Sistemes de Direcció: Geometria, Mecanismes i Assistència

Sistemes de Direcció de Vehicles

Principi d'Ackerman i Tipus de Viratge

Principi d'Ackerman: Durant un viratge, les rodes directrius han de ser concèntriques respecte al centre instantani de gir, no paral·leles. La roda exterior sempre descriurà un radi de gir més gran i, per tant, voltarà menys que la interior.

Tipus de Geometria de Viratge:

• Incrementada: Dissenyada per a corbes molt tancades a baixa velocitat, on l'angle de la roda interior augmenta més ràpidament.
• Neutral: Configuració estàndard de sèrie, un compromís equilibrat.
• Paral·lela: Les rodes giren angles similars, adequat per a vehicles d'alta velocitat (ex: Fórmula 1) on els angles de gir són petits.

Geometria de la Direcció (Cotes)

Defineixen l'orientació de les rodes i els pivots de direcció.

• Pivot de la mangueta: Eix imaginari al voltant del qual pivota la roda per girar.
• Mangueta: Peça que suporta la roda i permet el seu pivotatge.

Tipus de Cotes Fonamentals:

• Angle de Caiguda (Camber): És la inclinació de la roda respecte a la vertical, vista des del davant del vehicle. Pot ser positiva (part superior cap a fora) o negativa (part superior cap a dins). Afecta l'adherència en corba i el desgast del pneumàtic.
• Angle de Sortida (King Pin Inclination - KPI o Steering Axis Inclination - SAI): És la inclinació de l'eix del pivot respecte a la vertical, vista des del davant. Ajuda a l'autocentratge i redueix l'esforç de direcció.
• Angle d'Avenç (Caster): És la inclinació de l'eix del pivot respecte a la vertical, vista des del lateral del vehicle. Pot ser positiu (pivot inclinat cap enrere) o negatiu. És crucial per a l'autocentratge de la direcció (la tendència del volant a tornar al centre després d'un gir).
• Convergència/Divergència (Toe): És l'angle que formen les rodes del mateix eix respecte al pla longitudinal del vehicle, vist des de dalt.
  • Convergència (Toe-in): Les parts davanteres de les rodes apunten cap a dins (+). Típic en vehicles de propulsió.
  • Divergència (Toe-out): Les parts davanteres de les rodes apunten cap a fora (-). Típic en vehicles de tracció.
• Cotes Conjugades: Es refereix a la interrelació entre diferents angles (com sortida, caiguda i convergència) i com la seva combinació afecta el comportament dinàmic del vehicle i el desgast dels pneumàtics. Per exemple, l'angle inclòs (KPI + Caiguda) és una cota conjugada important.

Components del Sistema de Direcció

• Volant: Element de control per al conductor.
• Columna de direcció: Eix que connecta el volant amb el mecanisme de direcció. Sovint és deformable o col·lapsable per seguretat en cas d'impacte.
• Unió articulada (Cardan): Permet la connexió entre la columna i el mecanisme quan no estan alineats i pot permetre la regulació de la posició del volant.
• Mecanisme de direcció: Converteix el moviment rotatori del volant en moviment lineal o angular per moure les rodes (ex: cremallera, cargol sense fi).
• Braçets de direcció (Tirants): Connecten el mecanisme de direcció a les manguetes de les rodes.
• Ròtules axials: Articulació esfèrica que connecta la cremallera amb el braçet de direcció, permetent moviment angular.
• Ròtules de direcció (radials): Articulació esfèrica que connecta el braçet de direcció amb la mangueta de la roda. Permet el pivotatge de la roda i sovint s'utilitza per a la regulació de la convergència.

Tipus de Mecanismes de Direcció

• Cargol sense fi: Sistema més antic, utilitzat principalment en vehicles industrials i alguns turismes clàssics.
  • Tipus constructius: Cargol cilíndric o globoide, amb sector dentat, dit, femella simple o de recirculació de boles (el més comú per reduir fricció).
  • Inconvenient principal: Requereix un sistema complex de barres i braçets (barra de comandament, barra d'acoblament, braç de reenviament) per transmetre el moviment a les dues rodes.
• Cremallera: El sistema més utilitzat actualment en automòbils i vehicles lleugers.
  • Tipus de relació: Fixa (la desmultiplicació és constant) o variable (la desmultiplicació canvia, sent més ràpida al centre i més lenta als extrems per facilitar maniobres i donar estabilitat).
  • Característiques: Més lleuger, ocupa poc espai, més directe i precís, no necessita un sistema complex de tirants.
  • Consideracions de desmuntatge: Cal desconnectar la unió de la cremallera amb la columna (pot ser dins o fora de l'habitacle), desmuntar les ròtules de direcció, alliberar la subjecció de la cremallera al xassís o bressol, i desconnectar els tubs hidràulics (pressió i retorn) si és una direcció assistida hidràulicament.

Assistència a la Direcció: Principis i Tipus

Principi General d'Assistència

L'objectiu és reduir l'esforç que ha de fer el conductor sobre el volant, especialment a baixa velocitat o en maniobres d'aparcament.

• Proporcionar una força auxiliar que s'afegeix a la del conductor.
• Tenir un temps de reacció adequat per no generar sensació d'artificialitat.
• Idealment, variar el nivell d'assistència: més assistència a baixa velocitat ("alta assistència") i menys a alta velocitat ("baixa assistència") per millorar el tacte i la seguretat.

Assistència Hidràulica (HPS - Hydraulic Power Steering)

Utilitza la pressió d'un fluid hidràulic generada per una bomba per ajudar a moure el mecanisme de direcció.

• Aplicació: Pot actuar directament sobre el mecanisme (pistó integrat a la cremallera) o sobre la barra d'acoblament (en sistemes de cargol sense fi).
• Components Clau:
  • Grup de pressió:
    • Bomba hidràulica: Generalment moguda per la corretja d'accessoris del motor (tipus paletes o engranatges) o mitjançant un motor elèctric (electrobomba, muntada sobre la direcció o en un lloc annex).
    • Dipòsit de fluid: Emmagatzema el fluid hidràulic.
  • Actuador hidràulic: Cilindre i pistó que exerceixen la força (integrat a la cremallera o extern).
  • Vàlvula reguladora de pressió: Limita la pressió màxima del sistema i pot regular la pressió de treball.
  • Vàlvula rotativa distribuïdora: És el "cervell" del sistema. Detecta el gir del volant i la força aplicada pel conductor, i dirigeix el fluid a pressió cap a un costat o altre del pistó actuador per generar l'assistència.
• Components electrònics associats (en alguns sistemes bàsics):
  • Interruptor de pressió: Normalment situat al tub d'alta pressió. Detecta un augment de pressió (quan es gira el volant a baixa velocitat) i envia un senyal a la unitat de control del motor per pujar lleugerament el ralentí i compensar la càrrega de la bomba.
• Fluids de Direcció Comuns:
  • ATF (Automatic Transmission Fluid): Fluid de transmissions automàtiques, sovint de color vermell. Ex: Dexron I, II, III.
  • Líquid hidràulic específic: De color vermell o altres.
  • CHF (Central Hydraulic Fluid): Fluid per a sistemes hidràulics centrals (direcció, suspensió, etc.), sovint de color verd. Ex: Pentosin (originalment mineral com el 7M, actualment sintètic com l'11S). És crucial utilitzar el fluid especificat pel fabricant.

Assistència Electromecànica i Variable

Aquests sistemes utilitzen components electrònics i, sovint, motors elèctrics per proporcionar o modular l'assistència, permetent un control més precís i variable.

Sistemes Hidràulics Variables (EHPS - Electro-Hydraulic Power Steering)

Combinen un sistema hidràulic amb control electrònic.

• Servotronic (Exemple: sistema VAG): Utilitza una bomba hidràulica convencional, però la vàlvula distribuïdora és controlada electrònicament (sovint amb un motor pas a pas o electrovàlvula). Una unitat de control ajusta l'assistència basant-se en senyals de sensors (velocitat del vehicle, RPM del motor).
• Assistència amb Electrobomba: La bomba hidràulica és accionada per un motor elèctric independentment del motor del cotxe. La unitat de control pot regular el règim de gir de l'electrobomba (ex: entre 700 i 4000 RPM) per variar el cabal i la pressió, modulant així l'assistència.
  • Actuador principal: El motor elèctric de la bomba.
  • Sensors típics: Sensor de gir del volant, sensor de temperatura del fluid, senyal de velocitat del vehicle (km/h), sensor de RPM del motor de la bomba (tipus Hall).

Sistemes Purament Electromecànics (EPS / EPAS - Electric Power Steering / Electric Power Assisted Steering)

L'assistència és generada directament per un motor elèctric, sense sistema hidràulic.

• Assistència sobre la Columna (Column Drive EPS): Un motor elèctric i un reductor s'acoblen a la columna de direcció.
  • Sensors clau: Sensor de parell (mesura l'esforç que fa el conductor al volant), senyal de velocitat (km/h) (determina la quantitat d'assistència necessària), de vegades senyal de RPM del motor o altres dades per adaptar-se al tipus de conducció.
• Assistència sobre la Cremallera (Rack Drive EPS): El motor elèctric actua directament sobre la cremallera. Més adequat per a vehicles pesants o que requereixen més força d'assistència.
  • Tipus Cargol sense fi: L'actuador (motor elèctric) mou la cremallera a través d'un mecanisme de cargol sense fi i corona o recirculació de boles. Sol incorporar sensors de parell i de gir.
  • Tipus de Doble Pinyó (Dual Pinion EPS): Hi ha dos pinyons que engranen amb la cremallera: un connectat a la columna de direcció (input del conductor) i l'altre connectat al motor elèctric d'assistència. Aquest sistema pot no necessitar un sensor de parell directe a la columna, utilitzant la informació de dos sensors de gir (un a la columna i un al motor) per calcular l'assistència requerida.

Sistemes Avançats de Direcció

Direcció Activa (AFS - Active Front Steering)

Sistema que pot variar la desmultiplicació de la direcció (la relació entre el gir del volant i el gir de les rodes) de forma activa.

• Mecanisme típic: Utilitza un conjunt d'engranatges planetaris intercalat a la columna de direcció, accionat per un motor elèctric. Aquest motor pot afegir o restar angle de gir a l'input del conductor.
• Funcionalitat: A baixa velocitat, redueix la desmultiplicació (menys voltes de volant per girar les rodes, facilita maniobres). A alta velocitat, augmenta la desmultiplicació (direcció menys directa, més estable). Pot integrar-se amb el control d'estabilitat (ESP) per realitzar petites correccions automàtiques de la trajectòria.

Direcció al Pont Posterior (RWS / 4WS - Rear Wheel Steering / Four Wheel Steering)

Permet que les rodes posteriors girin lleugerament per millorar l'agilitat a baixa velocitat i l'estabilitat a alta velocitat.

• Sistemes Passius: Utilitzen la deformació controlada d'elements elàstics (silentblocs) de la suspensió posterior o geometries específiques (sobre pont torsional o suspensió independent) per induir un petit angle de gir a les rodes posteriors en funció de les forces laterals durant la corba (normalment en el mateix sentit que les davanteres per millorar l'estabilitat).
• Sistemes Actius: Utilitzen un sistema elèctric o hidràulic (amb un actuador central o un per roda) per controlar activament l'angle de les rodes posteriors.
  • Lògica de control (variable segons fabricant):
    1. Baixa velocitat (ex: fins a 40-60 km/h): Les rodes posteriors giren en sentit oposat a les davanteres (contra-fase). Això redueix el radi de gir i millora l'agilitat i la maniobrabilitat. L'angle màxim sol ser petit (2-5 graus).
    2. Velocitat intermèdia: Hi ha una fase de transició on l'angle de gir posterior disminueix progressivament o es manté a zero.
    3. Alta velocitat (ex: a partir de 60-80 km/h): Les rodes posteriors giren en el mateix sentit que les davanteres (en fase). Això millora l'estabilitat en canvis de carril i corbes ràpides. L'angle sol ser encara més petit (1-3 graus). En alguns casos, es poden bloquejar en posició neutra a velocitats molt altes.
  • Factors de control: Angle de gir del volant, velocitat del vehicle, acceleració lateral, etc.