dirección asistida

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ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES INDUSTRI INJINERUEN GOIMAILAKO ESKOLA UNIVERSIDAD DE NAVARRA – NAFARROAKO UNIBERTSITATEA Transportes “Dirección asistida” San Sebastián, Noviembre de 1999 Jorge Amiano Goyarrola Miguel Ochoa Escala Ekain Arto Ilzarbe Luis Blanco Liaño

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Page 1: dirección asistida

ESCUELA SUPERIOR DEINGENIEROS INDUSTRIALES

INDUSTRI INJINERUENGOIMAILAKO ESKOLA

UNIVERSIDAD DE NAVARRA – NAFARROAKO UNIBERTSITATEA

Transportes

“Dirección asistida”

San Sebastián, Noviembre de 1999

Jorge Amiano GoyarrolaMiguel Ochoa Escala

Ekain Arto IlzarbeLuis Blanco Liaño

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ÍndiceÍndice..................................................................................................................................................... 21.- Introducción...................................................................................................................................... 32.-Generalidades .................................................................................................................................... 4

2.1.-Engranaje de la dirección ........................................................................................................ 73.- Sistemas de dirección asistida............................................................................................................ 7

3.1.-Descripción............................................................................................................................. 73.3.- Dirección hidráulica ............................................................................................................... 93.4.- Válvula rotativa de mando...................................................................................................... 93.5.-Presión - trabajo -- Caudal – velocidad .................................................................................... 93.6.-Válvula limitadora de presión................................................................................................ 103.7.- La bomba y el depósito......................................................................................................... 113.8.- La bomba de desplazamiento positivo................................................................................... 113.9.-Control de caudal .................................................................................................................. 123.10.- Relación Esfuerzo-Giro Volante ......................................................................................... 123.11.-Requerimientos de potencia................................................................................................. 123.12.-Cilindros de potencia........................................................................................................... 133.13.- Válvula aliviadora de presión ............................................................................................. 133.14.- Otros aspectos .................................................................................................................... 14

4.-Dirección Asistida Eléctrica y Electrohidraúlica ............................................................................... 154.1 Introducción........................................................................................................................... 154.2.-Dirección Asistida Eléctrica (EPS) ........................................................................................ 15

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1.- Introducción

El diseño de un sistema de dirección tiene una gran influencia sobre el

comportamiento de respuesta direccional de vehículos motores. La función de un

sistema de dirección es dirigir las ruedas delanteras en respuesta a las órdenes dadas por

el conductor para conseguir un control direccional del vehículo. Sin embargo, los

ángulos de dirección realmente alcanzados quedan modificados por la geometría de la

suspensión, por la geometría y reacciones en el sistema de dirección, y en el caso de

vehículos de tracción delantera, la geometría y reacciones de la cadena de tracción. Las

cualidades de dirección de un vehículo dependen de factores tales como las dimensiones

del volante, la inclinación del volante, la desmultiplicación entre el volante y las ruedas,

el engranaje de dirección y la transmisión engranaje-ruedas.

Las características de la dirección se ven también influenciadas por factores tales

como la geometría de las ruedas, el tipo de neumático y la distribución de pesos.

Las exigencias que se ponen a la dirección también son numerosas:

- Una desmultiplicación grande para facilitar el giro del volante.

- Una demultiplicación pequeña para proporcionar respuestas rápidas.

- Buena estabilidad, para que el vehículo tienda por sí mismo a seguir en línea

recta, pero sin que la dirección oponga demasiada resistencia.

- Amortiguar las fuerzas que actúan sobre las ruedas de modo que el

conductor no pierda la sensación de contacto con el camino, pero sin

necesidad de parar cada irregularidad con el volante.

- Ocasionar los menos daños posibles al conductor en caso de colisión.

Aquí se pretende conseguir una visión general de qué es y cómo funciona un

sistema de dirección normal para luego profundizar más detalladamente en los sistemas

de dirección asistida. Los sistemas de dirección utilizados en automóviles varían

ampliamente en diseño pero funcionalmente son muy parecidos.

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2.-Generalidades

Para variar de dirección en la marcha de un vehículo se cambia la orientación de

las ruedas delanteras. El mecanismo de dirección ha de cumplir el requisito de llevar

ambas ruedas debidamente orientadas sobre sus trayectorias curvas, pues por ser menor

el radio OA de la descrita por la rueda interior que el OB de la exterior, la primera tiene

que abrirse más que la segunda, debiendo estar en el centro O de los arcos descritos por

las ruedas delanteras sobre la prolongación del eje trasero CD. Las ruedas traseras C y D

se adaptan a la diferencia de recorrido en las curvas gracias al diferencial; pero como

permanecen siempre paralelas entre sí, resbalan un poco sobre su trayectoria, ya que no

pueden abrirse una más que la otra; por esta razón, con los modernos neumáticos anchos

que dan amplia base de apoyo, las cubiertas “chirrían” en los virajes cerrados tomados

de prisa; y si el piso está resbaladizo se puede iniciar el patinazo por disminución de la

adherencia en ese momento, cosa que delante no debe suceder y se previene mejor por

abrirse A más que B; la adherencia de estas ruedas debe ser la máxima posible, ya que

se apoya en ellas el impulso del coche para virar.

Tal y como se ve en la figura el eje delantero E suele terminar en unas horquillas

H que abrazan la articulación del pivote alrededor del cual giran y son orientadas las

manguetas M, sobre las que giran las ruedas delanteras mediante cojinetes de bolas o

rodillos. Ambas manguetas están entrelazadas entre sí, para que la orientación de cada

rueda la condición impuesta de ceñirla a su respectiva trayectoria, por medio de brazos

de acoplamiento A, sobre cuyos extremos se articula la barra de acoplamiento B. Las

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dimensiones de los brazos A y barra B están calculados para que al orientarse una rueda

la otra venga obligada a seguir con suficiente exactitud la trayectoria que resulte por el

cambio de dirección impuesto al vehículo. Resulta, pues, que basta mover una rueda, o

un brazo, o la barra de acoplamiento para obtener la correcta dirección del coche; para

ello, por ejemplo, si el conductor quiere girar a la izquierda, gira en este sentido el

volante de la dirección V, unido a la columna de la dirección C, en cuyo extremo

inferior , y dentro de un cárter con lubricante, va un tornillo sin fin engranado con el

sector dentado A; al girar a izquierdas el tornillo, el sector sube, girando su eje, al que

va fijo su brazo de mando R y que se moverá hacia adelante (ver flechas) empujando la

biela L, la cual, a su vez, actúa sobre la palanca de ataque P, unida a una de las

manguetas, que orientará a la izquierda su rueda. Por el enlace de los brazos A y barra B

de acoplamiento, la otra rueda se orientará en la forma correspondiente, también a

izquierdas.

Como puede apreciarse , el mando de la dirección consiste en hacer mover la

barra de acoplamiento B a uno u otro lado para que viren las ruedas. El sistema de la

figura se ha usado mucho y aún se usa en automóviles con eje delantero E rígido y se

caracteriza por el movimiento longitudinal de la biela L (adelante y atrás).Pero hay otra

disposición tan empleada como ésta en la que el movimiento es transversal, como para

el caso de suspensión independiente (ver figura).

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Cuando hay suspensión independiente para cada rueda delantera, como la

separación entre éstas varía un poco al salvar las desigualdades del camino,

generalmente la palanca de ataque P gira sobre un punto fijo F del travesaño delantero

D, para mandar la biela de acoplamiento articulada en dos mitades Bi y Bd: así las

ruedas, al subir y bajar sin reaccionar la una en la otra gracias a la suspensión

independiente, también suben y bajan sus respectivos brazos A sin que el movimiento

de uno repercuta en el otro, gracias a la articulación puesta a la barra de acoplamiento.

Otro tipo de dirección bastante usado es con la barra de acoplamiento dividida

en tres partes.

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2.1.-Engranaje de la dirección

El engranaje que por la columna de la dirección mueve el brazo de mando tiene

muchas variantes tal y como se ve en las figuras.

3.- Sistemas de dirección asistida

3.1.-Descripción

El uso de neumáticos cada vez de más sección con bajas presiones de inflado,

que dan un contacto de apoyo bastante amplio, hace que el frotamiento de las cubiertas,

sobretodo en los virajes, represente un esfuerzo proporcionalmente más grande para los

brazos del conductor. Los fabricantes tienden a facilitar lo más posible el manejo del

vehículo(cambios automáticos, por ejemplo), sobretodo habida cuenta de que el

conductor ha de prestar el máximo de su atención al tráfico. Por esta razón, de pura

comodidad, se va extendiendo a los coches el empleo de servo-direcciones que hagan

fáciles los virajes, especialmente enojosos cuando hay que aparcar o salir a fuerza de

maniobras.

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Como fuentes de energía pueden utilizarse: el vacio de la admisión, aire

comprimido o bien fuerza hidráulica. Esta última es la más empleada. El vacio es ya

muy poco usado.

La ayuda o asistencia que presta el “servo” puede hacerse de dos maneras: 1ª,

actuando en una de las barras del mecanismo, por ejemplo, en la de

acoplamiento(Béndix, Rolls Royce), y 2ª, aplicar la fuerza de ayuda en el engranaje de la

dirección(sistemas coaxial de Chrysler, y Saginaw de la General Motors).

3.2.- Funcionamiento

3.2.1.-Que sucede al maniobrar la dirección

Cuando se gira el volante se transmite una fuerza hasta el eje de entrada de la

dirección. La barra de torsión, sujeta por un extremo de aquel y por el otro al sinfín, gira

solidariamente con el primero, ejerce una fuerza giratoeria en el sinfín, actúa a través

del mecanismo de recirculación a bolas e intenta mover el pistón axialmente en su

alojamiento en el cilindro.

A este movimiento del pistón se opone la resistencia de las ruedas, que se

trasmite a través del varillaje, la palanca y el balancín. Debido a esta resistencia, la

fuerza aplicada en el eje de entrada, hace girar la barra de torsión, accionándose de esta

forma la válvula de mando. El aceite de presión canalizado por la misma, ayuda a

mover el pistón a lo largo del cilindro. Este hace bascular el balancín con lo que se logra

cambiar la trayectoria del vehículo.

3.2.2.-Sobrecargas en la dirección

Si las ruedas reciben un impacto(bache, bordillazo), éste se trasmite a través del

balancín al pistón y a través de las bolas al sinfín. Debido al propio diseño de la

dirección, la válvula de mando canaliza el aceite a presión a la camara adecuada del

cilindro para resistir la fuerza del impacto. Como estos son absorbidos hidráulicamente,

se evitan los retrocesos bruscos en el volante.

3.2.3.-Válvula de descarga de presión

La mayoría de las direcciones están provistas de dos válvulas de descarga una a

cada lado del pistón. Dependiendo del sentido de giro, una u otra válvula se abrirá justo

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antes de que contacten los topes de rueda, reglados según las especificaciones del

fabricante. Con la válvula abierta se reduce la presión en la dirección y disminuye así el

calor que se genera en la bomba.

Estas válvulas evitan también sobrecargas en el varillaje de la dirección. En

cuanto a su reglaje se hace automáticamente con respecto a los topes de la rueda, al

montar la dirección por primera vez en el vehículo y con el primer giro completo a

derecha y posteriormente a izqda.

3.3.- Dirección hidráulica

Significa que dentro de la caja de dirección se encuentran: El mecanismo manual

de mando, una válvula de control hidráulica y un cilindro de trabajo, todos ellos

formando un conjunto compacto.

3.4.- Válvula rotativa de mando

La válvula rotativa combina simplicidad con necesidad de funcionamiento. La

velocidad a la cual el conductor pude girar el volante, depende del caudal, medido en

litros por minuto( lpm ), que envía la válvula de mando a una de las cámaras del

cilindro.

La presión, medida en bar., que se necesita para que la dirección mueva el

vehículo, la suministra la bomba. La válvula de mando dirige el caudal hacia la cámara

correspondiente y el cilindro auxiliar, si es un problema de doble dirección, con el

caudal y presión adecuados.

3.5.-Presión - trabajo -- Caudal – velocidad

Cuanto mayor sea la presión a la que puede trabajar una dirección, más par de

salida podrá dar. La presión max. de funcionamiento es de 150 bares( en el caso de

direcciones para camiones) Los caudales pueden estar según el tamaño entre 7 y 25 lpm.

Con estas características se pueden conducir los vehículos a los que se les incorpora

incluso en marcha lenta y con el motor a ralentí. Dependiendo de que el conductor gire

más o menos deprisa el volante, se requerirán más o menos caudales de aceite en la

dirección.

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(figura que ilustra como procede la válvula una vez de produce un par en el eje de entrada del volante)

3.6.-Válvula limitadora de presión

Su misión es limitar la presión máxima de suministro, como protección de la

bomba, pero la presión en el interior de la dirección no cae mientras no actúen las

válvulas de descarga

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3.7.- La bomba y el depósito

Las bombas utilizadas en las direcciones asistidas hidráulicas son de

desplazamiento positivo. En muchas instalaciones la bomba y el depósito donde va el

líquido del circuito hidráulico (normalmente es un aceite) forman un unico conjunto

montado junto al motor. La bomba recibe la potencia del motor mediante una correa.

Cabe la posibilidad de colocar el depósito; Si se coloca en otro lugar, hay que asegurar

unas buenas características de caudal en el circuito debido a posibles pérdidas de

presión.

3.8.- La bomba de desplazamiento positivo

A continuación se ilustran algunas características en las bombas de

desplazamiento positivo:

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3.9.-Control de caudal

Debido a que se trata de una bomba de desplazamiento positivo, el caudal

variará linearmente con la velocidad del motor, que trasmite la potencia mediante una

correa. Por lo tanto, a velocidades mayores que la requerida por el circuito, habrá un

exceso de flujo que se reconducirá por el sistema. Cada uno de los elementos aguas

debajo de la bomba debe estar diseñado para asegurar la máxima potencia(caudal y

presión) de salida de la bomba.

Las bombas de sistemas de dirección asistida están equipadas con una válvula de

control de flujo que limita la descarga desde la bomba y recircula el exceso

internamente en la bomba completado el circuito para su posterior uso.

3.10.- Relación Esfuerzo-Giro Volante

En esta gráfica se puede observar que para diferente número de giros completos

de volante dependiendo de si se esta conduciendo normal o si se esta aparcando, la

válvula regula el caudal y de esta manera se controla el esfuerzo que realiza en el

direccionado de las ruedas.

3.11.-Requerimientos de potencia

Los requerimientos de caballos de potencia para alimentar la bomba del sistema

de dirección asistida es función del caudal y de la presión. Cuando se está calculando la

potencia, el caudal idóneo es la suma total del caudal fuera de la bomba más la cantidad

que está dentro de la válvula de control de flujo.

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3.12.-Cilindros de potencia

Hay dos aspectos que hay que tener en cuenta a la hora de hacer el diseño de la

válvula y más concretamente en los cálculos. Para calcular las fuerzas ejercidas sobre el

pistón hay que tener en cuenta que el vástago de entrada restará área en una parte con lo

que habrá una parte que tendrá más área que la otra. También hay que tener en cuenta

que el cilindro va a ser reversible lo que supone otra fuerza en este elemento.

3.13.- Válvula aliviadora de presión

Sirve para controlar las posibles fluctuaciones en la presión de trabajo que actúa

sobre el pistón. En la figura también se puede ver la válvula de control de flujo.

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3.14.- Otros aspectos

Puede hablarse de los siguientes temas:

• Reversibilidad del pistón

• Pérdidas en el circuito hidráulico

• Sistema de engrane: piñón-cremallera

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4.-Dirección Asistida Eléctrica y Electrohidraúlica

4.1 Introducción

Para las piezas de seguridad, y las piezas del sistema de dirección son

consideradas como tales, las exigencias nunca son suficientes, ya que juegan un papel

decisivo en las situaciones críticas.

Como retos para el futuro y el presente inmediato están la optimización de

funciones, la reducción de peso, la disminución del consumo de energía de los equipos

y ante todo más seguridad y confort en la conducción.

Como respuestas a estos retos se sustituyen los componentes tradicionales

fabricados en acero por componentes de fibra de carbono que favorecen el moldeo,

reducen las masas y evitan la corrosión. Asimismo las piezas no sustituidas de acero son

fabricadas mediante la forja en frío de hilos de acero tratados al calor o en acero

microaleado, estos procesos permiten obtener superficies de muy alta calidad, no

necesitando mecanizados posteriores. En cuanto al consumo de energía de los equipos

se proponen las direcciones eléctricas o electrohidraúlicas. En el caso de éstas últimas se

reduce el peso sustituyendo las bombas tradicionales, por otras compuestas en su mayor

parte por aluminio.

4.2.-Dirección Asistida Eléctrica (EPS)

Existen cuatro tipos, a saber, la asistida en la cremallera, en la columna de

dirección, en el piñon, y por último la mixta, asistida eléctrica e hidraúlicamente.

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4.2.1.- EPS en la cremallera

Ventajas:

- Ahorro de energía (combustible) ya que no tiene instalación

hidraúlica y por tanto bomba.

- Versátil por ser de instalación sencilla y adaptable, ideal para

vehículos pequeños.

Características Técnicas:

- Máxima Potencia 375 W / 65 a / 12 v

- Fuerza en la cremallera 7700 N

- Rango de temperatura -40ºC hasta 120ºC

- Peso 16 Kg

4.2.2.- EPS en la columna de dirección

Ventajas:

- Cuando el espacio disponible es determinante.

- Ideal para vehículos medianos y pequeños.

- Mejores condiciones térmicas

Características Técnicas:

- Máxima Potencia 405 W / 75 a / 12 v

- Par en la columna 65 N m (Fuerza en la cremallera 7700 N)

- Rango de temperatura -40ºC hasta 120ºC

- Peso 7 Kg

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4.2.3- EPS en el piñón

Ventajas:

- Cuando el espacio disponible es determinante y no es posible instalar

la EPS en la columna de dirección.

- Reducción de peso.

Características Técnicas:

- Máxima Potencia 405 W / 75 a / 12 v

- Par en la columna 65 N m (Fuerza en la cremallera 7700 N)

- Rango de temperatura -40ºC hasta 120ºC

- Peso 11 Kg

4.2.4- EPHS (electro-hidraúlica)

Ventajas:

- Se elimina toda conexión del sistema hidraúlico con el motor por lo

tanto se ahorra energía.

- Versatilidad ya que la posición de la bomba es variable.

Características Técnicas:

- Máxima Potencia 650 W/ 85a / 13.5v

- Fuerza en la cremallera 9000 N

- Rango de temperatura -40ºC hasta 120ºC

- Peso 16.5 Kg