Cómo funciona la dirección del automóvil

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Es posible que se sorprenda al saber que cuando gira su automóvil, las ruedas delanteras no apuntan en la misma dirección.

Para que un automóvil gire suavemente, cada rueda debe seguir un círculo diferente. Dado que la rueda interior sigue un círculo con un radio más pequeño, en realidad está haciendo un giro más cerrado que la rueda exterior. Si dibuja una línea perpendicular a cada rueda, las líneas se cruzarán en el punto central del giro. La geometría del varillaje de dirección hace que la rueda interior gire más que la rueda exterior.

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Hay un par de tipos diferentes de engranajes de dirección. Los mas comunes son piñón y cremallera y bola de recirculación.

Dirección de piñón y cremallera se está convirtiendo rápidamente en el tipo de dirección más común en automóviles, camiones pequeños y SUV. En realidad, es un mecanismo bastante simple. Un conjunto de engranajes de piñón y cremallera está encerrado en un tubo de metal, con cada extremo de la cremallera sobresaliendo del tubo. Una vara, llamada tirante, se conecta a cada extremo del bastidor.

los engranaje de piñón se adjunta a la eje de direccion. Cuando gira el volante, el engranaje gira, moviendo la cremallera. La barra de acoplamiento en cada extremo del bastidor se conecta al brazo de dirección sobre el huso (ver diagrama arriba).

El conjunto de engranajes de piñón y cremallera hace dos cosas:

  • Convierte el movimiento de rotación del volante en el movimiento lineal necesario para girar las ruedas..
  • Proporciona una reducción de marcha, lo que facilita el giro de las ruedas..

En la mayoría de los automóviles, se necesitan de tres a cuatro revoluciones completas del volante para que las ruedas giren de un bloqueo a otro (de izquierda a derecha)..

los proporción de giro es la relación entre lo lejos que gira el volante y lo lejos que giran las ruedas. Por ejemplo, si una revolución completa (360 grados) del volante hace que las ruedas del automóvil giren 20 grados, entonces la relación de la dirección es 360 dividida por 20, o 18: 1. Una relación más alta significa que debe girar más el volante para que las ruedas giren una distancia determinada. Sin embargo, se requiere menos esfuerzo debido a la mayor relación de transmisión.

En general, los automóviles más ligeros y deportivos tienen relaciones de dirección más bajas que los automóviles y camiones más grandes. La relación más baja le da a la dirección una respuesta más rápida: no es necesario girar tanto el volante para que las ruedas giren una distancia determinada, lo cual es una característica deseable en los autos deportivos. Estos autos más pequeños son lo suficientemente livianos como para que incluso con la relación más baja, el esfuerzo requerido para girar el volante no sea excesivo.

Algunos autos tienen dirección de relación variable, que utiliza un conjunto de engranajes de piñón y cremallera que tiene un paso de diente diferente (número de dientes por pulgada) en el centro que en el exterior. Esto hace que el automóvil responda rápidamente al comenzar un giro (el portaequipajes está cerca del centro) y también reduce el esfuerzo cerca de los límites de giro del volante..

Poder de cremallera y piñón

Cuando la cremallera y piñón están en un sistema de dirección asistida, la cremallera tiene un diseño ligeramente diferente.

Parte de la cremallera contiene un cilindro con un pistón en el medio. El pistón está conectado al bastidor. Hay dos puertos de fluido, uno a cada lado del pistón. El suministro de fluido a mayor presión a un lado del pistón obliga al pistón a moverse, lo que a su vez mueve la cremallera, proporcionando la asistencia de potencia..

Revisaremos los componentes que proporcionan el fluido a alta presión, y también decidiremos a qué lado del bastidor suministrarlo, más adelante en el artículo. Primero, echemos un vistazo a otro tipo de dirección.

Dirección de bola de recirculación se utiliza en muchos camiones y SUV en la actualidad. El varillaje que hace girar las ruedas es ligeramente diferente al de un sistema de piñón y cremallera.

El mecanismo de dirección de recirculación de bolas contiene un engranaje helicoidal. Puede visualizar el equipo en dos partes. La primera parte es un bloque de metal con un orificio roscado. Este bloque tiene dientes de engranaje cortados en la parte exterior, que enganchan un engranaje que mueve el brazo Pitman (ver diagrama de arriba). El volante se conecta a una varilla roscada, similar a un perno, que se inserta en el orificio del bloque. Cuando el volante gira, gira el perno. En lugar de girar más en el bloque como lo haría un perno normal, este perno se mantiene fijo de modo que cuando gira, mueve el bloque, lo que mueve el engranaje que hace girar las ruedas..

En lugar de que el perno enganche directamente las roscas en el bloque, todas las roscas están llenas de rodamientos de bolas que recirculan a través del engranaje a medida que gira. Las bolas tienen dos propósitos: primero, reducen la fricción y el desgaste del engranaje; segundo, reducen agua sucia en el engranaje. La inclinación se sentiría cuando cambia la dirección del volante: sin las bolas en el mecanismo de dirección, los dientes saldrían de contacto entre sí por un momento, haciendo que el volante se sienta suelto..

La dirección asistida en un sistema de recirculación de bolas funciona de manera similar a un sistema de piñón y cremallera. La asistencia se proporciona suministrando fluido a mayor presión a un lado del bloque..

Ahora echemos un vistazo a los otros componentes que componen un sistema de dirección asistida..

Hay un par de componentes clave en dirección asistida además del mecanismo de piñón y cremallera o bola de recirculación.

Bomba

La potencia hidráulica para la dirección es proporcionada por un bomba de paletas rotativas (vea el diagrama a continuación). Esta bomba es impulsada por el motor del automóvil a través de una correa y una polea. Contiene un conjunto de paletas retráctiles que giran dentro de una cámara ovalada..

A medida que las paletas giran, extraen fluido hidráulico de la línea de retorno a baja presión y lo empujan hacia la salida a alta presión. La cantidad de flujo proporcionado por la bomba depende de la velocidad del motor del automóvil. La bomba debe estar diseñada para proporcionar un flujo adecuado cuando el motor está en ralentí. Como resultado, la bomba mueve mucho más líquido de lo necesario cuando el motor está funcionando a velocidades más rápidas..

La bomba contiene una válvula de alivio de presión para asegurarse de que la presión no sea demasiado alta, especialmente a altas velocidades del motor cuando se bombea tanto líquido.

Válvula rotatoria

Un sistema de dirección asistida debe ayudar al conductor solo cuando esté ejerciendo fuerza sobre el volante (como al comenzar un giro). Cuando el conductor no está ejerciendo fuerza (como cuando conduce en línea recta), el sistema no debería proporcionar ninguna ayuda. El dispositivo que detecta la fuerza en el volante se llama válvula rotatoria.

La clave de la válvula rotativa es un barra de torsión. La barra de torsión es una barra delgada de metal que se retuerce cuando se le aplica torque. La parte superior de la barra está conectada al volante y la parte inferior de la barra está conectada al piñón o engranaje helicoidal (que hace girar las ruedas), por lo que la cantidad de torque en la barra de torsión es igual a la cantidad de torque que el el conductor está usando para girar las ruedas. Cuanto más torque usa el conductor para girar las ruedas, más se tuerce la barra.

La entrada del eje de dirección forma la parte interior de un conjunto de válvula de carrete. También se conecta al extremo superior del barra de torsión. La parte inferior de la barra de torsión se conecta a la parte exterior de la válvula de carrete. La barra de torsión también gira la salida del mecanismo de dirección, conectándose al engranaje de piñón o al engranaje helicoidal, dependiendo del tipo de dirección que tenga el automóvil..

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Animación que muestra lo que sucede dentro de la válvula giratoria cuando comienza a girar el volante por primera vez

A medida que la barra gira, hace girar el interior de la válvula de carrete en relación con el exterior. Dado que la parte interior de la válvula de carrete también está conectada al eje de la dirección (y por lo tanto al volante), la cantidad de rotación entre las partes interior y exterior de la válvula de carrete depende de la cantidad de torque que el conductor aplica al volante..

Cuando no se gira el volante, ambas líneas hidráulicas proporcionan la misma cantidad de presión al mecanismo de dirección. Pero si la válvula de carrete se gira de una manera u otra, los puertos se abren para proporcionar fluido a alta presión a la línea adecuada.

Resulta que este tipo de sistema de dirección asistida es bastante ineficiente. Echemos un vistazo a algunos avances que veremos en los próximos años que ayudarán a mejorar la eficiencia..

Dado que la bomba de la dirección asistida en la mayoría de los automóviles funciona constantemente, bombeando líquido todo el tiempo, desperdicia caballos de fuerza. Esta energía desperdiciada se traduce en combustible desperdiciado.

Puede esperar ver varias innovaciones que mejorarán el ahorro de combustible. Una de las ideas más interesantes en la mesa de dibujo es el sistema de "conducción por cable" o "conducción por cable". Estos sistemas eliminarían por completo la conexión mecánica entre el volante y la dirección, reemplazándola por un sistema de control puramente electrónico. Básicamente, el volante funcionaría como el que puedes comprar para jugar en la computadora de tu casa. Contendría sensores que le dijeran al automóvil lo que el conductor está haciendo con el volante y algunos motores para proporcionarle al conductor información sobre lo que está haciendo el automóvil. La salida de estos sensores se utilizaría para controlar un sistema de dirección motorizado. Esto liberaría espacio en el compartimiento del motor al eliminar el eje de dirección. También reduciría la vibración dentro del automóvil..

General Motors ha introducido un automóvil conceptual, el Hy-wire, que presenta este tipo de sistema de conducción. Una de las cosas más emocionantes del sistema drive-by-wire en el GM Hy-wire es que puede ajustar el manejo del vehículo sin cambiar nada en los componentes mecánicos del automóvil; todo lo que se necesita para ajustar la dirección es una computadora nueva software. En futuros vehículos drive-by-wire, lo más probable es que pueda configurar los controles exactamente a su gusto presionando algunos botones, al igual que podría ajustar la posición del asiento en un automóvil hoy. En este tipo de sistema también sería posible almacenar preferencias de control distintas para cada conductor de la familia..

En los últimos cincuenta años, los sistemas de dirección de los automóviles no han cambiado mucho. Pero en la próxima década, veremos avances en la dirección de los automóviles que darán como resultado automóviles más eficientes y una conducción más cómoda..

Para obtener más información sobre los sistemas de dirección y temas relacionados, consulte los enlaces en la página siguiente..

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