El futuro de la dirección del automóvil y la cremallera actual con sus predecesoras

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Además de poder desplazarse por su motor y mantener los neumáticos en contacto con el suelo en todas las condiciones de marcha, se ha de poder dirigir el automóvil por la ruta que se quiera o permitan las autopistas, carreteras o caminos transitables.

La función de dirigir el automóvil la lleva a cabo el sistema de dirección, que consiste en que las ruedas delanteras del automóvil puedan girar en el plano horizontal para cambiar la dirección de circulación.

La dirección ha ido evolucionando de forma paralela a la suspensión (tipos de suspensión), de hecho la dirección para suspensión con eje rígido es diferente a la de ruedas independientes.

En este artículo no vamos a estudiar la dirección desde sus inicios, empezamos por el futuro de la dirección del automóvil, y desde este iremos retrocediendo viendo en sentido contrario cronológicamente las evoluciones de la dirección de cremallera, la más adecuada para suspensión independiente y utilizada prácticamente hoy en todos los coches, sin llegar a sus antecesoras, de las que puedes ver algunas en los enlaces propuestos para esta información y otras que te pueden interesar.

Dirección eléctrica en las ruedas y activa (el futuro de la dirección del automóvil)

Con ruedas traseras también directrices

La imagen y su texto explican este sistema que aún no está en los coches, pero llegará:

  • No hay conexión mecánica entre el volante de dirección y las ruedas
  • Las ruedas giran para la dirección por medio de motores eléctricos situados en los conjuntos telescópicos de las suspensiones Mc Pherson de cada rueda, en sus ejes de pivote
  • Para asegurar que el sistema se mantiene operativo vemos que hay tres calculadores que reciben la información de giro del volante para transmitirla a cada uno de los motores de dirección de cada rueda. Esta tecnología redundante proviene de la aeronáutica
  • El giro de dirección de cada rueda no es el mismo, en las delanteras gira más la interior que la exterior, y también en las ruedas traseras, que giran ángulos bastante menores, y además tienen sentido de giro en función de la velocidad; a baja velocidad el giro es en sentido opuesto a las delanteras para mejorar la maniobrabilidad y a más velocidad el giro, en mucho menor ángulo, es en el mismo sentido que las delanteras para favorecer la estabilidad
  • El sistema de control mantiene el tacto y sensibilidad del volante en todas las condiciones de marcha y velocidad
  • Se dispone de testigos en el cuadro para informar de posible incidentes que pueden dejar fuera de servicio parcial o totalmente la dirección eléctrica en las ruedas
  • En caso de que sea necesario girar el volante, para compensar pérdidas de trayectoria o hacer maniobras de esquiva por seguridad y si el conductor no lo hace, lo pueda hacer el sistema de dirección eléctrica, es una de las funciones incluidas en las ADAS (ayudas avanzadas a la conducción), ya desde sistemas de dirección con tecnologías anteriores

No sabemos cuando llegará al automóvil esta dirección eléctrica sobre las ruedas.

Hay otro sistema de dirección eléctrica, no confundir con asistida eléctrica, que vemos después.

Dirección eléctrica en las ruedas y activa (el futuro de la dirección del automóvil)

Dirección de cremallera eléctrica y activa (2014 y cada vez más …)

Con ruedas traseras también directrices

Comentarios complementarios a la imagen y su texto:

  • La dirección de cremallera no está, en principio, conectada con el volante de dirección
  • En el eje del volante hay un sensor de ángulo de giro que informa los calculadores redundantes
  • Como en el sistema del futuro que hemos presentado antes, la electrónica es redundante para compensar posibles alteraciones de funcionamiento
  • En la cremallera hay habitualmente un piñón de accionamiento, en este caso vemos dos, que son movidos por motores eléctricos. Actúan a la vez y al ser dos se reduce el riesgo de que deje de funcionar la dirección si falla algún motor eléctrico, sistema redundante
  • Si se dispone de ruedas traseras directrices giran estas ángulos menores que las delanteras, en sentido contrario a baja velocidad y en el mismo yendo más rápido, para favorecer respectivamente la maniobrabilidad o estabilidad
  • Se mantiene el tacto y sensibilidad en el volante en todas las situaciones
  • Si es preciso girar el volante, para corregir pérdidas de trayectoria o hacer maniobras de esquiva por seguridad y si el conductor no lo ha hecho, lo pueda hacer el sistema de dirección eléctrica, es una de las funciones controladas por las ADAS, ya incluida en tecnología de dirección anteriores
  • Testigos de control detectan e informan de posibles incidentes en la dirección eléctrica, que permiten seguir circulando para diagnosticar lo antes posible o dejan inactiva la dirección eléctrica, en este caso se conecta directamente el volante con el piñón de cremallera mediante un sistema de seguridad, se pueden girar las ruedas directrices, pero con poca o ninguna asistencia lo que endurecerá sensiblemente el giro del volante, se ve en una imagen este detalle

Dirección de cremallera eléctrica y activa (2014 y cada vez más …)

Dirección de cremallera con asistencia eléctrica (desde 1990 …) y posible activa parcial (… 2005 …)

Con ruedas traseras también directrices

El volante esta conectado a la cremallera por el eje o caña de dirección, y se basa la asistencia eléctrica en utilizar la fuerza de giro de un motor eléctrico para reducir el esfuerzo sobre el volante de dirección:

  • Entre el volante y la cremallera se intercala un motor eléctrico con sensor de ángulo de giro
  • Este sistema lo controla un calculador electrónico
  • Una barra de torsión en el eje de dirección determina la fuerza de asistencia necesaria por su deformación torsional al iniciar el giro del volante
  • Al girar el volante y con la información de la barra de torsión el calculador del sistema aporta par de giro al motor eléctrico reduciendo el esfuerzo necesario sobre el volante
  • Si se dispone de ruedas traseras directrices esta función se hace frecuentemente mediante una barra transversal y un motor eléctrico que la desplaza, en la imagen se representa una cremallera con piñón accionado por motor eléctrico
  • El calculador electrónico controla también esta función
  • El ángulo de giro de las ruedas traseras es reducido, en sentido opuesto a las delanteras a baja velocidad, menos radio de giro, y en el mismo sentido y menos ángulo a más velocidad, estabilidad
  • Un testigo controla el funcionamiento de los componentes electrónicos del sistema
  • En caso de fallo no habrá asistencia pero si se podrá girar la dirección con mucho más esfuerzo
  • Se puede contar con un programa que aporta más asistencia de dirección para uso urbano seleccionable por un mando “City
  • La dureza adaptativa según la velocidad es una actuación activa
  • Al girar de forma autónoma el motor eléctrico de asistencia lo hace el volante y puede desconcertar al conductor, por lo que otras actuaciones para las ADAS estarán limitadas a avisos, vibraciones o pequeños giros inducidos de volante, que pueden ser más amplios en caso de situaciones de grave riesgo y no intervención del conductor

Dirección de cremallera con asistencia eléctrica (desde 1990 …) y posible activa parcial (… 2005 …)

Dirección de cremallera con asistencia electrohidráulica y dureza variable (… 1990 …)

Esta tecnología utiliza presión de aceite para ayudar al giro de la dirección, dirección asistida hidráulica, y la presión es generada por una bomba específica movida por un motor eléctrico, dirección asistida electrohidráulica:

  • La caja de la cremallera de dirección se divide por su interior en dos partes separadas y estancas por donde se mueve transversalmente la cremallera
  • Si se empuja por un lado a la cremallera se desplaza en ese sentido y hacia el otro si el empuje es por el lado opuesto, este es el principio de funcionamiento de asistencia hidráulica que se verá con más detalle en la siguiente diapositiva
  • Una bomba de aceite, en este caso accionada por un motor eléctrico, aporta la presión de aceite de asistencia de la dirección asistida electrohidráulica
  • El funcionamiento de esta bomba eléctrica lo controla un calculador electrónico
  • Un depósito contiene el aceite para el funcionamiento de la dirección asistida hidráulica, en este caso electrohidráulica
  • Entre el volante y la cremallera se inserta un distribuidor hidráulico con cuatro conexiones, una a cada lado de la caja de cremallera, otra a la bomba de aceite (electrohidráulica en este caso) y la última al depósito de aceite
  • Al girar el volante se abren las válvulas internas del distribuidor hidráulico, más o menos según la deformación de la barra de torsión
  • Envía aceite a presión que recibe de la bomba electrohidráulica al lado de la caja de cremallera que ayuda al giro, menos esfuerzo sobre el volante
  • Toma aceite del otro lado de la caja de cremallera y lo envía al depósito
  • La presión de aceite empuja transversalmente a la cremallera que se desplaza por el interior de la caja de cremallera con menos esfuerzo desde el volante de dirección
  • Si se dispone de dureza variable según la velocidad, se adapta la asistencia ajustando la presión aportada por la bomba electrohidráulica para mantener el tacto y sensibilidad del conductor sobre el volante, reduciendo los efectos de flotación o excesiva asistencia a velocidades de autopista
  • Un testigo informa del estado del control electrónico de la dirección asistida electrohidráulica; apagado sin fallo y encendido indica fallo o disfunción temporal por exceso de temperatura del motor eléctrico de la bomba, hasta que se apague no hay asistencia y la dureza de accionamiento del volante es muy superior

Dirección de cremallera con asistencia electrohidráulica y dureza variable (… 1990 …)

Detalle de dirección de cremallera con asistencia por presión de aceite; electrohidráulica o hidráulica

Se ven tres posiciones de la dirección con los elementos implicados en el funcionamiento de la dirección asistida por presión de aceite:

Imagen izquierda

  • La dirección está centrada
  • Se ven las dos cámaras separadas y herméticas dentro de la caja de cremallera, en cuyos dos extremos hay retenes de aceite
  • La cremallera tiene una guía central que separa las dos cámaras
  • Con dirección centrada la presión en las cámaras de caja de cremallera es mínima y del mismo valor
  • En la entrada del eje del volante en el distribuidor hidráulico está la barra de torsión
  • La bomba de presión de aceite puede ser accionada por un motor eléctrico como se ha visto, electrohidráulica, o arrastrada por una correa desde el motor del automóvil, hidráulica, que se verá después
  • El depósito contiene el aceite para el funcionamiento del sistema y está comunicado con la bomba, en este caso el depósito está colocado sobre la bomba

Imagen central

  • Dirección girada hacia la derecha; el ángulo de giro de la barra de torsión determina la asistencia necesaria abriendo más o menos las válvulas internas del distribuidor hidráulico
  • El aceite del depósito llega a la bomba que aumenta su presión al valor de asistencia necesario, y de esta va al distribuidor hidráulico
  • Este envía aceite a la presión de asistencia necesaria a la cámara derecha interna de la caja de cremallera, empujando a la cremallera transversalmente hacia el lado del giro, menos esfuerzo sobre el volante
  • El aceite del otro lado de la caja de cremallera, el izquierdo va al distribuidor hidráulico y desde este al depósito

Imagen derecha

  • Dirección girada hacia la izquierda; el ángulo de giro de la barra de torsión determina la asistencia necesaria abriendo más o menos las válvulas internas del distribuidor hidráulico
  • El aceite del depósito llega a la bomba que aumenta su presión al valor de asistencia necesario, y de esta va al distribuidor hidráulico
  • Este envía aceite a la presión de asistencia necesaria a la cámara izquierda interna de la caja de cremallera, empujando a la cremallera transversalmente hacia el lado del giro, menos esfuerzo sobre el volante
  • El aceite del otro lado de la caja de cremallera, el derecho va al distribuidor hidráulico y desde este al depósito

Como se ve en las imágenes, la barra de la cremallera se divide en dos partes, el dentado donde engrana el piñón del eje del volante, y en la otra que es estanca y está dividida a su vez en dos partes es donde se hace el efecto de asistencia hidráulica por presión de aceite.

Detalle de dirección de cremallera con asistencia por presión de aceite; electrohidráulica o hidráulica

Dirección de cremallera con asistencia hidráulica (… 1950…) y dureza variable (… 1990 …)

Este sistema prescinde de ayuda eléctrica y la asistencia se hace con la presión de aceite generada por una bomba arrastrada por el motor.

Se parece mucho a la de asistencia electrohidráulica que acabamos de explicar, por lo que parte del texto que vamos a leer es compartido:

  • La caja de la cremallera de dirección se divide por su interior en dos partes separadas y estancas por donde se mueve transversalmente la cremallera
  • Si se empuja por un lado a la cremallera se desplaza en ese sentido y hacia el otro si el empuje es por el lado opuesto, este es el principio de funcionamiento de asistencia hidráulica que se ha visto con más detalle en la anterior diapositiva
  • Un bomba de aceite arrastrada por el motor mediante una correa exterior (de accesorios o de servicio), aporta la presión de aceite de asistencia de la dirección asistida hidráulica.
  • Un depósito contiene el aceite para el funcionamiento de la dirección asistida hidráulica
  • Entre el volante y la cremallera se inserta un distribuidor hidráulico con cuatro conexiones, una a cada lado de la caja de cremallera, otra a la bomba de aceite (hidráulica) y la última al depósito de aceite
  • Al girar el volante se abren las válvulas internas del distribuidor hidráulico, más o menos según la deformación de la barra de torsión
  • Envía aceite a presión que recibe de la bomba hidráulica al lado de la caja de cremallera que ayuda al giro, menos esfuerzo sobre el volante
  • Toma aceite del otro lado de la caja de cremallera y lo envía al depósito
  • La presión de aceite empuja transversalmente a la cremallera que se desplaza por el interior de la caja de cremallera con menos esfuerzo desde el volante de dirección
  • Se ven en esquema las tres posiciones de la caja de dirección con cremallera asistida hidráulica, explicadas en la anterior diapositiva; dirección recta, giro a la derecha y a la izquierda
  • La barra de torsión permite adaptar el valor de asistencia en un margen limitado, si se dispone de dureza variable según la velocidad, hará falta un calculador electrónico, se ajusta la presión de aceite de asistencia con precisión para mantener el tacto y sensibilidad del conductor sobre el volante reduciendo los efectos de flotación o excesiva asistencia a velocidades de autopista
  • Al tener un control electrónico la asistencia de dureza variable se puede contar con un testigo que informa de su correcto funcionamiento

Dirección de cremallera con asistencia hidráulica (… 1950…) y dureza variable (… 1990 …)

Dirección de cremallera asistida con desmultiplicación variable y activa (… 2006)

El objetivo de este sistema es poder variar las vueltas necesarias de volante para el ángulo de giro de las ruedas directrices:

  • Se basa en intercalar en el eje de dirección, entre el volante y la cremallera, un diferencial como el que hay entre las ruedas del eje motriz
  • En la imagen se representa un diferencial cónico al ser más fácil de entender, puede ser epicicloidal o utilizarse otros sistemas
  • El eje del volante termina en un piñón que engrana con la corona del diferencial
  • Los satélites giran sobre un soporte acoplado a la corona
  • El planetario del lado del volante de dirección esta acoplado a un motor eléctrico controlado por un calculador electrónico
  • El otro planetario, del lado de la cremallera, llega al piñón de cremallera
  • Al girar el volante, el ángulo de giro del planetario que mueve a cremallera depende la velocidad y sentido de giro del otro planetario accionado por el motor eléctrico, lo que permite variar el número de vueltas de volante para el mismo ángulo de giro de las ruedas
  • En maniobras de aparcamiento se puede lograr que las ruedas giren entre topes con solo dos vueltas de volante e incluso menos, y a velocidad de autopista harían falta más de seis vueltas, lo que aumenta la precisión y capacidad de control del automóvil en estas condiciones de marcha
  • Se puede hacer que la dirección gire sin que lo haga el volante, lo que permite integrar este sistema en las ADAS, para hacer correcciones necesarias que no lleve a cabo el conductor, e incluso maniobras de esquiva
  • Tras estas actuaciones no coincidiría la posición del volante con la de las ruedas directrices, por lo que se realiza un auto ajuste una vez terminada la intervención automática del sistema
  • Dispone de testigo de funcionamiento que se encenderá si hay alguna anomalía
  • Se representan en la imagen las tres asistencias a la dirección que se han explicado y que puede llevar este sistema de desmultiplicación variable y activa
  • Hidráulica con bomba de aceite arrastrada por el motor o electrohidráulica con bomba accionada por un motor eléctrico; con distribuidor hidráulico y depósito de aceite para ambos sistemas
  • Asistida eléctrica, con el motor eléctrico en el eje de dirección, que también podría ir colocado en la cremallera

Dirección de cremallera asistida con desmultiplicación variable y activa (… 2006)

Implantaciones de dirección de cremallera asistida

La cremallera es la dirección masivamente implantada en los automóviles con suspensión independiente desde hace bastantes años.

La excelente precisión y la relativa simplicidad de diseño son las razones.

Para los automóviles con más peso o que han de ofrecer buenas cualidades de confort, la asistencia a la dirección es una necesidad.

Ya se han expuesto los sistemas que se pueden encontrar, incluso empezamos con uno que aún no está implantado y lo veremos en el futuro, cuando toque.

Presentamos cinco implantaciones de dirección de cremallera con asistencia.

Coche 1. Dirección asistida eléctrica

  • El motor eléctrico de asistencia mueve un piñón adicional en la cremallera, independiente del que viene del volante para el funcionamiento mecánico de la dirección
  • El alternador es arrastrado por el motor mediante la correa exterior, con este en marcha mantiene cargada la batería y suministra electricidad al motor de asistencia y demás consumos eléctricos del automóvil
  • Este sistema también puede ser con el motor eléctrico integrado en la cremallera

Coche 2. dirección asistida electrohidráulica

  • Una bomba de aceite de dirección asistida, alimentada desde el depósito, es accionada por un motor eléctrico para aportar presión al distribuidor hidráulico y hacer la función de asistencia en la caja de la cremallera
  • El alternador es arrastrado por el motor mediante la correa exterior, con este en marcha mantiene cargada la batería y suministra electricidad al motor de la bomba de aceite electrohidráulica y demás consumos eléctricos del automóvil

Imagen 3. Dirección con cámara de asistencia hidráulica exterior

  • Paralela a la caja de cremallera hay otra cámara con una bieleta de mando en su interior que articula a un lado de la cremallera
  • El distribuidor hidráulico actúa sobre la bieleta de mando en el interior de la cámara paralela trasmitiendo a la cremallera la asistencia
  • La bomba de aceite es arrastra por el motor mediante una correa exterior y esta comunicada con el depósito

Coche 4. Dirección asistida hidráulica

  • La bomba de aceite, comunicada con el depósito, es arrastra por el motor a través de una correa exterior
  • Envía el aceite a presión al distribuidor hidráulico y desde este al interior de la caja de cremallera para hacer las funciones de asistencia
  • Se ven otros elementos más arrastrados por la correa exterior con el motor en marcha

Coche 5. Dirección asistida eléctrica

  • El motor eléctrico de asistencia está en el eje de dirección
  • El alternador es arrastrado por el motor mediante la correa exterior, con este en marcha mantiene cargada la batería y suministra electricidad al motor de asistencia y demás consumos eléctricos del automóvil

Hay diferentes posibles implantaciones de la dirección de cremallera en el automóvil, en la siguiente diapositiva vemos dos peculiares y sin asistencia.

Implantaciones de dirección de cremallera asistida

Dirección de cremallera sin asistencia y particularidades de implantaciones

Lo vemos sobre dos automóviles conocidos de hace muchos años, que tienen técnicamente poco en común, y uno de los aspectos en que si coinciden es en disponer de amplios recorridos de suspensión, lo que afecta mucho a posibles alteraciones de paralelo al trabajar la suspensión delantera.

Imagen superior. Citroën 2CV (1948)

  • La suspensión independiente de este automóvil es muy peculiar con un brazo longitudinal para cada rueda, y le confiere inmensos recorridos de suspensión, lo que supondría con dirección de cremallera como la que se ha explicado, importantes alteraciones en el paralelo de la ruedas delanteras por la circunferencia que describen las bieletas de dirección
  • En la imagen de la izquierda está la suspensión en reposo y ajustado el valor del paralelo
  • En las dos imágenes siguientes, con suspensión comprimida y extendida se resalta la alteración del paralelo, respectivamente exceso de convergencia y divergencia
  • Estos efectos disminuyen la estabilidad y capacidad direccional, sobre todo el exceso de divergencia, además de afectar al desgaste de los neumáticos
  • En la imagen de la derecha se ve como se soluciona; las bieletas de dirección son muy largas articulando ambas en el mismo extremo de la cremallera, lo que hace que el radio del arco de circunferencia que describe al trabajar la suspensión sea bastante mayor, reduciendo las alteraciones sobre el paralelo de las ruedas

Imagen inferior. Renault 4L (1961)

  • La suspensión en este coche es por dos brazos paralelos y también tiene amplios recorridos de suspensión, lo que implica con dirección de cremallera importantes alteraciones en el paralelo de la ruedas delanteras por la circunferencia que describen las bieletas de dirección
  • En la imagen de la izquierda está la suspensión en reposo y el paralelo es el correcto
  • En las dos imágenes siguientes con suspensión comprimida y extendida se ven alteraciones en el paralelo de las ruedas, respectivamente exceso de convergencia y divergencia
  • La solución que se utiliza para minimizar todo lo posible estos efectos es que el arco de circunferencia que describen las bieletas de dirección sea lo más parecido al que describen los dos brazos de suspensión paralelos
  • Para lograrlo se añade un reglaje a la posición de la caja de cremallera relacionada con su altura de anclaje en la carrocería, representado en la imagen de la derecha; la caja de cremallera se puede montar en la carrocería a diferentes alturas mediante unas calas de reglaje, que se determinan verificando en un control estático la variación del paralelo al comprimir y extender la suspensión. En el detalle se ven tres calas pero hay más

En este artículo hemos ido a la inversa, terminando en tecnologías de antaño habiendo empezado por lo actual, bueno incluso lo que aún no ha llegado.

Dirección de cremallera sin asistencia y particularidades de implantaciones

Otros enlaces

Vídeos de interés

[NISSAN] Next generation steering technology

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