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• Eduardo Urdiales

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Para que el funcionamiento del sistema de dirección resulte adecuado, es preciso que los elementos que lo forman cumplan unas determinadas condiciones, llamadas geometría de dirección o cotas de reglaje

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Mediante el uso de las cotas de reglaje se logra que las ruedas obedezcan fácilmente al volante de la dirección y no se altere su orientación por las irregularidades del terreno o al efectuar una frenada o al entrar en una curva, resultando así la dirección segura y de suave manejo

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También debe retornar a la línea recta y mantenerse en ella al soltar el volante después de realizar una curva.

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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.

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Cuando un vehículo toma una curva las ruedas directrices no generan un radio diferente la una con respecto a la otra Si las dos tuviesen la misma trayectoria ambas ruedas tendrían un radio de rotación diferente por lo eso implicaría que una de ellas arrastraría a la otra. Esto provoca que una de las ruedas o ambas tengan un deslizamiento lateral que provocaría un desgaste prematuro de los neumáticos.

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Debido a esto las ruedas deben de tomar en una curva orientaciones diferentes y las prolongaciones de tales direcciones se corten en un centro de giro común. Esto sucede también con las traseras ya que todo el vehículo tiene que girar como un solido rígido

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Este concepto es teórico ya que el ángulo de deriva y el deslizamiento son las principales variantes en este concepto.

Cinemática de los sistemas de suspensión. Eje Rígido  Los primeros vehículos basaban su sistema de dirección en un eje delantero rígido que giraba de forma solidaria con las ruedas como respuesta al giro del volante  Sus principales inconvenientes son: 

◦ La dirección es inestable, cualquier irregularidad del terreno pasa al volante lo que implique que el conductor tenga que controlar también la inestabilidad d el vehículo.

Cinemática de los sistemas de suspensión. Eje Rígido 

◦ La dirección resulta inestable, cualquier irregularidad en el terreno influye de forma importante en la dirección. ◦ Los esfuerzo requeridos para realizar un giro en vehículos pequeños es extremadamente grande y lo hace inviable para vehículos de industria. ◦ El radio de giro del vehículo resulta demasiadamente amplio. ◦ La construcción de suspensiones delanteras resulta compleja. ◦ En la mayoría de los vehículos actuales las ruedas delanteras no solo son directrices si no también motrices

Sistema Ackerman  Para evitar girar todo el eje se opto por hacer girar las dos ruedas sobre puntos de pivotamiento distintos.  El sistema creado por Ackerman reduce en gran medida el valor del par que era preciso aplicar a la tirantería de la dirección al reducirse de forma notable el ángulo de giro de las ruedas.  Esto permitió reducir el grado de desmultiplicación en el mecanismo de la dirección.  Pero Ackerman soluciono el problema del eje rígido pero no logro solucionarlo por completo al tener todavía las ruedas el mismo ángulos de giro

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Para lograr que los neumáticos puedan recorrer trayectorias paralelas, es preciso disponer de un mecanismo que permita girar las dos ruedas delanteras según dos ángulos progresivamente diferentes. La condición geométrica que debe cumplirse para conseguir este efecto se traduce a: 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑣𝑖𝑎 (𝑎) 𝑐𝑜𝑡𝑎𝑛 𝛼 − 𝑐𝑜𝑡𝑎𝑛𝛽 = 𝐵𝑎𝑡𝑎𝑙𝑙𝑎(𝑏)

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Se llama ángulo de salida al ángulo (As) que forman la prolongación del eje del pivote, sobre el que gira la rueda para orientarse, con la prolongación del eje vertical que pasa por el centro de apoyo de la rueda y cuyo vértice coincide en A´. Este ángulo suele estar comprometido entre 5 y 10º.

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Esta disposición del pivote sobre el que se mueve la mangueta reduce el esfuerzo a realizar para la orientación de la rueda ya que, depende directamente de la distancia "d", cuanto menor sea "d" menor será el esfuerzo a realizar con el volante para orientar las ruedas.

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Este esfuerzo será nulo cuando el eje del pivote pase por el punto "A“, centro de la superficie de contacto del neumático con el suelo. En este caso solo habría que vencer el esfuerzo de resistencia de rodadura (Fr) correspondiente al ancho del neumático, ya que el par de giro sería nulo.

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En la práctica "d" no puede ser cero ya que, entonces la dirección se volvería inestable.

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De la inclinación del eje del pivote resultan fuerzas de retroceso, las cuales, después del paso de una curva, hacen volver a las ruedas a la posición en línea recta en sentido de la marcha.

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Esto es debido a que al orientar la rueda para tomar una curva, como gira sobre el eje de pivote y este está inclinado, la rueda tiende a hundirse en el suelo, y como no puede hacerlo, es la carrocería la que se levanta, oponiéndose a esto su propio peso, por lo cual, en cuanto se suelte el volante de la dirección, el peso de la carrocería, que tiende a bajar, hará volver la rueda a su posición de marcha en línea recta.

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Además el ángulo de salida, minimiza el efecto de las irregularidades de la carretera en el ensamblaje del conjunto de dirección. La presión de inflado de los neumáticos tiene una importancia vital en este ángulo, pues con menor presión, el punto "A´" se desplaza más hacia abajo, aumentando la distancia "d" y, por tanto, el esfuerzo para girar las ruedas.

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Eje de pivotamiento La distancia entre A-B hace las veces de un brazo de palanca a través del cual se transmiten al eje de pivotamiento los esfuerzos que se originan en la rueda. Por lo tanto los esfuerzos que ha de soportar el eje de pivotamiento serán tanto mayores cuanto mayor sea dicha distancia.

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Eje de pivotamiento A lo que se llega después de haber citado lo anterior es que la distancia entre A-B debe de ser lo menor posible Lo que significa que la intersección de la prolongación del eje de pivotamiento con el suelo debería de hacerse coincidir con la huella del neumático para que este al girar, en lugar de desplazarse pudiera girar sobre si mismo. En la practica esto se consigue aproximando el eje de pivotamiento todo lo posible a la rueda e inclinándola un poco formando el ángulo As respecto al plano vertical, de modo que el punto B este cerca del punto A El ángulo se denomina inclinación del eje de pivotamiento. Este ángulo también se llama ángulo de salida o King-Pin

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Eje de pivotamiento Suele también inclinarse la rueda con respecto al plano vertical lo que se conoce como ángulo de caída de la rueda, lo que facilita el pivotamiento de la rueda en la medida que el punto A se aproxima mas aun al B.

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En la mayoría de vehículos se utilizan ángulos de inclinación y de caída, cuyas magnitudes son el resultado de ponderar las ventajas y desventajas de uno y otro. Por lo general la caída es positiva, lo que significa que la mangueta esta ligeramente hacia abajo. No obstante en algunos vehículos de pendiendo del diseño y de la carga la caída puede ser nula o inclusive negativa.

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Observando el vehículo desde el frente, se llama ángulo de caída o Camber, al ángulo "Ac" que forma la prolongación del eje de simetría de la rueda con el vertical que pasa por el centro de apoyo de la rueda.

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Este ángulo se consigue dando al eje de la mangueta una cierta inclinación con respecto a la horizontal.

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Tiene por objeto desplazar el peso del vehículo que gravita sobre este eje hacia el interior de la mangueta, disminuyendo así el empuje lateral de los cojinetes sobre los que se apoya la rueda.

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La mangueta está sometida a esfuerzos de flexión equivalentes a peso que sobre ella gravita (P) por su brazo de palanca (d).

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Con el ángulo de caída lo que se busca es reducir el brazo de palanca o distancia (d), por ello al inclinar la rueda, se desplaza el punto de reacción (A) hacia el pivote, con lo que el brazo de palanca o distancia (d) se reduce y, por tanto, también se reduce el esfuerzo a que están sometidos los rodamientos de la mangueta.

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El valor del ángulo de caída (Ac), que suele estar comprendido entre treinta minutos y un grado.

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Un Camber inadecuado origina movimientos bruscos en el volante, desgaste desigual de las llantas y el desvío de la dirección. Si se siente esto en el volante cada vez que la llanta delantera pasa por un borde o tope, se está teniendo una experiencia con el choque del camino y probablemente se tiene algún problema con el ángulo Camber.

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El desvío de la dirección ocurre cuando el vehículo jala para un lado cuando se va sobre un camino plano. La causa más frecuente de esto es un camber disparejo. Esto es, una llanta tiene más, o tiene menos camber que la otra. Generalmente el vehículo jala para el lado que tiene el camber positivo mayor.

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Un Camber disparejo se ocasiona cuando se usan: ◦ Llantas de diferente tamaño ◦ Llantas mal infladas ◦ Llantas desgastadas en forma desigual

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El camber inadecuado también puede ser causado por: ◦ Pivotes de las ruedas de la dirección desgastadas ◦ Pasadores de pivotes de la ruedas, rotulas, bujes de platos de suspensión, desgastados ◦ Ejes deformados.

Los efectos de la caída  Por efecto de la inclinación de la rueda, la banda de rodadura no estará centrada si no desplazada hacia el borde exterior de la banda de rodadura  La caída hace que las dos ruedas tiendan a separarse hacia afuera como respuesta al impulso que se ejerce  Esta situaciones de no ser compensada traerá consigo un continuo derrape de las ruedas directrices. Para compensar esta situación se dota a las ruedas de una nueva cota de reglaje: La convergencia.

La convergencia:  La convergencia consiste en cerrar las ruedas ligeramente por la parte delantera y abrirlas por las traseras (+), de tal modo que el efecto producido por la caída tienda a neutralizarse.  La convergencia positiva se denomina (Toe-in) y la convergencia negativa es (Toe-out)

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El que el valor de la convergencia pueda ser positivo o negativo (divergencia) depende de los valores que tengan los ángulos de caída, salida y, además, de que el vehículo sea de tracción delantera o propulsión trasera. El valor de esta convergencia viene determinado por los valores de las cotas de caída, salida y avance.

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Una excesiva convergencia o divergencia, no solo hace que el vehículo sea difícil de dirigir, sino que además hacen que las llantas se desgasten rápidamente y en forma desigual, pudiéndose notar que los bordes de las llantas se ven como los filos de una pluma o como los dientes de un serrucho.

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Un exceso de convergencia o divergencia producirá un desgaste anormal en los neumáticos en forma de circunferencia pero con unas estrías transversales que se aprecian pasando la mano por la banda de rodadura.

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Resistencia a la rodadura Si tomamos como ejemplo un vehículo con el eje trasero motriz el cual transmitirá la fuerza de empuje hacia el bastidor y este a través de el al eje delantero de las ruedas directrices. En este caso el eje tira de las ruedas directrices y esta por su resistencia a la rodadura tiende a quedarse retrasada El resultado es que se produce un par de giro alrededor del eje de pivotamiento que dependerá de la fuerza Fr equivalente a la resistencia de rodadura de lay del brazo de palanca “a" y que tendrá que abrir la parte delantera de la rueda hacia afuera

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Resistencia a la rodadura El resultado es que se produce un par de giro alrededor del eje de pivotamiento que dependerá de la fuerza Fr equivalente a la resistencia de rodadura de la rueda y del brazo de palanca “a” y que tendrá que abrir la parte delantera de la rueda hacia afuera

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Resistencia a la rodadura Para vehículos con tracción delantera la resistencia a la rodadura es muy inferior a la fuerza de tracción y es la rueda la que tira al vehículo. Ft representa la fuerza de tracción ejercida por la rueda y el par de giro alrededor del eje de pivotamiento tiene a cerrar la rueda por la parte delantera Por lo tanto en el caso de un vehículo con tracción delantera, la tendencia de las ruedas a abrirse producida por la caída positiva, es contrarrestada.

Resistencia a la rodadura  Como conclusión se dice que las ruedas cuando solo son directrices la resistencia a la rodadura tiene a abrirlas por la parte delantera .  Cuando además de ser directrices son motrices la fuerza de tracción tiende a cerrarlas  Como regla en las ruedas solo directrices y con caída positiva la convergencia deberá de ser positiva y si las ruedas son directrices y motrices y la caída es positiva la convergencia podría ser positiva o negativa, dependiendo del diseño.  Como resultado final el reglaje del vehículo deberá de ser tal que compense todos estos efectos

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La función del ángulo de avance es favorecer que las ruedas vuelvan a la posición recta después de un giro y a la vez dar estabilidad a la dirección.

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De esta forma se consigue dar a la dirección fijeza y estabilidad, debido a las desviaciones que pueda tomar la rueda por las desigualdades del terreno, se forman este par de fuerzas que la hacen volver a su posición de línea recta.

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El avance debe ser tal, que cumpla la misión encomendada sin perturbar otras condiciones direccionales. Si este ángulo es grande, el par creado también lo es, haciendo que las ruedas se orienten violentamente. Si el ángulo es pequeño o insuficiente, el par de orientación también lo es, resultando una dirección inestable.

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Avance Si las ruedas son directrices no motrices, el suelo ejerce sobre ellas una fuerza igual a la resistencia a la rodadura y en sentido opuesto al de la marcha. Esta fuerza ejerce un efecto de autoalineamiento cuando el eje de pivotamiento se sitúa por delante del punto de contacto sobre el suelo. El ángulo “a” que forma el eje de pivotamiento con respecto al plano vertical se le denomina avance. Por lo general el avance es positivo

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Autoalineación de la dirección. Este fenómeno unido al avance determina el grado de tendencia a la autoalineacion de la dirección. Un avance excesivo podría a dar a una dirección demasiado dura y con una clara tendencia a mantener la dirección de la marcha Un avance insuficiente podría producir en muchos casos una dirección muy suave pero “vagabunda”. Poco estable.

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Los ángulos de avance e inclinación del eje de pivotamiento están relacionados. Si la inclinación del eje de pivote es grande por diseño, puede ser necesario reducir al mínimo el avance para evitar una dirección con una tendencia excesiva al autoalineamiento, y cada ves los vehículos tienen ángulo de avance mínimo o hasta incluso negativo.

Radio de Pivotamiento Negativo 

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Los punto A y B corresponden al centro de contacto del neumático sobre el piso y a la intersección del eje de pivotamiento también con el plano del suelo Se dice que el radio de pivotamiento es negativo cuando la proyección del ángulo del eje de pivotamiento no cae en la parte interior de la huella Una de las ventajas de dicho radio es la mejor estabilidad de las frenadas.

Radio de Pivotamiento Negativo 

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En la figura se representa la rueda delantera de un vehículo con radio de pivotamiento negativo. Si accionamos los frenos se producirá una resistencia a la rodadura representada por Fr y que será tanto mayor cuanto mayor sea la acción del freno El resultado será el mismo que cuando hablamos de la resistencia a la rodadura, es decir se producirá un par de giro alrededor del eje de pivotamiento. Al estar el punto B fuera del en el exterior del neumático, el sentido de par será inverso y tendrá a cerrar a las ruedas por la parte delantera, orientándose hacia el eje del vehículo y anulando cualquier tendencia a virar bruscamente

Radio de Pivotamiento Negativo 

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De esta manera cualquier desequilibrio en la frenada causado por una rueda en pavimento deslizante, tiende a compensar automáticamente. Este efecto resulta interesante al momento de abaratar costos en el circuito de frenos