SISTEMA DE DIRECCIÓN.
Dirección:
Mecanismo gobernado con el volante para orientar las ruedas
directrices; para así poder guiar un vehículo automóvil. “La Dirección convierte el movimiento de giro que el conductor da al volante, en
movimiento de or ientación de las ruedas directoras del vehículo”. Para conducir el coche se precisa algún tipo de mecanismo que permita girar las ruedas de delanteras para que el vehículo pueda ser orientado en la dirección deseada. A este fin, el volante de dirección está acoplado por medio de engranajes y palancas a las ruedas delanteras. Las ruedas delanteras, (como se vio en el sistema de suspensión), están soportadas mediante las manguetas, (que pivotan mediante las rótulas en los brazos transversales), para que puedan desviarse a izquierda o derecha y permitir la orientación del vehículo. Este movimiento es producido por un engranaje y un sistema de varillas articuladas entre el volante y las manguetas. Al dispositivo completo se da el nombre de Dirección. Antes de describir dichos varillajes y engranajes de dirección, vamos a considerar brevemente el sistema de dirección desde el punto de vista geométrico, especialmente los ángulos implicados. GEOMETRÍA DEL EXTREMO DELANTERO. Para el perfecto funcionamiento de la dirección, el eje delantero debe reunir una serie de requisitos, principalmente determinados ángulos de las ruedas delanteras con las piezas que los soportan y con el propio bastidor del coche. Todos los componentes de los Sistemas de la Suspensión y la Dirección deben ajustarse a ciertas especificaciones. especificaciones. Dichas especificaciones especificaciones o factores f actores geométricos de mayor importancia son:
Diccionario de la Lengua Española.
Inclinación o Caída del pivote de la Dirección o Salida, (Caída de los Pivotes de Mangueta y Radio del Círculo de Giro).
Inclinación o Caída de la Rueda, (Cámber).
Avance, (Pivote Mangueta, o Cáster).
Convergencia o Divergencia. La combinación de todas estas especificaciones se conoce como: Alineación de las
Ruedas.
La Alineación se refiere a la relación constante entre todos los ángulos de las ruedas respecto a la suspensión delantera, la dirección y el chasis. Se estudian dichos ángulos o especificaciones, para alcanzar el mejor término medio entre duración de las llantas, consumo de combustible y estabilidad de la dirección. La máxima economía en cuanto a llantas y combustible se logra si las ruedas giran paralelas y verticales; sin embargo, un ligera inclinación mejora la estabilidad de la dirección y la suavidad del rodamiento. CAÍDA DEL PIVOTE DE DIRECCIÓN. En el pasado, todos los sistemas de dirección incorporaban un pivote que fijaba la mangueta a un soporte. Recientemente se han introducido soportes con articulaciones de rótula. En este “nuevo” diseño, que se esta generalizando en los coches más
modernos, la mangueta y su soporte se combinan en una sola pieza, llamada mangueta . Esta nueva versión de la mangueta va soportada arriba y abajo por los brazos oscilantes, a los que está articulada por rótulas. “La caída de los pivotes de mangueta es la inclinación de los pivotes, (bulones), respecto al plano longitudinal del vehículo, medida en le plano transversal del mismo”.
Dicha inclinación con respecto a la vertical del pivote de dirección o, en su lugar, del eje geométrico de las rótulas, es un factor muy importante en el funcionamiento de la dirección, por constituir la línea central alrededor de la cual gira la rueda delantera para la conducción del vehículo, (radio de giro c).
Esta inclinación se llama normalmente: inclinación o caída del pivote de dirección o simplemente salida. La magnitud de la inclinación se mide en grados con respecto a la vertical y recibe el nombre de ángulo de caída , y varía de 2 á 16°. Se pretende que, al observar el coche desde adelante, el centro de la zona de contacto del neumático con la carretera se aproxime al punto en que la prolongación imaginaria del pivote de la dirección corta al plano del piso. Esta condición se puede conseguir inclinando sólo el pivote, la rueda o ambos; a dicha inclinación recibe el nombre de ángulo de salida. La inclinación o salida del pivote es deseable por varios razones. En primer lugar, junto con el avance o posición adelantada de los pivotes, de termina la estabilidad de la dirección, (seguimiento de las ruedas), y tiende a restituir las ruedas a la posición de marcha en línea recta después de un viraje. Reduce también el esfuerzo de dirección, particularmente cuando el coche está parado. Si las rótulas superiores están más adentro que las inferiores, las ruedas de ambos lados tomarán una posición paralela al soltar el volante con el auto en movimiento. Además, contribuye a un menor desgaste de los neumáticos. Dicha caída se mide únicamente con el vehículo cargado.
Radio del Círculo de Giro del Pivote de Dirección.
Se busca un radio del círculo de giro del pivote de dirección que sea cero o negativo. En la distancia entre punto de corte dela prolongación del eje de giro del pivote en el plano de la calzada y el punto de contacto de la rueda medida en el plano transversal. Si queda por dentro del punto de contacto de la rueda, se considera positivo; si queda por fuera, negativo. En los vehículos con distribución en diagonal del circuito de los frenos, un radio negativo mejora la estabilidad de la dirección al frenar con fuerzas a derecha e izquierda. Por el contrario, en otros tipos de distribución del circuito de frenos resulta
más favorable un radio prácticamente nulo como compromiso entre todos los aspectos importantes para la estabilidad de la dirección. Muy importante para la disposición general es sin embargo la mutua influencia del radio del pivote y la variación de la convergencia en la tracción longitudinal. INCLINACIÓN O CAÍDA DE LA RUEDA, (CÁMBER). Al observar desde el frente las ruedas delanteras de la mayoría de los coches, se comprueba que están ligeramente inclinadas hacia adentro o hacia afuera. La Caída de las Ruedas es la inclinación que tienen respecto al plano longitudinal del vehículo medida en el plano transversal del mismo. Cuando esta inclinación es hacia fuera, de modo que las ruedas están más distantes entre sí en la parte superior que en la inferior, la caída o cámber es positivo: Esto reduce el desgaste en le mecanismo de la dirección y facilita el manejo del coche, siempre que la inclinación sea la misma en las dos ruedas. Un exceso de cámber positivo hace que los bordes externos de la llanta se gasten más rápidamente que los internos. Un ligero cámber positivo proporciona estabilidad en las curvas y en carreteras de corona alta.
Cuando la inclinación es hacia dentro, de modo que las ruedas están más cerca en la parte superior que en la inferior, la caída o cámber es negativo: Si hay mucho cámber negativo, los bordes internos de la llanta se gastan más rápidamente. En muchos sistemas de suspensión independiente, la inclinación positiva se convierte en negativa al subir o bajar la rueda por efecto de los baches. Sin embargo se emplea en algunos automóviles de serie, sobre todo en la parte posterior, y en modelos deportivos.
El cámber es nulo cuando las llantas están perpendiculares al camino: Los pisos de las ruedas hacen contacto uniforme con el piso. Se reduce así el desgaste de las llantas al distribuirse el peso del automóvil con uniformidad; pero la dirección tiende a ponerse dura, ya que aumentan las cargas verticales que han de soportar los pivotes de la dirección.
Se confiere a las ruedas una ligera inclinación inicial hacia afuera para que, cuando el vehículo esté cargado y circule por la carretera, la carga haga que las ruedas adopten una posición vertical . Si no se incluyera esta caída positiva inicial, la carga tendería a conferir al coche una caída negativa. Cualquier grado de caída, sea positiva o negativa, durante la marcha, produciría un desgaste irregular y más rápido de los neumáticos, ya que la inclinación de las ruedas hace que un lado de la cubierta esta más cargada que el otro. Si los vehículos circularan por carreteras de piso perfectamente nivelado, la caída ideal sería idéntica para ambas ruedas delanteras. Esta caída ideal se requeriría sólo para compensar el efecto de la carga y hacer que las ruedas delanteras adoptasen la posición vertical cuando el vehículo circula por la carretera. Sin embargo, las carreteras no suelen estar perfectamente niveladas y en la mayoría de los casos tienen un ligero bombeo que hace que el centro sea más alto que las partes laterales. Como consecuencia de ello, cuando un coche marcha por un lado de la carretera, tiende a inclinarse ligeramente hacia afuera. Esto provocaría un desgaste excesivo del borde externo del neumático delantero derecho, al estar sometido a mayores esfuerzos. En turismos, este problema no tiene particular importancia, por ser el peso del vehículo relativamente ligero, pero en vehículo de transporte el desgaste sería considerable incluso en recorridos cortos. Para evitar este desgaste irregular de los neumáticos, los vehículos de gran potencia suelen incorporar un ajuste delantero que confiere a la rueda anterior derecha una caída positiva inferior al de la rueda anterior izquierda.
AVANCE, (CÁSTER). Los automóviles deben tender a desplazarse en línea recta y a volver a esa misma línea al completar un giro. Esta tendencia, que asegura la estabilidad del coche al circular y que permite que el volante vuelva a la posición de línea recta después de tomar una curva, depende de muchos factores, entre los que se encuentra la geometría de la dirección y la suspensión, y la flexibilidad de los neumáticos. Uno de los factores más importantes es el ángulo de avance. Además de estar inclinado hacia el interior del coche, el pivote de dirección, o la línea central de las rótulas, pueden estar inclinados también hacia adelante o atrás con respecto a la vertical. El avance o cáster se mide en el sentido longitudinal del coche.
El avance se da como el ángulo, ( de 0° á 12°), que el eje de giro del pivote, línea de caída del pivote), se adelanta respecto a la vertical en el alzado lateral, o como la distancia que hay en el suelo entre el punto de contacto de la rueda y el punto de incidencia de la prolongación de la línea del eje del pivote hasta el suelo, (0 á 25 mm). Para las fuerzas de reacción de la calzada sobre las ruedas, resulta de suma importancia la distancia del avance. La inclinación hacia atrás se denomina avance positivo . El avance positivo favorece la estabilidad de la dirección, ya que el eje geométrico del pivote de dirección o la línea de las rótulas corta el plano de la calzada por delante de las ruedas. Así, el empuje sobre las rótulas se produce por delante de la resistencia que ofrece la carretera al neumático, y éste sigue atrás.
El avance tiene otro efecto importante. Cuando ambas ruedas delanteras tienen un avance positivo, el coche tiende a ladearse hacia al exterior de las curvas; en cambio si
se confiere a las ruedas delanteras un avance negativo , el coche tiende a ladearse hacia el interior de las curvas. El avance positivo tiende a hacer converger las ruedas delanteras. Con avance positivo, el coche desciende de nivel, como consecuencia de la inclinación de las ruedas hacia adentro. El peso del coche actúa siempre en el sentido de incrementar la convergencia de las ruedas. Con avance negativo, las ruedas tienden a divergir. Obsérvese que el avance positivo aumenta el esfuerzo de conducción. El avance positivo tiende a mantener las ruedas en dirección de avance en línea recta. Así pues, para efectuar un viraje hay que vencer los efectos del avance, (cuando es positivo), y de la salida. Por medio del avance las ruedas son traccionadas, (no impulsadas), y tienen tendencia a autoalinearse y mantenerse en esa posición; además, disminuye la tendencia al shimmy, aunque este efecto depende también de la caída de los pivotes y del radio. El ángulo de avance se mide únicamente con el vehículo cargado. Al igual que en los ángulos de caída y de salida, necesita comprobación después de un accidente. Si el avance fuese excesivo y las articulaciones de la dirección tuviese holgura, podrían producirse oscilaciones violentas de las ruedas delanteras.
CONVERGENCIA O DIVERGENCIA. El ángulo de caída más el ángulo de salida forma el ángulo comprendido , que determina el punto de intersección de la rueda y la línea central e las rótulas. Dicho punto de intersección determina a su vez el que las ruedas tiendan a converger o diverger .
Por Divergencia se entiende la tendencia de las ruedas delanteras a orientarse hacia fuera. Convergencia es
su tendencia a estar orientadas hacia dentro durante la marcha del
vehículo. Los neumáticos de ruedas convergentes o divergentes experimentan un mayor desgaste. El neumático debe ir orientado en la misma dirección en que se mueve el
coche; cuando se desvía de dicha dirección, queda sometido a un rozamiento lateral, tanto más intenso cuanto mayor es la convergencia o divergencia.
Convergencia. Coma ya se dijo, la convergencia es la inclinación de la ruedas
delanteras hacia el interior que, vista desde arriba, hace que las ruedas se acerquen por delante. En un coche con convergencia, la distancia entre las ruedas delanteras es menor en la parte anterior, (a) que en la posterior, (b). La magnitud de esta convergencia es normalmente sólo una fracción de pulgada. En ruedas no motoras su valor es de 2 á 3 mm, y en ruedas motrices entre +3 y -2 mm. Su finalidad es asegurar el perfecto paralelismo de las ruedas delanteras durante la marcha, así como estabilizar la dirección y evitar el rozamiento lateral y excesivo desgaste de los neumáticos. La convergencia compensa también la ligera flexión del sistema de soporte de las ruedas que se produce durante la marcha hacia adelante. Esta deflexión es debida a la resistencia que ofrece la calzada a la rodadura de los neumáticos. Es decir, aunque las ruedas estén montadas con una ligera convergencia cuando el coche está parado, tienden a girar paralelas cuando el coche avanza sobre la carretera. Divergencia de las Ruedas Delanteras en los Virajes. La divergencia de las ruedas
delanteras en los virajes es su distinto ángulo de giro con respecto al bastidor. Dado que en una curva las rueda interior gira siguiendo un arco de un radio más pequeño que el arco descrito por la rueda exterior, su eje geométrico forma un ángulo más agudo con el bastidor, es decir, diverge más. En esta condición, cuando las ruedas delanteras describen un curva, la rueda interior gira en un ángulo de 23° con respecto al bastidor del coche, mientras la ruedas exterior gira en un ángulo de sólo 20°. Como consecuencia de ello, la rueda interior gira en un radio más pequeño que la rueda exterior, permitiendo que las circunferencias de giro de ambas ruedas sean concéntricas; es decir, sus centros coinciden en un mismo punto.
La Divergencia se obtiene con la relación adecuada entre los brazos de la mangueta, las barras de acoplamiento y el brazo de la dirección. La relación es tal que en una curva la rueda interior diverge siempre más que la rueda exterior.
FUNCIÓN DE LA DIRECCIÓN. Para dirigir cualquier coche se emplea el volante, que orienta las ruedas delanteras en la dirección deseada. Las ruedas traseras siguen la trayectoria marcada por aquéllas. Serían numerosos los inconvenientes que plantearía el intentar dirigir el coche con las ruedas traseras. El principal de estos problemas sería, naturalmente, la inestabilidad direccional. La dirección debe incorporar un sistema de desmultiplicación y a veces un dispositivo de asistencia mecánica para ampliar el esfuerzo que realiza el conductor en el volante.
DESMULTIPLICACIÓN DE LA DIRECCIÓN. Se denomina desmultiplicación a la relación que existe entre los ángulos de rotación del volante de dirección y de las ruedas. Si por ejemplo, un giro completo del volante, (360°), hace oscilar las ruedas 30°, se dice que la desmultiplicación es exactamente de 12:1, (360°:30°). Los coches utilitarios y de poco peso tienen una relación de desmultiplicación de aproximadamente 15:1. Para mover las ruedas delanteras entre los dos topes, (unos 60°, se necesitan dos vueltas y media del volante. Con una relación baja, (10:1), las ruedas responden con más rapidez al volante, pero se requiere más fuerza para moverlo. Pero
un coche grande puede necesitar hasta cuatro o cinco vueltas, es decir una relación de desmultiplicación por lo menos 24:1. Todos los automóviles poseen topes que limitan el movimiento de giro de las ruedas, con lo que éstas no rozan en ninguna parte. Estos topes pueden situarse indistintamente en el pivote de la rueda o en el mecanismo de la dirección según los modelos. El radio mínimo de giro de un automóvil es el del círculo descrito por su parte más saliente, (radio entremuros),o, con mayor frecuencia, el del círculo descrito precisamente por el borde de rueda delantera exterior, (que recibe por tal razón el nombre de radio entre aceras). El grado de reducción de esfuerzo -o efecto de palanca- conseguido por la dirección depende del peso , tipo y uso del coche. Un coche deportivo ligero necesitará poca reducción, ya que el conductor ha de ejercer un control rápido del vehículo para corregir derrapes. Los coches pesados, con neumáticos anchos, necesitarán una gran reducción y algún dispositivo de asistencia para poder girar a poca velocidad. COMPORTAMIENTO DE LA DIRECCIÓN. Las exigencias en el comportamiento de la dorección son las que se resumen a continuación: 1. Los golpes de las irregularidades de la calzada deben llegar al volante los más amortiguado posibles. Con el amortiguamiento no debe perder el conductor el contacto con el suelo. 2. El dimensionado fundamental de la cinemática de la dirección debe cumplir las condiciones de Ackermann: la prolongación de los ejes de las ruedas delanteras izquierda y derecha deben cortarse sobre la prolongación del eje de las ruedas traseras. 3. Mediante la rigidez correspondiente del sistema de dirección, (especialmente con el empleo de uniones elásticas de goma), el vehículo debe obedecer a la menor corrección de la dirección. 4. Las ruedas, al soltar el volante, deben volver por sí solas a su posición central y mantenerse así, (marcha en línea recta).
5. La dirección debe tener la desmultiplicación mínima posible, (número de vuelts del volante de tope a tope), a fin de tener una buena maniobrabilidad. Las fuerzas que están presentes en la dirección no se componen sólo de la desmultiplicación sino también de la carga en el eje delantero, la magnitud del círculo de giro, la suspensión de las uredas, (avance de pivotes, caísda de manguitos, radio del círculo de giro del pívote de la dirección), y el estado del perfil de los neumáticos. COMPORTAMIENTO EN MARCHA. Para la valoración en marcha se emplean a menudo los conceptos “ sobrevirado ”, “subvirado ” y “dirección neutra ”.
Con el sobrevirado recorre el vehículo una curva de radio menor que la que corresponde a la posición tope de la dirección y con el subvirado una curva de mayor radio. Este comportamiento propio de la dirección es consecuencia de las diferentes exigencias enla marcha oblícua de las ruedas, que se presentan cuando al aumentar la fuerza centrífuga, la relación de la fuerza lateral a la carga sobre rueda se desarrolla en el eje delantero de modo distinto que en el trasero. Normalmente se exige un comportamiento en las curvas, que permite en efecto el mejor aprovechamiento de las fuerzas laterales, (es decir, límites de velocidad máximos en las curvas), pero que disminuye la impresión subjetiva del límite de estabilidad del vehículo. Además, es incalculable el desajuste del vehículo, que puede ser lo mismo delante que detrás. Por esta razón se esfeurezan la mayoría de los fsbricantes de automóviles en que tengan un comportamiento ligeramente subvirado.
SISTEMAS DE DIRECCIÓN.
El sistema de dirección cosntituye el eslabón entre el conductor y las ruedas delanteras del auto. Debe proporcionar un medio sensible pero positivo para mover las ruedas exactamente lo necesario para guiar el automóvil. Además debe multiplicar el esfuerzo del conductor para facilitar la dirección del auto, y no debe transmitir los choques del camino al conductor. El sistema de la dirección debe hacer todo esto cualquiera que sea el estado del camino o la velocidad del automóvil. CLASIFICACIÓN DE LAS INSTALACIONES DE DIRECCIÓN.
El código de la Circulación distingue tres clases de instalaciones de dirección: 1. Instalaciones de Dirección de Fuerza Muscular, en las cuales la fuerza para la dirección la aplica directamente el conductor, (piñ óon y cremallera, sin fin y rodillo, bolas circulantes). Más conocidas como Dirección Manual . 2. Instalaciones de Dirección de Fuerza Externa, en las cuales la fuerza para la dirección se aplica directamente de un fuente de energía presente en el vehículo. No apropiadas para vehículos veloces. 3. Instalaciones de Dirección Asistida, en las cuales la fuerza para la dirección que se utiliza es la muscular del conductor y la de una fuente de energía auxiliar. Es de aplicación a los vehículos veloces, mayor comodidad de marcha. Este tipode instalaciones es conocida también como Auxiliar o Dirección Hidráulica . El sistema de la dirección debe hacer todo esto cualquiera que sea el estado del camino o la velocidad del automóvil. Estose sistemas están formado por varios ensambles o conjuntos, (dado que la única diferencia entre ellos esta en el accionamiento de la caja de engranaje, constan de los mismos elementos), que son los siguientes: 1º. La Columna de la Dirección. 2º. La Caja de Engranajes de la Dirección. 3º. El Varillaje o Eslabonamiento de la Dirección 4º. En Agunos Automóviles, Una Unidad Auxiliar de Poder o Hidráulica.
1.-
1.- LA COLUMNA DE LA DIRECCIÓN.
La columna de la dirección soporta al volante y tra nssnmite el movimiento del volante a la caja de engranes de la dirección. Sirve con frecuencia para montar algunos otros mandos, como el mecanismo del cambio de velocidades, el de accionamiento de las bocinas y los interruptores de las luces. Algunos modelos poseen una columna de dirección ajustable. La parte superior, a la que se conecta el volante, puede moverse telescópicamente y, en algunos casos, colocarse en un ángulo adaptado a la altura y posición del conductor. Esta hace que el conductor pueda entrar y salir más facilmente del coche y variar la altura del volante según su estatura o variar de postura durante largos trayectos. Algunos automóviles tienen como equipo opcional una columna de dirección abatible, que puede desplazarse lateralmente hacia el centro del coche, para que el conductor entre y salga más cómodamente. El punto de pivotamiento de la columna esta situado inmediatamente encima del engranaje de dirección, en el extremo inferior de la columna. Existe una interconexión de los mecanismos de bloqueo, que constituye un dispositivo de seguridad que impide el desplazamiento lateral accidental de la columna con el coche en marcha. Columna de Dirección de Seguridad. En accidentes de carretera y choques,
resultan ofrecer peligro frecuentemente para el conductor la columna de dirección y el volante. Las consecuencias del accidente pueden amortiguarse con el empleo de columnas de dirección de seguridad. Así, si el vehículo sufre una colisión frontal y el conductor es depedido hacia adelante, la columan de dirección amortigua la energía de este movimiento y reduce grandemente la posibilidad de graves lesiones. Dichas columnas pueden estar constituidas a base de articulaciones cruzadas o hacerse retraíbles de modo telescópico. El árbol de la dirección puede diseñarse para que ceda al chocar el coche. Por ejemplo:
En el sistema AC Delco, el árbol tubular está formado por un enrejillado metálico que, a pesar de ser resistente a la torsión, se pliega y absorbe energía cuando se comprime longitudinalmente.
En otro tipo, el árbol central tiene dos juntas universales, una en cada extremo, cuyo ángulo puede variarse, cede por las juntas al chocar el coche.
En otro, el eje de la dirección estpa dividido en secciones unidas entre sí, por juntas. Estas secciones no tienen un eje longitudinall común, la porsión inferior del árbol se desplaza a lo largo de la superior y absorbe la energía del impacto.
Y existe también una columna de dirección retráctil o de “lámpara china”. La cual
consiste en dos tubos concentricos que, al chocar absorben la energía plegándose telescópicamente, (metiéndose un tubo dentro del otro).
2.- CAJA DE ENGRANAJES DE LA DIRECCIÓN.
La caja de la dirección convierte el movimiento rotarorio del volante en el movimiento lateral de las ruedas. El engranaje de dirección convierte el movimiento giratorio del volante en el movimiento rectilíneo del varillaje. La caja de engranes de la dirección multiplica el esfuerzo del conductor mediante el uso de engranes. Los engranes de la caja reducen los movimientos grandes del volante a movimientos pequeños de las ruedas, (empuje-tiro), para proporcionar la ventaja mecánica necesaria. En la mayoría de los automóviles se compone escencialmente de dos partes: un tornillo sin fin acoplado en el extremo de la columna de dirección , también llamado árbol de dirección , y un eje del brazo de mando, en el que va montado un sector dentado , un rodillo o un pivote :
Cuando se acciona el volante, gira el sin fin y arrastra os dientes del rodillo, con lo que gira el eje del brazo de mando. El extremo de dicho eje lleva acoplado el brazo de la dirección , que comúnmente se llama brazo de mando y en ocasiones se refiere también como brazo Pitman . La rotación del eje hace bascular el brazo de mando, y su orientación se transmite a las manguetas de las ruedas mediante el sistema de varillas .
El mecanismo de la dirección también transmite al volante la reacción de las ruedas respecto a la superficie de la carretera. Esta reacción avisa inmediatamente al conduxtor de los cambios en las condiciones del piso. La caja de dirección contiene dos engranas: el de mando , montado en la columna de la dirección, y el impulsado , que mueve el varillaje de la dirección. El engrane de mando gira en el mismo sentido y con la misma distancia con que lo hacen el volante y la columna; el engrane impulsado , más grande, sólo se muve una fracción de su circunferencia por cada revolución completa del engrane de mando. Una fuerza pequeña, aplicada por el volante en un ángulo grande, se transforma en una fuerza mayor que se mueve en un ángulo pequeño en el varillaje. Esta configuración mecánica permite mover lateralmente las ruedas. La caja de la dirección debe tener las siguientes propiedades:
Ningún juego en la posición de marcha en línea recta.
Poco rozamiento para lograr con ello un mejo rendimiento.
Elevada rigidez.
Posibilidad de reajuste. Hasta la fecha se tienen sólo tres sistemas de caja que cumplen estos principios: a) Dirección de Piñón y -Cremallera. b) Dirección de Tornillo Sin Fin y Rodillo, y c) Dirección por Bolas Circulantes.
a) DIRECCIÓN DE PIÑÓN Y CREMALLERA.
De los diferentes tipos de cajas de angranes de dirección, la más sencilla es la de piñón y cremallera.
En este mecanismo, la columna de dirección engrana un piñón, el cual está en el extremo de dicha columna, ( engrane de mando ), y se acopla con la cremallera, ( engrane impulsado ), la cual está colocada transversalmente. Si se gira el volante la cremallera se desplaza por el piñón y desvía las ruedas a través de la barra de acoplamiento y de los brazos a la derecha o izquierda. La desmultiplicación viene definida por la relación entre el giro del piñon, (igual al giro del volante), y el desplazamiento de la cremallera. Mediante el correspondiente dentado de la cremallera se hace variable la desmultiplicación en el desplazamiento. Esta medida reduce la fuerza de accionamiento o disminuye el recorrido de las correcciones de la dirección. La cremallera y el piñón tienen a veces el dentado oblícuo con el objeto de conseguir una mayor longitud de engrane. Esta dirección es muy precisa y de respuesta rápida, debido a que el varillaje tiene muy pocas piezas. Este sistema es satisfactorio para coches pequeños, en los que los esfuerzos de dirección son ligeros. Los coches grandes requieren una mayor ventaja mecánica, para obtenerla se emplea un tornillo sin fin en el extremo de la columna de dirección que engrana con una tuerca de bolas circulantes y un sector dentado, un rodillo dentado o un pivote.
b) DIRECCIÓN DE TORNILLO SIN FIN.
Los mecanismos de dirección por tornillo sin fin pueden ir equipados con un dedo de dirección , un segmento de dirección o con un rodillo de dirección . El volante acciona un dedo que se desplaza a lo largo de un “husillo” o tornillo sin fin ; el dedo está unido a un brazo de accionamiento, el cual a su vez está unido a las ruedas por articulaciones y bieletas. Al girar la columna de dirección, gira igualmente el tornillo sin fin, a través del cual, mediante su roscado externo ocasiona la oscilación del dedo, el cual a su vez acciona el varillaje y ocasiona el giro de las ruedas.
Dirección por Tornillo Sin Fin y Dedo.
Tornillo Sin Fin y Segmento . El segmento de dirección gira impulsado por el tornillo sin
fin que a su vez está accionado por el volante. El segmento va unido por su centro al
árbol o brazo Pitman. La biela de dirección, fija al árbol del segmento, gira en virtud del movimiento imprimido.
Tornillo Sin Fin y Rodillo .
El rodillo dentado engrana en el tornillo sin fin. El sin fin, (engrane de mando), está montado en el extremo de la flecha de la dirección; tiene una rosca en espiral que se acopla en ángulo recto con el rodillo, (engran impulsado), el cual tiene forma de rueda y está montado sobre cojinetes de rodadura para disminuir el rozamiento o fricción. Cuando se acciona el volante, gira el sin fin y arrastra los dientes del rodillo, con lo que gira el eje del brazo de mando. El extremo de dicho eje lleva acoplado el brazo de la dirección, que comúnmente se llama brazo de mando y en ocasiones se refiere también como brazo Pitman. El tornillo sin fin de dirección no es cilíndrico sino que hacia su mitad queda reducido de diámetro, con el objeto de que al girar el volante, el rodillo de dirección accionado por el husillo sin fin de dirección pueda realizar un movimiento oscilante alrededor del eje del árbol de dirección. Con ello giran el árbol y la biela mediante el isstema de varillaje. c) Dirección por Bolas Circulantes .
El mecanismo de dirección de tornillo con bolas circulantes, lleva la columna de dirección como rosca exterior, (sin fin que sirve como engrane de mando), y la tuerca de dirección, como rosca interior, una rosca denominada de bolas circulantes , la cual está acoplada a un sector dentado , el cual es el engrane impulsado. La dirección de bolas circulantes está diseñada para reducir la fricción entre engranes: las fuerzas entre el tornillo sin fin de dirección y la tuerca de dirección se transmiten con escaso rozamiento, por medio de la transmisión de bolas-sin fin. La tuerca de dirección ataca a través de un segmento dentado, (o sector), al árbol o flecha Pitman y este a su véz al braza de dirección, (vatillaje Pitman). En este tipo de negranaje de dirección, el rozamiento su reduce a un mínimo con la itnerposición de bolas entre las principales piezas móviles o entre los dientes del sin fin y las ranuras de la cara interior de una tuerca. La rotación del sin fin hace que las bolas rueden entre los dientes o ranuras cortadas en la cara interior de la tuerca. Así, cuando la columna de dirección es girada, pone en movimiento de circulación las bolas, las cuales a su vez desplazan la tuerca de dirección a lo largo de la columna, ( sube o baja). Este movimiento ascendente o descendente es trasnmitido al sector dentado por los dientes de la tuerca de dirección . Eso obliga al sector a moverse
sólidamente con la tuerca, haciendo que gire el eje del brazo de mando o biela de la dirección. Dichas bolas, (o balines), se llaman circulantes porque pueden circular contínuamente de un extremo al otro de la tuerca en dos guías de retorno : Cuando gira el volante, por ejemplo a la derecha, el sin fin gira en el mismo sentido, (visto desde el asiento del conductor), y obliga a la tuerca a subir; las bolas ruedan entre el sin fin y la tuerca y cuando llegan al extremo superior de la tuerca entran en la guía de retorno y vuelven al punto inferior, donde entran nuevamente en la ranura existente entre el sin fin y la tuerca. La tuerca de dirección es empujada por la columna de dirección, (sin fin), no mediante rozamiento de deslizamiento sino por rozamiento de rodadura : las bolas de acero, sirven para reducir la fricción entre el rodillo sin fin, giratorio, y la tuerca, desplazada; con lo cual es menor la fuerza motria necesaria. En esta caja de dirección es posible un desmultiplicación variable, dado que algunas cajas tienen un tornillo de ajuste.
3.- VARILLAJE O ESLABONAMIENTO DE LA DIRECCIÓN.
El movimiento de empuje-tiro que comienza en la caja de engranes de la dirección es transmitido a las ruedas por medio del varillaje de la dirección. Dicho varillaje consiste en una serie de varillas y barras transversales que conectan las ruedas delanteras entre sí y con la caja de la dirección, (engranaje). Muchos son los tipos de varillaje que se han utilizado para conectar las manguetas de dirección de las ruedas delanteras al brazo de mando de la dirección. El brazo de mando de la dirección bascula de un lado a otro -o hacia adelante y atrás, en algunos coches- cuando se gira el volante. Este movimiento debe ser transmitido a las manguetas por medio de algún sistema de varillaje. “
El tipo de varillaje más comúnmente usado es el sistema de paralelogramo, o
trapecio, aplicado en diversas versiones . ”
Varillaje en Un Eje Delantero Rígido .
En el caso de eje rígido las ruedas, al flexionar, no pueden realizar recorridos elásticos opuestos. El trapecio de dirección, que en movimientos elásticos oscila también, permanece por ello sin recibir influencia alguna. Por esta razón se emplea en el eje rígido delantero: una bara de acoplameinto corrida que une entre sí ambos brazos.
Se le denomina trapecio de dirección porque las dos palancas de dirección o brazos de acoplamiento y la barra de acoplamiento, juntamente con el eje delantero, constituyen un trapecio. Las palancas de dirección y las manguetas estás firmemente unidads entre sí. Las manguetas descansan de modo que pueden girar, en pivotes de mangueta o articulaciones esféricas, (rótulas). Los brazos de acoplamiento se unen a la barra de acoplamiento mediante articulaciones. En marcha en línea recta, la barra a de acoplamiento es paralela al eje delantero. Para tomar una curva, hay que girar las manguetas para que las ruedas se desvíen. Como el ángulo entre la mangueta y el brazo de acoplamiento no es de 90°, cuando las ruedas delanteras han girado, la barra ya no está paralela al eje delantero. De esta manera, los recorridos de la estremos de los dos brazos de acoplamiento son desigulaes. La rueda del interior de la curva gira más que la del exterior. Los choques de la calzada pueden trasladarse, empreo, a través de la biela de dirección al mecanismo de la dirección. Con objeto de alejar estos choques del mecanismo de dirección y or lo tanto del volante, la mayoría de los automóviles van provistos de amortiguadores de dirección que estásn constituidos como los amortiguadores corrientes para la suspensión, la única diferencia es el tamaño, (diámetro y longitud).
Varillaje en Suspensión Independiente .
En el caso de suspensión independiente las ruedas puieden flexionar elásticamente de modo independiente una de otra. Los recorridos elásticos pueden no solamente ser de distinta magnitud sino que pueden estar dirigidos en sentido opuestos. Por esta razón los dos brazos de acoplamiento no pueden estar unidos entre sí por una barra rígida. En los movimientos elásticos no se podría evitar una sobresolicitación del varillaje de la dirección, con la consecuencia del desajuste de la convergencia ya causa de llo un fuerte desgaste de los neumáticos. La seguridad de la dirección quedaría también fuertemente comprometida. Por estos movimientos en el caso de suspensión de ruedas independientes tienen que emplearse barras de acoplamiento partidas.
VARILLAJE EN PARALELOGRAMO :
La mayoría de los automóviles americanos tienen el vaillaje en paralelogramo con un brazo Pitman, (brazo del sector), que sale de la caja de dirección y transmite el moviemitno al extremo de un varilla transversal intermedia, cuyo extremo contrario está soportado por un brazo loco, (intermedio), paralelo al brazo Pitman, y sujeto al chasís. Las barras de acoplamiento conectan a la varilla intermedia transversal con los brazos de dirección, que transmiten el movimiento a los mangos o manguetas de las ruedas. Las rótulas entre las barras de acoplamiento y los brazos de dirección, (generalmente integrados a las manguetas), permiten la transmisión del movimeinto, auqneu la suspensión suba y baje por las irregularidades del camisno. Tres lados del paralelogramo están formados por la varilla intermedia, el brazo Pitman y el brazo loco; estos brazos se mantienen paralelos aún cuando las ruedas se muevan verticalmente o hacia un lado u otro.
VARILLAJE CON BIELA TRANSVERSAL :
Algunas versiones más del Varillaje en Paralelogramo son:
Varillaje de Brazo Central con Brazo Acodado Intermedio.
Varillaje de Brazo Central con Biela Transversal, (otro tipo).
Varillaje de Paralelogramo con Eslabón Central Tubular.
Los puntos de articulación de las partes metálicas de las barras de acoplamiento, brazo de mando, brazo de guía y manguetas están aislados por manguitos de caucho; los manguitos metálicos que unen las barras de acoplamiento a sus extremos, junto a las manguetas, están roscados, al igual que los dos lados de cada barra de acoplamiento en el punto de conexión, lo que permite el ajuste de la convergencia mediante el giro de los manguitos.
Varillaje de Paralelogramo con Eslabón Central por Delante del Eje Geométrico de las ruedas.
Varillaje de paralelograma con eslabón Central Detrás del Eje Geométrico de las Ruedas.
Varillaje de barras de Acoplamiento Desiguales.
En todos ellos se prevé algún medio de ajuste de la longitud de las barras de acoplamiento para que pueda establecerse la correcta alineación de las ruedas delanteras. Esta alineación da a las ruedas delanteras una ligera convergencia cuando el coche está parado, que desaparece cuando el vehículo empieza a moverse, al suprimirse toda holgura del sistema de dirección.
4.-UNIDAD AUXILIAR DE PODER O HIDRÁULICA.
La dirección de poder o hidráulica disminuye el esfuerzo de dirección que se requiere del conductor. Las unidades auxiliares de poder trabajan hidráulicamente por medio de una bomba que es accionada por el motor del auto. Los turismos. camiones, autobuses y demás vehículos automóviles con cargas grandes sobre el eje delantero, necesitan la aplicación de fuerzas muy elevadas para hacer girar las ruedas. Esto se nota especialmente al tomar curvas cerradas, al ir despacio, con los neumáticos bajos de presión y con mayor superficie de apoyo de los neumáticos. Con una reducción de transmisión de dirección de 25:1, la fuerza aplicada al volante puede ser pequeña, pero en cambio para llevar las ruedas de tope a tope se requieren muchas vueltas del volante. Para obviar este inconveniente, dichos vehículos automóviles se dotan de unidades auxiliares, también denominadas direcciones asistidas o servodirecciónes. Estas direcciones estásn formadas , enla mayoría de los casos, por los órganos tradicionales de dirección, (columna, caja de engranajes, varillaje), más un dispositivo hidráulico de mando que mediante válvulas controla la corriente de aceite que viene de una bomba de presión en función de las vueltas del husillo de dirección y lo manda a uno o dos émbolos de trabajo, según el tipo constuctivo.
En realidad, hay dos sistemas generales: el Tipo Integral , en que el conjunto servo forma parte del engranaje de dirección, y el Tipo de Varillaje , en que el conjunto servo actúa directamente sobre el varillaje. En general la unidad auxiliar o asistida hidráulica del Tipo Integral, consta de:
Fuente de Energía.
Válvula de Regulación.
Cilindro de Dirección. Fuente de Energía .
La fuente de nergía consiste en una bomba, accionada generalmente por el motor, un depósito de aceite y las correspondientes tuberías y manguitos. La bomba, por lo general de aletas con desviación interior, debe estar dimensionada de modo que ya con el motor al ralentí mande un chorro de aceite con el cual se pueda conseguir con el volante una velocidad de ángulo de giro mínimo de 1.5 rad/seg. A mayor número de revoluciones, un válvul limitadora integrada en la bomba impide la mayor presión del caudal de aceite. la válvula limitadora de presión prescrita para el servicio de una instalación hidráulica está por lo general igualmente integrada en la bomba. La bomba debe estar dispuesta de modo que la temperatura de trabajo del aceite hidráulico no pueda ascender a valores inadmisibles, (> 100°C), no aparezcan ruidos, ni forme espuma el aceite. Válvula de Regulación .
La válvula de regulación envía por el movimiento de giro del volante la presión correspondiente de aceite al cilindro de la dirección. Un elemnto elástico medidor del movimiento de giro, (por ejemplo, barra de torsión, muelle espiralm hoja de ballesta), transforma el momento de giro exactamente y sin juego en el menor recorrido de mando posible. Por éste se desplaza el borde de distribución, como bisel o faceta, y determina la seción de abertura para la corriente de aceite. Las válvulas de regulación se suelen construir según el sistema de abiertas en el “
centro , es decirsin presión enviado por la bomba vuelve el aceite al depósito. ”
Cilindro de Dirección .
El cilindro de dirección, de doble efecto, transforma la presión de aceite regulada en fuerza auxiliar que actúa en la cremallera o en la caja de engranajes, (como la de bolas circulantes), que refuerza la ejercida por el conductor. Por lo general, el cilindro forma parte de la caja de dirección. Además, ha de tener poco rozamiento; de ahí que las exigencias sean grandes para la estanquidad del ámbolo y del vástago.
OTROS SISTEMAS DE DIRECCIÓN.
Además de los sitemas mencionados, (piñon-cremallera, sin fin rodillo, bolas circulantes), y los de presión hidráulica, otros sistemas utilizan medios mecánicos accionados por el motor o presión neumática para coadyuvar a la dirección. Para incrementar la facilidad de maniobra, algunos sistemas incorporan una dirección que actúa sobre las cuatro ruedas, (con o sin servodirección). Se están también desarrollando nuevos sistemas de dirección para turismos en los que se presciende del volante tradicional, (palancas tipo avión, etc.).
Servodirección Completamente Mecánica .
Un sistema de servodirección, ensayado hace algunos años, utiliza potencia mecánica suministrada directamente por el motor, en vez de los sistemas hidráulicos. La potencia es suministrada por un eje arrastrado desde una polea del cigüeñal del motor mediante una correa trapezoidal. Dicho eje, a través de un dispositivo de trinquete, acciona un piñon incorporado al conjunto de la dirección.
Sistema de Servodirección Neumática .
En este sistema en vez de usar aceite se utiliza aire comprimido. El aire comprimido es suministrado por un compresor neumático accionado por el motor del coche. Este aire comprimido desplaza entonces al pistón en el interior de un cilindro y el movimiento es transmitido por el vástago del pistón al varillaje, con lo que se coadyuva el esfuerzo de dirección ejercido por el conductor. El sistema está compensado para proporcinar al conductor una sensación del esfuerzo de dirección aplicado a las ruedas.
Dirección Sobre las Cuatro Ruedas .
En algunos vehículos, la acción de la dirección actúa sobre las cuatro ruedas, a fin de facilitar la maniobrabilidad del vehículo. Los brazos de las manguetas de dirección de las ruedas traseras están articulados mediante barrras de acoplamiento al mismo brazo de mando de la dirección a que están acopladas las palancas de ataque de las ruedas delanteras. A menudo, los vehículos con dirección en las cuatro ruedas poseen también propulsión sobre todas ellas, estando conectadas al motor por sus respectivos árboles de transmisión, (doble tracción).
