Eje intermedio (locomotora)

Un eje intermedio es un eje que se utiliza para transferir potencia desde un eje motorizado, como el eje de salida de un motor, a ejes conducidos, como los ejes motrices de una locomotora. En las locomotoras de ferrocarril de los siglos XIX y XX, los ejes intermedios solían estar alineados con los ejes motrices y conectados a ellos mediante bielas . En general, cada eje motriz de una locomotora puede moverse aproximadamente 2,5  cm verticalmente con respecto al bastidor, y el peso de la locomotora se apoya en muelles. Esto significa que si el motor o la transmisión están fijados rígidamente al bastidor de la locomotora, no pueden conectarse rígidamente al eje. Este problema se puede solucionar montando el eje intermedio sobre cojinetes sin suspensión y utilizando bielas o (en algunos ejemplos antiguos) transmisiones por cadena. ^{[ 1 ]}

Los ejes intermedios se utilizaron por primera vez en las primeras locomotoras de vapor, aunque sus diseñadores aún no los denominaban así. A principios del siglo XX, se construyeron numerosas locomotoras eléctricas con ejes intermedios para el servicio pesado en las líneas principales. Los ejes intermedios también se emplearon en muchas de las primeras locomotoras de gasolina y diésel con transmisiones mecánicas.

El ferrocarril Baltimore and Ohio fue pionero en el uso de locomotoras con eje intermedio. Si bien el eje motriz de la primera locomotora Grasshopper era accionado directamente por engranajes rectos desde el cigüeñal , la Traveler, entregada en 1833, utilizaba un eje intermedio, al igual que todas las locomotoras Grasshopper y Crab posteriores. Estas locomotoras empleaban engranajes multiplicadores para lograr una velocidad de funcionamiento razonable con ruedas motrices de pequeño diámetro. Cabe destacar que los diseñadores de estas máquinas no utilizaban el término " eje intermedio" . En cambio, se referían a lo que más tarde se denominaría eje intermedio como "un eje separado, situado aproximadamente a tres pies por delante del eje delantero, que lleva manivelas acopladas mediante bielas a las manivelas de los dos ejes de carretera". ^{[ 2 ]} En su patente de 1837 para lo que se conoció como la clase de locomotoras Crab , Ross Winans se refería a su eje intermedio como "un eje de rueda dentada" o "tercer eje". ^{[ 3 ]}

En una locomotora de vapor convencional, el cigüeñal es uno de los ejes motrices . En una locomotora de vapor con eje intermedio, el cigüeñal hace girar un eje intermedio que, a su vez, hace girar la rueda motriz. Algunas locomotoras de vapor han tenido diseños intermedios entre estos extremos, con cigüeñales distintos del eje motriz. La primera Grasshopper de Phineas Davis , probada en la B&O en 1831, pertenecía a esta clase, al igual que la Swift del ferrocarril Stockton and Darlington de 1836, donde el cigüeñal estaba directamente entre los ejes motrices. ^{[ 4 ]} Ambos ejemplos utilizaban cilindros verticales, con el cigüeñal en el plano de los ejes motrices. El primero utilizaba una transmisión por engranajes al primer eje motriz, el segundo utilizaba bielas laterales para esta conexión. En este último caso, la razón que se infiere para utilizar un cigüeñal distinto de los ejes motrices es "para alejar las vibraciones del funcionamiento del eje de potencia". ^{[ 5 ]}

Se han construido varias locomotoras con cilindros horizontales que impulsan un cigüeñal directamente sobre el eje motriz trasero , con un resorte común que soporta tanto el cigüeñal como el eje para que puedan moverse verticalmente juntos. Ross Winans diseñó una serie de locomotoras 0-8-0 a partir de 1842, dando origen a lo que se convertiría en la clase de motores B&O Mud Digger . Al igual que las locomotoras Grasshopper anteriores, los cigüeñales de estos motores estaban engranados con los ejes impulsados. ^{[ 6 ]} En su patente de 1843, Winans se refirió al cigüeñal como un quinto eje. ^{[ 7 ]} En 1880, Fowler Steam Plough Works de Leeds, Inglaterra, recibió una patente para un diseño similar de locomotora 0-4-0 con bielas laterales verticales entre el cigüeñal y el eje trasero. En este caso, la motivación era alejar los cilindros y las bielas del polvo y la suciedad en un motor con ruedas motrices diminutas. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Sobrevive una locomotora Fowler de ese tipo, una 0-4-2 T de vía estrecha muy pequeña. ^{[ 10 ]}

Los primeros diseñadores de locomotoras de turbina de vapor no comprendieron la necesidad de engranajes reductores o suspensiones con resortes. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Una vez que se comprendieron estos problemas, los ejes intermedios surgieron como una alternativa para conectar la caja de engranajes de salida de la turbina a las ruedas motrices . Giuseppe Belluzzo , de Italia, obtuvo varias patentes estadounidenses sobre variaciones de esta idea. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} Las alternativas a las transmisiones de ejes intermedios incluían el uso de una transmisión de husillo con la turbina sobre el eje motriz, o una combinación de una transmisión de husillo con una caja de engranajes suspendida horizontalmente entre un eje motriz de la locomotora y el eje de la turbina. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Muchas de las primeras locomotoras eléctricas también estaban equipadas con ejes intermedios . Un estudio general del diseño de locomotoras eléctricas de 1915 muestra 15 configuraciones distintas de transmisión por eje intermedio de un total de 24 diseños de locomotoras diferentes.

Algunas locomotoras antiguas utilizaban motores de tracción de CC de pequeño diámetro montados en ejes individuales, pero la mayoría, especialmente las locomotoras de CA, tenían solo uno o dos motores de gran diámetro. Estos motores de gran diámetro eran más grandes que la mayoría de las ruedas motrices y, por lo tanto, se montaban muy por encima del nivel de los ejes motrices. ^{[ 18 ]} El motor o los motores impulsaban el eje intermedio o los ejes intermedios a través de engranajes o bielas laterales , y luego el eje intermedio hacía girar las ruedas a través de las bielas laterales . En Europa, Oerlikon y Brown, Boveri fueron pioneros en una variedad de diseños de ejes intermedios, mientras que en Estados Unidos, Westinghouse fue dominante. ^{[ 19 ]} Los primeros estudios sobre diseños de locomotoras eléctricas citados aquí utilizan todos el término eje intermedio o eje intermedio.

Algunos ejemplos son las locomotoras eléctricas PRR DD1 y FF1 , así como la locomotora suiza Clase Ce 6/8 Crocodile y su prima de vía estrecha, la Rhaetian Railway Ge 6/6 I.

El continuo desarrollo de los motores eléctricos los hizo más pequeños y, para la Segunda Guerra Mundial, la mayoría de los nuevos ejes intermedios quedaron obsoletos.

Cuando Baldwin comenzó a construir locomotoras de combustión interna en las primeras décadas del siglo XX, utilizaban una transmisión de dos velocidades desde el motor de gasolina a un eje intermedio. ^{[ 1 ]} Las primeras patentes de locomotoras de combustión interna de Baldwin cubrían el uso de bielas laterales y transmisión por cadena para conectar el eje intermedio a las ruedas motrices. ^{[ 20 ] [ 21 ]} Las primeras locomotoras de combustión interna de Baldwin utilizaban una configuración 0-4-0 y pesaban de 3,5 a 9 toneladas, pero para 1919, estaba disponible una configuración 0-6-0 de 25 toneladas. ^{[ 22 ]} Estas locomotoras prestaron un amplio servicio en los ferrocarriles de trinchera de vía estrecha de la Primera Guerra Mundial . ^{[ 23 ]}

La locomotora diésel British Rail Clase 03 (en la imagen) y la Dv15 de los Ferrocarriles Estatales Finlandeses son ejemplos más recientes. Los ejes intermedios se usaban en algunas locomotoras diésel-mecánicas y diésel-hidráulicas , pero rara vez en las diésel-eléctricas . Una excepción fue la British Rail Clase D3/7 . ^{[ 24 ]}

Una dificultad de la transmisión mediante biela desde un eje intermedio es la necesidad de permitir el movimiento vertical de la suspensión de los ejes. Se han utilizado varios sistemas mecánicos para lograrlo.

largas barras horizontales

La disposición más sencilla consiste en utilizar bielas largas dispuestas horizontalmente. Un gran movimiento vertical en el extremo de la rueda genera un pequeño movimiento horizontal en el eje intermedio. En una locomotora diésel-mecánica, esto se puede compensar mediante un montaje horizontalmente flexible de la transmisión. El pesado motor se apoya sobre las ruedas motrices para distribuir el peso , pero la caja de cambios, relativamente ligera, puede montarse en un extremo, más allá de la distancia entre ejes acoplados. La carcasa de la transmisión final también es lo suficientemente estrecha como para montarse entre los bastidores, lo que permite ubicarla en una posición baja y a la misma altura que los ejes motrices.

Esta configuración es común en las locomotoras diésel de maniobras de baja velocidad, pero no suele utilizarse en las vías principales. La locomotora sueca D-lok de 1925 sí la empleaba, con dos motores conectados mediante engranajes a un único eje intermedio con bielas cortas entre dos ejes motrices de configuración 1-C-1 .

Varillas ranuradas

Los cojinetes deslizantes verticales en los soportes permitirían el movimiento, pero deben diseñarse cuidadosamente, ya que de lo contrario la fuerza ejercida a través de las bielas se desperdiciaría simplemente al deslizar el cojinete hacia adelante y hacia atrás. Estas juntas deslizantes deben estar dispuestas para permitir el recorrido de la suspensión, pero de manera que la fuerza de la biela siempre sea perpendicular a la guía.

La locomotora italiana E550 de 1908, con diez ejes acoplados, tenía motores emparejados, cada uno con un eje intermedio. Entre ellos se encontraba una biela triangular que giraba sincronizadamente y, por lo tanto, permanecía siempre horizontal. Esta biela sostenía un muñón deslizante para el eje central y cojinetes para las largas bielas de acoplamiento a los pares de ruedas motrices, espaciadas de forma desigual, delante y detrás. ^{[ 25 ]} Se utilizó una disposición similar en la locomotora Be 5/7 1-E-1 de 1912 del ferrocarril suizo Bern–Lötschberg–Simplon. ^{[ 26 ]}

Se utilizaron mecanismos conceptualmente similares para las locomotoras suizas Ce 6/8 ^II . Dado que estas contaban con un único motor de tracción en cada extremo, el bastidor triangular también se apoyaba en un eje intermedio ciego y sin motor. Este eje estaba ligeramente inclinado, ya que el eje intermedio del motor se encontraba por encima del eje de la rueda.

Varillas diagonales de Winterthur

La mayoría de las clases de cocodrilos suizos utilizaban el diseño de varilla diagonal de Winterthur o Schrägstangenantrieb (alemán).

Estas locomotoras eran articuladas, con un motor de tracción grande en cada uno de los dos bogies de cada extremo. El eje intermedio se ubicaba, por lo tanto, encima y entre las ruedas motrices. Para maximizar la longitud de su biela y reducir su angulación, se conectaba cerca del eje motriz más alejado. La biela de acoplamiento entre estos ejes era triangular, con un cojinete adicional montado en su borde superior, que absorbía el empuje de la biela del eje intermedio. A diferencia de la mayoría de las bielas, esto permite montarla en el mismo plano que los cojinetes de la biela de acoplamiento. Esto reduce la longitud en voladizo de los muñones de la biela y sus cargas de flexión.

Este sistema es sencillo y robusto, pero no ofrece una geometría perfecta, por lo que se caracteriza por sus crujidos y un funcionamiento irregular, especialmente si los cojinetes de biela se desgastan. Para las locomotoras suizas —motoras potentes y bien mantenidas que circulaban a baja velocidad en pendientes pronunciadas—, este diseño era aceptable. Sin embargo, no tuvo mucha acogida en los servicios de pasajeros de alta velocidad.

Vínculos entre Ganz y Kandó

Algunos de los mecanismos de articulación más complejos utilizados en las locomotoras de trenes expresos eran los de Ganz , Kandó o Bianchi. Estos tenían forma de triángulo invertido y se extendían desde el eje intermedio del motor, situado en la parte superior, hasta el eje de la rueda.

La forma Ganz se utilizó en las locomotoras Les Belles Hongroises 2BB2 400 de fabricación húngara para la PO francesa . Esta constaba de cuatro eslabones que formaban un triángulo, con los dos vértices superiores montados en el bastidor de la locomotora (mediante un corto eslabón oscilante) y en el muñón de la manivela del eje intermedio. El vértice inferior del triángulo contenía un corto eslabón triangular que unía los lados del triángulo al muñón de la manivela de la rueda. Al inclinar este eslabón, se absorbía el movimiento de la suspensión. ^{[ 27 ]} Este mecanismo funcionaba bien a alta velocidad y, al estar compuesto enteramente de articulaciones pivotantes sin deslizamiento, no presentaba holgura. Sin embargo, era complejo, pesado y desequilibrado.

El mecanismo de Kandó era similar en cuanto a la compensación, pero los vértices superiores estaban soportados por un par de ejes intermedios del motor.

El único de estos mecanismos de articulación que tuvo una vida útil prolongada o generalizada fue el mecanismo Bianchi, simétrico y mejor equilibrado, utilizado en Italia.

• http://www.du.edu/~jcalvert/tech/machines/centro.htm
• http://www.australiansteam.com/sugar.htm
• http://www.rutlandherald.com/apps/pbcs.dll/article?AID=/20041031/NEWS/410310333/1031/FEATURES02 Archivado el 27/09/2007 en Wayback Machine