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Alcune caratteristiche costruttive dei rotabili ferroviari Rev.
2013- a) Nomenclatura
a1) Ruota ferroviaria
Particolare di una ruota con cerchioneriportato (montato a caldo
sul disco ruota) Sezione del cerchione Cerchietto di sicurezza
Dimensioni caratteristiche (notareconicit 1:20 della superficie di
rotolamento)
(dagli appunti del prof. Di Santolo)
Sala montataNomenclatura:1 assile2 portata di calettamento3
Fusello5 Cerchione6 Cerchietto di sicurezza8 Cartella (o disco o
centro ruota)
Sui veicoli moderni si montano ormai quasi integralmente le
ruote monoblocco in acciaio fucinato,nella quali il cerchione ed il
centro ruota costituiscono un corpo unico. In questo tipo di ruote
non sinota ovviamente la divisione fra disco e cerchione. I profili
delle ruote possono essere rilavorati altornio, entro certi limiti,
per ricostituire il profilo originario (in generale non
corrispondente a quello
teorico con inclinazione 1:20 ma orientato ariprodurre il
profilo di usura).
(Nella figura a sin.: Particolare di uncarrello con ruota
ferroviaria monoblocco)
a2) Organi di trazione e repulsioneCollegamento fra veicoli, con
repulsori e magliastandard (fig. a destra)
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2a3) Carrello RodiggioLa cassa dei veicoli ferroviari grava sul
complesso delle ruote attraverso la sospensione, complessoelastico
che nei veicoli ad assi, (soluzione oggi limitata solo ad alcuni
tipi di veicoli merci), collegala cassa direttamente con gli assili
attraverso appoggi costituiti da boccole (cuscinetti a rotolamento
o astrisciamento). Nei veicoli idonei a viaggiare a maggior velocit
e di maggior lunghezza la sospensionepresenta due stadi in cascata:
cassa-carrello e carrello-assili. I carrelli sono strutture
costituite da 2 opi assi collegati ad un proprio telaio, il quale
assume alcuni gradi di libert rispetto alla cassa delveicolo. Lo
scopo di questa soluzione quello di ridurre il passo rigido, cio la
distanza longitudinalefra i due assi estremi di un veicolo.Si
intende per rodiggio lo schema della disposizione degli assi motori
e portanti in un mezzo ditrazione (locomotiva od automotrice)
Schema del rodiggio di un mezzo di trazione (sistema europeo):
Lettera = asse motore; Numero =asse portante: Pedice o = asse
motore a comando individuale. Esempi:1A + A1 (automotrice tipo 668
FS) : 2 carrelli, ciascuno con asse portante + 1 asse motore;B + B
+ B (locomotiva gruppo 652 FS) : 3 carrelli monomotori a 2 assi
motoriBo + Bo + Bo (locomotiva gruppo 656 FS) 3 carrelli a 2 assi
motori a comando individuale (1 motore per ciascun asse)
a4) Cassa Sagome limitiIl veicolo ferroviario, per poter
circolare sulle diverse linee, deve rispettare alcune
dimensioni
geometriche in modo da non interferire con le strutture fisse
(profilo (minimo) degli ostacoli). Neitratti in curva, i veicoli si
dispongono ovviamente secondo una corda. Questo implica che il
profilominimo degli ostacoli deve essere pi ampio della sagoma del
veicolo. (riduzione di sagoma). Alfine di consentire il transito
dei veicoli carichi sulle diverse linee, le norme internazionali
definisconole cosiddette sagome limiti entro cui devono essere
iscritti i carichi dei veicoli scoperti. Sidefiniscono sagome
limiti puramente geometriche (s.l. statiche) e sagome limiti
cinematiche edinamiche. Queste ultime, oltre ai vincoli geometrici
di cui sopra, tengono conto di agli altri parametrigeometrici e
cinematici (cedimento delle sospensioni, difetto od eccesso di
sopraelevazione in curva,azioni dinamiche in relazione alla velocit
ammissibile). Tali sagome limiti vengono messe inrelazione al
profilo degli ostacoli, di modo che i due elementi sono resi in
definitiva interdipendenti.
Lo schizzo riproduce lo schema delle sagomelimiti ammesse dalle
varie Reti. In tratto marcato,la sagoma FS (3200x4300 mm); in
tratto-punto lasagoma limite internazionale (UIC). Tale
sagomalimite si applica ai carichi collocati sopra iveicoli merci
scoperti. E soggetta a riduzioni inrelazione al raggio delle curve
da percorrere edal passo (interasse) del carro. In qualunquepunto
della linea ferroviaria, la sagoma limite dicarico deve essere
compresa allinterno delprofilo minimo degli ostacoli, che descrive
ilprofilo minimo di libero transito dei veicoli. Lequote verticali
sono riferite al piano del ferro.Notare la quota libera inferiore
di 130mm chedeve essere rispettata in quanto riservata aicomponenti
degli apparecchi di deviazione(controrotaie).
Possono essere ammessi trasporti cheeccedono le sagome limiti
(Trasporti Eccezionali TES) ma solo dietro specifica autorizzazione
oqualora seguano percorsi e linee adeguate (Gabarit B, C) e/o con
modalit prestabiliti (trasporticodificati).a4) Carico assiale-
Categorie di linee
Secondo le norme internazionali, le linee ferroviarie sono
classificate in quattro categorie, ciascunadelle quali ammette un
diverso carico assiale (espresso in tonnellate):16 t/asse (categ.
A), 18 t/asse (B),20 t/asse (C) e 22,5 t/asse (D). Le categorie
dalla B alla D prevedono inoltre delle sottocategorie che
sidifferenziano per il carico massimo ammissibile per metro
corrente (peso totale/lunghezza dei veicoli).In base al carico
ammesso dalle linee viene definita la massa complessiva del veicolo
(tara + caricoutile)
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3b) Cinematica e dinamica nel moto di un veicoloLa progettazione
della parte meccanica e strutturale, nonch l'esercizio pratico dei
veicoli terrestri
in generale, ed in particolare di quelli ferroviari, deve
rispettare e soddisfare molteplici condizioni chesono
essenzialmente connesse con: il comportamento cinematico e dinamico
del rotabile; la trasmissione delle forze di trazione e frenatura
lungo tutta la catena dei componenti strutturali
dei veicoli e dei convogli; in particolare, con la trasmissione
del moto, ossia l'applicazione dellacoppia motrice agli assi delle
ruote per dare origine allo sforzo di trazione ai cerchioni.Il
veicolo in movimento deve poter adattarsi geometricamente
all'andamento della via da percorrere
e quindi deve possedere i gradi di libert ed essere soggetto ai
vincoli necessari affinch possa esseredefinita la sua posizione ed
i parametri della sua traiettoria. Nel contempo esso sollecitato da
forze diorigine esterna, derivanti dall'azione dei vincoli esterni
e quindi impresse dalla linea che vienepercorsa, le quali
concorrono a determinare la sua condizione di equilibrio. Il
binario (o linea , o viaferrata) presenta istante per istante
determinate singolarit (come ad esempio gli sghembi, le
variazionidi curvatura, le variazioni di livelletta (cio di
pendenza per mille), i punti caratteristici quali i deviatoi,gli
attraversamenti, ecc.), le quali:
a) impongono al veicolo (in particolare al rodiggio) di adattare
il proprio assetto alle mutevolicondizioni geometriche del binario,
garantendo il mantenimento del contatto ruota/rotaia e la
correttaripartizione dei carichi (condizioni di sicurezza in
rapporto allo svio = sormonto del fungo della rotaiada parte del
bordino a causa delle forze di attrito, perdita della guida fornita
rotaia stessa e conseguenteuscita del veicolo dal binario)
b) agiscono sul veicolo imprimendo delle forze che ne alterano o
perturbano il movimento, dandoorigine a quelli che si chiamano moti
anormali e che corrispondono in sostanza alle traslazioni ed
allerotazioni secondo i tre assi coordinati dello spazio (rollio,
beccheggio, serpeggio, sussulto, ecc.).
Alle forze che concorrono a creare tali azioni dinamiche
corrispondono reazioni di inerzia; le leggitemporali del moto del
corpo possono essere descritte con le equazioni della meccanica.
Lesollecitazioni esterne, in generale, hanno caratteristica
aperiodica: impulsiva, a gradino, a rampa,talvolta a rampa
parabolica. La legge temporale seguita nello spostamento della
massa del rotabile ingenerale oscillatoria con smorzamento.
Le forze suddette danno origine, nel loro complesso, ad
accelerazioni che sono subite dal rotabilestesso e dalle masse su
di esso collocate. L'entit e le leggi di variazione nel tempo di
tali accelerazioniportano a definire quella complessa propriet che
viene chiamata comfort di marcia. Sono noti aitrasportisti alcuni
limiti caratteristici che definiscono il campo entro cui il
viaggiatore mantiene unsenso di "gradevolezza" nel moto a bordo di
un veicolo: ad esempio, la decelerazione massima difrenatura (1
m/s2) , l'accelerazione centrifuga non compensata (0,6 - 0,8 m/s2),
il contraccolpo (1,5m/s3 ), le accelerazioni verticali derivanti da
beccheggio o galoppo (0,2 - 0,25 m/s2).
A questa propriet (comfort) anche direttamente connessa la
sicurezza della marcia, in quanto intuibile (ma rigorosamente
dimostrato) che un comportamento anomalo del veicolo a fronte
dellecause perturbatrici esterne possono portare allo svio non meno
che lo possa fare un difetto geometricodel binario.
Lo studio del comportamento dinamico del veicolo si compie
analizzando l'equilibrio nelladistribuzione delle forze sul piano
verticale (carichi statici e dinamici) e sul piano orizzontale.
Questeultime sono distinguibili in longitudinali (sforzi di
trazione, frenatura ed interazioni fra veicoliadiacenti) e
trasversali (forze centripete e relative reazioni che insorgono in
curva e nei punti singolari).
L'insieme degli elementi costitutivi del veicolo a cui sono
demandati tutti i compiti inerenti allarealizzazione di tale
equilibrio e che nel contempo , nel suo complesso, deve fornire i
gradi di libertrichiesti dalla cinematica del movimento, viene
denominato sospensione.
Cenni di teoria. "Le sospensioni dei rotabili servono a filtrare
le eccitazioni determinate dalledisuniformit della linea ed imposte
alle masse dei veicoli, possibilmente attenuando le oscillazioni,
alfine di preservare i componenti strutturali sottoposti a tensioni
dinamiche e conferire ai passeggeri unadeguato comfort di marcia"
(Panagin, Ingegneria Ferroviaria 6/96)
Tale equilibrio deve essere realizzato in regime permanente,
nelle diverse situazioni che sipresentano durante la marcia ed
rappresentabile basilarmente con la classica equazione
differenzialelineare del 2 ordine che esprime il moto di una massa
vincolata da una molla e da uno smorzatore. Loschizzo che segue
richiama tale schema.
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4c
Levoluzione della risposta di un tale complesso a seguitodi una
variazione delle condizioni iniziali (sistema spostatodalla
condizione di equilibrio e quindi lasciato evolvere), comepure a
seguito di una sollecitazione impulsiva o a gradinodipende dal
parametro c, che rappresenta la caratteristica di attrito dello
smorzatore. Al variare diquesto, passa da un andamento temporale
aperiodico (se c minore dello smorzamento critico, cioc k< ) ad
uno sinusoidale a frequenza variabile, pi o meno smorzata, in
relazione al valore dellostesso coefficiente c .
Se al posto di una sollecitazione impulsiva o a gradino si
prende in considerazione unasollecitazione comunque complessa,
variabile nel tempo e quindi rappresentabile con il suo sviluppo
inserie di Fourier come una sommatoria di armoniche sinusoidali
tsinA ii , si pu definire pertali sistemi una funzione di
trasferimento, che esprime la risposta, cio l'andamento del fattore
diamplificazione (rapporto fra le ampiezze) e della fase delle
oscillazioni assunte dalla massa m al variaredella frequenza del
segnale di ingresso. Nei sistemi di cui si tratta pu verificarsi il
caso dellarisonanza, che si manifesta con un elevatissimo valore
dell'amplificazione e che si verifica quando lefrequenze delle
sollecitazioni impresse dalla via (e correlate ovviamente con la
velocit di marcia) sonoprossime alla frequenza propria del sistema.
Questa definita come la frequenza con cui il sistemaoscillerebbe
liberamente in assenza di smorzamento.
Occorre quindi progettare le sospensioni dei carrelli in modo
che le frequenze con le quali agisconogli elementi perturbatori
della marcia siano molto lontane dalla frequenza propria del
sistema. Comedato di buona tecnica, si assume quale valore della
frequenza propria di oscillazione verticale dellesospensioni
ferroviarie il valore di 1 Hz.
Equaz. delle oscillaz. libere
md x
dtcdx
dtkx
2
2 0+ + =
dove x , nel caso esemplificato, lacoordinata verticale
cherappresenta la posizione dellamassa m. Di equazioni del
genereindicato se ne possono scrivere ingenerale sei (tre riferite
alletraslazioni e tre relative allerotazioni secondo gli
assicoordinati) per ciascuno stadiodella sospensione.
Il grafico qui a fianco rappresenta una famigliadi curve
tracciate graficando una funzione ditrasferimento, con in ascissa
la pulsazione , perdiversi valori del fattore di smorzamento ,
ilche d luogo ad una famiglia di curve di risposta.Il legame fra e
c dell'equazione sopra riportata dato dall'espressione: . = c
km2
La pulsazione naturale n quella checorrisponde alla frequenza
propria del sistema.Essa vale:
nkm
=
In scala logaritmica, in ordinata indicato ilfattore di
amplificazione, in ascissa la frequenza,normalizzata al valore
della pulsazione proprian .
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5Realizzazione pratica: Nei veicoli ferroviari per viaggiatori e
nei mezzi di trazione la sospensionenon realizzata mai ad un solo
stadio, ma sempre composta da una sospensione primaria,
interpostatra sala e telaio del carrello e da una sospensione
secondaria che collega il carrello alla cassa. Nellafigura vengono
forniti alcuni dettagli a cui si far riferimento e qualche voce di
nomenclatura.
Carrello tipo "27" (1946) per veicoli viaggiatori. Sospensione
primaria a molle ad elica ed anelli digomma; sosp. secondaria con
molle a balestra+elica+anelli di gomma.
La scelta dei valori delle caratteristiche di cedevolezza (1/k)
e di smorzamento (c) dei due stadidella sospensione frutto di
specifici studi che i costruttori conducono spesso in parallelo con
lasperimentazione in linea. In sintesi, si pu fornire un dato
desunto dalla buona tecnica e dallasperimentazione ferroviaria,
secondo cui i valori minimi dell'accelerazione verticale in cassa
si hannoquando la cedevolezza della sospensione secondaria doppia
di quella della primaria (il cedimentototale della sospensione
viene assorbito per 2/3 dalla secondaria e per 1/3 dalla primaria),
mentre lacaratteristica elastica (k) ha un andamento non lineare ma
parabolico.
Nei rotabili moderni glielementi elastici dellasospensione sono
costituiti damolle ad elica e gli smorzatorisono di tipo
oleodinamico.Questi componenti hannoormai soppiantato perlomenonei
veicoli per viaggiatori lesospensioni a molle a balestra.Queste
ultime eranocaratterizzate da un propriocomportamento
autosmorzante,grazie all'attrito interno chenasce in concomitanza
con laflessione. Poich per ilcomportamento dei rotabili allealte
velocit fortementedipendente dalle proprietsmorzanti della
sospensione,sono richieste agli smorzatoriprestazioni "calibrate",
spesso
molto critiche ed impegnative, che una sospensione con molle a
balestra non riuscirebbe a garantire neltempo. Nel corso degli anni
sessanta, nella selezione di un nuovo carrello da adottare sui
rotabili"unificati", cio sottostanti alle norme dell'U.I.C., fu
preferito in Europa il carrello Minden Deutz 50.Fu il primo nella
storia delle ferrovie ad essere dotato di 4 smorzatori oleodinamici
verticali e 2trasversali e segn una radicale innovazione
tecnologica. Fu anche il primo carrello abilitato araggiungere i
160 Km/h.
I vincoli cinematici fra gli elementi della sospensione sono
costituiti, tradizionalmente, da"pendini", cio tiranti costituiti
da biellette od anelli articolati. Tra il carrello e la cassa del
veicolo,
Carrello Minden Deutz 50
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6sempre negli schemi tradizionali, interposta una "trave
oscillante" che assorbe gli sforzi verticali,longitudinali e
trasversali trasmessi dalla sovrastruttura al rodiggio e viceversa,
consentendo nelcontempo la rotazione relativa tra cassa e carrello
attorno all'asse verticale e trasversale; la rotazioneattorno ad un
asse longitudinale di norma limitata da appositi pattini di
appoggio o da barre ditorsione anti-rollio.
Queste ultime funzioni sono assolte, nei carrelli tradizionali
quale quello tipo 27 rappresentatopi sopra, da uno speciale snodo
sferico detto ralla, che vincola fisicamente la trave oscillante
allacassa.
Nei veicoli e nei mezzi di trazione pi moderni per si assiste
all'abbandono di questa tecnica disospensione. La ralla e l'intera
trave oscillante vengono soppresse e la sospensione
secondaria,costituita da molle ad elica di grande flessibilit
(flexicoil), collega direttamente il telaio del carrelloalla cassa.
Le rotazioni relative sono garantite dal cedimento trasversale
delle molle stesse. Sui veicolitrainati, ancora le stesse molle
trasmettono gli sforzi di trazione e frenatura; sui mezzi di
trazione, incui tali sforzi sono ovviamente molto pi sensibili, si
ricorre a puntoni o tiranti rigidi o in cavod'acciaio
pretensionato, che collegano direttamente telaio del carrello e
cassa. realizzando - in tal modo- anche la cosiddetta trazione
bassa, per ridurre l'effetto del cabraggio (vedi nota a fine
capitolo) deicarrelli .
I nuovi orizzontidella tecnica ferroviaria,spinti verso le
altevelocit e laumento delconfort di marcia, hannoportato
allarealizzazione di carrellie di sistemi disospensione in cui
lesoluzioni innovativesono accompagnate dauna particolareattenzione
allamanutenibilit deicomplessi. Un carrellodi concezione
modernarivela un ridotto numerodi componenti, quindianche una
semplifica-
zione progettuale unita ad un approfondito studio della
distribuzione delle sollecitazioni (metododellanalisi agli elementi
finiti). Si ricorre spesso alla sospensione pneumatica, che
costituisce ilsecondo stadio di sospensione. Limpiego di molle ad
aria compressa, oltre a consentire la necessaria
Trazione bassa- locomotiva 445
Carrello con sospensione pneumatica
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7cedevolezza, consente di mantenere lassetto del veicolo in
condizioni ottimali, in presenza divariazioni e squilibri del
carico o di sollecitazioni dinamiche.
Lintroduzione degli assili a ruote indipendenti (non pi cio
calettate rigidamente sullasse), lasoppressione della ralla e della
trave oscillante abbinata allaumento della cedevolezza
dellesospensioni, alla riduzione del passo (circa dimezzata
rispetto ai valori tradizionali) hanno consentito diridurre
drasticamente laggressivit del rodiggio rispetto al binario e di
eliminare alcune cause dei motianormali. I disegni che seguono
(tratti da un articolo delling. Panagin su Ingegneria Ferroviaria n
7-8/2004) illustrano i progressi nella progettazione e nella
realizzazione dei carrelli per veicolipasseggeri.
Nello schizzo qui sopra, un carrello tipo F che, nelle sue
diverse versioni, equipaggia molti deiveicoli per viaggiatori. Come
si nota, privo di ralla, presenta unapparecchiatura frenante a 4
dischi ela sospensione secondaria impiega una molla Fexicoil. E
idoneo a velocit fino a 200 Km/h.
La figura seguente, che corrisponde allo schizzo a pagina
successiva, rappresenta un carrellopolifunzionale Firema. Si nota
la particolare realizzazione del telaio che di estrema leggerezza
esemplicit.
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8Anche i veicoli destinati al trasporto delle merci sono per la
massima parte, al giorno doggi,montati su carrelli anzich su assi
singoli. Tale soluzione imposta dallaumento di lunghezza (passo)dei
carri e dalla necessit di aumentare la portata (il carico massimo
per asse, come si visto, paria a225,5 t su linee di categoria D). E
presente una sospensione, in genere ad un solo stadio, a
molleelicoidali con smorzatori ad attrito. Nel disegno che segue,
tali smorzatori (tipo Lenoir) agisconolungo la superficie di
scorrimento fra boccola e telaio del carrello (parasala) e sono
azionati graziealle piccole biellette ad anello che si vedono,
oblique, in corrispondenza dei piatti di appoggio dellemolle.
Lo schizzo qui sopra rappresenta il carrello Y25 per carri merci
idoneo alla velocit di 120 Km/h(regime ss). La frenatura avviene in
modo tradizionale, su ceppi che serrano i cerchioni delle ruote,che
possono essere anche monoblocco.
Un ultimo accenno alle boccole, cio a quel complesso che
realizza il collegamento scorrevole traassili e carrello. Al giorno
doggi, sono tutte composte da una scatola entro cui alloggiato
uncuscinetto a rulli, la cui pista interna calettata sul fusello
dellassile. La lubrificazione a grasso.
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9Nei rotabili pi antichi, tali boccole erano del tipo a
strisciamento: lappoggio sul fusello avvenivaa mezzo di un
cuscinetto ricoperto di metallo antifrizione e la lubrificazione,
ad olio, avveniva percapillarit. E universalmente esteso oggi luso
di cuscinetti a rotolamento, a rulli conici o cilindrici.
Laresistenza al rotolamento molto inferiore a quella dei cuscinetti
a strisciamento (2 2,5 daN/t contro5 daN/t, questultima ancora pi
elevata allatto dellavvio da fermo, fino a che non si stabilisca
aregime il velo dolio di lubrificazione).
Boccola a strisciamento. Ilcuscinetto rivestito di una
legaantifrizione e trasmette il pesogravante sulla boccola
allestremitdellassile (fusello). La lubrificazioneavviene per
capillarit, tramite unguancialetto di lana o altromateriale, le cui
appendici inferiorisono immerse in una vaschetta pienadolio.
Boccole a rotolamento: Sezione di una boccola con cuscinetto a
sfere. La lubrificazione in questocaso, realizzata con grasso
contenuto nella scatola della boccola che a chiusura ermetica.
Qui sotto, unimmagine di un cuscinetto a rulli, comunemente
usato nelle boccole ferroviarie inquanto consente una migliore
distribuzione del carico fra la pista esterna e la pista
interna.
Boccola a rotolamento
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10
c)Trasmissione del motoIl problema consiste nel trasferire alle
ruote la coppia motrice prodotta dal motore di trazione e di
adattare il regime di rotazione del motore stesso al regime di
rotazione delle ruote (confrontaappendice: rapporto di
trasmissione). Esso interessa le locomotive ed i mezzi automotori
(veicoliadibiti al trasporto di viaggiatori e dotati di
motorizzazione propria). La particolarit notevole che
latrasmissione presenta quella di dover consentire l'accoppiamento
motore - ruota permettendo altempo stesso quei gradi di libert che
sono necessari al funzionamento della sospensione.
Vanno premesse alcune informazioni in merito alla collocazione
dei motori di trazione sui veicoliferroviari. In linea di
principio, si possono distinguere tre situazioni:
1) Motori sospesi interamente sulla cassa2) Motori montati sui
telai dei carrelli3) Motori appoggiati direttamente sugli assili e
vincolati con opportuno snodo alla cassa4).Casi particolari per la
trazione DieselLa situazione 1) si riscontra sui rotabili pi
antichi (ma tuttavia stata riproposta nel modernissimo
Pendolino) ed certamente la pi complessa, nel caso in cui il
veicolo sia dotato di sospensione adoppio stadio. Offre per il
vantaggio di ridurre al valore minimo l'entit delle masse non
sospese. Perconsentire la trasmissione del moto, in questo primo
caso necessario ricorrere ad un sistema di bielleo di alberi
telescopici muniti di giunti. Nella trazione ferroviaria si
riscontra ad esempio il caso dellelocomotive a vapore e delle
locomotive elettriche con trasmissione a bielle: il "meccanismo"
stesso,cio il complesso di bielle motrici ed accoppiate, progettato
in modo da consentire la composizionedei due movimenti, quello
circolare delle manovelle (ruote) e quello verticale dell'unico
stadio disospensione.
Talvolta consentito anche uno spostamento radiale (trasversale)
della ruota rispetto al telaio, suun piano orizzontale. A ci
provvedono particolari giunti scorrevoli o bielle articolate con
cernieresferiche.
Nel Pendolino, come nelle automotrici termiche dell'ultima
generazione, che sono tutti mezziautomotori e quindi non dotati di
motori di potenza unitaria molto elevata, l'asse motore del
carrello azionato direttamente da un albero telescopico con giunti
cardanici e coppie coniche
La situazione 2) la pi diffusasui mezzi di trazione elettrici
ediesel-elettrici. La massa del motore interamente sospesa
dallasospensione primaria, mentre lasospensione secondaria
sostienesoltanto la cassa. In questo caso deveessere consentito
essenzialmente unospostamento verticale tra motore edassile; gli
spostamenti radiali etrasversali, di entit geometricamolto minore,
sono assorbiti daelementi flessibili quali piccole mollea balestra,
silentbloc, molle digomma "a tazza". In questi rotabili ilcomplesso
statorico del motore,vincolato al telaio del carrello amezzo di
travi o mensole, sostienedirettamente un albero od asse
cavo,coassiale con l'assile delle ruote e su
cui calettato l'ingranaggio condotto. Questo prende moto dal
pignone del motore (eventualmente coninterposizione di ingranaggi
intermedi) mentre mantenuta invariabile la distanza fra gli assi
dei dueingranaggi. L'asse cavo, grazie a giunti sferici, tamponi di
gomma, o particolari cinematismi (anellodanzante, ben visibile nel
particolare nelle pag. seg.) per in grado di spostarsi radialmente
di circa20 mm rispetto l'assile, che quindi pu seguire i movimenti
della sospensione primaria. Un gioco diquesta entit sufficiente in
quanto i mezzi di trazione non sono soggetti a variazioni della
massa totale(non trasportano passeggeri o merci) e quindi la
posizione relativa tra assile ed albero cavo pu esserecalibrata
esattamente dopo l'assestamento delle sospensioni.
Assonometria semplificata del carrello motore ETR 450
"Pendolino"
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11
Vista laterale del carrello bimotore di una locomotiva elettrica
636 con motori interamente sospesi altelaio del carrello. Si notano
i due stadi della sospensione, entrambi realizzati con molle a
balestra.
Vista in pianta dello stesso carrello. Si nota sull'asse di
destra il particolare dell'albero cavosezionato, coassiale
all'assile delle ruote (anch'esso forato).
Le figure seguenti rappresentano due viste/sezioni del carrello
di una locomotiva storica E636.Nella figura di sinistra evidenziato
in grigio lassile. Coassiale ad esso, lalbero cavo che sostenutodai
cuscinetti (boccole a strisciamento) ricavati nella stessa carcassa
del motore. La figura a destramette in evidenza la trave
oscillante, con la molla a balestra della sospensione secondaria
(inclinata)sezionata.
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La figura a lato una rappresentazione assonometrica deldettaglio
della trasmissione con motori interamente sospesi.Sono messi in
evidenza un appoggio del motore al telaio delcarrello, i cuscinetti
che sostengono lalbero cavo, la catenadi ingranaggi: pignone del
motore, ingranaggio intermedio,ingranaggio condotto. E visibile
anche il sistema dicollegamento albero cavo - sala montata (ruota).
Una grandeflangia solidale con lalbero cavo porta delle
appendici(rebbi) che, estendendosi attraverso gli spazi fra le
razze dellaruota, impegnano dei piccoli fasci di molle vincolate
tramitecerniere al corpo della ruota stessa.
La situazione 3) (sospensione per il naso) si riscontranelle
locomotive elettriche dotate di un solo stadio disospensione
(sospensione primaria, ormai quasi scomparse),in molti mezzi
automotori elettrici ed in alcune locomotiveelettriche a carrelli
con velocit massima piuttosto limitata(110 Km/h). A tali locomotive
si riferiscono le figure infondo alla pagina.
Lo spostamento verticale fra assile e telaio e nel contempoil
rispetto della distanza fissa tra ingranaggio motore e condotto
(non ci sono qui ingranaggi intermedi)vengono garantiti appoggiando
direttamente da un lato il motore all'assile stesso, mentre dal
latoopposto il motore viene collegato al telaio (della cassa o del
carrello) attraverso un giunto elastico chepu assumere diverse
forme. Questa viene detta sospensione "per il naso" o tranviaria.
Talvolta, comenel caso della figura qui sotto , l'appoggio
sull'assile non diretto. Il motore, con l'interposizione
dicuscinetti a frizione, appoggia su un albero cavo vincolato
all'assile con giunti di materiale elastico(tamponi di gomma).
Questo tipo di albero non dotato praticamente di alcun grado di
libert rispettoall'asse, salvo il cedimento del materiale elastico.
Esso trasmette all'assile anche la quota parte del pesodel motore
che costituisce il peso non sospeso.
La sospensione tranviaria ("per il naso") la pi semplice da
realizzare costruttivamente. La suamessa a punto e la manutenzione
non sono molto critiche. Studiando opportunamente la posizione ed
iltipo degli appoggi al telaio si riesce anche a ridurre entro
certi limiti la quota di massa non sospesa, avantaggio del comfort
di marcia e dellaggressivit sul binario.
Tuttavia le sollecitazioni impresse direttamente al gruppo
motore aggravano le condizionimeccaniche (ed anche elettriche -
commutazione) di funzionamento; il comportamento dinamico diquesti
rotabili, proprio in dipendenza della semplicit della sospensione,
non ottimale. Per tale motivola velocit massima raggiungibile
piuttosto limitata (95-110 Km/h).
Vista/sezione laterale di un carrello di una locomotiva
elettrica con sospensione del motore "per il naso"evoluta. In
grigio sono evidenziati l'appoggio del motore all'assile e lo snodo
con elementi elastici (Hyperbloc)che vincola il motore al telaio
del carrello.
Su alcuni mezzi leggeri (automotrici elettriche), su cui sono
montati motori di potenza unitariapiuttosto limitata (250 KW), si
realizza un particolare tipo di sospensione, detta baricentrica .
Inquesta il motore, pur poggiando da un lato sull'asse cavo
collegato all' assile delle ruote, viene sospesoal carrello con un
vincolo verticale la cui retta d'azione passa per il baricentro del
motore stesso. Inquesto modo il peso del motore non grava affatto
sull'asse delle ruote. Non pu annullarsi tuttavia
Assonometria della trasmissione
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l'effetto dinamico che viene suscitato dalle accelerazioni
impresse alla cassa del motore in dipendenzadei movimenti della
sospensione primaria n il manifestarsi della coppia di reazione. La
velocitmassima di questi rotabili pu raggiungere valori
considerevoli (da 130 a 170 Km/h) con buon confortdi marcia legato
soprattutto ai materiali impiegati nelle sospensioni ed al limitato
valore, in assoluto,delle masse dei motori e degli assili.
Nelle locomotive progettate per velocit elevate (200 Km/h e pi),
grande cura viene postanellalleggerimento delle strutture
componenti il carrello. Limmagine che segue rappresenta il
carrello
della locomotiva E444 (progettata negli anni 60) in cui manca la
trave oscillante e la cassa appoggiata al telaio del carrello
attraverso due coppie di molle ad elica (sospensione
secondaria)supportate da una struttura articolata che trasmette il
carico direttamente ai longheroni del carrelloattraverso appoggi a
pattino.
Nella figura rappresentato uno di tali carrelli. Si notianche il
dettaglio della trasmissione ad anello danzante(dettaglio qui a
sinistra). Lalbero cavo vincolato allesale montate (centri ruota)
attraverso un sistema dibiellette articolate che consentono la
trasmissione di unosforzo tangenziale permettendo al tempo stesso
un certospostamento radiale fra assile ed albero cavo.
Dettaglio della trasmissione ad anello danzante tra albero cavo
e centro ruota; nella pagina seguente, schizzoassonometrico della
stessa trasmissione
Sospensione baricentrica. Latrasmissione del moto
fralingranaggio condotto e lassiledelle ruote avviene
conlinterposizione di tamponi digomma
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Nelle ultime locomotive progettate dagli Uffici Studi di Firenze
delle FS (E 402 A , 1985), cos comenelle realizzazioni pi recenti
(Bombardier, Alstom) si nota il ricorso ad una struttura ancora
pileggera, resa possibile anche dal ridotto ingombro dei motori di
trazione (di tipo asincrono trifase), checonsentono di alloggiare
la trasmissione ad anello danzante direttamente sullassile.
Lappoggio dellacassa (sosp. secondaria) realizzato da 4 molle
Flexicoil. La trazione affidata a tiranti in acciaio che
collegano telaio del carrello e cassa
Per la trazione diesel-elettrica si ricade nei casi precedenti.
I motori di trazione, elettrici, sono ingenerale sospesi
interamente sul telaio dei carrelli e la trasmissione avviene
attraverso una catena diingranaggi (carrelli monomotori sulle
locomotive destinate al servizio ai treni, tipo 345 e 445
FS),lalbero cavo edil cinematismo ad anello danzante. Per le
locomotive destinate al servizio promiscuo treni + manovre,
avelocit limitata (massimo 80 Km/h) si ricorre usualmente alla
sospensione per il naso.
Unultima osservazione riguardante le apparecchiature
frenanti.Come si osserva, i carrelli di concezione datata sono
muniti di apparecchiature frenanti che si
avvalgono dellazione di attrito esercitata da ceppi in ghisa
direttamente sui cerchioni, che in generalesono del tipo calettato
a caldo. Questa soluzione, che ha il vantaggio di essere semplice
(la sostituzionedei ceppi dei freni pu essere fatta in piazzale) e
di assicurare la pulizia della superficie di rotolamento,diviene
incompatibile quando si debbano ottenere velocit di marcia molto
elevate e/o azioni frenantimolto energiche. Il motivo evidente: il
calore generato per attrito diviene molto elevato e la
suadissipazione problematica, in quanto affidata principalmente
alla conduzione (attraverso il contattocerchione disco della ruota)
ed alla ventilazione naturale. Tra laltro, lelevamento della
temperaturadel cerchione pu originare allentamento o scorrimento
dello stesso rispetto al disco ruota, conconseguenze negative che
possono compromettere anche la sicurezza della marcia. Nei veicoli
pimoderni (vedi lo schizzo del carrello dellelettrotreno Pendolino,
ma del tutto analoghe sono lesoluzioni adottate sul TGV francese,
sullICE tedesco ed in tutte le carrozze per treni viaggiatori)
generalizzato limpiego della frenatura a dischi. Tali dischi,
calettati direttamente sugli assili,presentano due facce sulle
quali agiscono le pinze azionate dal servomotore pneumatico (unit
frenanteo cilindro a freno). La superficie di contatto delle pinze
costituita da pattini in materiale sintetico con
Carrello della locomotiva e 402 A
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coefficiente di attrito sensibilmente costante. Le due facce dei
dischi sono collegate da una struttura asetti trasversali che, in
marcia, si comportano come palette di un ventilatore, realizzando
unenergicaazione di raffreddamento in quanto generano un forte
flusso daria in direzione centrifuga.
La particolarit inoltre di offrire un coefficiente di attrito
quasi costante elimina il problemadellesaltazione abnorme
dellattrito nelle fasi finali del moto (quando si prossimi
allarresto) che proprio del contatto ghisa-acciaio
(ceppi-cerchioni). Questo problema trovava soluzione, nella
tecnicatradizionale, facendo diminuire la forza frenante agente sui
ceppi quando la velocit scendeva al disottodi 60 Km/h per mezzo di
unapposita valvola comandata da un dispositivo tachimetrico:
Raffronto fra andamento delcoefficiente di aderenza e
delcoefficiente dattrito ceppo-cerchione al variare della
velocit.In passato, per ovviare al pericolodel bloccaggio delle
ruote a bassavelocit si interveniva riducendo lapressione sui ceppi
al disotto dei 60Km/h
NOTA: CabraggioIl fenomeno del cabraggio nasce dal fatto che la
trazione fra locomotiva e convoglio applicata
ovviamente al gancioapplicato alla cassa,mentre la forza
ditrazione nasce a livellodella superficie dicontatto ruota rotaia
esi trasmette alla cassadella locomotivaattraverso la ralla.
Cicomporta linsorgere diun effetto di coppiaribaltante che tende
aridurre il carico sugliassi anteriori dei
carrelli. Di conseguenza, viene a ridursi lo sforzo massimo
ammesso dalladerenza. Nelle locomotive acomando individuale degli
assi (rodiggio Bo+Bo o Bo+Bo+Bo) questa situazione provoca il
pericolo diuno slittamento in avviamento degli assi anteriori di
ogni carrello. Per ridurre leffetto di cabraggio, econsentire in
pari tempo leliminazione della ralla, si adotta la cosiddetta
trazione bassa, vincolando icarrelli alla cassa attraverso funi
dacciaio pretensionate (caso delle loc. 444, figura qui sotto,
trattadalla brochure FS Nuovi rotabili) oppure da una barra di
trazione che vincola direttamente lacarcassa del motore con
apposite appendici situate sulla parte inferiore della cassa
(figurino della loc.445 pi sopra)
Locomotiva E444 Trazione bassa