Sistema de dirección de un vehículo
Sistema de dirección del vehículo es el conjunto de órganos que permiten a cualquier vehículo modificar su trayectoria para seguir el rumbo deseado. Una excepción es el caso del ferrocarril, en el que la dirección es controlada por medio de raíles y desvíos. La función primaria de todo sistema de dirección es permitir al conductor guiar el vehículo.
En los vehículos con ruedas, al actuar sobre el volante (o manillar), el conductor cambia el ángulo de deriva (ángulo entre el plano de la rueda y la trayectoria de la rueda) de la o las ruedas directrices. La fuerza creada entre la carretera y el eje de giro hace girar el vehículo.
Historia
La historia del sistema de dirección del vehículo comenzó con los vehículos tirados por caballos, especialmente cuando surgieron los primeros vehículos con más de un eje.
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Eje de pivote central o rueda de dirección
La solución obvia en el sistema de dirección del vehículo para conseguir un sistema de ruedas orientables es:
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- conectar sólidamente las ruedas en los extremos de un eje rígido que bien gire libremente sobre un único eje de pivote vertical
- o descanse sobre una rueda de dirección –turntable o fifth wheel en inglés-. El sistema se utilizó históricamente en los ejes delanteros -e intermedios en su caso- de muchos carruajes de más de un eje. De este modo que los caballos podían tirar del carro desde los lados en curvas haciendo que el vehículo girase sobre su último eje. (Se aplicó a los primeros automóviles como el Clement-Panhard.)
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Vehículo articulado
Un sistema muy extendido consistía en articular el propio vehículo en dos partes. Cada una de las ellas estaba unida sólidamente al eje en el que se apoyaba. Se obtenía así un comportamiento similar al de vehículos con dirección de rueda.
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Ruedas desacopladas o ejes rotos
Los sistemas de dirección anteriores ofrecían un resultado aceptable para orientar las ruedas de un vehículo. Pero no ofrecían respuesta al problema que de cara a la estabilidad suponía unir ambas ruedas forzándolas a permanecer paralelas y girar al mismo número de revoluciones.
El radio de la curva trazado por la rueda interior es más cerrado que el ángulo trazado por la exterior. Por ello, si ambas ruedas permanecen paralelas o giran al mismo número de revoluciones, necesariamente se arrastrarán. De esta forma se perjudica la estabilidad en curvas, especialmente en las más cerradas o tomadas a cierta velocidad. Por esta razón los vehículos rápidos solían contar con un solo eje.
La idea de separar el movimiento de los bujes en un eje directriz no es una preocupación reciente. Ya en vehículos tirados por caballos surgieron mecanismos para
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- en primer lugar permitir que las ruedas girasen libremente en los extremos del eje -ruedas desacopladas o “locas”-
- y posteriormente mecanismos más o menos complejos para evitar el paralelismo de las ruedas como el sistema por cadenas del vehículo de vapor de Amedee Bollee.
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Geometría de dirección de Ackerman
La geometría de dirección de Ackermann es una determinada disposición geométrica de los elementos que intervienen en la dirección de un automóvil u otro vehículo. Está diseñada para lograr que la rueda interior y exterior tracen círculos de diferentes radios.
Descrita por primera vez por el constructor de transporte alemán “Lankensperger” en 1817 y patentada por su agente en Inglaterra Rudolph Ackermann (1764-1834) en 1818. Se trataba de un cuadrilátero articulado para coches de caballos, en el que cada rueda delantera pivotaba independientemente sobre su propio eje de pivote mediante un sencillo mecanismo conocido como pivote de dirección.
Aunque hay precedentes como los estudios sobre sistemas de dirección mejorada para carruajes pubilicados por Erasmus Darwin en 1758, su forma definitiva no apareció hasta las patentes de Karl Benz (1893) y de Edward Butler (1897).
Resolución del problema
Una primera aproximación al problema resuelto mediante este sistema puede comprenderse buscando el centro común de los dos circunferencias de diferente radio que deben seguir idealmente las ruedas exterior e interior. En vehículos de dos ejes este punto está en el interior de la curva a la altura del eje trasero aproximándose al centro del eje a medida que el ángulo de la curva es menos pronunciado.
La hoy denominada geometría de Ackermann resolvió definitivamente el objetivo de dirigir el eje de giro del buje de cada una de las ruedas directrices a ese punto, alineándolo con el radio de su circunferencia ideal de una manera simple y efectiva. Para ello se utiliza el cuadrilátero deformable formado por el eje delantero, la barra de dirección situada por detrás de él -habitualmente la propia cremallera- y los tirantes articulados que unen esta barra con los pivotes de dirección de cada una de las ruedas.
Si bien originariamente el sistema se utilizó para que las ruedas girasen paralelas, la mejora conocida como trapecio de Jeantaud permitió obtener el ángulo deseado en cada cubo de forma muy sencilla, simplemente alineando los tirantes con el centro del eje trasero en lugar de ser paralelos entre sí, de modo que al ser empujados por la barra de dirección trasmitían un movimiento mayor a la rueda interior, haciendo que adoptara un ángulo más cerrado que la exterior.
Los vehículos actuales rara vez recurren a una geometría de Ackermann “pura”, siendo habitual jugar con los ángulos de las ruedas interior y exterior para aumentar el agarre o minimizar el desgaste.
Evolución hacia la suspensión independiente
Sistemas de dirección en suspensiones dependientes.
A principios del siglo XX la geometría de dirección de ackermann se había implantado universalmente en todo tipo de vehículos. En su gran mayoría seguían utilizando suspensiones mediante eje rígido en ambos trenes. En este tipo de suspensión delantera, hoy solo presente en vehículos industriales y algunos todo terrenos de gran tamaño, el recorrido de suspensión de cada rueda está necesariamente ligado al de la otra. Por ello la distancia entre sus pivotes de dirección no se verá afectada por el trabajo de la suspensión.
Esta característica permitió la rápida difusión de las direcciones basadas en cuadriláteros articulados puesto que sin interferencia de la suspensión, el pivote de dirección trabajaba en un único grado de libertad, lo que era de crucial importancia hasta la aparición de las rótulas; el sistema constaba de:
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- Los pivotes de dirección de las ruedas directrices que pivotan en torno a un eje geométrico próximo a la vertical.
- El volante y su eje (o columna de dirección)
- La caja de dirección formada por tornillo sin fin encargado de transformar el movimiento de rotación del eje del volante en movimiento de translacción
- El brazo Pitman o brazo de mando engranado a la caja de dirección gira sobre su eje hacia delante o atrás al girar la dirección.
- La biela de dirección dispuesta longitudinalmente conecta el brazo de mando con uno de los pivotes de dirección.
- Los brazos de acoplamiento o tirantes conectados a los pivotes y unidos entre sí por una barra de acoplamiento formando junto con el puente delantero el cuadrilátero articulado conocido como geometría de Ackermann
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Sistemas de dirección en suspensiones independientes previos a la aparición de rótulas.
Al hacerse patente la necesidad de un sistema de suspensión independiente en el eje directriz los constructores debieron hacer frente al desafío que suponía permitir variaciones de vía -distancia entre el centro de las dos ruedas de un eje- sin que ello afectara a la dirección. La solución consistió en dividir el mecanismo de dirección en dos partes, una sujeta a la masa suspendida del vehículo y otra a la masa no suspendida.
En comparación con el sistema de dirección empleado en vehículos con eje rígido, la biela longitudinal de dirección no se conectaba a uno de los pivotes de dirección, si no a una palanca de ataque que giraba sobre un punto fijado en el chasis –masa suspendida– del vehículo. De esta palanca salían dos semibarras de acoplamiento articuladas conectadas a la masa no suspendida -los pivotes de dirección -, siendo el conjunto -conocido como varillaje de dirección– capaz de absorber el movimiento de la suspensión sin afectar al viraje del vehículo.
Cremallera del sistema de dirección de un automóvil:
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- volante;
- columna de dirección;
- piñón y cremallera;
- tirante articulado mediante rótulas;
- mangueta
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Técnica actual del Sistema de dirección del vehículo
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- Las manguetas
- El volante y la columna de dirección habitualmente articulada.
- La caja de dirección y barra de dirección en un único módulo, generalmente formado por la propia cremallera de dirección o en algunos casos por un sistema de recirculación a bolas y barra de dirección.
- Los brazos de acoplamiento o tirantes conectados mediante rótulas a la masa suspendida -barra de dirección o cremallera- y a la masa no suspendida -manguetas o portamanguetas-.
- Las rótulas, tipo de unión que permite independizar el movimiento vertical de la suspensión del horizontal de la dirección.
4 ruedas directrices (4RD)
Para mejorar las capacidad de control de un vehículo de cuatro ruedas es fácil comprender las ventajas que proporciona un sistema de dirección a las cuatro ruedas o incluso un sistema con dirección y tracción a todas las ruedas, como los que se desarrollaron para algunos tractores militares ya en la Primera Guerra Mundial.
Las cuatro ruedas pueden ser dirigidos:
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- en direcciones opuestas en la misma curva (permitiendo reducir el radio de giro del vehículo)
- o en la misma dirección (aumentando la capacidad de maniobra de algunos vehículos agrícolas y de mantenimiento hasta el punto de permitir desplazamientos laterales o “en cangrejo”) por lo que es utilizado desde antiguo en vehículos industriales.
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Sistema de dirección del vehículo en automóviles de pasajeros
En automóviles de pasajeros hay que remontarse a 1987 para encontrar su primera aplicación en serie del sistema de dirección de vehículos. Cuando Honda propuso un sistema de este tipo en su Honda Prelude, forzando a otros fabricantes a considerar viable la innovación.
Entre las ventajas que aporta, la mejora del comportamiento a alta velocidad parecía la más prometedora pues una dirección en ambos ejes permite un desplazamiento con una velocidad lateral de guiñada menor que en un vehículo normal. Algunos fabricantes como Mazda, Toyota o Mitsubishi propusieron sistemas opcionales de accionamiento hidráulico, mientras que Honda permaneció fiel a un sistema totalmente mecánico capaz de adaptarse a la velocidad del vehículo. El éxito no fue el esperado debido a que el comportamiento del vehículo fue considerado como “extraño” a pesar de sus cualidades.
La gestión electrónica
En 1991, Honda introduce la gestión electrónica en el nuevo Honda Prelude. Esta vez el sistema (basado en el ángulo y la velocidad de giro del volante) era gestionado de un modo totalmente electrónico. De esta forma se conseguía un tacto de conducción que sin dejar de ser eficiente, despejaba el comportamiento algo confuso de la primera generación. Se empleó en generaciones posteriores del modelo Prelude hasta su desaparición en 2001.
Otros fabricantes utilizan variantes del sistema electrónico en vehículos de gama alta y algunos vehículos 4×4. En 2008 Renault desarrolló un sistema de dirección activa para el Renault Laguna III que trabajaba conjuntamente con el ESP (“4Control”). El sistema permitía mediante un calculador electrónico y un servoactuador girar las ruedas traseras hasta 3,5º hasta los 60 km/h. Aa partir de esta velocidad comenzaban a girar en el mismo sentido que las delanteras. El fabricante BMW introdujo su propio sistema en el BMW serie 7 de 2009 en combinación con la tracción total.
Por contra, en el mundo de la competición su uso está muy restringido y no está permitido en Fórmula 1.
En la actualidad se utilizan más comúnmente sistemas de dirección pasiva basados en la inducción de ángulos de convergencia y caída en las ruedas traseras mediante la geometría de las suspensiones multibrazo.
Vídeo original: AQUÍ
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