Sistema de dirección
Salvo raras excepciones, para dirigir un automóvil en la
dirección
deseada por el conductor, se utilizan las ruedas delanteras,
desviándolas de la posición recta al frente hacia un lado
o hacia el
otro a través de un mecanismo especialmente construido para
ello. Al
conjunto de piezas que sirven para ese propósito es a lo que se
le
llama sistema de dirección.
Primero la geometría.
A primera vista podría parecer que ambas ruedas, para tomar una
curva
deben tener el mismo ángulo de desviación con respecto a
la marcha en
linea recta, pero esto no es así, veamos porqué.
Nos
auxiliaremos de la figura 1. Cuando se toma una curva, las ruedas se
desplazan por circunferencias de radio diferente, la rueda mas externa
circulará por una circunferencia de radio mayor (OA) que la
rueda
interna (OB), por lo que ambas ruedas, además de girar a
velocidades
diferentes, deben adquirir un ángulo distinto para adaptarse a
la
dirección que deben llevar. Si el sistema de accionamiento de
las
ruedas no cumple este principio, entonces necesariamente se produce el
arrastre lateral de ellas con el consiguiente desgaste de la zona de
rodamiento, producen además una resistencia adicional al
movimiento del
vehículo y hacen que se pierda un tanto la seguridad de giro del
automóvil.
Para conseguir que cada una de las ruedas delanteras tome la
posición
adecuad durante un giro se utiliza lo que se llama el trapecio de dirección.
Observe la figura 1, notará que del mismo eje de pivote de la
rueda
salen dos brazos el A-C y el B-D, ambos están solidarios a
la
rueda y son los que la hacen pivotar, además hay una barra de
acoplamiento C-D que une los extremos de estos brazos, la que junto con
el eje de soporte de las ruedas A-B forman el trapecio de
dirección
mencionado. Esta barra C-D hace que necesariamente si una rueda pivota
la otra lo haga también pues están unidas a través
de ella.
Concentrémonos ahora en el dibujo de la izquierda de la figura
1, que
representa la marcha en linea recta, note que las prolongaciones de los
brazos de las ruedas A-C y B-D se cortan en el centro del eje trasero
del automóvil es decir están ligeramente inclinados con
respecto a la
trayectoria del vehículo mientras todas las ruedas marchan de
forma
paralela, esto hace que el ángulo
entre el eje de las ruedas y los brazos o manguetas del trapecio no sea
un ángulo recto (ángulo a).
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Figura 1
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Cuando se hace pivotar una rueda, como se indica en el dibujo de la
derecha, y debido precisamente a la posición de las manguetas y
al
ángulo a, ambas ruedas
se
inclinan una cantidad diferente, representados como a y b, siendo el ángulo a mayor que el b,
lo que satisface la condición necesaria para que cada una se
mueva por
el perfil de curva de radio mayor o menor según sea la rueda
interior o
exterior.
Un buen diseño del trapecio hace que las prolongaciones de los
ejes de
las ruedas directrices se corten en un punto sobre la
prolongación del
eje trasero (punto O). Este punto de corte estará mas cerca de
las
ruedas traseras a medida que el ángulo de las ruedas se hace
mayor, y
resulta en el infinito cuando se marcha en linea recta.
El esquema presentado es el mas simple posible y se usa preferentemente
en camiones pesados con un eje de carga transversal entre las ruedas
delanteras, los automóviles ligeros tienen suspensión
independiente en
las ruedas delanteras por lo que la barra C-D puede estar constituida
por varias partes articuladas, pero siempre conservando el principio
del trapecio.
La colocación de las ruedas además tiene que satisfacer
otras
condiciones geométricas, las que se describen aquí.
El mecanismo.
Hay dos formas
básicas
para el sistema que convierte el giro del volante en movimiento de las
ruedas:
- Con reductor de tornillo sin fin.
- Con piñón y cremallera.
Con reductor de tornillo sin fin.
En la figura 2 se muestra un esquema que corresponde a uno de los
tantos posibles mecanismos utilizables en los automóviles del
tipo de
tornillo sin fin. Observe que el árbol del volante está
acoplado a una
caja reductora, la que a través de un mecanismo de tornillo
convierte
el
giro hacia a un lado u otro del volante en el movimiento oscilante de
un brazo rígido conocido como brazo
Pitman.
Esta conversión se hace con una gran reducción
mecánica de forma que
varias vueltas del volante se traducen en el giro de solo un
ángulo en
el brazo, esto, de hecho, proporciona que el esfuerzo hecho en el
volante
se convierta en una fuerza mucho mayor en el brazo.
Finalmente el brazo Pitman se acopla al mecanismo del trapecio para
pivotar las ruedas y lograr así dirigir el vehículo.
En el esquema representado en la figura 2 se muestra un sistema
apropiado para vehículos con suspensión independiente,
observe que la
conexión entre la barra
transversal
y la ruedas se hace a través de unas barras
de conexión
que pueden pivotar en centros de giro sobre la barra transversal, de
este modo las ruedas pueden subir y bajar en las irregularidades del
terreno de forma libre sin producir cargas adicionales a la barra
transversal. Aunque no ha sido representado así, todos los
centros de
giro del mecanismo del trapecio son del tipo de bola o rótula,
para
permitir el movimiento relativo entre las partes en todas direcciones.
En las figuras de la 3 a la 6 se muestran diferentes modos de
operación
de la caja reductora de tornillo sin fin, esto es:
- Reductor de
tornillo y sector de engrane: La figura 3 se explica por si
sola, al girar el tornillo arrastra un sector de engrane que
está
acoplado al brazo Pitman.
- Reductor de
tornillos y carrete:
Funciona exactamente como el anterior, figura 4, pero en este caso el
contacto
con el tornillo es a través de un carrete que gira libremente
sobre un
eje. La ventaja de este método con respecto al anterior es que
la
resistencia por rozamiento es mas baja debido al giro del carrete
cuando se mueve el tornillo.
- Reductor de tuerca
y bolas recirculantes:
En este caso, figura 5, existe una gran tuerca montada sobre el
tornillo, de
manera que cuando este gira, la tuerca se desplaza hacia un lado y
hacia otro comunicando el movimiento al brazo Pitman a través de
un
sector de engrane. El espacio entre las roscas de ambas partes,
tornillo y tuerca, está relleno de bolas que recirculan a
través de un
conducto exterior cuando hay movimiento. Este método reduce aun
mas la
resistencia del mecanismo ya que el contacto es por rodadura pura.
- Reductor de
tornillo y rodillos cónicos:
Es otra alternativa que se usa, figura 6, unos rodillos cónicos,
y que
pueden rotar sobre su eje, son los que trasmiten el movimiento entre el
tornillo y el brazo Pitman.
En todos los casos, se tiene la posibilidad de regular la
holgura entre las superficies en contacto a fin de poder compensar el
desgaste que se produce con el uso. Esta regulación se hace con
un
perno que desplaza axialmente el eje del brazo Pitman, en la figura 6
es fácil darse cuenta que si desplazamos el cuerpo con los
rodillos
cónicos hacia el tornillo, estos conos se aprietan cada vez mas
en la
rosca, haciendo desaparecer la holgura entre conos y tornillo.
Lo mismo sucede con el reductor de tornillo y carrete, este
último si
se acerca al tornillo se introducen cada vez mas en la rosca por lo que
la holgura se reduce.
Para el caso de los que tienen sectores de engranaje, los dientes
están
elaborados de sección variable es decir mas gruesos en un
extremo y mas
finos en el otro, de esta forma si se desplaza el eje del sector hacia
el tornillo, el grosor del diente en contacto es mayor, queda claro que
la holgura se puede hacer desaparecer.
Por supuesto, la caja reductora contiene lubricante.
Con piñón y cremallera.
Se utiliza casi universal para todos los automóviles ligeros.
Usemos las figuras 7 y 8. La barra transversal del trapecio de
dirección se ha convertido en un mecanismo de
piñón y cremallera del
tipo que se muestra en la figura 8, de forma que al girar el volante se
produce el desplazamiento de la cremallera hacia un lado u otro en
dependencia de la dirección de giro. Los extremos de la
cremallera
están acoplados a través de unas barras con los extremos
articulados al
brazo de giro de las ruedas a ambos lados.
Este método se ha hecho muy común debido a que deja libre
el espacio
frente a los centros de pivote de las ruedas, lo que permite disponer
del espacio para el mecanismo de suspensión independiente de
cada rueda.
Aunque en la figura 8 los dientes del conjunto se han representado como
rectos, en realidad en los sistemas reales son de tipo helicoidal, y
están, como en el caso del reductor de tornillo sin fin,
diseñados de
forma que se pueda regular la holgura entre los dientes, lo que se hace
desplazando el piñón hacia adentro o hacia afuera, para
que se aprieten
mas los dientes de este contra los de la cremallera.
Dirección asistida.
Cuando se trata de vehículos pesados, el giro de las ruedas,
dada la
carga que soportan, necesita de una gran fuerza en el volante. Para
palear este problema los camiones antiguos se dotaban de un volante de
gran diámetro y un mecanismo reductor sin fin de elevado radio
de
reducción, con estos dos elementos el conductor podía
maniobrar el
vehículo pero de todas formas se producía un
rápido cansancio en el
conductor. Este problema hizo que los ingenieros automotrices dotaran
a los vehículos pesados desde hace bastante tiempo, con el
mecanismo de
dirección asistido de forma hidráulica utilizando la
energía del
motor. Con el decursar del tiempo, el desarrollo tecnológico y
dada la
suavidad de maniobra, en la actualidad es muy frecuente encontrar
sistemas de dirección asistida aun en los vehículos muy
ligeros.
Para el tipo tornillo sin fin
En la figura 9 abajo, se representa un esquema de como funciona la
asistencia hidráulica para el mecanismo de tornillo sin fin.
Observe
que se ha adicionado al conjunto una bomba de aceite que es movida
desde la polea del
cigüeñal y que proporciona fluido a alta
presión al
sistema. Esta presión entra a la caja reductora a una zona donde
se
encuentra una válvula giratoria que controla el paso del aceite
a
presión a un lado u otro del pistón
hidráulico y que conecta al
mismo tiempo el retorno del aceite del otro lado del pistón al
recipiente acumulador que está en el mismo cuerpo de la bomba.
Como pistón hidráulico se usa el propio cuerpo de la
tuerca colocado
dentro de una camisa adecuada al efecto.
Note que la conexión mecánica entre el volante y el
trapecio de la
dirección se mantiene siempre, lo que constituye un requisito de
seguridad indispensable si falla el suministro de presión, como
por
ejemplo, si se detiene el motor.
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Figura 9. Asistencia
hidráulica en el reductor de tornillo sin fin
Para el tipo cremallera.
Cuando se usa el sistema por cremallera el principio de trabajo es el
mismo (ver figura 10 abajo), con la diferencia de que en este caso, es
el vástago de la cremallera la que se convierte en el
pistón de fuerza.
Figura 10. Asistencia
hidráulica en el sistema de cremallera.
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