Sistema de Dirección 2da parte

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En estos últimos años se esta utilizando cada vez mas este sistema de dirección, denominada dirección eléctrica. La dirección eléctrica se empezó a utilizar en vehículos pequeños (utilitarios) pero ya se esta utilizando en vehículos del segmento medio, como ejemplo: la utilizada por el Renault Megane.
En este tipo de dirección se suprime todo el circuito hidráulico formado por la bomba de alta presión, depósito, válvula distribuidora y canalizaciones que formaban parte de las servodirecciones hidráulicas. Todo esto se sustituye por un motor eléctrico que acciona una reductora (corona + tornillo sinfín) que a su vez mueve la cremallera de la dirección.

Sus principales ventajas son:

♦ Se suprimen los componentes hidráulicos, como la bomba de aceite para servoasistencia, entubados flexibles, depósitos de aceite y filtros
♦ Se elimina el líquido hidráulico
♦ Reducción del espacio requerido, los componentes de servoasistencia van instalados y actúan directamente en la caja de la dirección.
♦ Menor sonoridad
♦ Reducción del consumo energético. A diferencia de la dirección hidráulica, que requiere un caudal volumétrico permanente, la dirección asistida electromecánica solamente consume energía cuando realmente se mueve la dirección. Con esta absorción de potencia en función de las necesidades se reduce también el consumo de combustible (aprox. 0,2 L cada 100 km)
♦ Se elimina el complejo entubado flexible y cableado.
♦ El conductor obtiene una sensación óptima al volante en cualquier situación, a través de una buena estabilidad rectilínea, una respuesta directa, pero suave al movimiento del volante y sin reacciones desagradables sobre pavimento irregular.

Como se puede ver, este sistema de dirección se simplifica y es mucho mas sencillo que los utilizados hasta ahora.

Sus inconvenientes son:

Estar limitado en su aplicación a todos los vehículos (limitación que no tiene el sistema de dirección hidráulica) ya que dependiendo del peso del vehículo y del tamaño de las ruedas, este sistema no es valido. A mayor peso del vehículo normalmente mas grandes son las ruedas tanto en altura como en anchura, por lo que mayor es el esfuerzo que tiene que desarrollar el sistema de dirección, teniendo en cuenta que en las direcciones eléctricas todo la fuerza de asistencia la genera un motor eléctrico, cuanto mayor sea la asistencia a generar por la dirección, mayor tendrá que ser el tamaño del motor, por lo que mayor será la intensidad eléctrica consumida por el mismo.
Un excesivo consumo eléctrico por parte del motor eléctrico del sistema de dirección, no es factible, ya que la capacidad eléctrica del sistema de carga del vehículo esta limitada. Este inconveniente es el que impide que este sistema de dirección se pueda aplicar a todos los vehículos, ya que por lo demás todo son ventajas.

Estructura y componentes



En la dirección asistida electromecánica cuenta con doble piñón. Se aplica la fuerza necesaria para el mando de la dirección a través de uno de los piñones llamado "piñón de dirección" y a través del otro piñón llamado "piñón de accionamiento". El piñón de dirección transmite los pares de dirección aplicados por el conductor y el piñón de accionamiento transmite, a través de un engranaje de sin fin, el par de servoasistencia del motor eléctrico para hacer el gobierno de la dirección mas fácil..
Este motor eléctrico con unidad de control y sistema de sensores para la servoasistencia de la dirección va asociado al segundo piñón. Con esta configuración está dada una comunicación mecánica entre el volante y la cremallera. De esa forma se sigue pudiendo dirigir mecánicamente el vehículo en caso de averiarse el servomotor.



Funcionamiento

1 El ciclo de servoasistencia de dirección comienza al momento en que el conductor mueve el volante.
2 Como respuesta al par de giro del volante se tuerce una barra de torsión en la caja de dirección. El sensor de par de dirección (situado en la caja de dirección) capta la magnitud de la torsión e informa sobre el par de dirección detectado a la unidad de control de dirección asistida.
3 El sensor de ángulo de dirección, informa sobre el ángulo momentáneo y el sensor de régimen del rotor del motor eléctrico informa sobre la velocidad actual con que se mueve el volante.
4 En función del par de dirección, la velocidad de marcha del vehículo, el régimen del motor de combustión, el ángulo de dirección, la velocidad de mando de la dirección y las curvas características implementadas en la unidad de control, ésta calcula el par de servoasistencia necesario para el caso concreto y excita correspondientemente el motor eléctrico.
5 La servoasistencia a la dirección se realiza a través de un segundo piñón que actúa paralelamente sobre la cremallera. Este piñón es accionado por un motor eléctrico. El motor ataca hacia la cremallera a través de un engranaje de sin fin y un piñón de accionamiento y transmite así la fuerza de asistencia para la dirección.
6 La suma compuesta por el par de giro aplicado al volante y el par de servoasistencia constituye el par eficaz en la caja de dirección para el movimiento de la cremallera.



Funcionamiento de la dirección al estacionar

1 El conductor gira bastante el volante para poder aparcar.
2 La barra de torsión se tuerce. El sensor del par de dirección detecta la torsión e informa a la unidad de control de que se está aplicando al volante un par de dirección intenso.
3 El sensor de ángulo de dirección avisa que hay un ángulo de dirección pronunciado y el sensor de régimen del rotor informa sobre la velocidad del mando actual de la dirección.
4 Previo análisis de las magnitudes correspondientes al par de dirección, la velocidad de marcha del vehículo de 0 km/h, el régimen del motor de combustión, el pronunciado
ángulo de dirección, la velocidad de mando de la dirección y, en función de las curvas características implementadas en la unidad de control para v = 0 km/h, la unidad de control determina la necesidad de aportar un intenso par de servoasistencia y excita correspondientemente el motor eléctrico.
5 En las maniobras de aparcamiento se aporta de ese modo la servoasistencia máxima para la dirección a través del segundo piñón que actúa paralelamente sobre la cremallera.
6 La suma del par aplicado al volante y el par de servoasistencia máximo viene a ser el par eficaz en la caja de dirección para el movimiento de la cremallera en maniobras de
aparcamiento.



Funcionamiento de la dirección circulando en ciudad

1 El conductor mueve el volante al recorrer una curva en tráfico urbano.
2 La barra de torsión se tuerce. El sensor de par de dirección detecta la torsión y avisa a la unidad de control de que hay un par de dirección, de mediana intensidad, aplicado al volante de la dirección.
3 El sensor de ángulo de dirección avisa que hay un ángulo de dirección de mediana magnitud y el sensor de régimen del rotor informa sobre la velocidad momentánea con que se mueve el volante.
4 Previo análisis del par de dirección de mediana magnitud, la velocidad de marcha del vehículo de 50 km/h, el régimen del motor de combustión, un ángulo de dirección de mediana magnitud y la velocidad con que se mueve el volante, así como en función de las curvas características implementadas en la unidad de control para v = 50 km/h, la unidad de control determina la necesidad de aportar un par de servoasistencia de mediana magnitud y excita correspondientemente el motor eléctrico.
5 Al recorrer una curva se produce así una servoasistencia de mediana magnitud para la dirección a través del segundo piñón, que actúa paralelamente sobre la cremallera.
6 La suma compuesta por el par de giro aplicado al volante y el par de servoasistencia de mediana magnitud viene a ser el par eficaz en la caja de la dirección para el
movimiento de la cremallera al recorrer una curva en el tráfico urbano.



Funcionamiento de la dirección circulando en autopista

1 Al cambiar de carril, el conductor mueve el volante en pequeña magnitud.
2 La barra de torsión se tuerce. El sensor de par de dirección detecta la torsión y avisa a la unidad de control de que está aplicado un leve par de dirección al volante.
3 El sensor de ángulo de dirección avisa que está dado un pequeño ángulo de dirección y el sensor de régimen del rotor avisa sobre la velocidad momentánea con que se acciona el volante.
4 Previo análisis del par de dirección de baja magnitud, la velocidad de marcha del vehículo de 100 km/h, el régimen del motor de combustión, un pequeño ángulo de dirección y la velocidad con que se acciona el volante, y en función de las curvas características implementadas en la unidad de control para v = 100 km/h, la unidad de control determina la necesidad de aportar ya sea un par de dirección leve o no aportar ningún par de dirección, y excita correspondientemente el motor eléctrico.
5 Al mover la dirección circulando en autopista se realiza de esta forma la servoasistencia de baja magnitud o bien no se aporta ninguna servoasistencia a través del segundo piñón que actúa paralelamente sobre la cremallera.
6 La suma compuesta por el par de giro aplicado al volante y un mínimo par de servoasistencia viene a ser el par eficaz para el movimiento de la cremallera en un cambio de carril.



Funcionamiento de la dirección en "retrogiro activo"

1 Si el conductor reduce el par de dirección al circular en una curva, la barra de torsión se relaja correspondientemente.
2 En combinación con el descenso del par de dirección, teniendo en cuenta el ángulo de dirección y la velocidad con que se acciona el volante, el sistema calcula una velocidad
teórica para el retrogiro y la compara con la velocidad de mando de la dirección. De ahí se calcula el par de retrogiro.
3 La geometría del eje hace que se produzcan fuerzas de retrogiro en las ruedas viradas. Las fricciones en el sistema de la dirección y del eje suelen hacer que las fuerzas de
retrogiro sean demasiado bajas como para poder devolver las ruedas a su posición de marcha recta.
4 Previo análisis del par de dirección, la velocidad de marcha del vehículo, el régimen del motor de combustión, el ángulo de dirección y la velocidad con que se gira el volante, así como en función de las curvas características implementadas en la unidad de control, ésta calcula el par que debe aportar el motor eléctrico para el retrogiro de la dirección.
5 El motor es excitado correspondientemente y las ruedas vuelven a la posición de marcha recta.



Funcionamiento corrección de marcha recta

La corrección de marcha recta es una función que se deriva del retrogiro activo. Aquí se genera un par de servoasistencia para que el vehículo vuelva a la marcha rectilínea exenta de momentos de fuerza. El sistema distingue entre un algoritmo de corto y uno de largo plazo.

♦ El algoritmo de largo plazo está dedicado a compensar las discrepancias a largo plazo que surgen con respecto a la marcha rectilínea, por ejemplo debido al cambio de neumáticos de verano por neumáticos de invierno (usados).

♦ El algoritmo de corto plazo corrige discrepancias de duración breve. Con ello se respalda al conductor, evitando que por ejemplo tenga que «contravolantear» continuamente al circular habiendo viento lateral constante.

1 Una fuerza lateral constante, por ejemplo la del viento lateral, actúa sobre el vehículo.
2 El conductor tuerce un poco el volante, para mantener el vehículo en marcha recta.
3 Analizando el par de dirección, la velocidad de marcha del vehículo, el régimen del motor de combustión, el ángulo de dirección, la velocidad de mando de la dirección y actuando en función de las curvas características implementadas en la unidad de control, ésta calcula el par que debe aportar el motor eléctrico para la corrección de la marcha recta.
4 El motor eléctrico de la dirección es excitado correspondientemente. El vehículo adopta la trayectoria de marcha recta. El conductor ya no tiene que dar «contravolante».



Diagrama de los elementos que intervienen en la gestión electrónica de la dirección electromecánica



Sensor de ángulo de dirección
El sensor de ángulo de dirección va situado detrás del anillo retractor con el anillo colector para el sistema airbag. Se instala en la columna de dirección, entre el mando combinado y el volante.
Suministra la señal para la determinación del ángulo de dirección, destinándola a la unidad de control para electrónica de la columna de dirección a través del CAN-Bus de datos.
En la unidad de control para electrónica de la columna de dirección se encuentra el analizador electrónico para estas señales.

Efectos en caso de avería
Si se avería el sensor se pone en vigor un programa de emergencia. La señal faltante se sustituye por un valor supletorio.
La servoasistencia para la dirección se conserva plenamente La avería se indica encendiéndose el testigo de averías del cuadro de instrumentos.



Los componentes básicos del sensor de ángulo de dirección son:

♦ un disco de codificación con dos anillos
♦ parejas de barreras luminosas con una fuente de luz y un sensor óptico cada una

El disco de codificación consta de dos anillos, el anillo exterior de valores absolutos y el anillo interior de valores incrementales.

El anillo de incrementos esta dividido en 5 segmentos de 72º cada uno y es explorado por una pareja de barreras luminosas. El anillo tiene almenas en el segmento. El orden de sucesión de las almenas es invariable dentro de un mismo segmento, pero difiere de un segmento a otro. De ahí resulta la codificación de los segmentos.
El anillo de absolutos viene a determinar el ángulo. Es explorado por 6 parejas de barreras luminosas.

El sensor de ángulo de dirección puede detectar 1044º de ángulo (casi 3 vueltas de volante). Se dedica a sumar los grados angulares. De esa forma, al sobrepasar la marca de los 360º reconoce que se ha ejecutado una vuelta completa del volante.
La configuración especifica de la caja de la dirección permite dar 2,76 vueltas al volante de la dirección.



Si por simplificar la explicación se contempla solamente el anillo de incrementos, se aprecia por un lado del anillo la fuente luminosa y por el otro el sensor óptico (figura inferior)..
La medición del ángulo se realiza según el principio de la barrera luminosa. Cuando la luz incide en el sensor al pasar por una almena del anillo se engendra una señal de tensión. Al cubrirse la fuente luminosa se vuelve a interrumpir la tensión de la señal.
Al mover ahora el anillo de incrementos se produce una secuencia de señales de tensión.

De esa misma forma se genera una secuencia de señales de tensión en cada pareja de barreras luminosas aplicadas al anillo de valores absolutos.
Todas las secuencias de señales de tensión se procesan en la unidad de control para electrónica de la columna de dirección.
Previa comparación de las señales, el sistema puede calcular a qué grados han sido movidos los anillos. Durante esa operación determina también el punto de inicio del movimiento en el anillo de valores absolutos.



Sensor de par de dirección
El par de mando a la dirección se mide con ayuda del sensor de par de dirección directamente en el piñón de dirección. El sensor trabaja según el principio magnetorresistivo.
Está configurado de forma doble (redundante), para establecer el mayor nivel de fiabilidad posible.



El sensor del par de giro acopla la columna y la caja de dirección a través de una barra de torsión. El elemento de conexión hacia la columna posee una rueda polar magnética, en
la que se alternan 24 zonas de diferente polaridad magnética.
Para el análisis de los pares de fuerza se emplean dos polos respectivamente.
La contrapieza es un elemento sensor magnetorresistivo, que va fijado a la pieza de conexión hacia la caja de la dirección.
Al ser movido el volante se decalan ambas piezas de conexión entre sí en función del par que interviene.
En virtud de que con ello también se decala la rueda polar magnética con respecto al elemento sensor, resulta posible medir el par aplicado a la dirección de esa forma y se lo puede transmitir a la unidad de control en forma de señal.



Efectos en caso de avería
Si se avería el sensor de par de dirección se tiene que sustituir la caja de la dirección. Si se detecta un defecto se desactiva la servoasistencia para la dirección. La desactivación no se realiza de forma repentina, sino «suave». Para conseguir esta desactivación «suave» la unidad de control calcula una señal supletoria para el par de dirección, tomando como base los ángulos de dirección y del rotor del motor eléctrico. Si ocurre una avería se la visualiza
encendiéndose en rojo el testigo luminoso del cuadro de instrumentos.



Sensor de régimen del rotor
El sensor de régimen del rotor es parte integrante del motor para la dirección asistida electromecánica. No es accesible por fuera.

Aplicaciones de la señal
El sensor de régimen del rotor trabaja según el principio magnetorresistivo y su diseño es igual que el del sensor del par de dirección.
Detecta el régimen de revoluciones del rotor que tiene el motor eléctrico para la dirección asistida electromecánica; este dato se necesita para poder excitar el motor con la debida precisión.

Efectos en caso de avería
Si se avería el sensor se emplea la velocidad de ángulo de dirección a manera de señal supletoria.
La asistencia a la dirección se reduce de forma segura. De ese modo se evita que se interrumpa de golpe la servoasistencia en caso de averiarse el sensor. La avería se indica encendiéndose en rojo el testigo luminoso del cuadro de instrumentos.



Velocidad de marcha del vehículo
La señal de la velocidad de marcha del vehículo es suministrada por la unidad de control para ABS.

Efectos en caso de avería
Si se ausenta la señal de velocidad de marcha del vehículo se pone en vigor un programa de marcha de emergencia. El conductor dispone de la plena servoasistencia a la dirección, pero se ausenta la función Servotronic. La avería se visualiza encendiéndose en amarillo el testigo luminoso del cuadro de instrumentos.



Sensor de régimen del motor
El sensor de régimen del motor es un sensor Hall. Va atornillado a la carcasa de la brida de estanqueidad del cigüeñal.

Aplicaciones de la señal
La señal del sensor de régimen del motor es utilizada por la unidad de control del motor para detectar el número de vueltas del motor y la posición exacta del cigüeñal.

Efectos en caso de avería
Si se avería el sensor de régimen del motor, la dirección pasa a funcionar con borne 15. La avería no se visualiza con el testigo luminoso


Motor eléctrico
El motor eléctrico es una versión de motor asíncrono sin escobillas. Desarrolla un par máximo de 4,1 Nm para servoasistencia a la dirección.
Los motores asíncronos no poseen campo magnético permanente ni excitación eléctrica. La característica que les da el nombre reside en una diferencia entre la frecuencia de la tensión aplicada y la frecuencia de giro del motor. Estas dos frecuencias no son iguales, en virtud de lo cual se trata de un fenómeno de asincronía.
Los motores asíncronos son de construcción sencilla (sin escobillas), lo cual los hace muy fiables en su funcionamiento. Tienen una respuesta muy breve, con lo cual resultan adecuados para movimientos muy rápidos de la dirección.
El motor eléctrico va integrado en una carcasa de aluminio. A través de un engranaje de sin fin y un piñón de accionamiento ataca contra la cremallera y transmite así la fuerza de servoasistencia para la dirección. En el extremo del eje por el lado de control va instalado un imán, al cual recurre la unidad de control para detectar el régimen del rotor. La unidad de control utiliza esta señal para determinar la velocidad de mando de la dirección.



Efectos en caso de avería
Una ventaja del motor asíncrono consiste en que también es movible a través de la caja de la dirección al no tener corriente aplicada.
Esto significa, que también en caso de averiarse el motor y ausentarse por ello la servoasistencia, sigue siendo posible mover la dirección aplicando una fuerza sólo un poco superior. Incluso en caso de un cortocircuito el motor no se bloquea. Si el motor se avería, el sistema lo visualiza encendiéndose en rojo el testigo luminoso del cuadro de instrumentos.


Unidad de control para la dirección
La unidad de control para dirección asistida va fijada directamente al motor eléctrico, con lo cual se suprime un cableado complejo hacia los componentes de la servodirección.
Basándose en las señales de entrada, tales como:

♦ la señal del sensor de ángulo de dirección,
♦ la señal del sensor de régimen del motor,
♦ el par de dirección y el régimen del rotor,
♦ la señal de velocidad de marcha del vehículo
♦ la señal de que se identificó la llave de contacto en la unidad de control.

La unidad de control calcula las necesidades momentáneas de servoasistencia para la dirección. Calcula la intensidad de corriente excitadora y excita correspondientemente el
motor eléctrico.
La unidad de control tiene integrado un sensor térmico para detectar la temperatura del sistema de dirección. Si la temperatura asciende por encima de los 100 °C se reduce de forma continua la servoasistencia para la dirección.
Si la servoasistencia a la dirección cae por debajo de un valor de 60%, el testigo luminoso para dirección asistida se enciende en amarillo y se inscribe una avería en la memoria.



La familia de características y sus curvas
La regulación de la servoasistencia para la dirección se lleva a cabo recurriendo a una familia de características almacenada en la memoria permanente de programas de la unidad de control. Esta memoria abarca hasta 16 diferentes familias de características. Por ejemplo, en el caso del Golf 2004 se utilizan 8 familias de características de entre todas las disponibles.
Según el planteamiento (p. ej. el peso del vehículo) se activa en fábrica una familia de características específica.
Sin embargo, también en el Servicio Postventa es posible activar la familia de características con ayuda del sistema de diagnosis. Esto resulta necesario, p. ej., si se sustiuye la unidad de control de la dirección.

Como ejemplos se han seleccionado aquí respectivamente una familia de características para un vehículo pesado y una para uno ligero de entre las 8 familias de características implementadas para el Golf
2004. Una familia de características contiene cinco diferentes curvas asignadas a diferentes velocidades del vehículo (p. ej. 0 km/h, 15 km/h, 50 km/h, 100 km/h y 250 km/h). Una curva de la familia de característica expresa el par de dirección a que el motor eléctrico aporta mas o menos servoasistencia para hacer mas fácil y preciso el manejo de la dirección teniendo en cuenta variables como por ejemplo: el peso del vehículo.



Efectos en caso de avería
Si se avería la unidad de control para dirección asistida se la puede sustituir completa.
La familia de características correspondiente en la memoria no volátil para programas de la unidad de control tiene que ser activada por medio del sistema de diagnosis.


Testigo luminoso de averías
El testigo luminoso se encuentra en la unidad indicadora del cuadro de instrumentos. Se utiliza para avisar sobre funciones anómalas o fallos en la dirección asistida electromecánica.
El testigo luminoso puede adoptar dos diferentes colores para indicar funciones anómalas. Si se enciende en amarillo, significa un aviso de menor importancia. Si el testigo luminoso se enciende en rojo hay que acudir de inmediato a un taller. Cuando el testigo luminoso se enciende en rojo suena al mismo tiempo una señal de aviso acústico en forma de un gong triple.



Al conectar el encendido, el testigo se enciende en rojo, porque el sistema de la dirección asistida electromecánica lleva a cabo un ciclo de autochequeo.
Sólo a partir del momento en que llega la señal procedente de la unidad de control para dirección asistida, según la cual el sistema trabaja de forma correcta, es cuando el testigo
se apaga. Este ciclo de autochequeo tarda unos dos segundos. El testigo se apaga de inmediato en cuanto se arranca el motor.




Particularidad

Baterías descargadas
El sistema detecta tensiones bajas y reacciona ante éstas. Si la tensión de la batería desciende por debajo de los 9 voltios se reduce la servoasistencia para la dirección hasta llegar a su desactivación y se enciende el testigo luminoso en rojo.
Si surgen caídas breves de tensión por debajo de 9 voltios el testigo luce en amarillo.



Diagnosis
Los componentes del sistema de la dirección asistida electromecánica son susceptibles de autodiagnosis.

Autoadaptación de los topes de la dirección
Para evitar topes mecánicos secos de la dirección se procede a limitar el ángulo de mando por medio de software.
El «tope de software» y, con éste, la amortiguación del mando se activan al llegar el volante a un ángulo de aprox. 5° antes del tope mecánico.
El par de servoasistencia se reduce durante esa operación en función del ángulo y par de dirección.

Otros fabricantes de vehículos utilizan otro tipo de sistemas de dirección electromecánica, cuyo diseño es diferente al anterior.

El fabricante Renault utiliza el siguiente sistema:
En la figura inferior se pueden ver los elementos que forman la dirección electromecánica, falta la parte de la columna de dirección que mueve el piñón que a su vez acciona la cremallera.



En la figura inferior se puede ver el esquema eléctrico donde se aprecia la centralita o módulo electrónico, que controla el motor eléctrico y que recibe información del estado de la dirección a través de los sensores de la posición del motor eléctrico y del captador óptico de par/volante que mide la desviación que hay en la barra de torsión entre su parte superior y su parte inferior, este valor compara el esfuerzo que hace el conductor en mover el volante y la asistencia que proporciona el motor eléctrico. La centralita con esta información mas la que recibe a través de la red multiplexada (CANbus) y teniendo en cuenta un campo característico que tiene en memoria, genera una señal en forma de corriente eléctrica que es la que gobierna el motor eléctrico.



El captador de par y ángulo del volante, utiliza dos discos solidarios unidos por una barra de torsión que esta debilitada en su centro, esto es para que permita un cierto retorcimiento cuando las fuerzas son distintas en sus extremos. Unos rayos de luz atraviesan las ventanas practicadas en los discos, esto sirve en primer lugar para conocer la posición angular del volante, es decir para saber cuanto se ha girado el volante. En segundo lugar cuando las fuerzas que se aplican en los extremos de la barra de torsión son distintas, las ventanas del disco superior no coinciden con las del disco inferior, esto provoca que el rayo de luz no llegue en su totalidad y parte de la luz que envía el emisor no es recibida por el receptor del captador óptico.



El fabricante Opel (General Motors) utiliza este tipo de dirección electromecánica




Para que le funcionamiento de la de dirección resulte adecuado, es preciso que los elementos que lo forman cumplan unas determinadas condiciones, llamadas cotas de dirección o geometría de dirección, mediante las cuales, se logra que las ruedas obedezcan fácilmente al volante de la dirección y no se altere su orientación por las irregularidades del terreno o al efectuar una frenada, resultando así la dirección segura y de suave manejo. También debe retornar a la linea recta y mantenerse en ella al soltar el volante después de realizar una curva.
Las cotas que determinan la geometría del sistema de dirección son:

♦ Ángulo de salida
♦ Ángulo de caída
♦ Ángulo de avance
♦ Cotas conjugadas
♦ Convergencia de las ruedas

Los nombres con que se han identificado los ángulos son los mas habituales, pero en bibliografía de origen no hispano pueden encontrarse que al avance se le llama Caster, a la salida kin-pin inclination, a la caída Camber, la convergencia Toe-in y la divergencia Toe-aut.





Ángulo de salida
Se llama ángulo de salida al ángulo (As) que forman la prolongación del eje del pivote, sobre el que gira la rueda para orientarse, con la prolongación del eje vertical que pasa por el centro de apoyo de la rueda y cuyo vértice coincide en A´. Este ángulo suele estar comprometido entre 5 y 10º, siendo en la mayoría de los vehículos de 6 a 7º.
Esta disposición del pivote sobre el que se mueve la mangueta reduce el esfuerzo a realizar para la orientación de la rueda ya que, depende directamente de la distancia "d" (figura inferior) cuanto menor sea "d" menor será el esfuerzo a realizar con el volante para orientar las ruedas. Este esfuerzo será nulo cuando el eje del pivote pase por el punto "A", centro de la superficie de contacto del neumático con el suelo. En este caso solo habría que vencer el esfuerzo de resistencia de rodadura (Fr) correspondiente al ancho del neumático, ya que el par de giro seria nulo. En la practica "d" no puede ser cero ya que, entonces la dirección se volvería inestable.



De la inclinación del eje del pivote resultan fuerzas de retroceso, las cuales, después del paso de una curva, hacen volver a las ruedas a la posición en linea recta en sentido de la marcha. Esto es debido a que al orientar la rueda para tomar una curva, como gira sobre el eje de pivote y éste esta inclinado. la rueda tiende a hundirse en el suelo, y como no puede hacerlo, es la carrocería la que se levanta, oponiendose a esto su propio peso, por lo cual, en cuanto se suelte el volante de la dirección, el peso de la carrocería, que tiende a bajar, hará volver la rueda a su posición de marcha en linea recta.
Además el ángulo de salida, minimiza el efecto de las irregularidades de la carretera en el ensamblaje del conjunto de dirección.



La presión de inflado de los neumáticos tiene una importancia vital en este ángulo, pues con menor presión, el punto "A´" se desplaza mas hacia abajo, aumentando la distancia "d" y, por tanto, el esfuerzo para girar las ruedas.

Ángulo de caída
Se llama ángulo de caída al ángulo"Ac" que forma la prolongación del eje de simetría de la rueda con el vertical que pasa por el centro de apoyo de la rueda.
Este ángulo se consigue dando al eje de la mangueta una cierta inclinación con respecto a la horizontal. Tiene por objeto desplazar el peso del vehículo que gravita sobre este eje hacia el interior de la mangueta, disminuyendo así el empuje lateral de los cojinetes sobre los que se apoya la rueda.



La mangueta esta sometida a esfuerzos de flexión equivalentes a peso que sobre ella gravita (P) por su brazo de palanca (d). Con el ángulo de caída lo que se busca es reducir el brazo de palanca o distancia (d), por ello al inclinar la rueda, se desplaza el punto de reacción (A) hacia el pivote, con lo que el brazo de palanca o distancia (d) se reduce y, por tanto, también se reduce el esfuerzo a que están sometidos los rodamientos de la mangueta.
El valor del ángulo de caída (Ac), que suele estar comprendido entre treinta minutos y un grado, hace disminuir el ángulo de salida (As), aunque mantiene se mantiene dentro de unos limites suficientes.



Ángulo de avance
Se llama ángulo de avance, al ángulo (Aa) que forma la prolongación del eje del pivote con el eje vertical que pasa por el centro de la rueda y en el sentido de avance de la misma.
Cuando el empuje del vehículo se realiza desde las ruedas traseras (propulsión), el eje delantero es arrastrado desde atrás, lo que supone una inestabilidad en la dirección. Esto se corrige dando al pivote un cierto ángulo de avance (Aa), de forma que su eje corte a la linea de desplazamiento un poco por delante del punto (A) de apoyo de la rueda. Con ello aparece una acción de remolque en la propia rueda que da fijeza a la dirección, haciendo que el punto (A) de apoyo tienda a estar siempre en linea recta y por detrás de (B) punto de impulsión.
Al girar la dirección para tomar una curva la rueda se orienta sobre el punto (B) fijado para el avance: esto hace que el punto (A) se desplace hasta (A´), creandose un par de fuerzas que tiende a volver a la rueda a su posición de linea recta ya que, en esta posición, al ser (d = 0), desaparece el par.



De esta forma se consigue dar a la dirección fijeza y estabilidad, ya que las desviaciones que pueda tomar la rueda por las desigualdades del terreno, forman este par de fuerzas que la hacen volver a su posición de linea recta.
El avance debe ser tal, que cumpla la misión encomendada sin perturbar otras condiciones direccionales. Si este ángulo es grande, el par creado también lo es, haciendo que las ruedas se orienten violentamente. Si el ángulo es pequeño o insuficiente, el par de orientación también lo es, resultando una dirección inestable.
El ángulo de avance suele estar comprendido entre 0 y 4º para vehículos con motor delantero y de 6 a 12º para vehículos con motor trasero.



Cotas conjugadas
Las cotas de salida y caída hacen que el avance corte a la linea de desplazamiento por delante y hacia la derecha de punto (A). De ello resulta que, para vehículos de propulsión trasera, el empuje que se transmite el eje delantero pasa de éste a la rueda por el pivote, teniendo su punto de tiro en la rueda sobre el punto (B). Como la resistencia de rodadura actúa sobre su punto de apoyo (A), resulta un par de fuerzas que tiende a abrir la rueda por delante, debiendo dar una convergencia a la rueda para corregir esta tendencia.
La convergencia será tanto mayor cuanto mas adelantado y hacia la derecha se encuentre el punto (B). Esta posición viene determinada por los ángulos de caída, salida y avance, lo que quiere decir que la convergencia depende directamente de estas tres cotas.



En vehículos con tracción delantera, la fuerza de empuje está aplicada al mismo punto de apoyo de la rueda, siendo las ruedas traseras remolcadas sin ejercer efecto alguno sobre la dirección. No obstante, se les da un pequeño avance para mantener estable la dirección resultando, junto a las cotas de salida y caída, una convergencia que pueda ser positiva o negativa.


Convergencia
La convergencia o paralelismo de las ruedas delanteras es la posición que ocupan las dos ruedas con respecto al eje longitudinal del vehículo. Este valor se mide en milímetros y es la diferencia de distancia existente entre las partes delanteras y traseras de las llantas a la altura de la mangueta; está entre 1 y 10 mm para vehículos con propulsión y cero a menos 2 mm para vehículos con tracción.
El ángulo de caída (Ac) y el de salida (As) hace que la rueda esté inclinada respecto al terreno y que al rodar lo haga sobre la generatriz de un "cono" lo que implica que las ruedas tienden a abrirse. Para corregir esto se cierran las ruedas por su parte delantera, con lo que adelanta el vértice del cono en el sentido de la marcha.



La convergencia también contrarresta el par de orientación que se forma entre el empuje y el rozamiento de la rueda y que tiende a abrirla, siendo esta la razón de que los coches con propulsión tengan mayor convergencia que los de tracción, en efecto: debido al avance y salida, la prolongación del pivote corta al suelo en un punto mas adelantado y hacia el centro que el de apoyo del neumático. Si el coche lleva propulsión, la fuerza de empuje se transmite a la rueda delantera a través del pivote y la de resistencia se aplica en el punto de contacto del neumático, esto origina un par de giro que tiende a abrir las ruedas delanteras, cosa que no ocurre en vehículos con tracción ya que la fuerza se aplica en el punto de contacto.



El ángulo de convergencia (Av) o desviación angular de las ruedas con respecto a la dirección de marcha, se expresa en función de las distancias (A) y (B) y de la cota (h), o bien, del diámetro de la llanta (d). La formula para calcular este ángulo es:



El que el valor de la convergencia pueda ser positivo o negativo (divergencia) depende de los valores que tengan los ángulos de caída, salida y, ademas, de que el vehículo sea de tracción delantera o propulsión trasera. El valor de esta convergencia viene determinado por los valores de las cotas de caída, salida y avance.



La convergencia, determinada en función del resto de las cotas de dirección, debe mantenerse dentro de los limites establecidos por el fabricante ya que, cualquier alteración produce la inestabilidad en la dirección; además debe ser igual en las dos ruedas.
Una convergencia excesiva, al producir mayor tendencia en la orientación de las ruedas para seguir la trayectoria en linea recta, produce un desgaste irregular en los neumáticos que se manifiesta por el desgaste lateral que se produce en su banda de rodadura.

♦ En los vehículos con propulsión trasera, la resistencia a la rodadura de las ruedas delanteras crea un par que tiende a abrir ambas ruedas, para compensar este efecto, se contrarresta con un ángulo de convergencia positivo.
♦ En el caso de vehículos con tracción delantera, el problemas es distinto, el esfuerzo de tracción de las ruedas produce un par que actúa en sentido contrario que en el caso anterior, es decir tendiendo a cerrar las ruedas en vez de abrirlas, por consiguiente para compensar esta tendencia será necesario dar a las ruedas un ángulo de convergencia negativo (divergencia).

Una excesiva convergencia respecto a la que nos da el fabricante, provoca un desgaste lateral en la zona exterior de los neumáticos. Una convergencia insuficiente provoca un desgaste lateral en el interior de los neumáticos.



Suspensión independiente
Las cotas de dirección varían de forma sustancial según sea el vehículo con dirección montada sobre eje rígido o sobre suspensión independiente. Excepto el ángulo de salida que apenas varia los demásángulos varían sensiblemente, debido al diferente montaje de las ruedas, que se mueven y separan entre sí, de forma distinta a como lo hacen las montadas sobre eje rígido. Otra característica a tener en cuenta es el creciente aumento del grosor de los neumáticos y disminución de la presión de los neumáticos. Los constructores de automóviles han determinado experimentalmente para cada caso los valores mas convenientes
Así ocurre que el avance es mucho menor y en bastantes casos negativo, o sea, que el pivote va hacia atrás en vez de apuntar adelante. La caída es prácticamente nula (de 3/4º positivo a 1º negativo). La convergencia aun es positiva en la mayoría de automóviles (de 0 a 6 milímetros, como eje rígido); pero ya algunos la tienen negativa, o sea, que las ruedas abren hacia delante (divergencia).

Comprobación
Así pues, salvo deformación aparente por largo uso, carga excesiva o golpe, las cotas que deben comprobarse son: avance, caída, y convergencia, y precisamente por este orden, pues cada una influye en las siguientes. Si se tiene cuidado de no dar golpes de refilón a las ruedas contra los bordillos, piedra grandes, etc., no es fácil que se desregle la dirección por torceduras del eje o doblado de las bielas y palancas de la dirección, y, por tanto, el ajuste se limitará casi siempre a la convergencia, la mas sencilla de medir y corregir. La convergencia al ser una cota resultante directa de las otras tres cotas (salida, caída y avance), cualquier variación en cualquiera de ellas produce una desviación en la convergencia. Siendo esta cota la única fácil de corrección en el vehículo, para pequeñas desviaciones en la cotas de salida, caída y avance, en muchos talleres ante la dificultad de corrección en ellas se actúa corrigiendo la convergencia para compensar el efecto conjugado del conjunto.
Los síntomas que denuncian alteración de las cotas y que aconsejan revisión especial son los siguientes:

♦ Desgaste de las cubiertas mas acentuado en una mitad de la banda de rodadura que en la otra: la causa será un ángulo de caída excesivo si el desgaste es hacia afuera del vehículo; si por el lado de dentro, caída insuficiente.
♦ Un achaflamiento con desgaste en borde afilado, si éste queda hacia dentro del vehículo denota exceso de convergencia; si por fuera, falta.

En general, cualquier anomalía en el desgaste de las cubiertas aconseja revisar inmediatamente la alineación de las ruedas.

Radio de giro máximo
La distancia entre pivotes (a) que recibe el nombre de vía y la longitud e inclinación de los brazos de acoplamiento en función de la batalla (b) del vehículo, que corresponde a la distancia entre ejes, determinan una de las características de la dirección, como es su radio de giro máximo. Este radio viene determinado de forma que las ruedas puedan girar describiendo un circulo de diámetro cuatro veces mayor que la batalla del vehículo.



El ángulo de viraje (Avi ) para un determinado radio de giro (R), según los triángulos rectángulos 0AB y 0CD de la figura inferior, se obtiene por la función trigonométrica de los ángulos que forman las ruedas en función de la batalla (b) del vehículo y del ancho de vía (a).
Teniendo en cuenta que el radio de giro mínimo en los vehículos suele ser aproximadamente el doble de la batalla o distancia entre ejes: R = 2 b. El ángulo de viraje máximo entre las ruedas es:



Influencia del estado de los neumáticos en la Dirección
Se ha estudiado, al explicar las cotas de dirección, la gran influencia de una presión del neumático defectuosa. Un neumático con presión baja es el peor defecto que puede permitirse en las ruedas, en cuanto a su economía. Además de desgastarse desigualmente, por los bordes de la banda de rodadura, según se muestra en la figura inferior, detalle 1, la destrucción es muy rápida, por la gran deformación a que está sometida la cubierta que, al rodar, produce tensiones y deformaciones con roces en los flancos que elevan su temperatura produciendo el corte de los tejidos que sirven para reforzar la goma.
Una presión excesiva hace que la dirección sea mas suave, pero aumenta las trepidaciones y aumenta la fatiga en todas las articulaciones, desgastando la cubierta desigualmente por el centro de la banda de rodadura.



Los defectos en la alineación de las ruedas influyen mucho en el desgaste rápido y desigual de las cubiertas e incluso con la sola observación de una rueda prematuramente desgastada un técnico puede deducir, aproximadamente la cota o cotas que han dado lugar al desgaste anormal.

En líneas generales podemos decir que, excepto el avance que aunque sea excesivo no produce desgaste de los neumáticos, las otras cotas suelen producir los siguientes:

♦ Una caída anormal tanto positiva como negativa, crea en el neumático diámetros variables lo que hace que el diámetro más pequeño frote contra el suelo desgastando con gran rapidez los bordes de la banda de rodadura (parte exterior con exceso de caída y parte interior con exagerada caída negativa).
♦ La salida suele ser fija en casi todos los vehículos modernos, e influye en la caída por lo tanto si la primera se deforma, los desgastes producidos por la salida son los mismos que los que se deben a la caída.
♦ La convergençia, por poco que varíe, influye mucho en el desgaste de las cubiertas, si ésta es pequeña desgasta la parte interior del neumático derecho y si es superior a la debida desgasta la parte exterior del neumático izquierdo, en vehículos con conducción por la izquierda y lo contrario, en aquellos que ruedan por la derecha. El desgaste debido a esta cota, produce un leve reborde que puede apreciarse, pasando la mano por la banda de rodadura de dentro hacia fuera, y el debido a una divergencia anormal se aprecia pasando la mano en sentido contrario.

Los desgastes anormales son siempre producidos por frote de la cubierta con el pavimento y es muy difícil establecer con exactitud la causa que puede producirlo, pues pueden ser varias a la vez.
Además de las mencionadas por defecto de las cotas, influyen también, de una forma muy acusada, el "shimmy", presión de inflado, deformación del chasis, etc.

Valores reales de las cotas de reglaje de un automóvil de la marca: Renault Laguna II




Desde 1980, varios modelos de diferentes fabricantes aplicaron el sistema de dirección a las 4 ruedas (4WS - four wheel steering system). Y es que, este concepto permite realizar maniobras con menor diámetro de giro y permite trazar las curvas a cierta velocidad con mayor seguridad.

Este sistema lo equiparon automóviles como el Toyota Célica, Honda Prelude, Mitsubishi Galant y Mazda RX7. También lo implementaron algunos automóviles europeos como el Citröen ZX, el Xsara y el Peugeot 306. Actualmente lo montan muy pocos modelos nuevos, un ejemplo lo tenemos en el Renault Laguna en alguna de sus versiones mas deportivas.

Tenemos dos sistemas de dilección a las 4 ruedas básicamente, uno sencillo que se basa en girar las ruedas traseras, por medio de un pequeño giro de la suspensión que soporta a las ruedas y que no esta unida fijamente a la carrocería, sino que la unión se hace a través de una unión elástica que permite un pequeño giro de 3 a 5º. Un ejemplo de este tipo, es el eje trasero autodireccional que monta el Citröen ZX. El otro sistema utilizado para hacer girar las ruedas traseras, es el utilizado por la marca Honda en su modelo Prelude. Este sistema es mucho mas complejo que el anterior. El volante de la dirección ademas de hacer girar las ruedas delanteras, hace girar también a las ruedas traseras, para eso cuenta con un mecanismo que actúa sobre las ruedas delanteras y traseras al mismo tiempo.

La función de girar las ruedas en varios ejes de un vehículo no es nada nuevo ya que este sistema lo vienen utilizando desde hace tiempo, camiones, maquinaria pesada y también vehículos militares como las tanquetas, que buscan principalmente una buena maniobrabilidad utilizando el menor espacio posible.



La función del eje trasero en el sistema de dirección de un automóvil tiene su importancia, por eso estudiaremos que procesos se suceden cuando el vehículo toma una curva o cambia de dirección.
Cuando el automóvil toma una curva en el eje delantero se produce un ángulo de deriva de las ruedas delanteras que generan una fuerza lateral. Lo mismo que en el eje delantero ocurre en el eje trasero, con la diferencia que la fuerza lateral llega con un cierto retraso, ya que las ruedas del eje delantero son las primeras en tomar la curva. Este retraso en el eje trasero provoca, sobre todo a elevadas velocidades, una cierta tendencia del vehículo a querer rotar sobre su eje vertical. Este efecto provoca un balanceo de la carrocería que no resulta peligroso si se mantiene con firmeza el volante.
Este defecto puede corregirse si a las ruedas del eje trasero se le permite dar una cierta orientación en el sentido conveniente, sobre todo a altas velocidades que es cuando mas se nota este problema.
El otro efecto que se busca cuando se pueden orientar las ruedas del eje trasero, es que en las maniobras a bajas y medias velocidades se puedan conseguir menores diámetros de giro, lo que facilita las maniobras en ciudad y garajes.

Por lo expuesto anteriormente el sistema de dirección en la 4 ruedas, intenta conseguir dos objetivos, mejorar el paso por curva a altas velocidades y conseguir mejores maniobras en espacios reducidos.

El conseguir orientar las ruedas del eje trasero teniendo en cuenta la orientación que toman las ruedas del eje trasero no es tarea fácil, como vamos a ver a continuación. Teniendo en cuenta los estudios que han realizado los fabricantes que han desarrollado estos sistemas, la orientación de las ruedas traseras deberán orientarse de la siguiente manera. En la figura (A) las ruedas están orientadas un cierto ángulo que no es grande, en este caso las ruedas traseras están orientadas en el mismo sentido. En la segunda figura (B) vemos que las ruedas del eje delantero están orientadas un ángulo mucho mayor que el anterior caso, en este supuesto se puede ver que las ruedas del eje trasero estarían orientadas en sentido contrario.



El supuesto (A) visto en la figura anterior corresponde, por ejemplo, a una maniobra de cambio de carril en una autopista a alta velocidad. En la figura inferior podemos ver este supuesto donde el color rojo representa la posición del automóvil con un sistema 4WS y el color negro sin dirección a las 4 ruedas.



El supuesto (B) por el contrario corresponde a una maniobra a baja o media velocidad en un espacio pequeño o en una curva muy cerrada. En la figura inferior podemos ver este supuesto donde el color rojo representa la maniobra con un vehículo con 4WS y el color negro sin 4WS. Se puede apreciar como el vehículo con 4WS necesita menos diámetro de giro para realizar la maniobra.



En este ultimo caso, al tomar una curva cerrada, aunque sea a baja velocidad, la estabilidad es mucho mayor en un automóvil dotado de 4WS, que en uno sin este sistema. Todo esto teniendo en cuenta que se toma la curva mas cerrada y a la misma velocidad. Para hacer esta maniobra las ruedas del eje trasero están orientadas en sentido contrario a las ruedas del eje delantero.


Sistema 4WS de Honda
El sistema de dirección a las 4 ruedas de Honda, seguramente será el mas reconocido, ya que uno de sus modelos, en concreto el Honda Prelude en su 3ª generación (1988 - 92) montaba este sistema, años mas tarde a partir de la 4ª generación (1992 - 96) el sistema de dirección a las 4 ruedas es electrónico.
El esquema del sistema de Honda es el que podemos ver en la figura inferior. Como se puede apreciar es técnicamente sencillo y se ha mostrado muy efectivo a lo largo del tiempo. Además sus desajustes y averías son mínimos.




Los elementos que forman el 4WS esta formado por un sistema de dirección convencional para el eje delantero, de la caja de dirección delantera sale el movimiento a través de un mecanismo de reenvío que se transmite por el eje de transmisión a la caja de dirección trasera que se encarga de orientar las ruedas traseras a través de la bieletas de dirección.
La caja de dirección trasera, a diferencia de la delantera, realiza un movimiento distinto tanto en grados (ángulo) como en el sentido (orientación de la rueda). Por esta razón el funcionamiento de esta caja de dirección es muy distinta a la del eje delantero.



En la figura inferior podemos ver una caja de dirección trasera (4WS) se trata de un sistema de engranajes planetarios que crean la desmultiplicación necesaria para el movimiento de las ruedas traseras siempre con un ángulo muy inferior al alcanzado en las ruedas delanteras. La presencia de una corredera provista de su correspondiente guía permite lograr un pequeño desplazamiento que necesita el sistema y que transmite a las ruedas a través del reenvío a la bieleta que acciona directamente a las ruedas.



El funcionamiento teórico del sistema mecánico 4WS de Honda esta representado en el gráfico inferior. Como podemos ver si empezamos a girar el volante, las ruedas delanteras se orientan un cierto ángulo mientras que las traseras también se orientan en el mismo sentido, pero con un ángulo mucho menor. Cuando hemos girado el volante 140º las ruedas delanteras se orientan un ángulo cuyo valor es 8º, mientras que en el eje trasero solo giran un ángulo de 1,5º. Seguimos girando el volante hasta alcanzar los 240º, para este valor las ruedas delanteras se orientan un ángulo de 15,6º mientras que las ruedas del eje trasero retroceden en su orientación y se quedan en el punto inicial de 0º de ángulo. Seguimos girando el volante hasta 450º y las ruedas delanteras se siguen orientado con un mayor ángulo de 30,3º, mientras que en las ruedas del eje trasero se orientan un ángulo de 5,3º pero esta vez en sentido contrario a la ruedas delanteras.



Como podemos ver en la gráfica anterior, el ángulo de giro de las ruedas del eje delantero no guarda proporción con el ángulo de giro de las ruedas del eje trasero. Ademas se puede ver como a medida que aumenta el ángulo de giro en las ruedas del eje delantero, el ángulo en el eje trasero disminuye, hasta un momento en el que cambia el sentido de orientación de las ruedas traseras con respecto a las delanteras.
El dispositivo encargado de orientar las ruedas traseras el ángulo adecuado y hacer que cambien de sentido de orientación es la caja de dirección trasera. Esta caja actúa de forma automática accionada solamente por el movimiento que recibe del mecanismo de reenvío a través del árbol de transmisión. Un esquema de la estructura interna de este mecanismo lo tenemos en la figura inferior.
El eje excéntrico tiene el control del engranaje planetario, que es el encargado de desplazar a la derecha o izquierda la barra de accionamiento de la bieleta de mando. El tetón de este engranaje actúa directamente sobre la guía de la barra de accionamiento. El engranaje planetario se desplaza por el interior de la corona cuando el movimiento que proviene del reenvió de la caja de dirección delantera le llega desde el eje excéntrico.
Siguiendo en la figura inferior, tenemos que el movimiento de entrada que gira en el sentido de las agujas del reloj como muestra la flecha se transforma en la salida en un movimiento hacia la izquierda como indica la flecha. Ahora bien, si el giro de entrada supera el ascenso del planetario por la corona (que esta fija), este pasa a la posición contraria y entonces empuja la barra de accionamiento de la bieleta de mando en la dirección opuesta.
Este es el principio básico de funcionamiento de la caja de dirección trasera.

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