La dirección es el conjunto de mecanismos que tienen la misión de orientar las ruedas directrices y adaptarla al trazado de la vía por la que circula, así como para realizar las distintas maniobras que su conducción exige.
Cualquier mecanismo de dirección deberá ser preciso y fácil de manejar, y las ruedas delanteras tenderán a volver a su posición central al completar una curva. Por otra parte, la dirección no debe transmitir al conductor las irregularidades de la carretera. Para conseguir estas características, debe reunir las siguientes cualidades:
Suave y cómoda
El manejo de la dirección se ha de realizar sin esfuerzo, ya que si la dirección es dura, la conducción se hace difícil y fatigosa, lo que representa un cierto peligro por la dificultad que representa su accionamiento.
La suavidad y la comodidad se conseguirán mediante una precisa desmultiplicación en el sistema de engranaje, una dirección asistida, así como un buen estado de las cotas y el mantenimiento del conjunto.
Seguridad
La dirección es uno de los principales factores de seguridad activa. Esta seguridad depende del estudio y construcción del sistema, la calidad de los materiales empleados y de un correcto mantenimiento.
Precisión
La precisión consiste en que la dirección responda con exactitud en función de las circunstancias, y no sea ni dura ni blanda, para que las maniobras del conductor se transmitan con precisión. Para ello no ha de haber holguras excesivas entre los órganos de la dirección; las cotas de la dirección han de ser correctas, el desgaste debe ser simétrico en los neumáticos, las ruedas estar bien equilibradas y la presión de los neumáticos correcta.
Irreversibilidad
La dirección debe ser semirreversible. Consiste en que el volante ha de transmitir movimiento a las ruedas, pero éstas, a pesar de las irregularidades del terreno, no deben transmitir las oscilaciones al volante. La semirreversibilidad permite que las ruedas recuperen su posición media con un pequeño esfuerzo por parte del conductor después de girar el volante.
Estable
Cuando, circulando en recta, al soltar el volante no se desvía el vehículo de su trayectoria.
Progresiva
Cuando la apertura de las ruedas, para giros iguales del volante, va en aumento.
Elementos de mando
La figura 1, representa la organización clásica de los elementos que constituyen la cadena cinemática que transmite el movimiento de giro del volante a las ruedas, según el sentido de las flechas que se indican.
Todos los elementos los podemos clasificar en tres grupos:
o Volante y árbol de la dirección.
o Caja de engranajes de la dirección.
o Palancas y barras (timonería) de la dirección.
El árbol de dirección por su parte superior, va unida al volante , y por la inferior a la caja de la dirección donde se transforma el movimiento circular del volante en movimiento lineal. De la caja de dirección llega el movimiento a la barra de acoplamiento a través del brazo de mando , biela y palanca de ataque , los tres articulados entre sí.
Los extremos del eje delantero terminan en unas “horquillas” sobre las que se articula el pivote (eje direccional de las ruedas). Del pivote sale la mangueta sobre la que giran locas las ruedas en cojinetes de bolas o rodillos.
De cada mangueta y fijo a ella sale el brazo de acoplamiento . Estos brazos están unidos por la barra de acoplamiento que va articulada en los extremos de ambos brazos.
• Volante y árbol de la dirección
El volante es el órgano de mando de la dirección. El diseño del volante varía según el fabricante. El tacto y el grosor deben permitir el uso cómodo y agradable. Se ha de ver cuando el vehículo circula en línea recta, el tablero del vehículo .
El volante presenta una parte central ancha y unos radios también anchos para distribuir la carga del impacto por todo el pecho del conductor, en caso de accidente.
El árbol de dirección , está protegido por una caja C fijada por un extremo (el inferior) en la caja de engranaje de la dirección, y por el centro o su parte superior, en una brida o soporte que lo sujeta al tablero o a la carrocería del vehículo. Su extremo superior se une al volante . El conjunto árbol y caja constituyen la columna de dirección.
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.
Durante los últimos años se han realizado numerosas pruebas para proteger al conductor de las lesiones que pudiera producirle el árbol de la dirección (o el volante) en caso de choque frontal. El árbol de la dirección está diseñado para evitar estas circunstancias.
Con el fin de evitar que las vibraciones de la columna se transmitan al volante de la dirección, a veces, se dispone el árbol de la dirección en dos piezas unidas mediante una junta elástica o cardán. Además, en caso de choque frontal, el árbol cederá por esa junta, con lo que el conductor queda protegido del volante.
En la se representa el árbol de la dirección (detalle A) cómo se encuentra en condiciones normales de funcionamiento y (detalle B), después de un choque frontal.
• Caja y engranajes de la dirección
El mando de este mecanismo lo ejecuta el conductor con el volante, verdadero órgano de mando, a través de él, comunica a las ruedas directrices sus ordenes.
El grado de reducción de esfuerzo por parte del conductor conseguido por efecto desmultiplicador del giro del volante de la dirección, depende del peso, tipo y uso del vehículo. Un vehículo 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.
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 conductor de los cambios en las condiciones del piso, pero los fabricantes no se han puesto de acuerdo sobre el grado de reacción que debe percibir.
La caja del engranaje de la dirección cumple las funciones de proteger del polvo y la suciedad el conjunto de engranajes, contener el aceite en que se halla sumergido éstos y servir de soporte al mecanismo de la dirección, al volante y al brazo. Esta caja se fija al bastidor por medio de tornillos, que aseguran su montaje.
• Palanca y barras de dirección
Se denomina también timonería de la dirección.
Tiene la misión de transmitir a las ruedas el movimiento obtenido en la caja de engranaje de la dirección.
La disposición del conjunto de palanca depende del diseño utilizado por el fabricante.
El sistema de acoplamiento puede ser mediante barras de acoplamiento divididas en dos e incluso en tres secciones.
Engranajes de dirección
• Generalidades
El sistema de engranajes va montado al final de la columna de la dirección, envuelto en un cárter que se prolonga casi siempre en un tubo que rodea a la columna hasta el volante.
El sistema de engranajes debe permitir un cambio de dirección fácil sin necesidad de girar muchas vueltas el volante. Los engranajes de tipo más corriente proporcionan una desmultiplicación de 11 ó 12 a 1 en los turismos y de 18 ó más en los camiones pesados, lo que quiere decir que el volante debe girar 2,5 a 3,5 vueltas completas para que las ruedas giren entre sus posiciones extremas.
Si se transmite el movimiento del volante directamente a las ruedas, tiene el inconveniente de transmitirse (al volante) todas las sacudidas producidas por el camino en las ruedas y éstas tienden, constantemente, a imprimir un giro en el volante. A este tipo de dirección se le llama reversible.
La dirección irreversible es aquella en que ninguna vibración o esfuerzo de las ruedas se transmite al volante, pero tiene el defecto de que el conductor no percibe estas vibraciones en el volante, habiéndose demostrado prácticamente que no conviene de ninguna manera; además, debido a esta rigidez, las piezas se desgastan y sufren más.
El tipo actual más corriente es el semi-reversible, intermedio entre los dos anteriores, que tienden ligeramente las ruedas a girar el volante, pero no deja de notar, el conductor en el volante, los efectos de las irregularidades del terreno.
• Sistemas de engranajes de la dirección
El sistema de engranaje de la dirección, constituye el elemento desmultiplicador de giro del volante y lo forma un conjunto de engranaje protegidos en un cárter y a su vez sirve de unión al bastidor.
Según la disposición, la forma y los elementos que lo componen, existen los tipos de dirección que se enumeran en el cuadro siguiente:
• Mecanismo de sinfín cilíndrico con tuerca
Sobre el tornillo sinfín se desplaza la tuerca , que engrana interiormente con el tornillo sinfín. El movimiento de la tuerca se transmite a una palanca que se monta sobre la tuerca. Esta palanca a su vez está unida al eje de giro de la palanca de mando haciéndola girar al accionar el volante de la dirección.
• Mecanismo de sinfín cilíndrico con sector dentado
La parte inferior de la barra o columna de la dirección termina en un sinfín donde engrana un sector dentado , que lleva fijo en su centro un eje , al que va unido el brazo de mando . Al girar el volante y, con él, la columna de la dirección, el sector dentado se desplaza sobre el “sinfín” haciendo girar su eje que obliga a oscilar adelante y atrás, al brazo, de mando que, al estar articulado elásticamente a la biela, imprime a ésta un movimiento longitudinal en ambos sentidos.
• Mecanismo de tornillo sinfín cilíndrico con dedo o leva
También denominado “palanca y leva”. La columna de la dirección termina en un husillo sobre cuya ranura puede desplazarse una leva o dedo fija al extremo de una palanca que mueve el brazo de mando . Al mover el volante, la leva se desplaza sobre el husillo, desplazamiento que a través de la palanca produce en el brazo de mando un movimiento longitudinal de delante hacia atrás.
• Mecanismo de tornillo sinfín cilíndrico con tuerca e hilera de bolas
Se denomina también de circulación de bolas. Sobre el tornillo sinfín lleva una tuerca y entre ésta y el tornillo sinfín una hilera de bolas que recorren la hélice del tallado interior del tornillo y de la tuerca.
La tuerca lleva tallada una cremallera transmitiendo su movimiento a un sector dentado unido al brazo de mando .
• Mecanismo de tornillo sinfín globoide y rodillo
El sinfín globoide se aplica cuando el elemento de translación se desplaza describiendo un arco al girar sobre su propio eje de giro, como en el sistema tornillo y rodillo. En este sistema la columna lleva en su parte inferior un tornillo roscado sobre el que rueda, engranado en su estría, un rodillo que forma parte del brazo de mando , al que imprime un movimiento.
• Mecanismo de dirección por cremallera
El sistema de esta dirección se caracteriza por la reducción del número de elementos y por su mecanismo desmultiplicador y su simplicidad de montaje. Va acoplada directamente sobre los brazos de acoplamiento de las ruedas y tiene un gran rendimiento mecánico.
0
Es un procedimiento de mandar transversalmente la dirección ( 0 y 11). La columna , termina en un piñón , que al girar, desplaza a derecha o izquierda la barra cremallera , que mueve las dos bieletas , de la barra de acoplamiento. Las bieletas en sus extremos se unen por rótulas con los brazos de acoplamiento desplazándola y orientando las ruedas, las cuales, se desplazan por modificación de sus pivotes.
1
La barra-cremallera se articula a ambas partes, de la barra de acoplamiento, mediante las rótulas .
Otras veces, las barras son más largas y se articulan casi juntas a la cremallera .
Actualmente se utiliza en muchos modelos de vehículos de tracción delantera debido su precisión en el desplazamiento angular de las ruedas. Se consigue una gran suavidad en los giros y una recuperación rápida, haciendo que la dirección sea más segura, estable y cómoda.
Cotas de la dirección
Entendemos como cotas de la dirección aquellos factores que intervienen para obtener una dirección válida. El tren delantero debe ser estudiado siguiendo una geometría precisa que nos va a permitir responder a las exigencias esenciales de:
o Estabilidad.
o Conservación mecánica.
o Conservación de los neumáticos.
Por otra parte, una buena geometría del tren delantero llegará hasta la obtención de una dirección segura y cómoda, que se manifiesta por:
o El mantenimiento en trayectoria rectilínea.
o La insensibilidad a factores exteriores (baches, viento, etc.).
o Las entradas y salidas fáciles de las curvas.
Podemos decir que la dirección debe ser estable y para conseguirlo se consideran dos factores:
o La geometría de giro.
o La geometría de las ruedas o cotas geométricas, que son:
o El ángulo de salida o inclinación.
o El ángulo de caída.
o El ángulo de avance.
o Las cotas conjugadas.
o La convergencia o divergencia (alineación de las ruedas).
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• Geometría de giro
El vehículo al tomar una curva, la trayectoria a seguir por las ruedas directrices no es la misma ya que, cada una de ellas, tiene distinto radio de curvatura. Por tanto, la orientación dada a ambas ruedas son distintas para evitar que una de las ruedas sea arrastrada, efecto que ocurriría si los dos ángulos fueran iguales.
Para que esto no ocurra, las dos ruedas deben girar concéntricas, o sea, con el mismo centro de rotación.
Lo mismo ocurre con las ruedas traseras con respecto a las delanteras ya que, como todo el vehículo tiene que tomar la misma trayectoria de la curva, todo él tiene que tener el mismo centro de rotación. Para ello tiene que cumplirse la condición geométrica de que todas las ruedas en cualquier posición tengan un mismo centro de rotación .
Esto se consigue dando a los brazos de acoplamiento una inclinación tal, que cuando el vehículo circule en línea recta, los ejes de prolongación de los brazos de acoplamiento coincidan en el centro del eje trasero ,y al tomar una curva, los ejes de las ruedas coincidan sobre un mismo centro .
• Geometría de las ruedas o cotas geométricas
Las cotas de la dirección son los ángulos de:
o Avance.
o Salida.
o Caída.
o Convergencia.
o Divergencia.
Ángulo de avance
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El ángulo de avance es el que forma el pivote con la vertical al observar el vehículo, en sentido longitudinal.
El eje del pivote no es vertical, tiene su extremo inferior ligeramente adelantado de la vertical con la que forma un ángulo llamado de avance.
Esta posición del pivote da fijeza a la dirección. Si el ángulo de avance es pequeño, menor del debido, la dirección se hace “vagabunda”. Si es excesivo, la dirección es dura. Si se invierte el valor del ángulo, se hace negativo (inclinación del pivote hacia atrás) la dirección reacciona bruscamente, es dura y peligrosa.
El efecto de este ángulo tiene su más sencillo exponente en las ruedecillas de los carritos de té, por ejemplo, que, al rodar detrás de sus pivotes, siguen la dirección en que se empuja el carrito, de modo que éste siempre se desplazará en línea recta, a no ser que se modifique, a propósito, su curso.
Con el ángulo de avance se consigue que:
o La dirección se haga estable.
o Después de tomar una curva, las ruedas tiendan a volver a la posición de línea recta.
o En vehículos de tracción el valor del ángulo esté comprendido entre 0º y 4º.
o En vehículos de propulsión el valor del ángulo esté comprendido entre 6º y 12º.
Ángulo de salida
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La inclinación del pivote, no solamente lo es sobre el plano longitudinal de avance, sino también sobre un plano transversal, es decir, su extremo inferior se separa hacia fuera formando un ángulo con la vertical.
El ángulo de salida produce también cierta autoalineación o tendencia a volver a la línea recta después de un giro. En efecto, la salida combinada con el avance, da lugar a que, al girar la dirección, se levante ligeramente la parte delantera del coche, cuyo propio peso tiende desde ese momento a hacer retornar la dirección a su primitiva posición de línea recta.
El resultado práctico conseguido con esta cota es dar estabilidad a la dirección y ayudar al conductor a restablecer la posición del volante después de un giro, posición que puede recobrarse sin su intervención, si la dirección es semi-reversible.
El valor del ángulo de salida está comprendido entre 5º y 10º, siendo su valor más utilizado 5º.
Con el ángulo de salida se consigue:
o Reducir, en el volante, el esfuerzo a realizar para orientar las ruedas.
o Dar estabilidad.
o Hace que las ruedas colaboren con la cota de avance para que vuelva la dirección a su posición inicial.
El esfuerzo será máximo cuando el pivote esté paralelo (sin formar ángulo).
El esfuerzo será mínimo cuando la prolongación del eje del pivote pase por el punto de apoyo del neumático y no exista brazo resistente, entonces la dirección sería inestable.
Si el neumático tiene menor presión de lo normal, aumenta el brazo resistente, aumentando la estabilidad en la dirección pero es necesario realizar mayor esfuerzo para orientar las ruedas.
Ángulo de caída
Las manguetas no son horizontales ; están ligeramente inclinadas hacia abajo, formando un ángulo con la horizontal , en el plano transversal, llamado de caída.
El ángulo de caída es . Viene a tener un valor medio de 1º.
Con esta cota se consigue reducir el esfuerzo que se debe aplicar en la dirección en el momento de orientar las ruedas.
Por otra parte , las ruedas tienden a conservar la rueda apretada hacia el eje, como indican las flechas , evitando que se salgan, a la vez que se adaptan mejor al bombeo de la carretera.
Con ángulo positivo se reduce el desgaste de los elementos de la dirección y se facilita su manejo.
Cotas conjugadas
Las cotas de los ángulos de salida , caída y avance hacen que la prolongación del pivote corte a la línea de desplazamiento (calzada) por delante y hacia la derecha del punto de la huella del neumático.
Esto ocasiona un par de fuerzas debido a la fuerza de empuje (del motor) y la de rozamiento (del neumático), que tiende a abrir la rueda por delante (se debe corregir dando una convergencia a la rueda). Dependiendo del valor de los ángulos de salida, caída y avance, se puede invertir esta tendencia haciendo que la convergencia pueda ser positiva o negativa, y de mayor o menor valor.
Convergencia y divergencia (alineación de las ruedas)
Los planos verticales determinados por las ruedas delanteras no son paralelos, sino que convergen hacia el frente en los coches de propulsión trasera y divergen en los de tracción delantera .
Con estas cotas se consigue compensar la tendencia de las ruedas delanteras a abrirse durante la marcha en los vehículos de propulsión y a cerrarse en los de tracción.
Dirección asistida
• Dirección asistida hidráulica
Para facilitar al conductor la ejecución de las maniobras con el vehículo, se emplean las servo-direcciones o direcciones asistidas, que tienen como misión el ayudar al conductor a orientar en la dirección deseada las ruedas directrices, ayuda que es imprescindible en camiones pesados y autobuses.
Para conseguir esta ayuda puede utilizarse como fuente de energía la proporcionada por: vacío de la admisión, aire comprimido o fuerza hidráulica.
De estas tres fuentes de energía, la del vacío de la admisión es muy poco usada; el aire comprimido, queda limitado su empleo a los vehículos que lo utilizan para el mando de los frenos; la hidráulica es la más empleada. El dispositivo de la dirección asistida que utiliza esta última es la siguiente :
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Está constituido por un cilindro móvil solidario a la biela transversal de la dirección. En el interior hay un émbolo centrado, que va unido al bastidor del vehículo; por lo tanto, inmóvil. A ambos lados del émbolo puede ser enviado líquido desde una válvula de mando en la que una válvula corredera , desplazable en ambos sentidos, intercomunica o interrumpe el paso del líquido al cilindro a uno u otro lado del émbolo.
Cuando se gira el volante , se mueve el brazo del mando y, con él, la biela de la dirección que mueve ésta y, a la vez, la corredera de la válvula de mando, permitiendo el paso de líquido a un lado del émbolo; al ser el émbolo fijo, el líquido obliga a desplazarse al cilindro que, por estar unido a la barra de acoplamiento de la dirección, la mueve hacia un lado, sumándose este movimiento al directo imprimido por el volante , ayudando, con ello, a la orientación de las ruedas y, en definitiva, al conductor.
El líquido es enviado por la válvula de mando a uno u otro lado del émbolo, según se gire el volante.
La presión del líquido necesaria para conseguir el desplazamiento del cilindro unido a la biela, se consigue con una bomba de engranajes que es accionada por la correa que transmite el movimiento del cigüeñal. El líquido procede de depósito que, por un tubo, se comunica con la válvula de mando. Una válvula de descarga, instalada entre el tubo que lleva el líquido a la bomba y el de comunicación del depósito con la válvula de mando, mantiene constante la presión.
• Dirección asistida neumática
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Los grandes y rápidos camiones son difíciles de dirigir, pues sobre sus grandes cubiertas de mucha sección, gravitan grandes cargas que aumentan su resistencia al giro.
Se utilizan para su accionamiento aire a presión procedente del sistema neumático del que van dotados los vehículos con frenos de aire comprimido.
En esencia no es más que un cilindro (servo neumático) con un pistón , enlazado por medio de una eje con el brazo de mando de la dirección , para ayudar a los desplazamientos de éste. Por ambas caras del pistón puede entrar, alternativamente la presión atmosférica o el aire a presión. Esto trae como consecuencia el desplazamiento del pistón en un sentido o en otro y, por lo tanto, la ayuda en el movimiento del brazo de mando. Para que pase aire a presión, tiene una válvula de control que se acciona al iniciar el giro el volante. El aire sobrante en el cilindro sale al exterior a través de la válvula correspondiente (de destreza).
La presión del aire suministrado desde la tubería al cilindro es proporcional al desplazamiento de la varilla de control.
Mantenimiento
Como norma general, seguir las instrucciones del fabricante. Mantener el nivel de aceite correcto en la caja de engranajes, así como el engrase en los pivotes y en todas las articulaciones (rótulas).
Periódicamente se deben comprobar que no existan holguras en el sistema. Estas holguras influyen en la precisión de la dirección, ya que las ruedas pueden modificar su orientación por sí solas.
Una holgura excesiva de la dirección puede producir una avería en las ruedas, pero también puede suceder que, una avería en las ruedas o en el sistema de frenado pueden influir en el mal funcionamiento del sistema de dirección.
Una incorrecta presión de inflado en los neumáticos, así como el desequilibrado de una rueda, producen alteraciones en la dirección.
Unas cotas de dirección defectuosas producen desgaste anormal en la banda de rodadura del neumático, así un desgaste excesivo en la banda de rodadura por su parte exterior, puede ser debido a excesivo ángulo de caída, o bien de un exceso de convergencia.
Los movimientos oscilatorios en el volante de la dirección y sostenidos en la parte delantera del vehículo, denominado SHIMMY, pueden llegar a producir vibraciones que pueden afectar a los elementos de la dirección.
Entre sus posibles causas se encuentran:
o Desequilibrado de las ruedas delanteras.
o Exceso en los ángulos de caída o de salida.
o Presión de inflado incorrecta en los neumáticos.
o Cubiertas con desgaste no uniforme en su banda de rodadura, o discos deformados.
o Amortiguadores en mal estado.
o Órganos de dirección con holguras (rótulas).
Si el vehículo está dotado de dirección asistida hidráulica, se debe vigilar el nivel del depósito de líquido que alimenta al sistema. Revisar posibles fugas y el tensado de la correa.
