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• emilioC5

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•Introducción, clasificación y estructura de sistemas de dirección •Geometría de la dirección • Practica diagnóstico, desmontaje, despiece, y comprobación de los diferentes mecanismos de dirección. •Disposición del sistema de dirección en los vehículos •Mecanismos de dirección •Constitución y funcionamiento de los diferentes sistemas de dirección

 La

dirección es un conjunto mecánico que debe guiar las ruedas directrices para que el vehículo tome el camino o trayectoria deseada por el conductor.  Convierte el movimiento giratorio del volante en una desviación angular de las ruedas directrices.

 Los

principales problemas en el diseño de los mecanismos y elementos que integran la dirección son: • Lograr reversibilidad controlada • Tener la suficiente sensibilidad para mantener el

control adecuado • Fiabilidad y el control de la dirección • Lo suficientemente suave para permitir el giro a bajas velocidades • Lo suficientemente pesado para lograr una estabilidad aceptable a altas velocidades.

 El

sistema de dirección, está formado por una serie de componentes, cuya misión es convertir el movimiento de giro realizado por el conductor en el volante en una modificación del ángulo de orientación de las ruedas directrices del vehículo, para que el vehículo tome la trayectoria deseada por el conductor

 El

mecanismo de la dirección es una de los mas importantes del vehículo  De la dirección depende en gran medida la seguridad del vehículo por lo cual debe de reunir las siguientes cualidades. • • • • •

Reversibilidad Suavidad Precisión Estabilidad Seguridad

 Seguridad:

Depende de la fiabilidad del mecanismo, de la calidad de los materiales empleados y del mantenimiento adecuado.

 Suavidad:

Se consigue con un montaje preciso, una desmultiplicación adecuada y un perfecto engrase. La dureza en la conducción hace que ésta sea desagradable, a veces difícil y causante de fatiga.  Puede producirse por colocar neumáticos inadecuados o mal inflados, por un mal reglaje de los ángulos de la dirección, por carga excesiva sobre las ruedas directrices y por estar el eje o el chasis deformado.

 Precisión:

Se consigue haciendo que la dirección no sea muy dura ni muy suave.  Si la dirección es muy dura por un excesivo ataque (mal reglaje) o pequeña desmultiplicación (inadecuada), la conducción se hace fatigosa e imprecisa; por el contrario, si es muy suave, por causa de una desmultiplicación grande, el conductor no siente la dirección y el vehículo sigue una trayectoria imprecisa.

 Precisión  Entre

las causas que pueden hacer que el sistema de dirección resulte impreciso cabe destacar • El excesivo juego en los órganos de la dirección

• El alabeo o abolladuras de las llantas de las

ruedas • Un desgaste desigual de los neumáticos • El desequilibrio de las ruedas • La inadecuada presión de inflado

 La

falta de precisión puede ser debida a las siguientes causas: • Por un desgaste desigual en los neumáticos, que

hace ascender a la mangueta en cada vuelta, modificando por tanto las cotas de reglaje. • El desequilibrio de las ruedas, que provoca una serie de movimientos oscilatorios de las ruedas alrededor de su eje, que se transmite a la dirección, produciendo reacciones de vibración en el volante. • Por la presión inadecuada en los neumáticos, que modifica las cotas de reglaje y que, si no es igual en las dos ruedas, hace que el vehículo se desvíe a un lado.

 Irreversibilidad:

Consiste en que el volante debe mandar el giro a las ruedas pero, por el contrario, las oscilaciones que toman estas, debido a las incidencias del terreno, no deben ser transmitidas al volante.  Otras características:  Ausencia de juego al circular en línea recta.  Rozamiento reducido, para obtener mayor rendimiento

del sistema  Gran rigidez  Posibilidad de reajuste  La instalación de la dirección debe garantizar una conducción fácil y segura del vehículo

 Las

exigencias planteadas al comportamiento de la dirección se pueden resumir en:

• Los golpes de la irregularidades de la calzada se deben

transmitir al volante lo más amortiguado posible. El conductor no debe perder el contacto con la calzada debido a la amortiguación. • Mediante la rigidez correspondiente de la instalación de la dirección (espacialmente al utilizar uniones elásticas de goma), el vehículo debe reaccionar a las mínimas correcciones de la dirección. • Al soltar el volante, las ruedas deben retornar por sí mismas a la posición central y mantenerse estables en ella (estabilidad direccional) • La dirección debe tener una desmultiplicación lo más pequeña posible (cantidad de giro del volante de tope a tope) para conseguir una buena manejabilidad.

 Este

conjunto de elementos de la dirección esta constituido por: • Un mecanismo desmultiplicador (columna de la

dirección) • Palancas y barras de acoplamiento (tirantería)

 Se

cree que el primer manubrio de dirección fue utilizado en un Daimler en 1894.

 El

volante esta acoplado a la columna de la dirección a través de un estriado y fijado por una tuerca.  El diámetro del volante se diseña para que resulte cómodo de manejar y para minimizar el esfuerzo necesario para orientar las ruedas

 Este

mecanismo transforma el giro del volante en movimiento de vaivén en su palanca de mando.  El árbol de dirección realiza una desmultiplicación de giro y la multiplicación de fuerza necesaria para poder orientar las ruedas

 La

columna de la dirección es una barra de unión entre el volante y la caja de la dirección.  Esta barra normalmente gira dentro de una camisa unida al chasis y, en algunos casos, se puede variar su posición para acomodar la altura del volante.

 La

columna de la dirección presenta una estructura con una configuración de seguridad de modo que en caso de colisión frontal, el desplazamiento producido por la columna no influya directamente sobre el volante y no afecte el usuario.  El sistema mas común es acoplar a la columna una junta universal que, además de permitir situar el volante en la posición mas apropiada para el conductor, en un supuesto de colisión frontal, ceda la junta impidiendo que el volante se desplace en dirección al conductor.

El par de giro es igual a la fuerza por su radio, la desmultiplicación de los esfuerzos esta en función del volante y de la rueda directriz del mecanismo de dirección.  Resultando las fuerzas aplicada y obtenida inversamente proporcionales a los radios de giro correspondientes, ya que el momento del esfuerzo de direccionamiento ha de ser igual al momento resistente del mecanismo de dirección. 

𝑭𝟏 . 𝑹 𝟏 = 𝑭𝟐 . 𝑹 𝟐 𝑭𝟏 𝑹 𝟐 = 𝑭𝟐 𝑹 𝟏 

Esto indica que cuanto mayor sea el diámetro del volante, menor será el esfuerzo a realizar



En todo el sistema direccional, la relación de desmultiplicación (Rd) viene dada por la relación que existe entre el ángulo (A), descrito por el volante, y el ángulo (b) descrito por las ruedas directrices. 𝐴 𝑅𝑑 = 𝐵



El valor de Rd depende del peso del vehículo y de la carga que gravita sobre las ruedas directrices; oscila entre 12 y 24, según el tipo de vehículo.

La longitud del brazo de palanca de la barra de dirección apenas influye sobre la reacción de transmisión, se calcula esta en función del numero de entradas del tornillo sin fin y el numero de dientes de la rueda helicoidal que engrana en el tornillo.  La relación de transmisión define el valor de esfuerzos a ejercer en el volante.  Para el calculo hay que considerar los brazos de palanca actuantes y las resistencias al rozamiento presentadas  El esfuerzo a realizar por el volante depende también de la presión de los neumáticos y la velocidad del vehículo 



Para el caso se tendrían las siguientes expresiones 𝐹1 . 𝑅1 . 𝑧1 = 𝐹2 . 𝑅2 . 𝑍2 • 𝐹1 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑡𝑎𝑛𝑔𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒

• 𝑅1 = 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒 • 𝑧1 = 𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑜𝑟𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜 sin 𝑓𝑖𝑛 • 𝑧2 = 𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎 ℎ𝑒𝑙𝑖𝑐𝑜𝑖𝑑𝑎𝑙 • 𝑅2 = 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑎 𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒

• 𝐼1 = 𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑠𝑛𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑏𝑟𝑎𝑧𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑎 • 𝐼1 = 𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑠𝑛𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑛𝑔𝑟𝑎𝑛𝑎𝑗𝑒

𝑧1 𝑧2

𝑅1 𝑅2

 La

tirantearía de la dirección esta compuesta por un conjunto de brazos metálicos (tirantes) a cuyos extremos se les acopla una rotula.  Su función es la de trasmitir el movimiento desde el brazo de mando hasta las manguetas.

 Las

bieletas de la dirección con la mangueta a través de una rotula, sirven para trasmitir movimiento y es en ellas donde regula el alineado de dirección

 La

misión que cumplen las rotulas de dirección es la de hacer elástica la unión entre la mangueta y la caja de dirección, trasmitiendo el movimiento sin holguras.  Se adaptan perfectamente a las variaciones de longitud producidas por los cambios de dirección o las irregularidades del terreno.





Uno de sus extremos va roscado para el acoplamiento con la mangueta y el otro dispone de una cabeza esférica que es la que permite el movimiento de la rotula en todos los sentidos. Las rotulas vienen acopladas a las bielas de la dirección como una sola pieza.





Es el brazo que se conecta por medio de estrías el eje del sector en la salida de la caja de dirección y va apernado con una tuerca a éste y transmite el movimiento del manubrio hacia la barra de acoplamiento por medio de una articulación esférica que puede estar en cualquiera de las dos piezas, o también por un orificio cónico. Está construido de un acero especial débilmente aleado al cromo molibdeno y está forjado para hacerlo durable.

Barra de acoplamiento en un eje delantero rígido  Al rodar en una curva, las ruedas del vehículo desarrollan recorridos de diferente magnitud.  En caso de bajas velocidades, si se pretende que todas las ruedas estén sometidas a un movimiento de rodadura puro, sin deslizamiento, es necesario que las perpendiculares a las ruedas del automóvil converjan en un único centro instantáneo de rotación, cortándose con la prolongación del eje posterior.



Cuando el vehículo marcha en línea recta, la barra de acoplamiento se mantiene paralela al eje delantero, en cambio para tomar una curva, hay que girar las manguetas; como el ángulo entre la mangueta y el brazo de acoplamiento no es de 90º, cuando las ruedas delanteras han girado, la barra de acoplamiento ya no está paralela al eje delantero, con lo que los recorridos de los extremos de los brazos de acoplamiento son desiguales, consiguiendo que la rueda del interior de la curva gire más que la exterior.



En sistemas de eje delantero rígido la transmisión de movimiento entre la caja de la dirección al brazo de acoplamiento suele estar dado por una biela de dirección o biela de mando.

 Barra

de acoplamiento única: En este sistema la barra va unida a los brazos de la rueda y a la palanca de ataque o palanca de mando. Este sistema es el mas utilizado en especial en los vehículos de eje delantero rígido

 Barra

de acoplamiento tripartida. Este sistema se utiliza en vehículos con suspensión independiente en las ruedas delanteras. Suprime la palanca de ataque y a veces la bieleta de empuje, y une directamente la palanca de mando a las barras de acoplamiento.

 Barra

de acoplamiento de dos secciones

En esta disposición las barras de acoplamiento van unidas directamente a la palanca de mando

 Acoplamiento

Directo  Este tipo de sistema es utilizado en las direcciones de cremallera.

 Principalmente

• Cremallera • Tornillo sin fin

dos tipos de dirección:

De

tornillo sin fin y sector dentado, De tornillo sin fin y rodillo, De tornillo y tuerca deslizante, De tornillo y tuerca con bolas circulantes, De cremallera

 El

movimiento de giro que se realiza en el volante debe ser reducido para ser transmitido al varillaje de la dirección, además el esfuerzo que debe realizar el conductor debe ser pequeño, con valores que oscilan entre 10:1 a 20:1.

 Un

tornillo sin fin recibe el movimiento desde el volante y lo transmite a un segmento de dirección o sector dentado, el sector dentado va unido por su centro al eje del sector, y este eje a su vez está unido en su otro extremo al brazo de dirección o brazo Pitman, el cual transmite el movimiento al resto del varillaje de la dirección.

 Este

sistema tiene en lugar del sector dentado un rodillo de dirección fijado en el eje que comunica el movimiento a brazo Pitman.  En este tipo de caja, el tornillo sin fin no es cilíndrico, sino que hacia el centro del tornillo el diámetro se reduce, con la finalidad de que al girar el volante, el rodillo de dirección accionado por el tornillo sin fin, pueda realizar su movimiento oscilante.

 Consta

de un tornillo con rosca exterior y una tuerca de dirección o deslizante, con rosca interior.  Las dos roscas no engranan entre sí, sino que forman una pista, y están unidas por una hilera de bolas.

 El

tornillo sin fin recibe el movimiento giratorio del volante, cuando éste gira, hace que las bolas se empujen una a la otra, las cuales hacen que la tuerca deslizante también se deslice.  Cuando la tuerca se desliza, hace contacto con el sector dentado y éste gira, transmitiendo el movimiento al brazo Pitman.

 Esta

dirección se caracteriza por la sencillez de su mecanismo desmultiplicado y su simplicidad de montaje, al eliminar gran parte de la tirantería de la dirección.  Va acoplada directamente sobre los brazos de acoplamiento de las ruedas y tiene un gran rendimiento mecánico.

 Debido

a su precisión en el desplazamiento angular de las ruedas se utiliza mucho en vehículos de turismo, sobre todo en los de motor y tracción delantera, ya que disminuye notablemente los esfuerzos en el volante.  Proporciona gran suavidad en los giros y tiene rapidez de recuperación, haciendo que la dirección sea muy estable y segura.

 Un

tornillo sin fin recibe el movimiento realizado en el volante, este tornillo sin fin está conectado por medio de unos dientes a una barra de cremallera, cuando el tornillo sin fin gira, la barra de cremallera se desliza de un lado al otro dentro de la carcasa.

 Esta

barra de cremallera está conectada por medio de un sistema de brazos a la mangueta.  Este sistema de brazos está conformado por una rótula interna, una barra de unión y una rótula externa.  La rotula interna debe de estar cubierta por un guardapolvo, para evitar la suciedad dentro de la carcasa, la cual podría dañarse por suciedad acumulada.

 En

algunos casos, el sin fin y la barra cremallera pueden tener el dentado oblicuo, para lograr una mayor longitud de engrane.

 Teniendo

en cuenta la situación y disposición del motor en el vehículo, así como los otros órganos del mismo con respecto a la caja de la dirección, los fabricantes han adoptado diferentes sistemas de enlace entre la cremallera y los brazos de acoplamiento, adaptados a las características del vehículo.

 El

más sencillo de todos, que consiste en unir directamente la barra de cremallera a los brazos de las ruedas, a través de las articulaciones o barras de acoplamiento.  Estas barras se unen por un extremo a la cremallera y, por el otro, al brazo de acoplamiento, por medio de unas rótulas; de esta forma se hace regulable la unión con las ruedas.  Este sistema, completamente lineal, transmite el movimiento directamente de la cremallera a las ruedas directrices.

Algunos fabricantes utilizan un mecanismo que consiste en unir las ruedas por medio de una barra de acoplamiento en paralelo con la cremallera, de lo cual resulta un ensamblaje no lineal, sino paralelo rígido y sin desmultiplicación.  La barra se desplaza, al mismo tiempo, con la barra de cremallera, ya que ambos elementos van unidos por medio de un pivote de acoplamiento.  A los extremos de la barra se unen unos pivotes roscados y el guarda polvos que enlazan con las articulaciones de acoplamiento a las ruedas. 

Ventajas y desventajas del tornillo sin fin frente a las de cremallera. VENTAJAS • • • • •

Mayor sensibilidad Autoalineante Mas económica Menor peso Sencillez de mecanizado

INCONVENIENTES • Menor robustez • Demasiado reversible

 Los

automóviles poseen dirección por viraje de sus manguetas ó giro del eje de los neumáticos, esto permite poder virar en curvas manteniendo la estabilidad.  Debido que al tomar una curva, se establece una diferencia de recorrido y giro entre rueda del interior y la del exterior

 Este

diseño permite que el radio de las ruedas trasera intercepten el radio de las ruedas delanteras, así como el área de los puntos de apoyo no se vean reducidos.

 Tanto

la caja de dirección como su varillaje, están relacionados con el tipo de eje delantero que utilice el vehículo  El tipo de suspensión que las ruedas directrices lo utilicen.  La caja tipo CREMALLERA, se está generalizando en su utilización en el segmento de livianos y medios.

 Identifique

el tipo de dirección con la que esta equipado un vehículo: • Observe

la posición con respecto al eje

delantero. • Enumere las partes fijas y flexibles que forman parte del sistema. • Observe donde está fijada el sistema de dirección. • Mida el ángulo de giro del volante y el ángulo de giro de ambas ruedas

 Notaciones:

• iD =Relación de trasmisión de la dirección • β= Angulo de giro del volante. • α= Angulo de viraje de las ruedas delanteras.

• S= Ancho entre ruedas o vía. • δ= Angulo de arco recorrido. • re =Radio de la trayectoria de las ruedas exteriores. • ri =Radio de la trayectoria de las ruedas interiores.

• le= Longitud recorrida por las ruedas exteriores. • li =Longitud recorrida por las ruedas interiores.

Angulo  de  giro  del  volante iD  Angulo  de  viraje  de  las  ruedas  delanteras

 iD  

 Un

camión tiene una relación de trasmisión de la dirección i=32:1. ¿Qué ángulo de viraje corresponde a dos vueltas del volante?

 iD    2  360    22,5 iD

32

 Para

la conversión de grados en arco se aplica la siguiente formula.

d    IA  360  Si

en esta formula se substituye d por 2r y α por δ, resulta

2r     r     IA   360 180



Calcular las longitudes recorridas por las ruedas externas e internas, respectivamente, de un turismo que tiene una vía de 1250mm. El radio de la curva externa es de 7m y el arco recorrido en la curva es de 60°

r     7m    60 Ie    7,33m 180 180

r   Ii  180 ri  re  S  7 m  1,25m  5,75m 5,75m    60 Ii   6,02m 180

 Entendemos

por geometría de la dirección en un vehículo a la condición geométrica que tiene que cumplir todos los órganos que afectan a la dirección para determinar la posición de las ruedas en movimiento sobre el terreno y que influyen de forma determinante sobre el comportamiento dinámico del vehículo.  En la geometría de la dirección nos encontramos con dos aspectos independientes.: • Geometría de giro • Geometría de la dirección.