DINÁMICA FERROVIARIA: EL TREN DE RODAJE

EL TREN DE RODAJE DE LOS VEHÍCULOS FERROVIARIOS

Antonio Baamonde Roca Ingeniero de Caminos,Canales y Puertos 

Resumen del texto de: ANNA ORLOVA, YURI BORONENKO dentro del  MANUAL DE 

DINÁMICA FERRROVIARIA, SIMON IWNICKI (Editor)

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Índice de contenidos 0. Resumen 1. Introducción Introducción 2. Funciones principales del tren de rodaje y terminología Anexo : Explicación sencilla del funcionamiento del bogie de eje simple y de dos ejes  3. Componentes del bogie A. Juegos de ruedas Anexo: Esquema básico del juego de ruedas  B. Cajas del eje (o cajas de grasa) C. Ruedas D. Suspensión E. Elementos elásticos (muelles) F. Amortiguadores G. Limitadores y evita golpes 1. Guías de cuerno 2. Guías cilíndricas 3. Vigas de enlace 4. Limitadores con enlaces radiales 5. Limitadores con brazos de arrastre 6. Barras de tracción Anexo: Chasis del bogie  H. Conexión del cuerpo cuerpo del vehículo (caja) al bogie 1. Placa de núcleo plano 2. Cazoletas de núcleo esférico 3. Pivote central 4. Enlace Watts 5. Enlace pendular 6. Conexión del cuerpo cuerpo del vehículo (caja) (caja) al bogie sin traviesa bailadora bailadora Anexo:  Esquema general del diseño de bogies con y sin traviesa bailadora  4. Diseño habitual de bogie para vehículos de pasajeros Anexo:  Coches no articulados y articulados  Anexo:  Coches pendulares de pasajeros  Anexo:  SISTEMA TALGO PENDULAR  5. Diseño habitual de bogie para vagones de carga 6. Diseño habitual de bogie para tranvías Anexo:  Diseño óptimo de tranvías de piso bajo  7. Principios de selección de parámetros de suspensión A. Selección de características de la suspensión suspensión vertical B. Selección de la rigidez rigidez de la suspensión primaria lateral y longitudinal C. Selección Selecci ón de la suspensión de amortiguación amortiguaci ón 8. Diseños avanzados de bogie Anexo:  Bogies de última generación  9. Conclusiones Conclusiones 10. Referencias 11. Bibliografía

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0. Resumen En este estudio se realiza un repaso descriptivo del tren de rodaje de los vehículos ferroviarios y, dentro de este campo, del bogie y sus componentes. También se presentan los diseños de bogies más utilizados tanto para vehículos de pasajeros como para vehículos de mercancías y para tranvías, se establecen unos criterios para la selección de parámetros parámetros de suspensión en en vehículos y, por último, último, se muestran los diseños avanzados de bogie o, dicho de otra forma, hacia dónde avanza en la actualidad la investigación y el desarrollo de la tecnología del tren de rodaje. Palabras clave:  clave :  Vehículos ferroviarios, dinámica ferroviaria, tren de rodaje, bogie,  juego de ruedas, caja del eje (caja de grasa), suspensiones, amortiguadores.

1. Introducción Este estudio toma como referencia fundamental el Capítulo 3 del Manual de Dinámica Ferroviaria, “Handbook of Railway Vehicle Dynamics”, editado por Simon Iwnicki (Ref.:01). (Ref.:01). Este capítulo 3 está dedicado al tren de rodaje de los vehículos 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 descripción general de su tecnología habitual para pasar a continuación a presentar presentar al bogie como elemento elemento central para desarrollar el el estudio de este tema. Por tanto el capítulo pasa a definir y describir los componentes de los bogies, el diseño habitual de estos elementos en vehículos de pasajeros, mercancías y tranvías, los principios fundamentales para la selección de parámetros de la suspensión y a presentar diseños avanzados avanzados de bogies. El objeto de nuestro estudio es realizar un resumen de los temas desarrollados en el capítulo tratando de explicar sus contenidos de la forma más comprensible y sencilla posible. Para ello se utilizará el mismo esquema del documento de referencia extrayendo tanto sus contenidos básicos como los gráficos o datos que se estimen necesarios. Por otro lado y con el objeto de facilitar la comprensión de esos contenidos se irán agregando explicaciones y aclaraciones a los mismos redactadas a partir de la bibliografía y referencias consultadas. Estas partes no directamente extraídas del documento de referencia se diferenciarán del resto poniendo el formato del texto en cursiva.

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2. Funciones principales del tren de rodaje y terminología La diferencia principal entre un vehículo ferroviario y otros tipos de vehículos de transporte es el sistema de guiado. La superficie de los carriles no sólo sirve de apoyo a las ruedas sino que también las guía lateralmente. Los carriles y las agujas cambian la dirección de rodadura de las ruedas y así determinan la dirección la dirección de desplazamiento del vehículo ferroviario. El tren de rodaje es el sistema que proporciona el movimiento seguro del vehículo a lo largo de las vías. Este sistema incluye componentes tales como juegos de ruedas con cajas de grasa, la suspensión elástica, los frenos, la tracción y los dispositivos para transmitir las fuerzas de tracción y frenado al cuerpo del vehículo. Sus principales funciones son: 

 

 

La transmisión y la distribución de la carga vertical de las ruedas del vehículo a los carriles. Guiado del vehículo a lo largo de la vía. Control de las fuerzas dinámicas debidas al movimiento por irregularidades del carril, en curvas, agujas y después de impactos entre vehículos. Amortiguación eficaz de movimientos oscilatorios. Aplicación de las fuerzas de tracción y frenado. f renado.

Dependiendo de su mecanismo de rodadura, los vehículos se pueden describir como provistos de bogies o no provistos de bogies. En vehículos sin bogies tanto la suspensión como los frenos y los equipos de tracción se montan en el bastidor del vehículo, las fuerzas de tracción y frenado son transmitidas a través de barras de tracción o guías de cuerno y, si se tratan de vehículos convencionales de dos ejes, se generarán mayores esfuerzos en curvas cerradas que en los vehículos 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 vehículo es conocido como bogie. Dependiendo del número de  juegos de ruedas que se unen en el mismo podemos clasificar los bogies, el tipo más común es el de dos ejes pero a menudo encontramos también bogies de tres y cuatro ejes sobre todo en locomotoras. Antiguamente, los bogies simplemente permitían el movimiento del tren de rodaje en un plano horizontal respecto al cuerpo del vehículo y con ello los juegos de ruedas presentaban ángulos de ataque menores en las alineaciones curvas. Los bogies modernos tienen una estructura que les permite transmitir todos los esfuerzos 4

longitudinales, horizontales horizontales y verticales desde el cuerpo cuerpo del vehículo vehículo a las ruedas. ruedas. Esta estructura o bastidor se equipa además con los dispositivos de frenado, tracción, suspensión y amortiguación; y en ella se pueden instalar también elementos de control de inclinación, de lubricación del contacto rueda carril y mecanismos para facilitar el posicionamiento radial de las ruedas en las curvas. Los vehículos provistos de bogies son normalmente más pesados que los vehículos de dos ejes sin bogies, sin embargo, su diseño suele ser más simple lo que se traduce en una mayor fiabilidad y facilita su mantenimiento. Explicación sencilla del funcionamiento del bogie de eje simple y de dos ejes 

Para explicar gráficamente el funcionamiento del bogie de dos ejes o carretón en  comparación con el bogie de eje simple se incluye como  Figura 1 un croquis  explicativo extraído de una publicación de Isao Okamoto, How Bogies Work  (Ref.: 02) 

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

Aclaración a la figura, traducciones:  “Car suspension point”: Punto point”: Punto de suspensión del vehículo  “Smaller effect of track irregularity on car suspension point”:  Menor efecto de  irregularidades en la vía en el punto de suspensión del vehículo  “Single – axle bogie”: Bogie bogie”: Bogie de eje simple  “Two – axle bogie”: Bogie bogie”: Bogie de eje doble 

Nota aclaratoria de terminología: Se ha mantenido el término “bogie” con el fin de  evitar malos entendidos al considerar que es un término más extendido en el mundo  ferroviario que el más castellanizado “boje”. De todas formas ambos términos son  recogidos por la  Real Academia Española 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 próximos, paralelos y solidarios entre sí, que se utilizan en ambos extremos de los vehículos de  gran longitud destinados a circular sobre c arriles.

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

3. Componentes del bogie A. Juegos de ruedas Un juego de ruedas se compone de dos ruedas rígidamente conectadas por un eje común. El juego de ruedas está apoyado sobre cojinetes montados en el eje. El juego de ruedas proporciona al vehículo lo siguiente:  



La distancia necesaria entre el vehículo y la vía El guiado que determina el movimiento dentro del ancho de vía, incluso en curvas y agujas El medio de transmisión de la tracción y las fuerzas de frenado a los carriles para acelerar y decelerar el vehículo

El diseño del juego de ruedas depende de:  





El tipo de vehículo (de tracción o remolcado) El tipo de sistema de frenos utilizado (zapata, freno de disco en el eje, o freno de disco en la rueda) La construcción del centro de la rueda y la posición de los cojinetes en el eje (por dentro o por fuera) El interés 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 diseño de juegos de ruedas se muestran en la Figura 2. 2. A pesar de la variedad de diseños, todos estos juegos de ruedas tienen dos

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características comunes: la conexión rígida entre las ruedas a través del eje y el perfil transversal de la superficie rodante de la rueda, llamado perfil de la rueda. FIGURA 02: Diseños comunes del juego de ruedas (a) Juegos de ruedas con cojinetes internos y externos externos

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

(c) Juegos de ruedas de material material rodante de tracción con posición de engranajes asimétrica y simétrica

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

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Anexo: Esquema básico del juego de ruedas 

Para complementar de el concepto general de los juegos de ruedas se incluye como 

Figura 3  un esquema básico del juego de ruedas y el eje montado sobre la vía, esta  figura explicativa se ha extraído 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 vía 

Aclaración a la figura, traducciones:  “Axle”: Eje  “Axle”:  Eje  “Flange”: Pestaña “Flange”:  Pestaña o reborde de la rueda  “Gauge”: Ancho “Gauge”:  Ancho de vía  “Rail”: Carril  “Rail”:  Carril  “Tread gradient”: Inclinación gradient”: Inclinación de la banda de rodaje de la rueda  “Wheel”: Rueda  “Wheel”:  Rueda  “Wheel diameter”: Diámetro diameter”: Diámetro de la rueda  “Wheel tread”: Banda tread”:  Banda de rodaje o suela de la rueda 

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B. Cajas del eje (o cajas de grasa) 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 suspensión primaria sujete el juego de ruedas al chasis del vehículo. La caja del eje transmite las fuerzas longitudinales, laterales y verticales desde el  juego de ruedas a los demás elementos del bogie. Las cajas del eje se clasifican de acuerdo con: 



Su posición sobre el eje dependiendo de si los cojinetes están dentro o fuera El tipo de cojinete utilizado, que puede ser rodamiento de rodillos o de fricción

La forma externa de la caja del eje se determina por el método de conexión entre la caja del eje y el bastidor del bogie y su objetivo es lograr una distribución uniforme de las fuerzas en el cojinete. La construcción interna de la caja del eje está determinada por el cojinete y su método de sellado. En la Figura 4 podemos observar un esquema de una caja de eje con cojinete de fricción. Este tipo de cajas de eje tienen como componentes la carcasa (1), el propio cojinete (2) que generalmente está hecho de aleación con bajo coeficiente de fricción, el cojinete (3) que transmite las fuerzas desde la carcasa de la caja del eje hasta el cojinete, un dispositivo de lubricación (4) que engrasa el eje del cojinete. Sellado delantero y trasero (5 y 6) para evitar que entre suciedad o cuerpos extraños en la caja del eje, el sellado delantero (6) se puede retirar para comprobar el estado de los rodamientos y añadir lubricante. FIGURA 04: Diseño de una caja de eje con cojinete de fricción

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Las fuerzas verticales y longitudinales se transmiten a través de la superficie interna del cojinete y las fuerzas laterales por sus caras. Este tipo de cajas de eje de cojinete de fricción se han quedado hoy en día obsoletas ya que presentan varias desventajas importantes como son: elevado coeficiente de fricción 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 coji netes se clasifican de acuerdo con:  

El tipo de rodamiento (cilíndrico, cónico, esférico) El método de ajuste (ajuste de presión, ajuste por contracción, ajuste por cojinete o de tapón)

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

(a) Cilíndrico de dos hileras, hileras, (b) Autoalineado de una hilera, (c) Cónico de dos hileras

Los rodamientos de rodillos cilíndricos (a) tienen una gran capacidad dinámica en la dirección radial pero no para transmitir fuerzas axiales. Los rodamientos de rodillos cónicos (b) y (c) transmiten las fuerzas axiales a través de la superficie cilíndrica debido a la inclinación de su eje de rotación. Aunque también presentan ciertos inconvenientes este tipo de rodamientos son los más utilizados hoy en día.

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Los rodamientos de rodillos esféricos 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 distribución de la fuerza delantera y trasera. Los rodamientos de bolas son, sin embargo, a menudo combinados con los rodamientos cilíndricos para transmitir fuerzas axiales. El material rodante de alta velocidad a menudo está 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 terminología: Se ha traducido  “axleboxes”  literalmente como 

cajas del eje  ya que, a la vista de lo desarrollado en este apartado, nos parece más  descriptivo y exacto que el término más ferroviario, aunque tal vez algo obsoleto, de 

cajas de grasa . Según hemos podido consultar en diccionarios especializados la definición de cajas de  grasa en la jerga ferroviaria sería:  Caja de grasa:  Depósito de grasa utilizado para lubricar los elementos de rodadura de un  vehículo 

Lo cual no se ajusta exactamente a la descripción de las cajas del eje que actualmente  se instalan en los vehículos, en las cajas del eje habrá grasa pero también constan de  otros elementos, por lo tanto se ha optado por dejar el término cajas del eje.

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C. Ruedas Las ruedas y los ejes son las partes más críticas del material rodante ferroviario. Su fallo mecánico o un exceso de sus dimensiones de diseño pueden causar el descarrilamiento. Las ruedas se clasifican en macizas, con llantas y ensambladas como se muestra en la Figura 7. 7. FIGURA 07: Principales tipos de ruedas ferroviarias

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

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Las ruedas macizas tienen tres elementos principales: la llanta, el disco y el eje, y comúnmente difieren en la forma del disco que puede ser recto, cónico, en forma f orma 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 límite máximo de rodaje. Con el objeto de reducir las fuerzas de interacción rueda – carril mediante la reducción de la masa no suspendida se han desarrollado ruedas ensambladas con componentes flexibles, que incorporan una capa de material con bajo módulo de elasticidad (goma, poliuretano). Esto ayuda a atenuar la actuación de las fuerzas de alta frecuencia en el contacto rueda – carril.

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

D. Suspensión La suspensión es el conjunto de elementos elásticos, amortiguadores y otros elementos asociados a ellos que conectan el juego de ruedas a la carrocería del vehículo. Si el bogie tiene una estructura rígida, la suspensión por lo general consta de dos partes: la suspensión primaria que conecta los juegos de ruedas al bastidor del bogie y

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la suspensión secundaria entre el bastidor del bogie y la l a parte baja de la carrocería del vehículo. A este tipo de bogies se les denomina doblemente suspendidos. Algunas veces, sobre todo en bogies de vagones de mercancías, se utiliza solamente una suspensión simple. Cuando ésta ocupa la posición de la suspensión primaria se suele denominar “suspensión de caja de eje” y cuando ocupa la posición de la suspensión secundaria se le denomina “suspensión central”. E. Elementos elásticos (muelles) Los elementos elásticos (muelles) son componentes que tienden a retornar a su dimensión original cuando las fuerzas que han causado su movimiento vibratorio desaparecen. Los elementos elásticos sirven para: 





Distribuir las cargas verticales entre las ruedas (la descarga de cualquiera de las ruedas es peligrosa pues causa la reducción o pérdida de las fuerzas de guiado) Estabilizar el movimiento de los vehículos en la vía (como el movimiento oscilatorio lateral generado g enerado por el propio avance) Reducir las fuerzas dinámicas y aceleraciones debidas a irregularidades en la vía

La capacidad de los elementos elásticos para llevar a cabo las funciones anteriormente señaladas viene determinada por su fuerza característica, la cual es la relación entre la fuerza que actúa sobre el elemento elástico, P, y su movimiento de desviación z: P = P (z). La fuerza característica del elemento elástico puede ser lineal o no lineal. En el caso de fuerza característica lineal, el movimiento movimiento de desviación es proporcional a la fuerza. En el caso de que sea no lineal, el movimiento de desviación 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  descripción pormenorizada de los principales tipos de elementos elásticos ferroviarios  y se recoge también una tabla esquemática y diversos croquis con su representación  gráfica, a ellos nos remitimos para profundizar en este tema.

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F. Amortiguadores La amortiguación en los vehículos ferroviarios es proporcionada por lo general por el empleo de dispositivos de amortiguación o bien viscosos o bien de fricción (o rozamiento). La fricción se produce por el deslizamiento relativo de dos cuerpos rígidos r ígidos en contacto. La fuerza de rozamiento puede ser constante o depender de la masa de la caja del vehículo, pero siempre actúa para resistir la relación de movimiento. La fuerza de rozamiento es proporcional al coeficiente de rozamiento µ, la presión entre superficies Q, y el área de la l a superficie de contacto S. Esta relación puede ser representada representada por la siguiente fórmula:

Donde: F0 = es la magnitud de la fuerza de rozamiento Ż = es la velocidad relativa del movimiento ІŻІ = es el valor absoluto de la magnitud de la velocidad relativa El signo menos denota que la fuerza de rozamiento siempre se produce en dirección opuesta a la velocidad El amortiguamiento viscoso se desarrolla entre dos partes separadas por una capa de líquido viscoso (lubricante) o en dispositivos conocidos como amortiguadores hidráulicos, por donde fluye el líquido viscoso a través de un orificio y disipa la energía. La fuerza de amortiguación viscosa es proporcional a la velocidad:

Donde: β = es el coeficiente Ż = es la velocidad relativa del movimiento

n = es la energía Dependiendo del diseño del dispositivo y de las propiedades del líquido la energía n puede ser mayor, igual o menor que 1.

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Los gases también son viscosos. Por lo tanto, conduciendo un gas a través de una válvula de mariposa (orificio amortiguador) puede también producir la suficiente fuerza para amortiguar la oscilación de los vehículos ferroviarios. ferroviarios. La amortiguación de las vibraciones también se puede conseguir por otros medios como la introducción de amortiguadores activos que la controlan proporcionalmente a la velocidad. Un amortiguador es el dispositivo que controla las oscilaciones en la suspensión primaria y secundaria del vehículo mediante la disipación de energía. Amortiguadores de fricción o rozamiento son los dispositivos que transforman la energía de las oscilaciones en energía térmica mediante rozamiento. Este tipo de amortiguadores se utilizan principalmente en vehículos de carga debido a su simplicidad y bajo coste. Los amortiguadores hidráulicos son casi universalmente utilizados en bogies de pasajeros y algunas veces también t ambién en modernos bogies de carga. La energía disipada en un amortiguador hidráulico es proporcional a la velocidad, y por tanto a la amplitud y a la frecuencia de vibración. Así, el amortiguador hidráulico se auto regula ante las excitaciones dinámicas y proporciona una amortiguación fiable y previsible de las oscilaciones del vehículo. Los vehículos ferroviarios utilizan amortiguadores hidráulicos telescópicos como el mostrado en el esquema de la Figura 9. 9. El amortiguador hidráulico funciona forzando al fluido de trabajo a través de un orificio (válvula de control de flujo) desde una cámara dentro de otra cuando el vehículo oscila sobre la suspensión. Esto produce amortiguación viscosa y la energía cinética de las oscilaciones es transformada en calor. FIGURA 09: Amortiguador hidráulico telescópico

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(1) (2) (3) (4) (5) (6)

La carcasa con el dispositivo de cierre El cilindro de trabajo con sus válvulas El eje con un pistón Válvulas del cilindro de trabajo Pistón del eje Válvulas del pistón

Cuando el pistón se mueve respecto al cilindro, el fluido de trabajo fluye a través de las válvulas desde la cámara sobre el pistón hacia la cámara bajo el mismo mism o y al revés.

La fiabilidad de los amortiguadores hidráulicos depende sobre todo de la junta entre el eje y la carcasa. Ocasionalmente el malfuncionamiento de esa junta causa una excesiva presión en la cámara sobre el pistón y ocasiona la salida del fluido. G. Limitadores y evita evita golpes golpes Los limitadores y evita golpes son dispositivos que limitan el desplazamiento relativo de las unidades de bogies tanto en dirección longitudinal como lateral. 1. Guías de cuerno Un diseño simple de suspensión utiliza guías de cuerno para limitar el movimiento de la caja del eje (o caja de grasa), como podemos ver en la Figura 10. 10. Este diseño tiene varias desventajas, incluyendo el rápido desgaste de las superficies de fricción que produce el aumento de la holgura y, con ello, la pérdida de características elásticas longitudinal y lateralmente, y el aumento de la fuerza de rozamiento en dirección vertical tanto en aceleración como en frenado, cuando la caja del eje es presionada contra la pletina. El diseño se podría mejorar mediante la aplicación de materiales anti-fricción que no requieran lubricación y tengan una alta resistencia al desgaste. FIGURA 10: Caja del eje entre guías de cuerno

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2. Guías cilíndricas Éstas incluyen dos guías verticales y dos cilindros que deslizan a lo largo de ellas. Normalmente las guías verticales van instaladas en el bastidor del bogie y los cilindros en la caja del eje como se muestra en la Figura 11. 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 simetría 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 suspensión óptima en algunos casos. FIGURA 11: Conexión entre caja del eje y chasis del bogie mediante guías cilíndricas

Una caja del eje limitada con guías cilíndricas pero con el desplazamiento desplazamiento del mismo por las guías debido a la deformación de un bloque de metal con caucho multicapa no presenta las desventajas de la construcción clásica anteriormente descrita. Este tipo de diseño de caja del eje es el que se utiliza en los bogies franceses TGV Y2-30. Con el objetivo de obtener la relación óptima de la rigidez horizontal y vertical el bloque está constituido por dos secciones orientadas longitudinalmente, como vemos en la Figura 12.

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FIGURA 12: Secciones del bloque metálico 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 elásticas delgadas que soportan el juego de ruedas en la dirección longitudinal. Se puede ver el diseño de este limitador en la Figura 13. 13. Cuando los muelles de la suspensión primaria se mueven de su posición, las vigas de enlace se comban, mientras que para la aceleración y el frenado experimentan tracción o compresión. Para proporcionar mayor flexibilidad en la construcción 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 elásticas radiales. La principal desventaja de este sistema es la alta tensión que se desarrolla tanto alrededor de las articulaciones como al final de la viga. FIGURA 13: Conexión 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 correspondiente desgaste. El principal problema con un diseño de enlace radial es obtener un movimiento lineal de las cajas del eje con la rotación de los enlaces. Alstom diseñó un sistema de tal forma que los enlaces son posicionados en diferentes niveles en una configuración anti-paralelogramo, Figura 14, 14, solución cuya aplicación se ha extendido. Los enlaces que conectan la caja del eje con el bastidor proporcionan el desplazamiento lineal de su centro. Mediante una cuidadosa selección del tamaño y el material de los elementos de caucho es posible obtener valores de la rigidez necesaria en las diferentes direcciones. Debido a la posición de los enlaces, los desplazamientos laterales no causan pérdidas de alineación alineación de la caja del eje y además proporcionan proporcionan óptimas condiciones a los cojinetes. La desventaja de los enlaces radiales es la significativa rigidez vertical de la conexión debido a la rigidez a torsión de los cojinetes. Si se incrementase la longitud de las palancas se podría disminuir esta rigidez vertical pero ésta está limitada por el espacio disponible en el bastidor del bogie. FIGURA 14: Enlaces radiales posicionados a diferentes alturas en una configuración anti-paralelogramo.

5. Limitadores con brazos de arrastre Las suspensiones con brazos de arrastre permiten el diseño de chasis de bogies más cortos y ligeros. Este tipo de diseños se han extendido ampliamente en nuestros días para la suspensión primaria de los vehículos de pasajeros, como el bogie Y32 que se muestra en la Figura 15. 15.

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

6. Barras de tracción Éstas se utilizan normalmente para transmitir fuerzas longitudinales (aceleración y frenado) tanto en la suspensión 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 tracción puede ajustarse para mantener la linealidad en las dimensiones cuando se necesita debido al desgaste de las ruedas o de los componentes de la suspensión. En la Figura 16 se puede observar una barra de tracción. FIGURA 16: Barra de tracción.

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Anexo: Chasis del bogie 

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

FIGURA 17: Chasis de bogie en forma de H 

Aclaración a la figura, traducciones:  “Cross beam”: Travesaño beam”: Travesaño de cruce  “Side beam”: Vigas beam”: Vigas laterales.

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H. Conexión del cuerpo del vehículo (caja) (caja) al bogie La conexión entre el cuerpo del vehículo, lo que podríamos llamar carrocería y que en términos ferroviarios se denomina comúnmente como caja, debe cumplir estos requisitos:     

Permitir el giro relativo r elativo del bogie respecto a la caja en las curvas. Transmitir la tracción vertical y las fuerzas de frenado. Proporcionar un control adicional de las entradas de la suspensión 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 tracción del material rodante).

Estos problemas se resuelven de forma diferente dependiendo del tipo del material rodante (de tracción o remolcado, pasajeros o carga, moderada o alta velocidad). Si el vehículo es estable con la velocidad de diseño, entonces la introducción de una resistencia adicional no es necesaria. Si la deflexión estática de la suspensión es suficiente, entonces la flexibilidad vertical entre la caja del vehículo y el bogie puede no ser necesaria. Los diseños en general pretenden hacer que la conexión entre le bogie y la caja sea lo más simple posible para utilizar un número pequeño de elementos y con ello reducir el número de elementos con superficie de fricción. 1. Placa de núcleo plano En los bogies de tres piezas de mercancías la conexión más común es la placa de núcleo plano, que es asegurada mediante un pivote pasador en el centro, Figura 18. 18. La placa transmite la mayor parte del peso de la caja y las fuerzas de interacción longitudinales y laterales. El pivote pasador tiene grandes huecos en el plano de la caja y sólo proporciona retención de emergencia. Cuando la caja se balancea en la placa de núcleo plano aparece una resistencia de torsión gravitatoria de carácter suave. La placa de núcleo plano permite al bogie rotar en las curvas y, al mismo tiempo, crea una torsión de fricción que se opone a esa rotación. Por lo tanto la placa circular de núcleo plano proporciona una conexión entre el bogie y la caja en todas las direcciones. Esta solución es de construcción simple pero tiene múltiples desventajas. En primer lugar, las holguras existentes en sentido lateral y longitudinal. En segundo lugar, el 23

movimiento relativo se produce bajo una presión 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 torsión adicional que resiste la rotación del bogie y incrementa la fuerzas rueda – carril. Cuando la caja se balacea en vía recta, la superficie de contacto llega a ser muy pequeña y las altas presiones de contacto pueden producir fisuras en la placa de centro plano. Para combatir estos problemas, los diseños modernos utilizan la placa de centro plano combinada con soportes elásticos secundarios que resisten el balanceo de la caja y reducen la carga en núcleo central. FIGURA 18: Placa de núcleo plano.

2. Cazoletas de núcleo esférico En este caso, la caja descansa en la cazoleta de núcleo esférico y en soportes elásticos secundarios, Figura 19. 19. La ventaja de este diseño es que no deja holgura en el plano horizontal y la ausencia de contacto en el borde cuando se bambolea la carrocería. Esto se traduce en menor tensión en el contacto e incrementa la vida útil del núcleo esférico. Estas cazoletas de núcleo esférico son muy utilizadas en bogies de carga de ancho UIC, trenes eléctricos y coches de metro en Rusia. FIGURA 19: Cazoleta de núcleo esférico.

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3. Pivote central El deseo de excluir contactos en los bordes e incrementar el esfuerzo torsor de fricción para resistir el derrape del bogie lleva al desarrollo de bogies con pivote central como el que se muestra en la Figura 20. 20. La mayoría de la masa de la caja es transmitida en este caso a los soportes secundarios y la caja sólo puede girar en relación al apoyo alrededor del eje vertical. Este diseño 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 diseño proporciona suficiente calidad sólo en bogies que tienen suspensión secundaria de baja rigidez lateral. FIGURA 20: Pivote central.

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

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FIGURA 21: Enlace Watts.

5. Enlace pendular El enlace de péndulo consiste en una varilla vertical conectada a cada extremo de la caja y del chasis del bogie por cojinetes cónicos de caucho, como se muestra en la Figura 22. 22. El mecanismo se mantiene en una posición central mediante dos muelles precomprimidos. Soportes elásticos laterales proporcionan estabilidad a la caja del vehículo. Para los pequeños desplazamientos típicos del bogie en tramos de vía rectos el soporte pendular proporciona una rigidez casi infinita determinada por la compresión 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 péndulo presenta una suave característica no lineal. El inconveniente de esta solución es la conexión rígida con una holgura en la dirección longitudinal, los complejos requisitos de ajuste para los muelles precomprimidos y las fuerzas de fricción en los soportes deslizantes adicionales.

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FIGURA 22: Enlace pendular.

6. Conexión del cuerpo del vehículo (caja) al bogie sin traviesa bailadora La complejidad de los diseños descritos con anterioridad permitió 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). 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 cilíndrica con eje de rotación perpendicular al eje de la vía (Figura 24). 24).

27

FIGURA 24: Resorte apoyado en juntas cilíndricas de caucho – metal.

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

28

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

Para facilitar una mejor comprensión de todos los apartados referentes a la conexión  del bogie con la caja del vehículo

en general y, más

en particular del último 

anteriormente expuesto, se presenta a continuación 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 extraídos de la publicación  anteriormente referenciada referenciada de Isao Okamoto, How Bogies Work  (Ref.: 02) .

FIGURA 25: Bogies con y sin traviesa t raviesa bailadora 

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

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4. Diseño habitual de bogie para vehículos de pasajeros Los diseños más comunes de vehículos de pasajeros utilizan un par de bogies de dos ejes en cada vehículo. Sin embargo, en los trenes articulados, como por ejemplo los TGV franceses, se sitúan bogies de dos ejes entre las cajas de dos vehículos, mientras que los trenes Talgo españoles utilizan bogies de eje simple articulado.

Anexo: Coches no articulados y articulados 

Con el fin de explicar de forma gráfica la diferencia entre vehículos no articulados con  bogies no articulados y vehículos articulados con bogies articulados se incluye la 

Figura 26  extraída de nuevo del trabajo de Isao Okamoto, How Bogies Work  (Ref.:  02) . Se trata de dos sencillos croquis explicativos con su diseño esquemático. FIGURA 26:  Bogies no articulados y bogies articulados 

Aclaración a la figura, traducciones:  “Articulated bogie”: Bogie bogie”: Bogie articulado  “Articulated cars”: Coches cars”: Coches (vehículos ferroviarios de pasajeros) articulados. “Non-articulated bogie”: Bogie bogie”: Bogie no articulado  “Non-articulated cars”:  Coches (vehículos ferroviarios de pasajeros) no  articulados.

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Anexo: Coches pendulares pendulares de pasajeros pasajeros (trenes Talgo)

Para complementar la figura anterior y puesto que en el texto de referencia se  menciona también el sistema de los trenes Talgo españoles que utilizan bogies de eje  simple articulado, aportamos como  Figura 27  este esquema de tren de pasajeros  extraído de la propia página 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 rígido en forma de H, tal y como se expuso con anterioridad en la Figura 17, 17, que divide la suspensión en dos etapas. La suspensión primaria transmite las fuerzas desde el juego de ruedas hacia el chasis del bogie y la suspensión secundaria transmite las fuerzas desde éste hacia la caja del vehículo ferroviario. Las funciones principales de la suspensión primaria son el guiado del juego de ruedas en vía recta y en curvas, y el aislamiento dinámico del chasis del bogie respecto de los esfuerzos dinámicos producidos por las irregularidades i rregularidades de la vía. La suspensión secundaria proporciona la reducción de la actuación de las aceleraciones dinámicas en la caja del vehículo lo cual determina el confort del pasajero. La fuente de estas aceleraciones son las oscilaciones provocadas tanto por las irregularidades del perfil de la vía como por la propia naturaleza de los elementos de suspensión del chasis del bogie y de la caja del vehículo. Es particularmente importante reducir las influencias laterales, a las que q ue los pasajeros son particularmente sensibles y, por lo tanto, la rigidez de la suspensión secundaria en dirección lateral debe ser diseñada lo menor que sea posible. Los diseños modernos de bogies utilizan elementos elásticos que tienen poca rigidez en la dirección horizontal. Se incluyen como ejemplos el bogie ETR – 500, Figura 28, 28,

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que utiliza resortes secundarios de aceite y el bogie Series E2 Shinkansen, Figura 29, 29, que utiliza una suspensión secundaria mediante resorte de aire. FIGURA 28: Bogie de tren ETR – 500 (Italia)

Series E2 Shinkansen Shinkansen (Japón) FIGURA 29: Bogie Series

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ANEXO: SISTEMA TALGO PENDULAR 

Como complemento al estudio del tren de rodaje que se está desarrollando nos parece  interesante también explicar el funcionamiento del sistema TALGO de pendulación, ya  que resuelve los problemas de sustentación que se vienen explicando, en general en  todo este estudio y concretamente concretamente en este punto punto del mismo, de una una forma totalmente  totalmente  distinta conceptualmente. Aprovechamos la mención del texto de referencia a este  sistema en este apartado para incluir a continuación la explicación que la propia  empresa española hace de su tecnología mundialmente reconocida y utilizada.

Pendulación 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 pendulación de los trenes Talgo es el denominado de “pendulación  natural” y consiste en elevar el “centro instantáneo de rotación” de la suspensión, suspensión, por  encima del “centro de gravedad” del sistema. Esto da lugar a la generación de un  “sobreperalte en caja” que proporciona una disminución de la aceleración 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  mantenimiento . En las Figuras 30 y 31 se explica, ahora de forma gráfica, la diferencia entre el  sistema pendular Talgo y los sistemas convencionales.

33

FIGURA 30:  Esquema comparativo del comportamiento en curvas entre el sistema de pendulación  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  vehículo convencional y otro equipado con el sistema de pendulación Talgo  (Ref.: 04) .

35

5. Diseño habitual de bogie para vagones de carga En la mayoría de los casos, los vagones de mercancías utilizan dos bogies no articulados de dos ejes por vehículo. Sin embargo, existen ciertos diseños de vagones de mercancías articulados, principalmente en vagones de piso bajo para el transporte de contenedores. contenedores. La mayoría de los bogies de carga presentan una suspensión en una sóla etapa o simple, ya esté situada entre el juego de ruedas y el chasis del bogie (similar a la suspensión primaria en los bogies de pasajeros conocida a menudo como “suspensión de la caja del eje”), o entre el chasis del bogie y la traviesa bailadora (similar a la suspensión secundaria de los bogies de pasajeros conocida a menudo como “suspensión central”). En la Figura 32 podemos observar que los diseños con suspensión central son aproximadamente un 6% más utilizados que los que utilizan suspensión en la caja del eje. Algunos vagones específicos utilizan también doble suspensión como los bogies de pasajeros para reducir las fuerzas en los carriles o mejorar el aislamiento dinámico de la carga frente a vibraciones excesivas. FIGURA 32: Proporciones de bogies de carga por tipo de suspensión.

Los bogies con suspensión central son comunes en los países de la antigua URSS, USA, Canadá, China, Australia y la mayoría de los países de África. Estos bogies son conocidos normalmente normalmente como 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.

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Los bogies Y25 (y similares como el Y33) son comúnmente utilizados en Europa. Estos bogies tienen suspensión primaria en una sola fase que consiste en un conjunto de pares de muelles helicoidales encajados y un amortiguador de enlace de fricción Lenoir que proporciona la amortiguación lateral y vertical. Se muestra un ejemplo de este tipo de bogie en la Figura 34. 34. FIGURA 34: Bogie Y-25.

(7) La carcasa con el dispositivo de cierre a) Vista general b) Esquema de la suspensión primaria (amortiguador Lenoir) c) Esquema de elástico del sistema de rodamiento 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Juego de ruedas Chasis rígido en forma de H Palanca de frenado Cazoleta central Cojinetes laterales Conjunto de muelles Caja del eje (o caja de grasa)

6. Diseño habitual de bogie para tranvías Los tranvías y los vehículos de metro ligero suelen estar diseñados para negociar curvas de radios muy pequeños y para ser lo suficientemente compactos para circular por la calle de las ciudades rodeados de vehículos privados. Las tendencias modernas por los tranvías de suelo bajo para mejorar la accesibilidad nos dirigen hacia la necesidad de trenes de rodaje muy compactos. Tradicionalmente los bogies de los tranvías tienen un chasis rígido y una doble suspensión similar en su diseño a los bogies convencionales de pasajeros. Los

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diseños más modernos normalmente utilizan una de las soluciones articuladas que se muestran en la Figura 35. 35. FIGURA 35: Configuraciones típicas de tranvías.

En el ejemplo de arriba, una sección corta está fijada rígidamente al bogie central, de modo que las secciones de la caja y el bogie rotan juntas cuando pasan una curva (Figura 36). 36). A menudo se utilizan coronas giratorias para unir la caja de los tranvías a los bogies si es necesario permitir grandes ángulos de rotación ( Figura 37). 37). FIGURA 36: Bogie de tranvía con conexión rígida a la caja del vehículo.

FIGURA 37: Bogie de tranvía con corona giratoria para apoyo de la caja del vehículo.

38

Los dos ejemplos anteriores anteriores son representativos representativos de los bogies que tradicionalmente tradicionalmente se han venido utilizando uti lizando en tranvías que presentan en general dos características básicas: eje rígido y diámetro de rueda pequeño. pequeño. Sin embargo los tranvías de piso bajo necesitan de soluciones alternativas a éstas, siendo habitual en estos casos que se monten ruedas de rotación independiente en un bastidor común bajo el chasis (Figura 38). 38). FIGURA 38: Bogie de tranvía con sistema de rotación de ruedas independiente. independiente.

Anexo: Diseño óptimo de tranvías de piso bajo 

Para profundizar en el estudio de del diseño óptimo de tranvías de piso bajo nos  remitimos a la publicación de Jan Capek y Josef Kolàr, “Optimal Design of low-floor  tram” (Ref.: 05) , donde se recogen los principios fundamentales del diseño de este tipo  de trenes en varios aspectos y, como es lógico, también desarrolla las pertinentes  explicaciones explicaciones sobre los bogies más apropiados para este tipo de configuraciones. De  esta publicación hemos extraído la  Figura 39 que recoge dos ejemplos de bogies de  tracción para tranvías de piso bajo: uno con bogie de tracción con capacidad de  pivotar y otro sin capacidad de pivotar.

FIGURA 39: Bogies de tracción para tranvías de piso bajo ( Ref.: Ref.: 05  )

.

39

7. Principios de selección de parámetros de suspensión Los parámetros de un vehículo ferroviario pueden considerarse óptimos si sus características dinámicas reunen estos tres grupos de requisitos: 1. Existe suficiente reserva de velocidad crítica con respecto a la velocidad de diseño. 2. La calidad de la marcha, las fuerzas fuerzas de la vía y los factores de seguridad seguridad satisfacen los estándares en vía recta y en curvas en todo el abanico de velocidades de operación. 3. El desgaste de los elementos elementos de fricción y de de los perfiles de las ruedas ruedas se encuentran dentro de los límites aceptables. La experiencia en el desarrollo de los vehículos ferroviarios demuestra que en la etapa preliminar los parámetros de suspensión pueden ser estimados utilizando ciertas simplificaciones que veremos en los siguientes apartados. De todas formas para asegurarse de que los parámetros han sido optimizados, se consigue un mayor refinamiento de la solución utilizando simulaciones por ordenador. Para profundizar en la modelización de la dinámica ferroviaria recomendamos la consulta del texto realizado al respecto por Manuel Melis Melis Maynar, (Ref.: 06), 06), en el que se realiza una importante aproximación a los modelos de la dinámica vertical de la vía y su aplicación mediante herramientas informáticas.

A.

Selección de características características de la suspensión vertical

La suspensión debe controlar y amortiguar los movimientos de las l as masas suspendidas y no suspendidas en el vehículo para obtener la calidad de viaje mejor posible a la vez que se cumplen estrictamente los requisitos de seguridad satisfaciendo las limitaciones específicas del servicio, tales como garantizar que el vehículo se mantiene dentro del gálibo. Los elementos elásticos del bogie tienen varios diseños, como se ha venido describiendo con anterioridad, pero, en un análisis simplificado inicial del comportamiento vertical, no es importante la construcción concreta del elemento elástico sino la fuerza característica que proporciona, como por ejemplo la relación entre la carga vertical ejercida sobre el elemento (P) con su deflexión estática (f): P = P (f).

40

La deflexión estática de una suspensión con características lineales (rigidez constante) viene dada por la fórmula: fst = Pst / c Donde Pst es la carga estática sobre la suspensión y c es la rigidez de la suspensión. Para una suspensión lineal, hay una relación entre la frecuencia de la reacción y la deflexión estática: 2 ω = c / M = g / fst Donde M es la carga suspendida del vehículo y g es la aceleración de la gravedad. gravedad. Con el fin de evitar desviaciones excesivas de la suspensión, los diseños modernos utilizan muelles no lineales para proporcionar la rigidez óptima en las proximidades de la deflexión estática correspondiente a la carga de diseño. En los elementos con rigidez variable, las oscilaciones dinámicas aparecen alrededor de la posición de equilibrio que viene dada por la carga estática Pst. En este caso, para estimar la frecuencia de oscilación, oscilación, la rigidez equivalente y la deflexión deflexión equivalente se utiliza la siguiente formulación: f ormulación:

El desarrollo de estas simplificaciones matemáticas para la elección se pueden  consultar en el texto referencia principal de este estudio  (Ref.: 01)  y, como se  comentó al inicio de este capítulo,

se puede profundizar profundi zar en la modelización y 

simulación por ordenador consultando la publicación de Manuel Melis  (Ref.: 06) , también anteriormente referenciada.

El valor final de la rigidez vertical para la suspensión que debe elegirse es el máximo de los valores mínimos calculados utilizando las limitaciones li mitaciones de diseño y servicio. B.

Selección de la rigidez de la suspensión primaria lateral y longitudinal

Investigaciones teóricas teóricas y experimentos experimentos demuestran demuestran que la estabilidad del juego de ruedas aumenta con la rigidez de su conexión con el chasis del bogie. Sin embargo, el carácter de esta dependencia es claramente no lineal y la relación entre la rigidez de la la suspensión y la masa y conicidad conicidad de las ruedas ruedas condiciona la velocidad velocidad crítica. El incremento de la rigidez longitudinal de la suspensión primaria deteriora las propiedades de guiado del juego de ruedas en curvas mientras que el incremento de la 41

rigidez lateral reduce la capacidad del juego de ruedas para negociar con seguridad las irregularidades laterales importantes. Para realizar una elección preliminar de de la rigidez en en el plano del del bogie se pueden pueden utilizar simplificaciones como las descritas en la publicación “Fundamentals of Rail Vehicle Dynamics: Gidance and Stability” (Ref.:07 ( Ref.:07), ), a la que que también también nos nos remite remite el texto que sirve como como base de este estudio, simplificaciones que pueden pueden constituir un útil punto de partida. La rigidez en el plano del bogie, tal y como se explica en nuestro texto de referencia (Ref.:01), Ref.:01), se puede separar en la rigidez a cortante (K s) y la rigidez a flexión (K b) que permiten la representación (Figura ( Figura 40) 40) y el cálculo simplificado del problema de la suspensión primaria lateral. FIGURA 40: Representación de la suspensión primaria utilizando la rigidez a cortante y a f lexión.

La rigidez a cortante tiene mayor influencia en la velocidad crítica del vehículo y la rigidez a flexión principalmente determina el ángulo de ataque del juego de ruedas en las curvas. Las simplificaciones anteriores nos permiten realizar un acercamiento al fenómeno dinámico que se produce en el vehículo y nos hacen llegar a la conclusión de que la rigidez a flexión del bogie debe ser la mínima que permita la velocidad crítica y la rigidez a cortante debe estar dentro del rango de las permitidas por esa velocidad crítica. C.

Selección de la suspensión de amortiguación

La amortiguación es normalmente proporcionada dentro de la suspensión o bien por un dispositivo de fricción o bien por un dispositivo hidráulico. Algunos tipos de elementos elásticos, tales como las ballestas, tienen suficiente rozamiento interno como para evitar la necesidad de un amortiguador independiente. 42

La selección del nivel óptimo de amortiguación es más complicada que la elección de la rigidez de la suspensión que veíamos en el apartado anterior. Altos niveles de amortiguación disminuyen las amplitudes de las vibraciones en situaciones de resonancia pero incrementan significativamente la acción de las aceleraciones en la caja del vehículo en casos de oscilaciones de alta frecuencia, como pueden ser las causadas por irregularidades de la vía. En nuestro texto de referencia ( Ref.:01) Ref.:01) se presenta la formulación simplificada que puede servir como punto de partida para estudiar este fenómeno. Los amortiguadores hidráulicos son utilizados casi universalmente en los vehículos de pasajeros mientras que en los vehículos de carga se suelen utilizar amortiguadores de fricción. 8. Diseños avanzados de bogie Muchos diseños de bogie recientes abordan el conflicto fundamental entre la estabilidad en tramos de vía recta y el buen negociado de las curvas. Es evidente que el bogie debe mantener condiciones estables sobre la vía recta pero también permitir al juego de ruedas adoptar una posición radial en las curvas. A los bogies donde el juego de ruedas adopta (o es forzado a adoptar) una posición aproximadamente radial en las curvas (Figura ( Figura 41) 41) se les denomina bogies de guiado radial. Estos diseños tienen ángulos de ataque pequeños lo que supone una importante disminución del del desgaste de la pestaña pestaña de la rueda y menores fuerzas en la interacción rueda - carril. FIGURA 41: Posición radial del juego de ruedas para un bogie con enlaces de dirección 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 posición radial mediante conexiones entre distintos juegos de ruedas o mediante conexiones entre el propio juego de ruedas y la caja del vehículo. En la Figura 42 se presenta una tabla donde se recogen distintos métodos para obtener la fuerza de guiado en bogies de este tipo. FIGURA 42: Clasificación 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 guiados por la rotación relativa entre entre el chasis del del bogie y la caja del vehículo. 3. Juegos de ruedas guiados guiados por una energía de origen externo (actuación (actuación eléctrica, hidráulica o neumática).

44

Anexo: Bogies de última generación  En el texto básico de referencia de este estudio  (Ref.:01) , se desarrolla la explicación  técnica de los tres tipos de bogies de guiado radial anteriormente señalados y se  presentan varios ejemplos de este tipo de diseños a los que nos remitimos para  continuar avanzando técnicamente técnicam ente en este tema.

Por otra parte, y con el ánimo de terminar nuestro estudio con algunos ejemplos  ilustrativos, se incluyen a continuación como  Figuras 43, 44, 45 y 46  los diseños de  bogies de última generación de uno los fabricantes de bogies universalmente  reconocidos: Bombardier  (Ref.: 03) .

FIGURA 43: Bogies para tranvías y vehículos de metro ligero ( Ref.: 03  )

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

45

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

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

46

Con el fin de mejorar las limitaciones de los bogies convencionales con elementos de  suspensión y guiado pasivos, se están desarrollando bogies que podríamos denominar  como mecano-electrónicos. mecano-electrónicos. Los elementos mecano-electrónicos proporcionan al bogie nuevas funcionalidades:  

Guiado radial activo y estabilización del bogie 



Mejora activa del confort 



Inclinación autónoma del bogie 



Monitorización inteligente del bogie 

A continuación se presenta en la  Figura 47  un esquema de un desarrollo de este tipo  de bogie en fase de experimentación experimentación por por parte de Bombardier en colaboración colaboración con la  empresa sueca Bankverkert dentro del proyecto del “Green Train”.

FIGURA 47:  Esquema de bogie equipado con sistemas mecánico - electrónicos ( Ref.: 03   )

47

9. Conclusiones En este estudio se ha realizado un profundo repaso al tren de rodaje de los vehículos ferroviarios y, dentro de este campo, al bogie y sus componentes. También se han presentado los diseños de bogies más utilizados tanto para vehículos de pasajeros como para vehículos de mercancías y para tranvías. Se han establecido unos criterios para la selección de parámetros de suspensión en vehículos y, por último, se han presentado los diseños avanzados de bogie o, lo que es lo mismo, hacia dónde avanza en la actualidad la tecnología del tren de rodaje. En el desarrollo del estudio no sólo se ha tratado de resumir de la forma más comprensible posible el texto que, como venimos señalando, ha servido de esqueleto fundamental para su realización, Anatomía de vehículos ferroviarios: El tren de rodaje de Anna Orlova y Yuri Boronenko (Ref.:01), (Ref.:01), sino que se ha intentado facilitar la comprensión de ciertos puntos ampliando la información facilitada en el mencionado texto con aportaciones de diversa bibliografía consultada al efecto. Por último, señalar que dentro del estudio se ha incluido como anexo una sencilla explicación del sistema TALGO pendular ya que resuelve los problemas de sustentación de una forma conceptualmente distinta a la de los sistemas convencionales (se aprovecha la mención que sobre este sistema de origen español se hace en el texto de Anna Orlova y Yuri Boronenko para presentar esta tecnología 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: http://www.bombardier.com/  http://www.bombardier.com/ Bombardier Bombardier Transportation. Berlín, Alemania Ref. 04: España.

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

Ref. 05: Capek, J.; Kolàr, J. (2007). Optimal designo f low-floor tram. Czech Technical University in Prague. Praga, República Checa. 48

Ref. 06:

Melis, M. (2008). Apuntes de introducción a la Dinámica vertical de  la vía y a las Señales digitales en ferrocarriles. Universidad Politécnica de Madrid. Cátedra de Ferrocarriles. Madrid, España. Ref. 07:

Wickens, A. H. (2003). Fundamentals of Rail Vehicle Dynamics:  Guidance and Stability. Lisse: Swets & Zeitlinger BV.

11. Bibliografía 

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



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



Real Academia Española. Diccionario de la Lengua Española. Vigésima segunda edición, 2001.

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León, M. Diccionario Diccionario de Tecnología Ferroviaria. 2005

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Collins. Diccionario Inglés – Español / Español – Inglés. Ediciones Grijalbo, S.A., Barcelona.

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

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

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

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

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49