LE RUOTE DEI TRAM

Il carrello rappresenta il cuore di un tram, ma senza la ruota, non si andrebbe da nessuna parte. In questa pagina si esamina nel dettaglio come è composta una ruota tranviaria (disegni e fotografie fanno riferimento alle ruote dei tram serie 5000).

In generale un veicolo ferroviario realizza il moto attraverso la trasmissione al binario di forze orizzontali attraverso le ruote motrici. Il sistema di forze complessivo è costituito da forze verticali, la cui somma è il peso totale del veicolo che viene trasmesso da tutte le ruote e da forze orizzontali la cui somma è la forza di trazione trasmessa dalle sole ruote collegate al motore, dette ruote motrici. Le ruote non collegate al motore vengono definite ruote portanti, mentre il peso che grava sulle ruote motrici, è chiamato peso aderente. Su una motrice serie 5000, ad esempio, le ruote dei due carrelli agli estremi della vettura sono collegati al motore e pertanto sono ruote motrici, mentre quelle del carrozzino centrale non sono collegate a nessun motore e pertanto sono portanti.

Le moderne ruote ferrotranviarie sono composte da due elementi: il disco ed il cerchione. Il cerchione, calettato a caldo sul disco, viene generalmente ottenuto in acciaio laminato e comprende il bordino di guida che garantisce il contatto con la rotaia. Una ruota viene definita "elastica" se tra il disco ed il cerchione è interposto uno strato di gomma dura che ha lo scopo di assorbire le vibrazioni generate dal contatto tra ruota e rotaia. In caso contrario, le ruote sono classificate "rigide". 

Il disco (a destra) ed il cerchione (a sinistra). Si notino sul disco i segni lasciati dagli elementi di gomma.

I veicoli ferrotranviari hanno le ruote di uno stesso asse rigidamente collegate tra loro; l’insieme di due ruote e dell’asse corrispondente (assile) prende il nome di sala montata, hanno uguale velocità di rotazione e compensano con la conicità delle superfici di rotolamento il diverso sviluppo delle due rotaie (foto in alto).
L’assile, in acciaio fuso o fucinato, è di sezione circolare (a diametro variabile) e presenta alle due estremità i fuselli, i quali costituiscono, tramite l’interposizione di una boccola metallica lubrificata, l’appoggio della carrozza ferroviaria. Sull’assile sono calettati anche i dischi dei freni, che sono alettati per aumentare la superficie di scambio facilitando così la dispersione dell’energia termica che si sviluppa in fase di frenatura; così le temperature raggiunte non sono tali da alterare l’attrito dell’accoppiamento pastiglia – disco.

Disegno della sala montata

Comportamento in rettilineo e conicità delle ruote

Il profilo del cerchione è regolamentato dalla norma UNI-FER 3332 ("Carrozze motrici tranviarie urbane. Cerchioni delle ruote.") pubblicata il 30-11-1961.

La conicità nell’intorno della circonferenza di rotolamento varia in base alla tipologia di linea, maggiori sono le velocità, minore è la conicità:

• Linee convenzionali 1:10 - 1:20 (tram, treni)
• Alta Velocità 1:40 - 1:50

I tram di Torino utilizzano una conicità pari a 1:20.

La conicità serve per mantenere centrato l’assile e favorire il movimento in curva evitando lo slittamento.
Vi sono diversi modelli cinematici per descrivere il moto degli assili. Il movimento risulta oscillatorio limitato da flangia e conicità.
Il modello di Kingel dà come risultato un moto oscillatorio con una lunghezza d’onda:

Nel caso della rete torinese, la lunghezza d'onda del movimento oscillatorio è pari a poco meno di 10 metri.

La sala montata può considerarsi come un bicono che si muove sulle rotaie e, sulla conicità delle ruote si fonda l’azione di guida esercitata dalle rotaie sulla sala montata. Infatti, se una sala in movimento su un binario in rettilineo, per una ragione qualsiasi, non è centrata, i raggi di rotolamento delle ruote, per effetto della conicità dei cerchioni, non saranno uguali e l’assile risulterà inclinato rispetto al piano del ferro delle rotaie. Si verifica quindi il cosiddetto moto di serpeggiamento che manda i bordini delle ruote ad urtare alternativamente contro le rotaie. Le oscillazioni trasversali, grazie alla particolare conformazione dell’accoppiamento sala-rotaia, si smorzano gradualmente e la sala si autocentra naturalmente sul binario. Conicità inferiori (es. quelle utilizzate sulle linee ferroviarie ad alta velocità) riducono l’effetto, dando origine ad onde più lunghe ed accelerazioni laterali inferiori.

Comportamento in curva

Le ruote dei veicoli tranviari sono calettate sull’assile e quindi solidali tra loro, ruotano quindi con la stessa velocità angolare. In curva le due ruote devono percorrere a parità di angolo al centro distanze diverse, poiché i raggi delle due rotaie differiscono dello scartamento, per cui la ruota esterna ruota su un diametro maggiore. Per evitare i conseguenti scorrimenti e le elevate forze d’attrito che ne derivano, i cerchioni delle ruote si sviluppano su superfici tronco-coniche con inclinazione di 1/20. Per effetto della curva la sala montata tende a spostarsi verso l’esterno, il punto di contatto della ruota esterna si sposta su un raggio di rotolamento maggiore di una quantità che dipende dal raggio di curvatura della curva, dal raggio della ruota e dalla velocità, analogamente quello della ruota interna su un raggio di rotolamento minore, poiché la velocità angolare è la stessa per le due ruote allora la velocità periferica della ruota esterna è maggiore di quella della ruota interna.
La velocità massima in curva è limitata da:

• Limite fisiologico: dovuto al passeggero
• Limite geometrico: dalla sagoma delle opere fisse presenti sulla linea
• Limite meccanico: dovuto all’usura e alla sicurezza di ruota e rotaia

Usura

Anche le ruote del tram si consumano! Le ruote dei tram torinesi hanno un diametro compreso tra 680 mm (ruota nuova) e 620 mm (ruota usurata). Quando la ruota raggiunge la massima usura, il cerchione viene rimosso e sostituito da uno nuovo. La sostituzione può avvenire anche in occasione di danni al cerchione (es. in caso di deragliamento).
Un tipo di usura interessante è il rifollamento ovvero la formazione di un riporto di materiale sul bordo esterno della ruota dovuta dallo sfregamento trasversale dell'assile contro le rotaie nelle curve.

A sinistra, confronto tra ruota nuova e ruota usurata di un tram tipo 5000. A destra, macchinario per unire cerchione e disco.

In alto dettaglio di una ruota usurata. Si noti il rifollamento sul lato opposto al bordino.