home
sabelotodo
logo
entrar
comentario
colaborar

Sistema de dirección del automóvil

Salvo raras excepciones, para mantener 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 más 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 y una resistencia adicional al movimiento del vehículo. El arrastre lateral adicionalmente implica que se pierda un tanto la seguridad de giro del automóvil.

Para conseguir que cada una de las ruedas delanteras tome la posición adecuda durante un giro para tomar una curva 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 Z).

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.
Sistema de dirección del automóvil
Figura 1




El mecanismo.

Hay dos formas básicas para el sistema que convierte el giro del volante en movimiento de las ruedas:
  1. Con reductor de tornillo sin fin.
  2. 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 sólo 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:
  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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 la zona 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.
Esquema típico del mecanismo de dirección con tornillo sin fin

Figura 2. Esquema típico del mecanismo de dirección con tornillo sin fin.

Reductor de tornillo y sector de engrane
Figura 3. Reductor de tornillo y sector de engrane.

Reductor de tornillo
Figura 4. Reductor de tornillo
y carrete.

Reductor de tuerca y bolas recirculantes
Figura 5. Reductor de tuerca
y bolas recirculantes.

Reductor de tornillo y rodillos cónicos
Figura 6. Reductor de tornillo
y rodillos cónicos.

Esquema típico del mecanismo de dirección de piñón y cremallera

Figura 7. Esquema típico del
mecanismo de dirección
de piñón y cremallera

Piñón y cremallera
Figura 8. Piñón y cremallera




Asistencia hidráulica en el reductor de tornillo sin fin

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.

Asistencia hidráulica en el sistema de cremallera

Figura 10. Asistencia hidráulica en el sistema de cremallera.

Otros temas sobre el automóvil aquí.
Para ir al índice general del portal aquí.