Na maioria dos pa´ıses utiliza-se a diretriz dada pela UIC, relativamente `a classificac¸ ˜ao dos eixos dos comboios, sendo estes categorizados pelo n ´umero de eixos motrizes e n ˜ao motrizes consecutivos, o tipo de trac¸ ˜ao a que est ˜ao sujeitos, se est ˜ao montados em bogies, de que forma est ˜ao acoplados e outras categorias mais espec´ıficas [25]. Desta forma, existe um n ´umero elevado de configurac¸ ˜oes, sendo o tipo mais comum, um bogie de dois eixos (figura B.1). Al ´em disto, embora existam diferenc¸as, todos os bogies possuem elementos b ´asicos em comum.
(2) (1)
(4) (3) (5)
(6)
(7) (8)
Figura B.1: Diagrama do bogie Schaffel. (1) Roda; (2) Zona de montagem dos trav ˜oes ou do sistema de trac¸ ˜ao;
(3) Caixa de eixo; (4) Moente; (5) Mola; (6) Amortecedor; (7) Eixo; (8) Apoio para o motor. Desenho base [12].
Eixos
Os bogies podem ter rodas emparelhadas pelo meio de eixos ou rodas independentes entre si, sendo que esta ´ultima configurac¸ ˜ao n ˜ao ´e comum nos comboios tradicionais. Deste modo, d ´a-se prefer ˆencia ao conjunto eixo-rodas e `as suas propriedades mec ˆanicas e din ˆamicas.
Os eixos podem ser s ´olidos ou parcialmente ocos, de modo a diminuir a massa do bogie. Os eixos parcialmente ocos t ˆem uma parte s ´olida no seu n ´ucleo (a meio do seu comprimento), sendo esta essencial para que o eixo consiga resistir `as cargas elevadas que lhe s ˜ao aplicadas. Ao eixo est ˜ao conectados outros componentes e sistemas, sendo estes:
• moentes internos ou externos, sendo a sua nomenclatura dependente da sua posic¸ ˜ao relativa-mente `as rodas. Estes s ˜ao respons ´aveis por suportar os eixos e permitir a conex ˜ao entre estes e a caixa de eixo, pelo meio de rolamentos.
• as caixas de eixo. A ligac¸ ˜ao eixo-bogie deve permitir ao eixo rodar com a m´ınima resist ˆencia e ao mesmo tempo transmitir movimentos e forc¸as ao sistema de suspens ˜ao. As caixas de eixo atuam como um intermedi ´ario entre o corpo do bogie e o eixo, providenciando os encaixes para os rolamentos e a sua conex ˜ao serve de apoio `a suspens ˜ao do comboio [12]. O tipo de caixa de eixo utilizada est ´a relacionada com a sua posic¸ ˜ao, estando diretamente relacionada com a posic¸ ˜ao dos moentes, e com o tipo de rolamentos usados. Sendo que, estes podem ser rolamentos de rolos cil´ındricos, de rolos c ´onicos ou r´ıgidos de esfera.
• trav ˜oes de disco montados no eixo ou nas rodas. O bloco do trav ˜ao pode ser atuado usando diferentes meios, sendo o mais comum o uso de ar. Este meio ´e usado universalmente, devido `a sua elevada fiabilidade e relativa simplicidade.
Os eixos s ˜ao respons ´aveis por manter as rodas a uma dist ˆancia constante. Providenciando guia-mento atrav ´es de moviguia-mentos laterais dentro da bitola da via e a sua capacidade de curvar passiva-mente. Os eixos permitem ainda a transfer ˆencia das forc¸as de trac¸ ˜ao e travagem aos carris, sendo esta necess ´aria para a funcionamento correto do comboio.
As rodas e eixo est ˜ao ligados entre si rigidamente e t ˆem a mesma velocidade de rotac¸ ˜ao, no entanto, devido aos movimentos laterais do eixo, as velocidades lineares de cada roda ser ˜ao diferentes. De modo a preservar o equil´ıbrio din ˆamico do eixo e das rodas, ocorrer ´a escorregamento,sendo este, reduzido usando rodas c ´onicas.
Rodas
As rodas ferrovi ´arias s ˜ao respons ´aveis por suportarem o peso do comboio e o carregamento provocado pela interac¸ ˜ao roda-carril. Embora, este seja um componente mec ˆanico relativamente simples, tem de ser resistente a forc¸as elevadas, a cargas t ´ermicas extremas e a vibrac¸ ˜oes.
A vida ´util das rodas ferrovi ´arias est ´a limitada pelas condic¸ ˜oes da sua utilizac¸ ˜ao. Ciclos t ´ermicos, travagens e deformac¸ ˜oes na via levam `a remoc¸ ˜ao de material e ao desgaste da pista de rolamento e verdugo, sendo comum o contacto deste com o carril. Isto, n ˜ao s ´o provoca o desgaste da roda e do
Figura B.2:Diagrama da roda ferrovi ´aria t´ıpica.
carril na sua ´area de contacto, como tamb ´em, forc¸as laterais capazes de gerar momentos elevados entre o disco e o cubo da roda. Sendo importante, evitar que este contacto ocorra.
As rodas dos comboios podem ter formas diferentes conforme o seu tipo de utilizac¸ ˜ao, sendo comum descreve-las como um cone truncado com os seus v ´ertices voltados para fora. Tipicamente, a largura da pista de rolamento ´e 125 - 135 mm e a altura do verdugo ´e 28-30 mm [12]. Um par ˆametro importante das rodas ´e a sua conicidade gamma, correspondente ao declive da superf´ıcie lateral de um cone, sendo calculada a partir da express ˜ao:γ=p
(rb+rt)2+h2. Sendo,rbo raio da base,rto raio do topo ehca altura do cone truncado. ´E comum as rodas dos comboios de m ´edia-baixa velocidade terem uma conicidade entre 1:10 a 1:20 e as rodas dos comboios de alta velocidade terem uma conicidade entre 1:40 a 1:50. A necessidade do aumento ou diminuic¸ ˜ao da conicidade das rodas varia com o limite da velocidade de circulac¸ ˜ao do comboio, sendo que, de modo a aumentar a sua estabilidade, ´e necess ´ario uma variac¸ ˜ao menor do raio da roda ao longo da pista de rolamento. Para cada raio de curvatura da via, existe um valor ´otimo da conicidade que evita o escorregamento das rodas, sendo importante que a sua escolha, para um dado comboio, tenha em considerac¸ ˜ao o trac¸ado da via.
As rodas mais comuns em utilizac¸ ˜ao s ˜aoType A1. Uma roda deste tipo permite uma diminuic¸ ˜ao do momento que atua entre o disco e o cubo, resultante da forc¸a lateral a atuar no verdugo. A geometria da rodaType Afaz com que esta seja mais resistente a forc¸as laterais, no entanto, a sua forma impossibilita a colocac¸ ˜ao dos trav ˜oes no disco das rodas. Isto requer um sistema de travagem menos compacto, sendo necess ´aria a colocac¸ ˜ao do disco de travagem no eixo [18].
A forma do perfil da roda e o seu contacto com o carril ´e respons ´avel pelo guiamento do comboio, devido `a combinac¸ ˜ao dos seus raios de curvatura do seu perfil. Existem dois tipos de cargas a que as rodas est ˜ao sujeitas, cargas verticais e cargas horizontais. As cargas verticais est ˜ao diretamente relacionadas com a massa do ve´ıculo e as cargas horizontais resultam do contacto roda-carril e da conicidade das rodas. A conicidade da roda provoca forc¸as laterais, que resultam da projec¸ ˜ao do peso do ve´ıculo na direc¸ ˜ao perpendicular ao movimento do ve´ıculo. Sendo que, o contacto adicional do verdugo com o carril, gera forc¸as laterais s ´ubitas e intensa. Estas propriedades das rodas, permitem ao comboio guiar-se ao longo da via. A pista de rolamento e o verdugo podem ter diferentes situac¸ ˜oes de contacto com o carril, podendo ter: um ´unico ponto de contacto, dois pontos de contacto ou um contacto
1Type A´e a designac¸ ˜ao japonesa da roda da figura B.2. Este tipo de roda ´e tamb ´em denominada deNormal web wheelnos pa´ıses de l´ıngua inglesa, sendo que n ˜ao existe uma nomenclatura padr ˜ao global dos tipos de rodas ferrovi ´arias.
perfeito. Sendo que, o contacto ideal aquele que ocorre num ´unico ponto, pois evita o desgaste das rodas e carris e evita o escorregamento. Quando o contacto ocorre em dois pontos, origina o desgaste da pista de rolamento, verdugo e carril em diferentes posic¸ ˜oes e, portanto, n ˜ao ´e uniforme, o qual origina um escorregamento intenso. Para uma pista de rolamento e um verdugo muito desgastados, o raio de curvatura da roda e o raio do carril s ˜ao muito semelhantes, no seu corte transversal.
E poss´ıvel explicar a din ˆamica do conjunto rodas-eixo do comboio como: sendo o raio nominal da´ rodar, a posic¸ ˜ao para a qual ambas as rodas t ˆem o mesmo valor de raio, quando um movimento lateral yocorre, altera os raios de circunfer ˆencia de rolamento, de maneira que a roda mais distante do centro de curvatura aumenta o seu raior+γ ye o raio da roda interior `a curva diminuir−γ y. Devido `as rodas serem solid ´arias, t ˆem de rodar `a mesma velocidade angular, o que provoca um aumento da velocidade linear na roda exterior e uma diminuic¸ ˜ao da velocidade linear na roda interior `a curva [2]. No entanto, as interac¸ ˜oes roda-carril s ˜ao complexas e o estudo do seu contacto ´e muito importante na modelac¸ ˜ao do comportamento do comboio.
Elementos Base de Suspens ˜ao
Os bogies podem ter dois n´ıveis de suspens ˜ao, sendo que existe, obrigatoriamente, elementos de sus-pens ˜ao entre a caixa de eixos e a estrutura do bogie. Estes elementos de sussus-pens ˜ao base, permitem atenuar e suavizar os movimentos exercidos sobre bogie, sendo divididos em duas categorias: elemen-tos el ´asticos (rigidez) e amortecedores. As propriedades mec ˆanicas destes elemenelemen-tos, s ˜ao expressas a partir dos coeficientes de rigidez e amortecimento, os quais representam a forc¸a exercida pelo elemento el ´astico relativamente ao seu desviok[N/m]e a forc¸a exercida pelo amortecedor relativamente `a veloci-dade do seu desvioc[N.s/m]. Estes elementos devem, al ´em de suavizar a movimento do bogie sujeito
`as perturbac¸ ˜oes da via, serem projetados com a intenc¸ ˜ao de evitar as frequ ˆencias de resson ˆancia da estrutura do comboio e as frequ ˆencias associadas ao desconforto dos passageiros.
Os elementos el ´asticos, devido `as propriedades do seu material e `a sua geometria, resistem a alterac¸ ˜oes `a sua forma nominal. Quando uma mola ´e deformada, uma forc¸a com direc¸ ˜ao oposta `a direc¸ ˜ao deformac¸ ˜ao ´e criada, tendo a forc¸a um comportamento linear `a variac¸ ˜aoδx.
Fm=k δx (B.1)
sendo,ka constante de rigidez da mola.
As principais func¸ ˜oes dos elementos el ´asticos, para a din ˆamica do comboio, s ˜ao [12]:
• equilibra as cargas verticais entre as rodas. A assimetria das cargas verticais que atuam que atuam sobre o eixo em curva e a apar ˆencia aleat ´oria das perturbac¸ ˜oes da via, provocam dese-quil´ıbrios que s ˜ao resistidos pelas molas,
• estabilizar o movimento do comboio. As molas permitem a absorc¸ ˜ao parcial da energia associada
`a cinem ´atica do bogie, sendo que a aus ˆencia destas, provocaria cargas elevadas sobre a estrutura e movimentos com frequ ˆencias de resson ˆancia,
• reduzir as forc¸as din ˆamicas e acelerac¸ ˜oes na presenc¸a de perturbac¸ ˜oes na via.
O amortecedor tem como func¸ ˜ao diminuir as vibrac¸ ˜oes e suavizar o movimento [12]. A intensidade da forc¸a exercida pelo amortecedor aumenta linearmente com `a velocidade instant ˆanea da deformac¸ ˜ao, sendo esta dada por:
Fa =cdx
dt (B.2)
sendo, c a constante de amortecimento do amortecedor.
Os amortecedores s ˜ao diferenciados com base no tipo de interface que proporciona resist ˆencia.
Sendo estes amortecedores de fricc¸ ˜ao, amortecedores hidr ´aulicos (de escoamento laminar ou turbu-lento) e amortecedores de fricc¸ ˜ao intermolecular.
Embora, as express ˜oes que regem estas reac¸ ˜oes s ˜ao relativamente simples, estas s ˜ao fulcrais para o projeto e simulac¸ ˜ao do sistema de suspens ˜ao, sendo que ao longo deste trabalho prestou-se grande atenc¸ ˜ao aos seus coeficientes de rigidez e amortecimento.
Motor
Os comboios por norma t ˆem motores puramente el ´etricos ou motores de Diesel-el ´etricos, dependendo do n´ıvel de eletrificac¸ ˜ao da rede ferrovi ´aria. As locomotivas puramente el ´etricas capturam a energia proveniente da rede el ´etrica, atrav ´es do contacto da caten ´aria do comboio e os cabos el ´etricos da via, e usam-na para alimentar os seus motores. Os motores de Diesel-el ´etricos usam o motor de combust ˜ao para acionar um gerador que produz a energia el ´etrica fornecida aos motores el ´etricos instalados nos bogies. A efici ˆencia dos motores el ´etricos ´e superior a 90%, sendo mais elevada do que a efici ˆencia dos motores a Diesel, aproximadamente 50%para motores de grandes dimens ˜oes. ´E, portanto, desej ´avel o comboio ser puramente el ´etrico, quando o estado de eletrificac¸ ˜ao da via assim o permite, devido `as perdas de transmiss ˜ao serem mais baixas e o rendimento dos motores ser mais elevado .
Na tabela 3.1 s ˜ao apresentados valores t´ıpicos para os motores el ´etricos.