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)

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)

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.

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 .

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

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

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.

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.

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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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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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