mini|300px|Juego de ruedas motrices de una locomotora de vapor. En los lados exteriores se observan los pasadores de los cigüeñales de los cilindros exteriores. A su vez, en el centro del eje se sitúa el cigüeñal para el tercer cilindro, convirtiéndose en un eje tractor. Los grandes segmentos de contrapeso compensan los desequilibrios de las masas en movimiento, especialmente de las bielas y de las barras de acoplamiento.
Las ruedas de ferrocarril están especialmente configuradas para poder circular sobre raíles, soportar cargas elevadas, y en el caso de las locomotoras, para transmitir eficazmente hasta la banda de rodadura el esfuerzo tractor generado por los motores. Normalmente se utilizan emparejadas rígidamente a un mismo eje, formando juegos de ruedas. Su diseño ha evolucionado considerablemente a lo largo de la historia del ferrocarril. Así, originalmente se utilizaron ruedas con radios, más adelante aparecieron las ruedas macizas, después las ruedas con llantas, y por último, las ruedas monobloque. Según su función, se distingue entre ruedas motrices y ruedas de apoyo.
El desarrollo del sistema rueda-carril ha llevado a adoptar el perfil cónico de la superficie de rodadura de las ruedas, lo que a su vez provocó la aparición de un efecto conocido como movimiento de lazo.
Ruedas de radios mini|Rueda de radios de una locomotora eléctrica Westinghouse, con los resortes del sistema de transmisión gradual de la tracción en su interior
El diseño de las primeras ruedas de ferrocarril estuvo influido por la tradición de los carros tirados por caballos, y a menudo se utilizaron ruedas con radios de madera. Por ejemplo, la locomotora estadounidense John Bull, construida en Inglaterra en 1830, disponía de juegos de ruedas fijos, y las ruedas motrices tenían los cubos hechos de hierro fundido, los radios y los cercos se fabricaron con madera dura de robinia, y las llantas de tres cuartos de pulgada de grosor (1,8 cm) a su vez eran de hierro forjado.
Aunque las grandes ruedas motrices de las locomotoras de vapor posteriores se fabricaron completamente de acero, todavía se diseñaron como ruedas de radios para ahorrar peso. Las primeras locomotoras eléctricas también tenían ruedas de radios, una característica que se convirtió en una necesidad funcional para poder ubicar en el espacio existente entre radio y radio los resortes que servían para hacer gradual la entrega de potencia de los motores.
Pintura Las ruedas pueden tener una capa de pintura, pero siempre sin cubrir las bandas de rodadura ni las superficies laterales de las llantas (donde actúan las zapatas de los frenos). Además de la protección contra la corrosión, la pintura también cumple las funciones de hacer visibles las zonas de calentamiento excesivo y las grietas.
En caso de un recalentamiento excesivo debido a una caja caliente o a un freno bloqueado, la pintura se quema con una importante generación de humo. Cuando se enfría, aparecen exfoliaciones y cambios de color muy visibles.
Una coloración adecuada de la rueda puede ayudar a identificar a tiempo el daño causado por las grietas. Para las ruedas de radios de las locomotoras de vapor alemanas, se eligió un color rojo en el que las fisuras eran claramente visibles, ya que los residuos de grasa oscuros acumulados en las grietas, contrastaban claramente con el rojo brillante. Un color más claro hubiera sido inapropiado para detectar la aparición del metal brillante bajo un desconchado.
Con las llantas montadas, se pintan cuatro marcas en cada una para comprobar si siguen correctamente alineadas. En el Ferrocarril Rético, por otro lado, la pintura en blanco y negro cumplía la tarea de identificar más fácilmente el bloqueo de las ruedas. Debido a la influencia sobre el funcionamiento del freno de vacío de las diferencias de altura en las rutas recorridas, y especialmente en invierno con nieve y hielo, existe un riesgo particularmente alto de que el freno bloquee las ruedas.
En los ferrocarriles estadounidenses de hoy en día, generalmente están prohibidos los recubrimientos de pintura sobre las ruedas.
Ruedas Boxpok
mini| 01 0507 (serie DR 01.5) con ruedas Boxpok Una alternativa a la rueda de radios es el diseño "Boxpok" patentado por la Corporación General de Fundiciones de Acero de EE. UU. (Granite, Illinois) (en inglés, "boxed spoke", radios en caja), en el que la rueda está diseñada con radios huecos utilizando una sección transversal en forma de U. Los huecos laterales que quedan entre los radios son aproximadamente ovales, y forman una composición de diferentes tamaños.https://www.steamlocomotive.com/types/drivers/https://patents.google.com/patent/US1960039 Para una carga dada, son más ligeras que las ruedas de radios convencionales.
mini| Ruedas Boxpok de la locomotora SNCF 141 R 1199
Similares a la rueda Boxpok fueron la rueda de disco Baldwin (patentada por la Baldwin Locomotive Works de Eddystone, Pensilvania); y la rueda de disco gemelo Scullin (conocida por la locomotora aerodinámica J-3a Hudson del Ferrocarril Central de Nueva York, ideada por el diseñador industrial art déco Henry Dreyfuss para la Scullin Steel Co. de San Luis, Misuri). La rueda Bulthard Firth Brown (rueda BFB) desarrollada en el Reino Unido por Oliver Bulleid y Firth Brown no era hueca, pero el disco de la rueda tenía una sección transversal trapezoidal.https://locoyard.files.wordpress.com/2012/08/2008-ropley-35005-canadian-pacific-bulleid-firth-brown-wheel.jpg?w=1200
En Europa se adoptaron las ruedas del tipo Boxpok particularmente después de la Segunda Guerra Mundial, como en la serie SZD P36 (P36) de la Unión Soviética y las locomotoras Mikado SNCF serie 141 entregadas a Francia en grandes cantidades desde Estados Unidos y Canadá como ayuda para la reconstrucción. Las únicas locomotoras de vapor alemanas de este tipo eran ocho tractores rápidos del tipo DR Clase 01.5 equipados con ruedas Boxpok,Foto der DR 01 0503-1 mit Boxpok-Rädern pero debido a defectos de fabricación, estas ruedas fueron sustituidas de nuevo por ruedas convencionales reforzadas..
Llantas
Las ruedas con llantas consisten en un cuerpo de rueda central y un cerco metálico que lo encierra. Cada uno de estos componentes está hecho de una aleación de acero diferente, adecuada a un propósito específico, que pueden procesarse por separado antes de ensamblarse (por ejemplo, procediendo al forjado de las llantas). Este principio de diseño todavía conserva algunas ventajas, aunque cada vez se utiliza menos. En el , las alternativas disponibles eran:
Un cuerpo de hierro fundido homogéneo (susceptible a fracturas en su perímetro) Un cuerpo homogéneo de acero fundido (este material todavía no se producía económicamente) Una rueda torneada totalmente homogénea (una solución cara) Un cuerpo de forja homogéneo (tampoco era una solución económicamente viable)
mini| Tres llantas metálicas, logotípo de la empresa Krupp
En 1852/1853, Alfred Krupp inventó una llanta de rueda sin juntura en Essen: una pieza de acero forjado se estiraba, se le practicaba un orificio central, y mediante prensado y laminado, se convertía en un anillo perfectamente circular. Durante décadas, Krupp vendió sus llantas a la mayoría de los ferrocarriles de América del Norte, estableciendo así el éxito del posterior imperio industrial de Krupp, como conmemoran los tres anillos del logotipo de la compañía. Al mismo tiempo, Jacob Mayer logró producir llantas directamente utilizando acero fundido en la localidad de Bochum.Die große Chronik Weltgeschichte. Band 13: Industrialisierung und nationaler Aufbruch 1849–1871. Wissen Media Verlag GmbH, Gütersloh/München 2008, ISBN 978-3-577-09073-5, S. 72 online. Hasta principios del , ambos métodos compitieron entre sí, pero al final las llantas de Krupp eran más económicas de fabricar y tenían mejores propiedades mecánicas debido a la mayor elasticidad del acero frente al acero fundido. Antes de que Krupp y Mayer inventaran las llantas de una sola pieza, se utilizaban planchas curvadas y soldadas, lo que condujo a fracturas frecuentes en la soldadura debido a la dureza exigible al acero. Para intentar paliar este problema, se ideó un procedimiento que consistía en fabricar la llanta enrollando en espiral una lámina más delgada, que a continuación se forjaba.Moritz Pollitzer
Una ventaja de las llantas es que con las ruedas desgastadas se evita tener que reemplazar todo el disco de la rueda. Por lo tanto, no es necesario liberar la conexión a presión existente entre el disco de la rueda y el eje. Dado que cada llanta puede recorrer por término medio más de 600.000 kilómetros sobre carriles de acero de gran dureza, debe estar hecha de un acero particularmente resistente y estar firmemente sujeta al centro de la rueda. Una desventaja es la mayor masa de este tipo de ruedas, debido a la cantidad de material necesario para garantizar el correcto ajuste del cuerpo de la rueda y las llantas; para dar estabilidad al ajuste a presión entre eje y ruedas; y debido al considerable grosor mínimo de la propia llanta.
Entre la llanta y el disco de la rueda en ocasiones se situaba un elemento de goma, ejerciendo un cierto efecto de suspensión y suavizando la rodadura (juego de ruedas con resortes de goma). Esto aumenta la comodidad de las condiciones de circulación y ha demostrado su eficacia en vehículos de tránsito rápido urbanos. Sin embargo, el accidente ferroviario de Eschede mostró los límites de este sistema en el tráfico de alta velocidad.
Montaje y desmontaje La conexión entre las llantas de acero con el cuerpo de la rueda también de acero, generalmente se realiza mediante contracción. Con este propósito, las llantas se fabrican con un diámetro ligeramente menor que el que adquieren cuando ya están montadas. Las llantas se calientan hasta que su diámetro interno es ligeramente mayor que el diámetro externo del cuerpo de la rueda debido a la expansión térmica. En estas condiciones, se monta sobre el centro de la rueda, y al enfriarse se contrae de nuevo, abrazando el cuerpo de la rueda con una considerable tensión de compresión.
En el exterior, las llantas poseen un collar en la circunferencia interior, que sirve como tope cuando se coloca y evita desplazamientos hacia adentro. Por último, se atornilla por el interior de una ranura, en la que se inserta y se enrolla un anillo de seguridad de acero, que sirve como medida de seguridad adicional en el caso de que la llanta se afloje, en particular debido al bloqueo de los frenos o a una caja caliente. Además, también hay versiones que están diseñadas sin ranura para el anillo de retención adicional. Estas llantas también tienen en el interior un collarín de tope, que evita su movimiento lateral. El collar de tope interior está diseñado para ser mucho más pequeño que el exterior, ya que debe quedar ajustado sobre el cuerpo de la rueda cuando esta se contrae al enfriarse.
Para su desmontaje, la llanta desgastada se corta transversalmente a la banda de rodadura, se separa del cuerpo de la rueda y se desecha. El centro de la rueda podrá seguir usándose después de comprobarse su validez.
Cargas sobre las llantas