Dirección (automóvil)

Detalle del mecanismo de dirección de un Ford T de 1925
Esquema de un sistema de dirección tipo Ackerman. (1:Volante; 2: Columna de dirección; 3: Engranaje de la dirección; 4A: Brazo de mando; 4B: Brazo tensor; 5: Tirante central; 6: Tirante interno; 7: Mangueta de ajuste; 8: Brazos de los tirantes)

La dirección es el conjunto de órganos que permiten a cualquier vehículo modificar su trayectoria para seguir el rumbo deseado. Una excepción es el caso del ferrocarril, en el que la dirección es controlada por medio de raíles y desvíos. La función primaria de todo sistema de dirección es permitir al conductor guiar el vehículo.

En los vehículos con ruedas, al actuar sobre el volante (o manillar), el conductor cambia el ángulo de deriva (ángulo entre el plano de la rueda y la trayectoria de la rueda) de la o las ruedas directrices. La fuerza creada entre la carretera y el eje de giro hace girar el vehículo.

Historia

En azul: eje de un carruaje tirado por caballos.

La historia de la dirección comenzó con los vehículos tirados por caballos, especialmente cuando surgieron los primeros vehículos con más de un eje.

Eje de pivote central o rueda de dirección

Clement-Panhard (1899) con un único eje de pivote central

La solución obvia para conseguir un sistema de ruedas orientables es conectar sólidamente las ruedas en los extremos de un eje rígido que bien gire libremente sobre un único eje de pivote vertical o descanse sobre una rueda de dirección -turntable o fifth wheel en inglés-. El sistema se utilizó históricamente en los ejes delanteros -e intermedios en su caso- de muchos carruajes de más de un eje, de modo que los caballos podían tirar del carro desde los lados en curvas haciendo que el vehículo girase sobre su último eje, llegándose a aplicar incluso a los primeros automóviles como el Clement- Panhard.

Vehículo articulado

Un sistema muy extendido cuando el tipo de carruaje lo permitía, consistía en articular el propio vehículo en dos partes, cada una de las cuales estaba unida sólidamente al eje en el que se apoyaba obteniéndose un comportamiento similar al de vehículos con dirección de rueda.

Ruedas desacopladas o ejes rotos

Los sistemas anteriores ofrecían un resultado aceptable para orientar las ruedas de un vehículo, pero no ofrecían respuesta al problema que de cara a la estabilidad suponía unir ambas ruedas forzándolas a permanecer paralelas y girar al mismo número de revoluciones.

El radio de la curva trazado por la rueda interior es más cerrado que el ángulo trazado por la exterior, por lo que si ambas ruedas permanecen paralelas o giran al mismo número de revoluciones, necesariamente se arrastrarán perjudicando la estabilidad en curvas, especialmente en las más cerradas o tomadas a cierta velocidad, razón por la que los vehículos rápidos solían contar con un solo eje.

La idea de separar el movimiento de los bujes en un eje directriz no es una preocupación reciente. Ya en vehículos tirados por caballos surgieron mecanismos para en primer lugar permitir que las ruedas girasen libremente en los extremos del eje -ruedas desacopladas o "locas"- y posteriormente mecanismos más o menos complejos para evitar el paralelismo de las ruedas como el sistema por cadenas del vehículo de vapor de Amedee Bollee.

Geometría de dirección de Ackermann

Geometría de dirección de Ackermann.

La geometría de dirección de Ackermann es una determinada disposición geométrica de los elementos que intervienen en la dirección de un automóvil u otro vehículo, diseñada para lograr que la rueda interior y exterior tracen círculos de diferentes radios. Descrita por primera vez por el constructor de transporte alemán "Lankensperger" en 1817 y patentada por su agente en Inglaterra Rudolph Ackermann (1764-1834) en 1818, se trataba de un cuadrilátero articulado para coches de caballos, en el que cada rueda delantera pivotaba independientemente sobre su propio eje de pivote mediante un sencillo mecanismo conocido como pivote de dirección. Aunque hay precedentes como los estudios sobre sistemas de dirección mejorada para carruajes publicados por Erasmus Darwin en 1758,[1]​ su forma definitiva no apareció hasta las patentes de Karl Benz (1893) y de Edward Butler (1897).

Una primera aproximación al problema resuelto mediante este sistema puede comprenderse buscando el centro común de los dos circunferencias de diferente radio que deben seguir idealmente las ruedas exterior e interior. En vehículos de dos ejes este punto está en el interior de la curva a la altura del eje trasero aproximándose al centro del eje a medida que el ángulo de la curva es menos pronunciado.

La hoy denominada geometría de Ackermann resolvió definitivamente el objetivo de dirigir el eje de giro del buje de cada una de las ruedas directrices a ese punto, alineándolo con el radio de su circunferencia ideal de una manera simple y efectiva. Para ello se utiliza el cuadrilátero deformable formado por el eje delantero, la barra de dirección situada por detrás de él -habitualmente la propia cremallera- y los tirantes articulados que unen esta barra con los pivotes de dirección de cada una de las ruedas. Si bien originariamente el sistema se utilizó para que las ruedas girasen paralelas, la mejora conocida como trapecio de Jeantaud permitió obtener el ángulo deseado en cada cubo de forma muy sencilla, simplemente alineando los tirantes con el centro del eje trasero en lugar de ser paralelos entre sí, de modo que al ser empujados por la barra de dirección trasmitían un movimento mayor a la rueda interior, haciendo que adoptara un ángulo más cerrado que la exterior.

Dirección tradicional con brazo Pitman de accionamiento longitudinal en un vehículo industrial

Los vehículos actuales rara vez recurren a una geometría de Ackermann "pura", siendo habitual jugar con los ángulos de las ruedas interior y exterior para aumentar el agarre o minimizar el desgaste.[2]

Evolución hacia la suspensión independiente

- Sistemas de dirección en suspensiones dependientes.

A principios del siglo XX la geometría de dirección de ackermann se había implantado universalmente en todo tipo de vehículos, que en su gran mayoría seguían utilizando suspensiones mediante eje rígido en ambos trenes. En este tipo de suspensión delantera, hoy solo presente en vehículos industriales y algunos todo terrenos de gran tamaño, el recorrido de suspensión de cada rueda está necesariamente ligado al de la otra, por lo que la distancia entre sus pivotes de dirección no se verá afectada por el trabajo de la suspensión. Esta característica permitió la rápida difusión de las direcciones basadas en cuadriláteros articulados puesto que sin interferencia de la suspensión, el pivote de dirección trabajaba en un único grado de libertad, lo que era de crucial importancia hasta la aparición de las rótulas; el sistema constaba de:

Sistema de palanca acodada utilizado con las primeras suspensiones independientes
Sistema actual de piñón y cremallera
  • Los pivotes de dirección de las ruedas directrices que pivotan en torno a un eje geométrico próximo a la vertical.
  • El volante y su eje (o columna de dirección)
  • La caja de dirección formada por tornillo sin fin encargado de transformar el movimiento de rotación del eje del volante en movimiento de translacción
  • El brazo Pitman o brazo de mando engranado a la caja de dirección gira sobre su eje hacia delante o atrás al girar la dirección.
  • La biela de dirección dispuesta longitudinalmente conecta el brazo de mando con uno de los pivotes de dirección.
  • Los brazos de acoplamiento o tirantes conectados a los pivotes y unidos entre sí por una barra de acoplamiento formando junto con el puente delantero el cuadrilátero articulado conocido como geometría de Ackermann

- Sistemas de dirección en suspensiones independientes previos a la aparición de rótulas.

Dirección en una suspensión Dubonnet.

Al hacerse patente la necesidad de un sistema de suspensión independiente en el eje directriz los constructores debieron hacer frente al desafío que suponía permitir variaciones de vía -distancia entre el centro de las dos ruedas de un eje- sin que ello afectara a la dirección. La solución consistió en dividir el mecanismo de dirección en dos partes, una sujeta a la masa suspendida del vehículo y otra a la masa no suspendida.

En comparación con el sistema de dirección empleado en vehículos con eje rígido, la biela longitudinal de dirección no se conectaba a uno de los pivotes de dirección, si no a una palanca de ataque que giraba sobre un punto fijado en el chasis - masa suspendida- del vehículo. De esta palanca salían dos semibarras de acoplamiento articuladas conectadas a la masa no suspendida -los pivotes de dirección -, siendo el conjunto -conocido como varillaje de dirección- capaz de absorber el movimiento de la suspensión sin afectar al viraje del vehículo.

Una notable excepción a este sistema fue la suspensión Dubonnet. En este tipo de suspensión el vástago de la rueda se sitúa en el extremo de una biela que comprime un conjunto de muelle y amortiguador encapsulado en un contenedor horizontal fijado al pivote de dirección. De este modo tanto el contenerdor como la biela giran con la dirección, por lo que las barras que accionan los pivotes de dirección los atacan directamente, sin el complicado varillaje de los sistemas de la época, por lo que no están sujetas a ningún movimiento que deba absorber la suspensión.

Other Languages
azərbaycanca: Sükanla idarə
Deutsch: Lenkung
English: Steering
italiano: Sterzo
Bahasa Melayu: Stereng
Nederlands: Stuurinrichting
português: Esterço
Simple English: Steering
slovenščina: Krmilni sistem