Geometría de las ruedas directrices (viene
de Sistema de dirección)
Salvo raras excepciones la capacidad de hacer giros en un automóvil
se consigue haciendo pivotar un cierto ángulo
la(s) rueda(s) delantera(s) para adaptarse a las curvas del camino.
Esta necesidad presupone que la rueda estará montada en una
suerte de "bisagra", tal como si fuera una puerta, y que esta rueda
estará accionada por un mecanismo especial que responde a la
voluntad del conductor.
Para el caso de la puerta, lo mas deseable es que el eje de la bisagra
se coloque en posición vertical, con ello logramos que toda la
puerta está también vertical y que mantenga esa
posición en todo el ángulo de giro, evitando la tendencia
a auto-moverse por su propio peso, como sería el caso de un
montaje inclinado, o en otros casos, perder el paralelismo del borde
inferior con el piso. A primera vista puede pensarse que estas mismas
condiciones serían las deseables para las ruedas del coche,
pero...... nada mas lejos de la realidad, en el coche, ni el eje de
pivote, ni la rueda están verticales, incluso las dos ruedas de
un mismo eje no son paralelas.
Al conjunto de cotas angulares de los pivotes y de las ruedas con
respecto a la vertical, así como la falta de paralelismo entre
las ruedas se les conoce como Geometría de la Dirección.
Cotas de la geometría de la dirección.
Las cotas angulares
que determinan la geometría del sistema de dirección son:
- Ángulo
de
salida
- Ángulo
de
caída
- Ángulo
de
avance
- Convergencia
de
las
ruedas
Veamos ahora qué son, y
porqué son convenientes en el automóvil cada una de estas
cotas.
Ángulo
de
salida.
Este ángulo, conocido en
Inglés como King-pin
Inclination, se muestra en la figura 1.
En ella se representa un
corte transversal a la rueda montada en el vehículo, observe que
la linea del pivote forma un ángulo B
con respecto a la vertical, el que
ha sido exagerado en el dibujo para facilitar la comprensión.
Observe también que de esta forma, la prolongación del
eje del pivote, pasará muy cerca de la prolongación de la
linea vertical en el centro del área de contacto de la rueda con
el suelo.
¿Qué ventajas trae esto consigo?
Pues bien, son principalmente dos:
Primera:
Al estar inclinado el eje de giro de la rueda, cuando ella abandona la
posición de marcha recta al frente, tendría la tendencia
a bajar, como no puede hacer esto, ya que lo impide el suelo, lo que se
produce es un levantamiento del vehículo. No es difícil
darse cuenta entonces, que el peso del vehículo está
forzando constantemente la rueda a mantener la posición recta al
frente, si se gira a un lado levanta el vehículo, si se gira al
otro también, de manera que la posición mas estable es
con las ruedas rectas al frente. Por lo que nuestra dirección
adquiere la tendencia a auto-alinearse al frente haciéndose mas
estable
en marcha recta y además genera la recuperación de la
marcha recta después de hacer un giro de manera
automática sin esfuerzo del conductor.
|
Figura 1
|
Segunda:
Como la distancia entre la prolongación de la linea del pivote y
la vertical que pasa por el centro del área de contacto de la
rueda con el piso es muy pequeña, el esfuerzo necesario para
realizar un giro se reduce considerablemente, ya que la rueda en
realidad está girando "casi" sobre su centro de apoyo,
favoreciendo además, la auto-recuperación de la marcha al
frente por influencia del peso de coche.
Todo esto ha sido visto hasta aquí de manera estática,
sin embargo en la realidad, el propio giro del coche produce la
deformación de la "huella" del neumático
al actuar en
él las fuerzas centrífugas generadas por el giro,
también esta "huella" se modifica por las fuerzas de frenado,
las fuerzas de tracción (si además de directrices las
ruedas son tractoras) la presión de inflado y la rigidez del
neumático etc. por lo que la determinación del
ángulo de
salida, recomendado por el fabricante del coche, ha sido el resultado
de pruebas de campo meticulosas y nunca debe cambiarse por el usuario
del vehículo.
Ángulo
de
caída.
Si
volvemos
a
la figura 1 podemos observar que la linea de simetría
del neumático, representada por la linea de puntos, no coincide
con la linea vertical, entre ellas hay un pequeño ángulo
denominado como A en la
figura. Esto es, la rueda está instalada en el vehículo
con cierta inclinación respecto al plano horizontal del camino.
¿Porque se
hace esto?
Por tres razones básicas:
Primera:
Cuando la rueda se inclina en la forma mostrada en la figura 1, es
decir, con su parte superior mas hacia afuera, la propia carga que
soporta la rueda produce un cierto empuje hacia adentro, hacia el
cojinete mas interno de la mangueta, la rueda no tiende a salirse del
coche, si no, todo lo contrario.
Segunda:
Otra ventaja del ángulo de caída es que reduce la
fuerza de flexión que actúa sobre la mangueta al
trasladar el
punto de soporte de la carga mas hacia el interior de esta.
Apoyémonos en la figura 2 para entender.
|
Figura 1
|
En la figura 2 se muestran
dos esquemas de montaje de la rueda, a la izquierda sin ángulo
de caída, y a la derecha con él un tanto exagerado para
facilitar la compresión.
Observe las lineas de las cargas, a la izquierda sin ángulo de
caída, la distancia d
que es el brazo de la palanca donde actúa el peso del
vehículo
es mayor que en el caso del dibujo de la derecha, con ángulo de
caída. De este modo hemos acercado la linea de acción del
peso del vehículo a la zona de empotramiento de la mangueta,
reduciendo el brazo de palanca que tiende a flexionarla.
Este cambio permite utilizar manguetas con menores dimensiones, reduce
considerablemente las cargas sobre los cojinetes de giro del pivote, y
además se puede utilizar el cojinete de rueda exterior mas
ligero que el interior. La mangueta entonces adquiere un perfil
marcadamente cónico con su extremo exterior de mucho menor
diámetro que el interior para el caso de las ruedas directrices
que no sean motrices.
|
Figura 2
|
Tercera:
Para mejorar el drenaje del agua de las carreteras y calles cuando
llueve, todas tienen un perfil abombado que induce al agua que cae, a
circular hacia los bordes externos y así darle salida de la
vía. De esta forma, el neumático no circula por una
superficie plana, especialmente el de la rueda que se mueve por el
borde del camino. Podemos suponer entonces, que una pequeña
inclinación del neumático en el sentido de esta
combadura favorece un mejor contacto con el perfil del pavimento
y por tanto un desgaste mas parejo.
Ángulo
de
avance.
Nunca se ha puesto a pensar
¿Porqué los carritos de los supermercados son tan
fáciles de guiar?, observemos el dibujo de la figura 3.
Figura 3
|
En la figura 3 se muestra
una imagen de una rueda típica delantera de las usadas en los
carritos de los mercados. En ella se pueden ver dos lineas trazadas; la
linea marrón que corresponde al eje del pivote direccional del
conjunto y la linea magenta que une el centro de pivote del conjunto,
con el punto donde la rueda apoya en el suelo, lugar donde se genera la
fuerza de resistencia al rodaje F
(azul).
En la proyección sobre el piso, ambas lineas están
separadas por la distancia d.
Supongamos ahora que queremos iniciar el movimiento del carrito, y que
la dirección de rodaje de la rueda esté desviada de la
dirección de este movimiento un cierto ángulo , la rueda
está parcialmente atravesada al movimiento que hemos iniciado y
con ello la distancia d.
¿Qué pasa entonces?
Como la dirección de rodaje no coincide con la dirección
del movimiento, la rueda tendría la tendencia a rodar con cierto
arrastre lateral, este arrastre lateral genera una gran fuerza F que actúa sobre la
distancia d como brazo de
palanca, y hace
girar el conjunto hasta adquirir la dirección donde la fuerza de
resistencia al movimiento sea la menor, es decir, con la
dirección de rodaje coincidente con la dirección del
movimiento. Nuestra rueda se auto-alínea y el empuje del carrito
se hace fácil.
|
Este mismo efecto de
auto-alineación en marcha recta se logra en las ruedas
directrices del automóvil con el uso del ángulo de avance.
Observe la figura 3, en
ella se ha representado esquemáticamente un rueda del
automóvil con su pasador de pivote. Hay dos esquemas
superpuestos, uno relleno, que representa la rueda con el pasador del
pivote completamente vertical, y otro de lineas de puntos con el
pasador inclinado formando el ángulo de avance
(inclinación). Observe que la inclinación del pasador del
pivote hace que la proyección de su eje corte el suelo
adelantado a la vertical, y desplaza el punto de contacto de la rueda
con
el suelo hacia atrás una distancia d,
tal y como se produce en el
carrito del supermercado explicado anteriormente. Así, como en
aquel caso, se produce el efecto de auto-alineación deseado con
lo que se logra una estabilización notable de la marcha recta al
frente del vehículo.
|
Figura 3
|
Convergencia
de
las
ruedas
En la figura 4 se representa el esquema de montaje y direccional de las
ruedas delanteras de un camión provisto de eje de carga
rígido. La flecha magenta corresponde a la dirección de
marcha al frente.
Observe en el dibujo, que la posición relativa de una rueda con
respecto a la otra, se produce con el uso de una barra transversal
conectada a unas palancas fijas a las manguetas a través de
rótulas. De esta forma, cuando el mecanismo de dirección
hace girar la rueda primaria, el movimiento de pivoteo se transfiere a
la otra por la barra transversal.
|
Figura 4
|
Aunque a simple inspección
podría suponerse que lo mejor es montar las dos ruedas
directrices paralelas al eje longitudinal de vehículo para
obtener un mejor rodaje, la práctica demuestra que no es
así, que lo mas conveniente es instalar las ruedas de manera que
formen un pequeño ángulo entre ellas conocido como convergencia.
La convergencia puede ser positiva, cuando las ruedas se cierran al
frente, y negativa cuando se abren al frente. En el caso del dibujo
presentado en la figura 4, que corresponde a las ruedas directrices,
pero no motrices, la convergencia es positiva. Observe como la
distancia A entre las lineas
longitudinales centrales del neumático es menor que la B, correspondiente a la distancia
entre las lineas longitudinales paralelas al vehículo. Las
ruedas cierran al frente.
La convergencia en la práctica se mide en milímetros, y
corresponde a la diferencia entre la distancia medida en el borde
delantero de la llanta metálica de la rueda a la altura de la
mangueta (C) y la distancia en
el mismo punto en la parte trasera (D).
Para el caso de las ruedas que son al mismo tiempo motrices y
directrices, lo mas común es que la convergencia sea negativa,
esto es las ruedas abran al frente.
¿Porque la convergencia es conveniente?
Ya sabemos que cuando la rueda marcha, en el punto de
contacto con el camino se genera cierta resistencia al movimiento, esta
resistencia evidentemente tiene el efecto de producir la tendencia a la
apertura de las ruedas por la parte delantera y en parte lo logra,
debido a la elasticidad de las piezas metálicas que aseguran la
rueda y a las holguras de las articulaciones, para compensar esta
abertura en movimiento, las ruedas se dotan de cierta convergencia de
montaje.
Para el caso de las ruedas que son motrices al mismo tiempo de
directrices, como son las que generan el empuje su tendencia es
contraria, es decir, tienden a cerrarse por el frente, por eso se
montan con convergencia negativa.
Con el uso, y el desgaste normal de las
articulaciones pivotantes de
la suspensión y de giro de la rueda, especialmente en la
suspensión independiente, todas estas cotas de la
dirección se van alterando, y
con ello se pueden empezar a notar problemas de estabilidad en la
dirección o de desgaste irregular de los neumáticos, en
tal caso, debe llevarse el coche a un taller especializado para revisar
y corregir cualquier alteración.
|
