidad de las ruedas condiciona la velocidad crtica. El incremento de la rigidez longitudinal de la suspensin primaria deteriora las propiedades de guiado del juego de ruedas en curvas mientras que el incremento de la41

rigidez lateral reduce la capacidad del juego de ruedas para negociar con seguridad las irregularidades laterales importantes. Para realizar una eleccin preliminar de la rigidez en el plano del bogie se pueden utilizar simplificaciones como las descritas en la publicacin Fundamentals of Rail Vehicle Dynamics: Gidance and Stability (Ref.:07), a la que tambin nos remite el texto que sirve como base de este estudio, simplificaciones que pueden constituir un til punto de partida. La rigidez en el plano del bogie, tal y como se explica en nuestro texto de referencia (Ref.:01), se puede separar en la rigidez a cortante (Ks) y la rigidez a flexin (Kb) que permiten la representacin (Figura 40) y el clculo simplificado del problema de la suspensin primaria lateral.

FIGURA 40: Representacin de la suspensin primaria utilizando la rigidez a cortante y a flexin.

La rigidez a cortante tiene mayor influencia en la velocidad crtica del vehculo y la rigidez a flexin principalmente determina el ngulo de ataque del juego de ruedas en las curvas. Las simplificaciones anteriores nos permiten realizar un acercamiento al fenmeno dinmico que se produce en el vehculo y nos hacen llegar a la conclusin de que la rigidez a flexin del bogie debe ser la mnima que permita la velocidad crtica y la rigidez a cortante debe estar dentro del rango de las permitidas por esa velocidad crtica. C. Seleccin de la suspensin de amortiguacin

La amortiguacin es normalmente proporcionada dentro de la suspensin o bien por un dispositivo de friccin o bien por un dispositivo hidrulico. Algunos tipos de elementos elsticos, tales como las ballestas, tienen suficiente rozamiento interno como para evitar la necesidad de un amortiguador independiente.42

La seleccin del nivel ptimo de amortiguacin es ms complicada que la eleccin de la rigidez de la suspensin que veamos en el apartado anterior. Altos niveles de amortiguacin disminuyen las amplitudes de las vibraciones en situaciones de resonancia pero incrementan significativamente la accin de las aceleraciones en la caja del vehculo en casos de oscilaciones de alta frecuencia, como pueden ser las causadas por irregularidades de la va. En nuestro texto de referencia (Ref.:01) se presenta la formulacin simplificada que puede servir como punto de partida para estudiar este fenmeno. Los amortiguadores hidrulicos son utilizados casi universalmente en los vehculos de pasajeros mientras que en los vehculos de carga se suelen utilizar amortiguadores de friccin.

8. Diseos avanzados de bogie

Muchos diseos de bogie recientes abordan el conflicto fundamental entre la estabilidad en tramos de va recta y el buen negociado de las curvas. Es evidente que el bogie debe mantener condiciones estables sobre la va recta pero tambin permitir al juego de ruedas adoptar una posicin radial en las curvas. A los bogies donde el juego de ruedas adopta (o es forzado a adoptar) una posicin aproximadamente radial en las curvas (Figura 41) se les denomina bogies de guiado radial. Estos diseos tienen ngulos de ataque pequeos lo que supone una importante disminucin del desgaste de la pestaa de la rueda y menores fuerzas en la interaccin rueda - carril. FIGURA 41: Posicin radial del juego de ruedas para un bogie con enlaces de direccin entre ejes.

43

Los bogies de guiado radial se dividen en dos grupos: los de guiado forzado del juego de ruedas en curvas y los de autoguiado del juego de ruedas. En el primer caso, el juego de ruedas es forzado a adoptar una posicin radial mediante conexiones entre distintos juegos de ruedas o mediante conexiones entre el propio juego de ruedas y la caja del vehculo. En la Figura 42 se presenta una tabla donde se recogen distintos mtodos para obtener la fuerza de guiado en bogies de este tipo. FIGURA 42: Clasificacin de mecanismos de guiado forzado de bogies.

Los bogies se pueden dividir en tres grupos dependiendo del principio de control utilizado:

1. Juegos de ruedas guiados por las fuerzas del contacto rueda carril. 2. Juegos de ruedas guiados por la rotacin relativa entre el chasis del bogie y la caja del vehculo. 3. Juegos de ruedas guiados por una energa de origen externo (actuacin elctrica, hidrulica o neumtica).

44

Anexo: Bogies de ltima generacin

En el texto bsico de referencia de este estudio (Ref.:01), se desarrolla la explicacin tcnica de los tres tipos de bogies de guiado radial anteriormente sealados y se presentan varios ejemplos de este tipo de diseos a los que nos remitimos para continuar avanzando tcnicamente en este tema.

Por otra parte, y con el nimo de terminar nuestro estudio con algunos ejemplos ilustrativos, se incluyen a continuacin como Figuras 43, 44, 45 y 46 los diseos de bogies de ltima generacin de uno los fabricantes de bogies universalmente reconocidos: Bombardier (Ref.: 03).

FIGURA 43: Bogies para tranvas y vehculos de metro ligero (Ref.: 03)

FIGURA 44: Bogies para vehculos de metro (Ref.: 03)

45

FIGURA 45: Bogies para trenes: regionales, larga distancia y alta velocidad (Ref.: 03)

FIGURA 46: Bogies con traccin: trenes de alta velocidad y locomotoras (Ref.: 03)

46

Con el fin de mejorar las limitaciones de los bogies convencionales con elementos de suspensin y guiado pasivos, se estn desarrollando bogies que podramos denominar como mecano-electrnicos. Los elementos mecano-electrnicos proporcionan al bogie nuevas funcionalidades: Guiado radial activo y estabilizacin del bogie Mejora activa del confort Inclinacin autnoma del bogie Monitorizacin inteligente del bogie

A continuacin se presenta en la Figura 47 un esquema de un desarrollo de este tipo de bogie en fase de experimentacin por parte de Bombardier en colaboracin con la empresa sueca Bankverkert dentro del proyecto del Green Train.

FIGURA 47: Esquema de bogie equipado con sistemas mecnico - electrnicos (Ref.: 03)

47

9. Conclusiones

En este estudio se ha realizado un profundo repaso al tren de rodaje de los vehculos ferroviarios y, dentro de este campo, al bogie y sus componentes. Tambin se han presentado los diseos de bogies ms utilizados tanto para vehculos de pasajeros como para vehculos de mercancas y para tranvas. Se han establecido unos criterios para la seleccin de parmetros de suspensin en vehculos y, por ltimo, se han presentado los diseos avanzados de bogie o, lo que es lo mismo, hacia dnde avanza en la actualidad la tecnologa del tren de rodaje. En el desarrollo del estudio no slo se ha tratado de resumir de la forma ms comprensible posible el texto que, como venimos sealando, ha servido de esqueleto fundamental para su realizacin, Anatoma de vehculos ferroviarios: El tren de rodaje de Anna Orlova y Yuri Boronenko (Ref.:01), sino que se ha intentado facilitar la comprensin de ciertos puntos ampliando la informacin facilitada en el mencionado texto con aportaciones de diversa bibliografa consultada al efecto. Por ltimo, sealar que dentro del estudio se ha incluido como anexo una sencilla explicacin del sistema TALGO pendular ya que resuelve los problemas de sustentacin de una forma conceptualmente distinta a la de los sistemas convencionales (se aprovecha la mencin que sobre este sistema de origen espaol se hace en el texto de Anna Orlova y Yuri Boronenko para presentar esta tecnologa mundialmente reconocida y utilizada).

10. Referencias

Ref. 01:

Iwnicki, S (Editor).(2006). Handbook of Railway Vehicle Dynamics,

CRC Press, Boca Raton, Florida, USA.

Ref. 02:

Okamoto, I. (1998). How Bogies Work. Japan Railway & Transport

Review, Tokyo, Japan.

Ref. 03: Alemania

http://www.bombardier.com/ Bombardier Transportation. Berln,

Ref. 04: Espaa.

http://www.talgo.com/ TALGO. (Patentes Talgo, S.L.). Madrid,

Ref. 05:

Capek, J.; Kolr, J. (2007). Optimal designo f low-floor tram. Czech

Technical University in Prague. Praga, Repblica Checa.48

Ref. 06:

Melis, M. (2008). Apuntes de introduccin a la Dinmica vertical de

la va y a las Seales digitales en ferrocarriles. Universidad Politcnica de Madrid. Ctedra de Ferrocarriles. Madrid, Espaa.

Ref. 07:

Wickens, A. H. (2003). Fundamentals of Rail Vehicle Dynamics:

Guidance and Stability. Lisse: Swets & Zeitlinger BV. 11. Bibliografa

Losada, M. El Ferrocarril y el Transporte. Curso de Ferrocarriles. Cuaderno I. Universidad Politcnica de Madrid, Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid, 1998.

Losada, M. Estructura de la Va. Curso de Ferrocarriles. Cuaderno II. Universidad Politcnica de Madrid, Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid, 1998.

Real Academia Espaola. Diccionario de la Lengua Espaola. Vigsima segunda edicin, 2001.

Len, M. Diccionario de Tecnologa Ferroviaria. 2005

Collins. Diccionario Ingls Espaol / Espaol Ingls. Ediciones Grijalbo, S.A., Barcelona.

http://ferrocarriles.wikia.com/wiki. Ferropedia. La enciclopedia colaborativa del ferrocarril.

http://en.wikipedia.org/wiki/Bogie. The Free Encyclopedia. English.

http://es.wikipedia.org/wiki/Bogie. La enciclopedia libre. Espaol.

http://www.railway-technical.com/ . Railway Technical Web Pages.

http://www.wsr.org.uk/. An unofficial West Somerset Railway web site.

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