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















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















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: 

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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.















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















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:  

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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:  

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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

















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

















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

















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.

















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

















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 .



















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



















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)



















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: 

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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



















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



















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





















(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





















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





















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





















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





















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.























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) .





















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.





















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





















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





















FIGURA 21: Enlace Watts.























FIGURA 22: Enlace pendular.





















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





















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





















4. Diseño habitual de bogie para vehículos de pasajeros





















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

































































































































































































































DINÁMICA FERROVIARIA: EL TREN DE RODAJE

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