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4 Modelado en CATIA V5

4.1 Introducción Los elementos modelados intentan reproducir con cierto grado de exactitud las piezas reales. La totalidad de las piezas, por la escasez de planos, se han diseñado desde cero; partiendo de: las características técnicas de la locomotora obtenidas de [3], de diversos libros sobre locomotoras de vapor ([4], [5], [5], [9] y [11]), y de gran cantidad de material fotográfico obtenido de libros y distintas fuentes web. Por ello el objetivo marcado desde el primer momento con este proyecto fin de carrera, ha sido el de ofrecer una visión global de las locomotoras de vapor, como se construían y cómo funcionaban. El nivel de complejidad de las piezas modeladas no es excesivo. La mayoría de las piezas se han elaborado mediante operaciones sencillas de extrusión, revolución, vaciado, simetría, patrones, etc.; y siguiendo siempre un criterio constructivo en el diseño de los componentes de la locomotora; para el cual, como se ha comentado en varias Capítulo IV.-Modelado en CATIA V5

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ocasiones, se ha partido con muy poca información, de tal forma que realmente el modelo recreado podría considerarse como una maqueta virtual de un prototipo de locomotora, que con algún que otro retoque en la caldera y añadiendo sistemas auxiliares, bien podría llevarse acabo. Sólo en piezas cómo los conductos de admisión y escape de los cilindros, las cajas de vapor, los conductos de los areneros, se ha tenido que echar mano de herramientas un poco menos directas, como por ejemplo, la construcción de curvas tridimensionales para extrusiones por barrido, operaciones con sólidos, operaciones con superficies para generar sólidos, etc. Debido al alcance del proyecto y también por lo expuesto anteriormente, se ofrece al lector el proceso de modelado, pero sin entrar en detalles de cómo se realizan cada una de las operaciones para cada pieza. Se dan indicaciones de las soluciones constructivas que se han ido tomando para cada componente, y las operaciones aplicadas. A continuación describiremos el procedimiento de diseño, en el entorno de CATIA, del aparato motor descrito anteriormente. Por la gran cantidad de elementos independientes, nos centraremos en el diseño de los siguientes conjuntos: la rueda motriz con la contra-manivela, la caja de vapor, el mecanismo de la transmisión y por último el modelado de la cinemática. También las ilustraciones las fuentes en los que están basados los distintos elementos.

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Figura 76.-Vista explosionada del bastidor de la locomotora. Realizado en CATIA V5.

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4.2 Eje motriz

Figura 77.- Ilustraciones que han servido como base para el proceso de diseño. Obtenidas de [4] y [6].

Las figuras siguientes muestran la secuencia de operaciones para crear el cuerpo de la rueda. Básicamente consisten en un sólido por revolución (Shaft), un vaciado (Pocket), y un patrón circular para crear los radios. En el diseño del perfil para la primera operación, hay que tener en cuenta, que el plano exterior del cubo de la rueda debe sobresalir del plano de la llanta para dejar espacio a la caja de grasa y a los refuerzos del bastidor. Se dan desmoldeos (Draft-angle) para modelar la sección trapezoidal de los radios (Figura 79). Una vez terminada la rueda con sus radios, se añade la manivela y el contrapeso. Se aplica otro desmoldeo al cubo para que adquiera su forma final troncocónica (Figura 65 .-c). Por último, se aplican redondeos (Edge Fillet) y chaflanes (Chamfer).

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Figura 78.1- Secuencia de operaciones en CATIA V5 para el modelado del cuerpo de la rueda motriz.

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Figura 78.2.- Secuencia de operaciones en CATIA V5 para el modelado del cuerpo de la rueda motriz.

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Figura 79.- Sección trapezoidal del radio. Realizado en CATIA V5.

Para la llanta, dibujamos el perfil para que encaje con el cuerpo y con el cintillo. Las dimensiones de la pestaña se han tomado del estándar empleado en la Renfe. Se aplica la misma operación de revolución y obtenemos el elemento. El cintillo se realiza del mismo proceder.

Figura 80.- Secuencia de operaciones en CATIA V5 para el modelado de la llanta de la rueda.

Una vez modelados estos elementos se ensamblan para constituir la rueda.

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Figura 81.- Rueda motriz. Realizado en CATIA V5.

Una vez se hayan modelado el eje, la manivela y la contra-manivela, se monta el conjunto. Como restricciones al montaje:


La longitud del eje debe ser tal, que entre aros de las ruedas debe haber unos 1.588 mm para cumplir con el ancho de vía de 1.674 mm (Figura 84).




Las ruedas se montan caladas 90º, para evitar los puntos muertos, compensar las fuerzas de inercia y conseguir el par motor lo más regular posible (Figura 82).




La contra-manivela se monta siempre a 90º de la manivela motriz para tener fases de la distribución coherentes en ambos sentidos de la marcha. Se montan en adelanto respecto la manivela motriz; la marcha adelante será, por tanto, con la colisa por encima del punto fijo del sector (Figura 82).




La longitud de la muñequilla motriz, debe tener la longitud necesaria para dejar el espacio necesario para la biela de acoplamiento y la biela motriz (Figura 83).




La posición de la articulación de la contra-manivela, debe ser tal que, el plano medio longitudinal de la biela de la distribución, debe coincidir con el plano medio del sector y del distribuidor. También, el plano medio de la biela motriz debe coincidir con el plano medio de la cruceta (Figura 84).

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Figura 82.- Detalle del calado de las ruedas y del adelanto de la contramanivela a 90º. Ruedas izquierda y derecha respectivamente. Realizado en CATIA V5.

Figura 83.-Detalle de la muñequilla y la contramanivela. Realizado en CATIA V5.

Figura 84.- Detalle trasero de la locomotora. Nótese que el mecanismo motor y el de la distribución están contenidos en planos distintos. Realizado en CATIA V5.

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4.3 Cajas de vapor

Figura 85.- Ilustraciones que han servido como base para el proceso de diseño. Obtenidas de [4] y [6].

Las siguientes imágenes muestran la secuencia del modelado de la caja de vapor. Esta pieza ha sido una de las mas laboriosas, ya no por el propio diseño, si no por la falta de información gráfica. Se ha llegado a una solución muy representativa de cómo eran estos elementos realmente. La base del modelado de la caja de vapor es una operación booleana de resta entre dos sólidos. Para ello primero construimos una envolvente maciza teniendo en cuenta los parámetros de diseño comentados en el apartado anterior. Modelada media fijación del cilindro con el bastidor, dibujamos un perfil a 90º. El perfil consta de dos coronas que se corresponden con el distribuidor y el cilindro. Se realizan las coronas para posteriormente apoyarnos en dicha geometría cuando modelemos el sólido interior. Al perfil dibujado se le aplica la operación Pad, y obtenemos una preforma.

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Para construir los conductos para las lumbreras, generamos dos superficies que servirán de límites para la operación de extrusión (Extrude). Se modela la sujeción del cilindro a la placa de fijación y comenzamos a diseñar las toberas de admisión y escape. Estos se construyen mediante la operación Loft, que consiste en un barrido con secciones variables. Una vez modelados estos elementos se aplica la operación de simetría, obteniendo la envuelta de lo que será la caja de vapor.

Figura 86.1.- Secuencia de operaciones en CATIA V5 para el modelado de la envolvente de la caja de vapor.

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Figura 86 Secuencia de operaciones en CATIA V5 del modelado de la envolvente de la caja de vapor.

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Figura 86.3.- Secuencia de operaciones en CATIA V5 del modelado de la envolvente de la caja de vapor.

Para la construcción del sólido interior, se procede de manera similar. Ahora se reproducen los negativos de los asientos de las camisas del distribuidor, los conductos interiores para la admisión y el escape de las lumbreras, el cilindro y el distribuidor, y las toberas de de admisión y escape, utilizando las mismas curvas que sirven como dirección para las operaciones Loft, y apoyándonos en la geometría del sólido que exterior.

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Figura 87.1- Secuencia de operaciones en CATIA V5 para el modelado del sólido interior para la operación booleana.

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Figura 87.2-Secuencia de operaciones en CATIA V5 para el modelado del sólido interior para la operación booleana

Figura 88.-Caja de vapor. Realizada en CATIA V5.

Las camisas del distribuidor se han modelado también mediante la resta de dos sólidos. El tamaño de las lumbreras dependerá del tamaño del distribuidor, de la carrera del distribuidor, y por tanto del mecanismo de la distribución. El tamaño de las lumbreras se deja como parámetro a la hora de ajustar el mecanismo de la distribución.

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Las lumbreras realmente no se fabricaban siguiendo este procedimiento de modelado, ya que se hacían mediante desarrollos de chapa. Se partía de una lámina de acero, con forma de tira, a la cual se el practicaban los orificios que serían las lumbreras y se doblaba y soldaba para que adquiriera su forma cilíndrica final.

Figura 89.- Secuencia de operaciones en CATIA V5 para la camisa del distribuidor. Montaje final de la caja de vapor.

Los cilindros debían fijarse de manera segura al bastidor de la locomotora, ya que estaban sometidos a grandes esfuerzos provocados por el vapor y las fuerzas de inercia. Las cajas de vapor se fijaban mediante roblones y soldadas. Además, para anular el Capítulo IV.-Modelado en CATIA V5

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efecto del peso del conjunto en la fijación, la unión de la caja de vapor y el larguero del bastidor no se realizaba en un solo plano (Figura 90).

Figura 90.- Detalle de la fijación entre el cilindro y el bastidor. Diseñado en CATIA V5.

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4.4 Mecanismos de la transmisión y la distribución.

Figura 91.-Ilustraciones que han servido de base para el proceso de diseño. Obtenidas de [4] y [6].

Como se ha expuesto en el capítulo anterior, la transmisión está compuesta de las bielas de acoplamiento, las bielas motrices, la cruceta y el émbolo con su vástago; la distribución la constituye la biela de la distribución, el sector, la colisa, la corredera cilíndrica y el árbol del cambio de marcha. Ambos mecanismos se acoplan mediante un mecanismo de péndulo (Figura 92).

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Figura 92.- Vista explosionada de los componentes de la transmisión y la distribución. Diseñado en CATIA V5.

Las bielas que componen la transmisión son las bielas de acoplamiento y las motrices. A continuación se muestra la secuencia de operaciones que se han llevado a cabo para la construcción del tramo central de la biela de acoplamiento. El resto de bielas se modelan de forma similar. Modelada una cabeza de la biela, se construye la caña de la biela; para ello se dibuja la primera y última sección de la caña y realizamos la operación Loft. Se modela la otra cabeza de la biela, y se practican los vaciados para alojar los cojinetes y su fijación. Se modelan las articulaciones para el ensamblaje con las otras dos vigas que constituyen la biela de acoplamiento; se crean los depósitos para el engrase y se practican redondeos y chaflanes.

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Figura 93.- Secuencia de operaciones en CATIA V5 para el modelado de la biela de acoplamiento.

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Figura 93.-Secuencia de operaciones en CATIA V5 para el modelado de la biela de acoplamiento.

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Figura 94.-Biela Motriz. Realizada en CATIA V5.

A continuación se muestran el resto de componentes de los mecanismos de la transmisión y distribución. El modelado del resto de bielas se realiza de forma similar al ya expuesto.

Figura 95.-Detalle del conjunto émbolo-cruceta. Realizado en CATIA V5.

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Figura 96.- Vista explosionada del conjunto émbolo-cruceta. Realizada en CATIA V5.

Figura 97.-Vista explosionada de la biela de la distribución. Realizada en CATIA V5.

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Figura 98.-Sector. Realizado en CATIA V5.

Figura 99.-Vista explosionada de la colisa. Diseñado en CATIA V5.

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Figura 100.-Vista explosionada de la bielas de acoplamiento del mecanismo de la distribución. Diseñado en CATIA V5.

Figura 101.-Montaje de los elementos de la transmisión y de la distribución. Diseñado en CATIA V5.

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4.4.1 Ensamblado El proceso del ensamblaje del modelo ha sido muy parecido al que se hacía realmente en los talleres constructores de locomotoras: se partía de los ejes acoplados, sobre los que se montaba el bastidor. Sobre este conjunto se incorporaban los cilindros y la caldera. Se montaban las paralelas, las crucetas y los émbolos con sus vástagos; los distribuidores, el mecanismo de péndulo de la distribución, el sector y la colisa. Por último, se colocaban las bielas motrices, de acoplamiento y las de la distribución. La locomotora está compuesta de tres subconjuntos o ensamblajes: el bastidor, la caldera y el vehículo. El bastidor, visto en el apartado anterior, lo constituyen: la estructura formada por los largueros y los refuerzos interiores con sus elementos de unión (remaches o roblones), la suspensión, las cajas de vapor, el suelo de la locomotora, la cabina y los bastidores del bogie y el bisel. La caldera esta compuesta a su vez de el hogar, las virolas, la caja de humos, el recalentador, los tubos de admisión del vapor vivo, el escape y la envolvente de la caldera. El vehículo lo componen el propio bastidor, los ejes acoplados, las bielas de la transmisión y la distribución, las correderas cilíndricas, y los émbolos con sus vástagos. La locomotora la se compone del vehículo, la caldera y el tender. Con respecto al tender, se ha representado de forma muy simplificada para aportar al conjunto mayor consistencia; se ha modificado el bogie delantero de la locomotora, para los bogies del tender, llevando los largueros por el exterior de las ruedas. La siguiente ilustración (Figura 102) muestra una vista explosionada del conjunto.

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Figura 102.- Vista explosionada del conjunto.

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4.4.2 Cinemática Para el modelado de la cinemática primero ensamblamos los elementos anteriores en el vehículo para tenerlos posicionados. Se establecen las restricciones entre elementos en el módulo Assembly Desing; la cinemática la conseguimos mediante el módulo de CATIA, DMU Kinematics. El mecanismo tiene dos grados de libertad, que habrá que definir y a los cuales se les tendrá que asignar ciertos valores. El mecanismo que se ha modelado en CATIA, usa como parámetros, el giro de la rueda motriz y el ángulo de la palanca de cambio de marcha respecto la horizontal. Se podrían haber tomado otros dos, siempre y cuando fueran independientes entre sí, como el avance y retroceso del émbolo y la posición del árbol del cambio de marcha, pero los primeros son los más simples de modelar y los más representativos. Se explica el modelado de la transmisión y distribución del cilindro derecho; para modelar el cilindro izquierdo, se aplican los mismos vínculos sin repetir como parámetro, el giro de la rueda motriz. Si se repitiese dicho vínculo, CATIA nos advierte del error que cometemos. Se coloca la rueda motriz en su posición, y se impone una restricción cinemática de revolución (Revolute Joint) con el ángulo de giro como parámetro (Figura 103). Esta restricción es común para los dos mecanismos-biela manivela, y las distribuciones de los dos cilindros.

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Figura 103.- Definición del giro de la rueda motriz.

Ahora se coloca la cruceta entre las paralelas utilizando la restricción cinemática para vínculos prismáticos (Prismatic Joint). Para colocar la biela motriz, se imponen restricciones cinemáticas de revolución en la muñequilla de la manivela motriz y en la cruceta. Para poder realizar estas operaciones se ha tenido que verificar, que el plano medio de la biela motriz y el plano medio de la cruceta coinciden (Figura 84). Impuestos los vínculos, CATIA indica que el mecanismo se puede simular. Este mensaje es cierto, ya que se ha cerrado el mecanismo biela-manivela del cilindro derecho. Se repiten las mismas operaciones con el lado izquierdo hasta cerrarlo. Ahora se acoplan los mecanismos de las distribuciones de los dos cilindros

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Figura 104.-Definición de los vínculos de la cruceta y de la biela motriz.

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Ubicado el sector sobre el bastidor, con sus respectivos vínculos cinemáticos de revolución y restricciones espaciales (Figura 105), se coloca la biela de la distribución. Para sus dos articulaciones, se imponen sendos vínculos cinemáticos de revolución con el sector y con la contra-manivela (Figura 106).

Figura 105.- Definición del giro del sector sobre su punto fijo.

Figura 106.-Definición de las articulaciones de la biela de la distribución.

De nuevo, CATIA advierte que se ha cerrado un mecanismo. Repetimos las operaciones anteriores para la biela de la distribución del cilindro izquierdo hasta cerrarlo. Se añaden las bielas de acoplamiento entre la distribución y el movimiento del émbolo. Una vez definidos los vínculos entre las bielas se coloca la colisa.

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Figura 107.- Definición de los vínculos para el acoplamiento de la distribución con el émbolo.

La colisa lleva incorporado un taco que desliza por el interior del sector. El taco está obligado a seguir el arco del sector. Para modelar el movimiento del taco sobre el sector, se construye una curva, de radio igual al sector, por la que obligaremos a desplazarse el punto central del taco. Para poder imponer dicho vínculo cinemático debemos imponer primero, en el modo Assembly Desing, que punto y curva están en contacto (Figura 108); de lo contrario puede que CATIA no nos permite imponer dicho vínculo.

Figura 108.-Curva de apoyo para el modelado del movimiento de la colisa sobre el sector y definición del vínculo cinemático.

Impuesto el vínculo cinemático que obliga al taco a desplazarse sobre el sector (Figura 108), se liga la colisa al péndulo mediante un vínculo de revolución (Figura 109).

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Figura 109.- definición del vínculo entre la colisa y el péndulo.

Se coloca el árbol de cambio de marcha y se imponemos como parámetro su giro respecto la horizontal (Figura 110); posteriormente se vincula con la colisa a través de la biela correspondiente (Figura 113).

Figura 110.-Definición como parámetro el ángulo de giro del árbol del cambio de marcha.

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Figura 111.- Definición del vínculo entre el árbol de cambio y la colisa.

Para modelar el movimiento de la corredera en el distribuidor, se traza una línea que coincida con el eje del distribuidor. Se impone que dos puntos del vástago de la corredera se desplacen por la línea auxiliar trazada anteriormente (Figura 112).

Figura 112.- Definición del vínculo entre la corredera y el distribuidor

El mecanismo se cierra con la imposición del vínculo de revolución entre el vástago de la corredera y el péndulo (Figura 113). Se repiten las mismas operaciones para el cilindro izquierdo hasta cerrar el mecanismo.

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Figura 113.-Definición del vínculo entre el péndulo y el vástago de la corredera.

Sólo queda acoplar el resto de ejes mediante las bielas de acoplamiento. Se montan los ejes acoplados y se vinculan mediante ligaduras de revolución a las cajas de grasa. Se acoplan los ejes mediante las bielas de acoplamiento y se cierra por completo el mecanismo (Figura 114).

Figura 114.- Definición del vínculo entre la biela de acoplamiento y los ejes acoplados y el eje motriz.

Las siguientes imágenes muestran varias vistas de los mecanismos de ambos cilindros. Se comprueba que las ruedas van caladas 90 º y que las contra-manivelas están 90º en avance respecto a las manivelas motrices. Se verifica si las fases de la distribución son correctas y los decubrimientos y recubrimientos los indicados (Figura 55 y Figura 56).

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Figura 115.-Vistas de los mecanismos de distribución de los dos cilindros.

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4.4.3 Simulación Una vez modelado el mecanismo se comprobará que realmente funciona: que todo se desplaza según lo dispuesto, y que no hay interferencias entre los elementos que componen los árboles de la transmisión y la distribución. Los parámetros de la simulación son el giro de la rueda motriz y el giro del árbol del cambio de marcha, que coinciden con los grados de libertad de muestro mecanismo.

Figura 116.-Cuadro de comandos de CATIA V5 para la asignación de valores a los grados de libertad del mecanismo. Giro de la rueda y posición del árbol del cambio de marcha.

Las figuras siguientes muestran distintas posiciones del mecanismo al variar los parámetros de la simulación.

Figura 117.-Variación del ángulo de giro de la rueda motriz.

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Figura 117.-Variación del ángulo de giro de la rueda motriz.

Figura 118.- Variación del ángulo de giro del árbol del cambio de marcha. Posición de marcha alante.

Figura 118.- Variación del ángulo de giro del árbol del cambio de marcha. Posición de marcha alante.

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Figura 119.- Variación del ángulo de giro del árbol del cambio de marcha. Posición de marcha atrás.

En los archivos anexos a este documento, se han incluido varias simulaciones del mecanismo motor de la locomotora y animaciones mostrando el montaje de los distintos elementos que componen la locomotora. En concreto se ha simulado la marcha adelante y la marcha atrás con distintos grados de admisión, así como la marcha en punto muerto, para comprobar que la carrera del distribuidor debida al movimiento del émbolo es la correcta.

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