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Dirección E.I.I. Valladolid / José A. López p 1

Dirección Introducción y propiedades Ángulos de rueda Mecanismos de mando - Recirculación de bolas - Piñón - cremallera El mecanismo de accionamiento - Relación teórica de los ángulos de dirección - Trapecio de Ackerman - Curva de error Par de dureza de la dirección - Relación de desmultiplicación Dirección asistida - Dirección asistida hidráulica - Dirección asistida eléctrica Steer by wire E.I.I. Valladolid / José A. López p 2

Propiedades de la dirección» Precisión. Aptitud a situar el vehículo en la trayectoria con la exactitud necesaria» Dureza - suavidad. Esfuerzo en el volante que tiene que hacer el conductor para accionar las ruedas, tanto aparcando como en movimiento» Rapidez. Número de vueltas del volante» Progresividad en función del ángulo del volante» Autoalineación. Capacidad que tienen las ruedas directrices de recuperar la alineación recta.» Estabilidad. Ausencia de abaniqueo y vibraciones en volante.» Irreversibilidad. Los esfuerzos en las ruedas deben transmitirse al volante muy amortiguados.» Compatibilidad con la suspensión. Minimizar el efecto sobre la dirección de los movimientos de la suspensión y de las ruedas E.I.I. Valladolid / José A. López p 3

Rueda, suspensión y dirección E.I.I. Valladolid / José A. López p 4

Rueda, suspensión y dirección E.I.I. Valladolid / José A. López p 5

Angulos de rueda - ángulo de salida Angulo de salida i (i) o de inclinación del pivote de la mangueta. Reduce el esfuerzo de giro de la dirección El brazo de par es menor Favorece la autoalineación, llamada gravitatoria. contribuye a mantener o llevar a las ruedas a la alineación recta. Este efecto tiende a endurecer la dirección Favorece la irreversibilidad de la dirección (transmisión de los esfuerzos de la rueda al volante) Rango de valores orientativo: 3-10º E.I.I. Valladolid / José A. López p 6

Angulos de rueda - ángulo de caída Angulo de caída de la rueda (). Es positivo cuando la parte superior de la rueda se inclina hacia el exterior del automóvil, y negativo cuando se inclina hacia el interior. Hace que las ruedas tiendan a desviarse de la alineación recta: Ángulo de caída positivo Si la caída es positiva las ruedas tienden a abrirse, y si es negativa a cerrarse La caída excesiva produce desgaste asimétrico de los neumáticos Si es positiva por el borde exterior, y si es negativa por el interior Ocasiona un deslizamiento lateral que origina una fuerza lateral La caída debe estar compensada por la convergencia Rango de valores orientativo: 0-1º E.I.I. Valladolid / José A. López p 7

Angulos de rueda - convergencia y divergencia Angulo de convergencia o divergencia de la rueda (A-B, se expresa en mm). A B Convergencia B > A Divergencia A > B La convergencia hace que las ruedas tienden a cerrarse al avanzar La divergencia hace que las ruedas tienden a abrirse al avanzar Las fuerzas longitudinales crean un par respecto a las articulaciones de la suspensión y modifican la orientación de las ruedas La convergencia debe compensar los efectos de las fuerzas longitudinales y del ángulo de caída La convergencia excesiva produce desgaste de los neumáticos por el borde exterior La divergencia excesiva produce desgaste de los neumáticos por el borde interior Rango de valores orientativo: 0-4 mm E.I.I. Valladolid / José A. López p 8

Angulos de rueda - convergencia y divergencia F motriz Rueda delantera motriz Divergencia Caída negativa Rueda delantera sólo directriz Convergencia Caída positiva R rodadura E.I.I. Valladolid / José A. López p 9

Angulos de rueda - ángulo de avance Angulo de avance (β) es la inclinación longitudinal del eje del pivote de la mangueta. β Ángulo de avance positivo Facilita el que la dirección recupere la alineación recta (autoalineación) Es el mismo ángulo que tienen las bicicletas, los carritos móviles, rueda delantera aviones Favorece la estabilidad de la dirección Si es excesivo puede provocar oscilaciones de la rueda y vibraciones en el volante Si es demasiado bajo reduce la estabilidad direccional a velocidades elevadas Tiene una contrallamada gravitatoria, que se opone a la llamada gravitatoria del ángulo de salida Si el ángulo de avance es excesivo y el de salida muy pequeño se puede producir, a baja velocidad, el enrollamiento de la dirección Rango de valores orientativo: 1-3º E.I.I. Valladolid / José A. López p 10

Angulos de rueda - ángulo de avance B A En recta El pivote (eje de giro de la rueda) corta al plano de la calzada (B) por delante del centro del área de contacto (A) M z B A R rodadura Al perder la alineación recta Al estar B por delante de A, y tener la rueda una resistencia a la rodadura, se produce un par que tiende a devolver a la rueda a la alineación recta M z B A Y Al tomar una curva Al estar B por delante de A, y generarse en el área de contacto una fuerza lateral, se produce un par que tiende a devolver a la rueda a la alineación recta E.I.I. Valladolid / José A. López p 11

Eje de giro independiente para cada rueda F F d d E.I.I. Valladolid / José A. López p 12

Elementos principales de la dirección manual E.I.I. Valladolid / José A. López p 13

Mecanismos de dirección Mecanismos con salida rotativa Tornillo sinfín y sector dentado Tornillo sinfín y tuerca Tornillo sinfín y tuerca por cremallera Tornillo sinfín y rodillo Palanca y leva Recirculación de bolas Mecanismos con salida lineal Piñón - cremallera E.I.I. Valladolid / José A. López p 14

Recirculación de bolas Tornillo sinfín y tuerca con bolas recirculantes E.I.I. Valladolid / José A. López p 15

Piñón - cremallera 1. Fuelle protector 5. Palier 9. Empujador 2. Piñón 6. Rotula 10. Resorte 3. Carter 7. Biela 11. Tuerca 4. Cremallera E.I.I. Valladolid / José A. López p 16

Relación teórica de los ángulos de dirección o t i A B l CdG R C D i o I δ cotgδ cotg o t i (1) E.I.I. Valladolid / José A. López p 17

Efecto de la deriva o i CdG R E.I.I. Valladolid / José A. López p 18

El trapecio de Ackerman t R b Valores orientativos - alrededor de 70º - R b sobre 200-300 mm E.I.I. Valladolid / José A. López p 19

Curva de error A t E t/2 B A o E i B i i 1 o r 1 o1 ( or - o ) 2 1 i 2 o r 2 o2 ( or - o ) 2 2 l i 3 o r 3 o3 ( or - o ) 2 3 C D C D Representación gráfica de la formula de las cotangentes Curva de error Cálculo numérico del error E.I.I. Valladolid / José A. López p 20

Giro máximo de rueda ( i + o ) con un trapecio de Ackerman t A i B o L tr 2 2 2 Ltr R b t R b 2tR bcosδ o 2 2 2 t R b L tr R b cos δ o Ltr R b sen(δ ) o R sen b ψ 2 tr b sen i = - o ψ (2) R b sen(δ o ) L R tr b E.I.I. Valladolid / José A. López p 21

Par de dureza El ángulo de salida hace que se produzca una rodadura al girar i Par estático respecto al centro de la huella (=0) y d O O W - Peso soportado por la rueda P r - Presión constante sobre el área de contacto - Coeficiente de rozamiento combinado Considera el efecto de la rodadura f - Fuerza de rozamiento df dt μp 2 3 r ds ξdf μp ds r μp 3 μp 2π r T - Par de dureza 3 T ξ dα 3 0 O x r 1 2 ξ 1 2 ξ 3 ξ 2 dα 2 dα dα E.I.I. Valladolid / José A. López p 22

Par de dureza La integral sobre 2 no se anula, ya que se integra el momento de las fuerzas de rozamiento respecto a O Para integrar se necesita conocer la forma del área de contacto. Se hace la hipótesis de que es circular con área equivalente a la huella real y O x T μp 2π r 3 μpr ξ dα 3 0 3 0 2π r 3 dα μp 3 r r 3 2π Teniendo en cuenta que W = p r.s = p r..r 2, se llega a: T 2 3 μr W Par estático respecto al centro de la huella (=0) T μk W Siendo k el radio de giro de la rueda (k = 2r/3) k depende del tamaño del área de contacto, y por o tanto del neumático E.I.I. Valladolid / José A. López p 23

Par de dureza Par estático respecto al centro de giro (O ) y k O O x T μ W T d k 2μ W 2 ρ k 2 2 ρ 2 (3) (4) T d - Par de dureza de la dirección T - Par de dureza de una rueda - Coeficiente de rozamiento combinado Considera el efecto de la rodadura W - Peso soportado por la rueda k - Radio de giro de la rueda - Distancia EO Cálculo de (suponiendo nulo el ángulo de avance) C s r c i ρ ρ s cos(γ i) r cos c i sen(γ i) (5) O O D E.I.I. Valladolid / José A. López p 24

Par de dureza T d 2μ W k 2 ρ 2 2 2 - T T d d 2μ W k ρ - =f( ) T d neumáticos T d De qué es función rozamiento combinado ()? - Del coeficiente de fricción neumático - calzada - De la distancia, que a su vez depende del ángulo de salida (i) - Del neumático De qué es función el par de dureza (T d )? - De la carga sobre las ruedas directrices - Del coeficiente de rozamiento combinado - Del ángulo de salida (i) - Del neumático E.I.I. Valladolid / José A. López p 25

Relación de desmultiplicación de la dirección (r d ) Es la relación entre el ángulo de rotación del volante y el ángulo de rotación de las ruedas. r d δ o δv δ i (6) r d es un compromiso entre el - par en el volante - número de vueltas del volante Relación de pares T d r d T v r d η m Td T η v m (7) T d - Par de dureza de la dirección T v - Par en el volante r d - Relación de desmultiplicación (caja de dirección) m - Rendimiento mecánico de la dirección Expresión con brazo de Pittman T d T v r d r timonería η m (8) r timonería = (longitud del brazo de Pittman)/(longitud del brazo de dirección) E.I.I. Valladolid / José A. López p 26

Par en función del ángulo del volante Par en el volante (danm) 35 giro del volante retorno 720º 720º retorno giro del volante 35 Angulo del volante (º) E.I.I. Valladolid / José A. López p 27

Videos Angulos de rueda http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&nr=1&v=8xzkih5zhe4 http://www.youtube.com/watch?v=whzowyppnia E.I.I. Valladolid / José A. López p 28