Dirección (automóvil)

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Detalle del mecanismo de dirección de un Ford T de 1925
Esquema de un sistema de dirección tipo Ackerman. (1:Volante; 2: Columna de dirección; 3: Engranaje de la dirección; 4A: Brazo de mando; 4B: Brazo tensor; 5: Tirante central; 6: Tirante interno; 7: Mangueta de ajuste; 8: Brazos de los tirantes)

La dirección 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[editar]

En azul: eje de un carruaje tirado por caballos.

La historia de la dirección comenzó con los vehículos tirados por caballos, especialmente cuando surgieron los primeros vehículos con más de un eje.

Eje de pivote central o rueda de dirección[editar]

Clement-Panhard (1899) con un único eje de pivote central

La solucción obvia para conseguir un sistema de ruedas orientables es conectar sólidamente las ruedas en los extremos de un eje rígido que bien gire libremente sobre un único pivote de dirección 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 modo que los caballos podían tirar del carro desde los lados en curvas haciendo que el vehículo girase sobre su último eje, llegándose a aplicar incluso a los primeros automóviles como el Clement- Panhard.

Vehículo articulado[editar]

Un sistema muy extendido cuando el tipo de carruaje lo permitía, consistía en articular el propio vehículo en en dos partes, cada una de las cuales estaba unida sólidamente al eje en el que se apoyaba obteniéndose un comportamiento similar al de vehículos con dirección de rueda.

Ruedas desacopladas o ejes rotos[editar]

Los sistemas 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 lo que si ambas ruedas permanecen paralelas o giran al mismo número de revoluciones, necesariamente se arrastrarán perjudicando la estabilidad en curvas, especialmente en las más cerradas o tomadas a cierta velocidad, razón por la que 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 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.

Geometría de dirección de Ackermann[editar]

Geometría de dirección de Ackermann.

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, 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, en su forma básica se trataba de un cuadrilátero articulado que aún mantenía las ruedas paralelas pese a que contaban con sus propios puntos de pivote, siendo patentada por su agente en Inglaterra Rudolph Ackermann (1764-1834) en 1818 para coches de caballos. Aunque Erasmus Darwin puede tener un derecho previo por sus estudios sobre sistemas de dirección mejorada para carruajes basados en ejes de doble pivote en 1758,[1] su forma definitiva, estándar de la industria mundial, no apareció hasta las patentes de Karl Benz (1893) y de Edward Butler (1897).

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 los ejes de las ruedas a ese punto, alineando cada eje 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 bujes o puntos de pivote de cada una de las ruedas. El ángulo deseado en cada buje se obtiene mediante una mejora conocida como trapecio de Jeantaud, por el que los tirantes en lugar de ser paralelos entre sí están alineados con el centro del eje trasero, de modo que al ser empujados por la barra de dirección trasmiten un movimento mayor a la rueda interior, haciendo que adopte un ángulo más cerrado que la exterior.

Dirección tradicional con brazo Pitman de accionamiento longitudinal en un vehículo industrial

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.[2]

Evolución hacia la suspensión independiente[editar]

A principios del siglo XX la geometría de ackermann ya era común a todo tipo de vehículos, que en su gran mayoría seguían utilizando suspensiones por medio de eje rígido en ambos trenes. Este tipo de suspensiones delanteras, hoy sólo presente en vehículos industriales y algunos todo terrenos de gran tamaño, permite el empleo de una dirección tradicional de acoplamiento directo que se caracteriza por su accionamiento longitudinal y consta de:

Sistema de palanca acodada utilizado con las primeras suspensiones independientes
Sistema actual de piñón y cremallera
  • Los ejes de pivote de las ruedas directrices que giran en torno a un eje -pivote de dirección- 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 una de las portamanguetas.
  • Los brazos de acoplamiento o tirantes conectados a los portamanguetas y unidos entre sí por una barra de acoplamiento formando junto con el puente delantero el cuadrilátero articulado conocido como geometría de Ackermann

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 ejes de pivote, 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 ejes de pivote-, siendo el conjunto -conocido como varillaje de dirección- capaz de absorber el movimiento de la suspensión sin afectar al viraje del vehículo.

Técnica actual[editar]

Cremallera del sistema de dirección de un automóvil: 1: volante; 2: columna de dirección; 3: piñón y cremallera; 4: barra articulada; 5: soporte de la rueda

En la actualidad el sistema de dirección empleado por prácticamente todos los turismos, vehículos industriales ligeros, todocaminos y la mayoría de los todoterrenos utiliza rótulas para conectar las manguetas con los brazos de la suspensión y con los tirantes de la dirección. Gracias a los tres grados de libertad que permiten estas uniones se puede fácilmente independizar el movimiento vertical de la suspensión del horizontal de la dirección. Estos sistemas, mucho más compactos, emplean por lo general una barra de dirección transversal e incluyen:

  • 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 -portamanguetas-.
  • Las rótulas, tipo de unión que permite independizar el movimiento vertical de la suspensión del horizontal de la dirección.

4 ruedas directrices (4RD)[editar]

Los dos modos de una dirección a las 4 ruedas

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 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.

Automóviles de pasajeros[editar]

En automóviles de pasajeros hay que remontarse a 1987 para encontrar su primera aplicación en serie, 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.

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, consiguiéndose un tacto de conducción que sin dejar de ser eficiente, despejaba el comportamiento algo confuso de la primera generación, empleándose 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 4x4. En 2008 Renault desarrolló un sistema de dirección activa para el Renault Laguna III que trabajaba conjuntamente con el ESP denominado inicialmente "Active Drive" y posteriormente "4Control". El sistema permitía mediante un caculador electrónico y un servoactuador girar las ruedas traseras hasta 3,5º hasta los 60 km/h, velocidad a partir de la cual 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 pese a considerarse extremadamente eficaz por algunos conductores de rally, 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.

Referencias[editar]

  1. Erasmus Darwin's Improved Design for Steering Carriages by Desmond King-Hele , 2002, The Royal Society, London. Accessed April 2008.
  2. Milliken, William F, and Milliken, Douglas L: "Race Car Vehicle Dynamics", Page 715. SAE 1995 ISBN 1-56091-526-9

Enlaces externos[editar]