Suspensión McPherson, dirección de cremallera y mangueta desacoplada

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La suspensión, dirección y frenos son determinantes en el comportamiento dinámico del automóvil.

La suspensión y dirección afectan tanto sin frenar como haciéndolo pues controlan los balanceos y oscilaciones del automóvil además de indicar su rumbo la dirección, que por las inercias generadas implica a la suspensión.

La más habitual actualmente en el tren delantero es la suspensión McPherson independiente, pues conjuga sencillez, ocupa poco espacio y aporta buenas cualidades dinámicas.

Los automóviles de gamas más altas o prestacionales suelen utilizar suspensiones independientes por brazos transversales paralelos que permiten un mejor control dinámico de las variaciones de la geometría de asentamiento de las ruedas en el suelo, de suspensión y dirección.

Para la dirección se impuso hace ya años el sistema de cremallera por su sencillez, precisión y eficacia.

Combinando todo lo que hemos comentado hemos elaborado este artículo que lo explica, con diferentes soluciones según los objetivos.

Como citaremos varios temas complementarios relacionados, se aportan enlaces a otros artículos del blog para poder contar con más información, algunos los incluimos al inicio por si te interesa verlos antes de seguir; Suspensión y Dirección.

La dirección de cremallera

Es un sistema de dirección muy adecuado para suspensiones independientes, es la utilizada en prácticamente todos los automóviles desde hace años y por supuesto en los actuales.

Se representa en las imágenes montada en un automóvil y en despiece exterior.

Tomamos como referencia que la barra transversal de dirección se ha de dividir para independizar el movimiento de suspensión de cada una de las ruedas.

Puede estar la cremallera de dirección por detrás del eje o por delante como en este caso, luego vemos otras posibilidades.

Estos son sus componentes:

  • BCR barra dentada transversal de dirección, este dentado en su parte central da el nombre de cremallera
  • BRL tramos transversales de prolongación de la cremallera (bieletas transversales o laterales) que articulan en esta (cremallera) por sus extremos interiores, por los extremos exteriores articulan con las bieletas de dirección
  • BDR bieletas de dirección que articulan con las BRL y los portamanguetas PMG
  • PMG portamanguetas contienen los semejes de ruedas (manguetas) y articulan en rótulas RBS sobre los brazos de suspensión y giran empujados por las BDR. Las rótulas de suspensión también actúan al girar la dirección
  • CD eje o caña de dirección desde el volante a la cremallera
  • PCR piñón en el extremo de la caña de dirección engrana con la cremallera, transformando el giro del volante en desplazamiento transversal de la cremallera
  • JAC juntas en ángulo en el eje o caña de dirección

Resumen de lo explicado:

  • En la barra de dirección se talla un dentado BCR y en sus extremos se articulan dos tramos de prolongación, son bieletas laterales BRL, de la barra de cremallera BCR, que a su vez articulan con las bieletas de dirección BDR de cada portamanguetas PMG
  • En el dentado de la cremallera BCR engrana un piñón PCR accionado por el eje o caña de dirección CD desde el volante
  • La cremallera BCR y el piñón PCR están lubricados en el interior de la caja de dirección CDR
  • En este caso se ve que hay dos juntas en ángulo en la caña de dirección JAC, para que el piñón incida en el centro de la cremallera y permitir la deformación del eje o caña de dirección en caso de colisión frontal, evitando que el volante entre en el habitáculo lo que mejora la seguridad pasiva secundaria.
  • Al girar el volante lo hace el piñón en la cremallera que se desplaza transversalmente, haciendo que las bieletas de dirección hagan girar a los portamanguetas en los que asientan los semiejes de las ruedas (manguetas) y se produce el efecto de dirección
  • Al trabajar la suspensión, las variaciones angulares de las bieletas laterales BRL son similares a las de los brazos de suspensión transversales, lo que permite que el paralelo entre las ruedas directrices se mantengan en las cotas de diseño, aportando estabilidad y evitando desgaste adicional de la banda de rodamiento de los neumáticos
  • La dirección de cremallera es sumamente precisa y exenta de holguras lo que aporta más seguridad activa o primaria

La dirección de cremallera

Posición de la dirección de cremallera

Se anticipó que hay dos posiciones genéricas de la dirección de cremallera con relación al eje delantero, y las vemos en estas imágenes en una de las cuales se añade un detalle relacionado con el recorrido de las suspensiones.

Se identifican estos elementos:

  • Cremallera; en sus extremos articulan dos prolongaciones laterales (bieletas laterales o transversales) hasta las bieletas de dirección
  • Bieletas transversales (prolongaciones de la cremallera); articulan por sus extremos interiores con cada lado de la cremallera y por los exteriores con las bieletas de dirección
  • Bieletas de dirección; articulan con las bieletas transversales (prolongaciones) de la cremallera e inducen el giro de las ruedas al actuar sobre el volante
  • Piñón; engrana en el dentado de la cremallera
  • Eje que une las ruedas delanteras

Imagen 1. Dirección de cremallera por delante del eje

  • Para que la ruedas directrices giren en el sentido que indica el volante el piñón engrana con la cremallera por debajo

Imagen 2. Dirección de cremallera por detrás del eje

  • Es este caso el piñón engrana con el dentado de la cremallera por encima para que el sentido de giro de las ruedas corresponda al del volante

Imagen 3. Dirección de cremallera con amplios recorridos de suspensión

  • La salida de la cremallera es central para que las bieletas transversales (prolongaciones) sean largas y describan ángulos amplios que no alteren el paralelismo de las ruedas al trabajar las suspensiones con largos recorridos
  • Al estar la cremallera por detrás del eje para que el giro de las ruedas por efecto de la dirección sea en el sentido correcto el piñón se engrana con el dentado de la cremallera por debajo

En todos los casos las bieletas de dirección son oblicuas para que las prolongaciones de sus ejes hacia atrás incidan en el centro del eje trasero.

Esta geometría es necesaria para que las ruedas directrices giren ángulos diferentes; más la interior a la curva que la exterior y así ser tangentes a las circunferencias de diferente diámetro que recorren.

Es por la misma razón que en el eje motriz se incluye el diferencial, en este caso es para dar más velocidad a la rueda exterior que a la interior pues han de recorrer en curva distancias diferentes en el mismo tiempo.

Posición de la dirección de cremallera

Funcionamiento y detalles de la dirección de cremallera

Se ven dos coches de frente, a la izquierda en reposo (1) y a la derecha trabajando la suspensión y dirección (3).

En la imagen central (2) se resalta la dirección de cremallera con los elementos relacionados de suspensión identificando los componentes.

Debajo de estas tres imágenes se detallan los componentes.

Las suspensiones representadas son independientes por dos brazos paralelos transversales y la cremallera está por delante del eje:

  • Silentblocs; son casquillos de goma deformables que permiten desplazamientos angulares en un plano absorbiendo ruido y vibraciones. Se ven en las articulaciones de los brazos de suspensión en la carrocería
  • Rótulas de suspensión y dirección; están en las articulaciones de los brazos de suspensión con el portamanguetas. Trabajan tanto al subir y bajar la suspensión como al girar la dirección. Las rótulas son esféricas y están en una cámara de la misma forma con grasa como lubricante, tienen una funda de goma hermética para evitar fugas de lubricante
  • Rótulas de dirección; articulan entre los extremos exteriores de las barras laterales de prolongación de la cremallera (bieletas transversales) con las bieletas de dirección que hacen girar el portamanguetas
  • Rótulas axiales; son las articulaciones entre los extremos de la cremallera y su conexión con las prolongaciones laterales (bieletas transversales). Se denominan axiales pues la cremallera y estas prolongaciones laterales se desplazan transversalmente a la vez, más o menos axialmente
  • Juntas en ángulo en el eje o caña de dirección, para evitar la intrusión del volante en el habitáculo y poder colocar el piñón de la cremallera en la posición más conveniente por diseño
  • Fuelles de dirección; son estancas y flexibles en los desplazamientos laterales de la cremallera y sus prolongaciones a cada lado (bieletas transversales) articuladas por las rótulas axiales, se evita que el aceite que lubrica el interior de la cremallera y piñón se fugue o entre polvo
  • Cremallera; es la barra transversal dentada que da el nombre a esta dirección
  • Piñón; incide en el dentado de la cremallera y transforma el giro del volante en desplazamiento transversal para hacer girar angularmente las ruedas

Funcionamiento y detalles de la dirección de cremallera

Dirección de cremallera vista en planta

Se ven en esta vista los elementos de la dirección de cremallera que ya se han explicado, detalle ampliado, y dos posiciones sobre el automóvil, en recta y curva.

La cremallera está por detrás del eje.

Como complemento a las imágenes hacemos estos comentarios:

  • La suspensión delantera representada es por dos brazos paralelos y se ven los silentblocs de articulación en la carrocería (dos por brazo)
  • Con el automóvil en recta se representan las prolongaciones de las bieletas de dirección hacia atrás, que se cortan en el centro del eje trasero
  • En el automóvil tomando la curva se resalta el diferente ángulo de giro de las ruedas, más la interior que la exterior, por la geometría de las bieletas de dirección oblicuas, para que el ángulo que gira cada una haga que sus ejes sean tangentes a las circunferencias de distinto radio que describen

Dirección de cremallera vista en planta

Dirección de cremallera con mangueta desacoplada

Se ve con cuatro grupos de imágenes, en las de la izquierda la mangueta está acoplada al portamangueta, es la misma pieza, en las de la derecha la mangueta gira sobre el portamangueta articulando sobre dos rótulas, las dos piezas, mangueta y portamangueta son independientes.

La dirección de cremallera en los dos coches está por delante del eje:

  • En la imágenes de los detalles bajo los coches se ven ambos sistemas montados y separados
  • En la mangueta acoplada (izquierda) la dirección gira sobre las rótulas de suspensión en los extremos exteriores de los brazos, donde articula el portamangueta – mangueta. Las rótulas trabajan con la suspensión y dirección
  • Comparando con la mangueta desacoplada (derecha) se aprecia que las rótulas de suspensión articulan en los extremos del portamangueta, y sobre este (portamangueta) articula la mangueta asentada en dos rótulas de dirección. Las rótulas de suspensión y dirección son independientes
  • Ciertos ángulos de la geometría del tren delantero se basan en la posición de las rótulas de dirección, al ser independientes de las de suspensión se puede lograr mejor mantenimiento de la geometría que favorece el comportamiento dinámico al trabajar la suspensión, balanceos, oscilaciones y baches, con mejor control y estabilidad

Dirección de cremallera con mangueta desacoplada

Dirección de cremallera con suspensión McPherson

Las imágenes y su texto dan la información que queremos transmitir, complementada con estos comentarios.

La cremallera está por delante del eje:

  • La suspensión McPherson es independiente y prescinde del brazo superior transversal, lo que reduce el número de elementos necesarios y hay más espacio para mecánica o maletero según sea la implantación técnica del automóvil
  • La base de esta suspensión McPherson es que hay un conjunto telescópico que articula en el brazo de suspensión sobre una rótula y asienta por su parte alta en la carrocería, donde hay un silentbloc y también un rodamiento, pues es el punto superior de giro de la dirección, el inferior es la rótula de suspensión y dirección en el brazo
  • El conjunto telescópico se compone del portamangueta, mangueta y amortiguador
  • En las imágenes que vemos el elemento elástico es un muelle, que se incorpora en el conjunto telescópico, pero puede ser otro; y estar o no integrado en el conjunto telescópico
  • En las imágenes de arriba la mangueta y portamangueta están acoplados. La dirección como se ha comentado gira por la articulación de la rótula de suspensión (y dirección) en el brazo y el apoyo del conjunto telescópico en la carrocera mediante un rodamiento específico
  • Algunos ángulos de la geometría del tren delantero se basan en la posición de los puntos de giro de la dirección, que en este caso se comparten con la suspensión
  • Las imágenes de abajo representan el sistema de mangueta desacoplada que se ha explicado, en este caso sobre suspensión McPherson; la mangueta se separa del portamangueta que sigue formando parte del conjunto telescópico, y gira articulada mediante dos rótulas de dirección (sobre el portamangueta)
  • El conjunto telescópico asienta por su parte alta en la carrocería sobre un silentbloc, sin rodamiento, y por debajo en la rótula de suspensión en el brazo
  • Al girar la mangueta sobre las rótulas de dirección en el portamangueta la geometría de la rueda depende de la posición de estas rótulas, independientemente de las articulaciones de suspensión, lo que aporta mejor calidad de la geometría dinámica

Dirección de cremallera con suspensión Mc Pherson

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