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DIRECCION


CAJA DE DIRECCION Y EJE


BARRAS DE MANDO Y BRAZO PITMAN

1. Fundamentos técnicos y proceso lógico en la aparición de las cotas de la Dirección. Generalidades

Aunque con la adopción de cada uno de los ángulos se consiguen mejoras específicas, éstos están enlazados entre sí de tal manera que algunas veces se complementan y otras tienden a corregirse mutuamente. El concepto primitivo de estos ángulos ha variado mucho con los neumáticos modernos, así como el valor de éstos, que en la actualidad tienen muchas veces medidas negativas.

En los párrafos que siguen vamos a seguir un razonamiento en el proceso de aparición de los mismos, partiendo de la caída ( Comba ).

2. Caída

Al introducir los neumáticos balón, para sustituir los angostos obligados siempre a ir con mucha presión y por lo tanto a tener una suspensión dura, se obtuvo una mejora revolucionaria en la suspensión que permitía llevar las ruedas con baja presión y gran flexión en las bandas laterales, absorbiendo mucho mejor las pequeñas irregularidades del terreno. Esta ventaja, importante a todas luces con respecto a la suspensión, daba con respecto a la dirección, una gran superficie de rodadura y anchura del neumático que obligó a construir las puntas de eje ( manguetas) más largas, lo que a su vez tenía el inconveniente de que el peso del vehículo ejerciera un par apreciable que tendía a torcer éste hacia arriba desgastándose más los cojinetes de la rueda y los casquillos del pivote ( perno de punta de eje, real o imaginario, según el tipo de puente delantero) , según puede apreciarse exageradamente en la figura 58 ( izquierda) y además se aumenta el brazo resistente al giro de la mangueta.

Si inclinamos la mangueta de tal manera que su prolongación corte al piso, definido éste como un plano horizontal, trasladamos el centro de la huella de rodadura del neumático O hacia el punto en que la vertical que pasa por el eje del pivote corta al suelo, tanto más próximo cuanto más inclinación demos a ésta. Esta cota hace desaparecer apreciablemente la tendencia a doblarse hacia arriba de la mangueta (figura 58 derecha), ya que disminuye el brazo de palanca trabajando los casquillos del pivote y los cojinetes de esta con tendencia al esfuerzo axial a lo largo de los ejes de giro.

Este ángulo de caída representado con exageración en la figura 58 derecha, deforma, como se demuestra en esta última figura, al neumático, haciendo que la banda de rodadura real no coincida con la que debe tener el neumático según su construcción, sino más bien desplazada hacia la parte exterior de la rueda. Esto, corno se aprecia bien en la citada figura 58 derecha, supone que no toda la banda de rodaje gire con el mismo radio, pues lo hace más bien sobre una generatriz de un cono.

La diferencia de radios, hace que al girar la rueda tienda a abrirse, pues la parte interior, de más diámetro, avanzará más que la exterior, de menos diámetro, que tiende a retrasarse ya que la velocidad angular es la misma, desgastándose el neumático más por el borde exterior que por el centro de la banda de rodadura normal.

Para formarse una idea práctica de este efecto, imaginar ( o empujar) un trompo que descanse sobre una generatriz (figura 60- superior- ), se apreciará inmediatamente que ésta rodará describiendo una circunferencia con centro en la punta y que casi no avanzará.

Si las dos ruedas del automóvil tienen la misma carga y el mismo ángulo de caída, las dos tenderán a abrirse por igual en marcha en línea recta, pero si la carga o el ángulo es mayor (o las dos cosas al tiempo), en una rueda que en otra, ésta tenderá a abrirse más y como consecuencia tirará del vehículo hacia ese lado, dificultando la dirección. Los valores más corrientes de este ángulo en los vehículos actuales suele ser de O a 2 grados, aunque también hay valores negativos.

Como consecuencia de la tendencia a abrirse las ruedas con la comba, apareció el ángulo de convergencia que vemos a continuación.

3. Convergencia

Esta cota tiene por objeto adelantar el extremo de la punta de eje, para que su prolongación corte al suelo a una distancia 11 (figura 61), por delante del sitio normal de corte si las ruedas se conservaran paralelas. De esta forma se contrarresta la tendencia de las ruedas a abrirse como consecuencia de la caída.

Viendo el movimiento de las ruedas sobre la figura 61, puede apreciarse que, lógicamente, la rueda izquierda (izquierda o derecha se entiende desde la posición del asiento del conductor), tiende a seguir una trayectoria tangente al arco AB que pasa por el centro de la huella de rodadura y en la derecha igual, pero aquí, al adelantarse el centro de giro la distancia O, y quedar cerrada de la parte delantera, tiende más bien a girar a la izquierda.

Otro efecto de la convergencia, es hacer girar a la rueda en un plano que no coincide con la trayectoria del vehículo y produce una fuerza en el neumático hacia el centro del mismo, que favorece el empuje axial en los cojinetes.

Por otra parte, esta cota reduce también el efecto de la comba de hacer que la rueda gire sobre un cono deformando el neumático, ya que traslada las huellas de rodadura hacia el interior de la rueda, tendiendo a hacer que vuelva a girar la rueda sobre las generatrices de un cilindro.

En las curvas, este ángulo es perjudicial, pues el giro con respecto a la trayectoria se aumenta en la rueda exterior y disminuye en la interior, quedando aumentados los defectos que teníamos al girar.

Además, se opone un poco a la divergencia que en los cambios de dirección del coche tienen que tener las ruedas delanteras (radio de viraje).

La forma de medir más frecuentemente esta cota es en milímetros (o pulgadas en los vehículos fabricados en los países que emplean este sistema), entre la diferencia de distancias que hay entre la parte trasera B y delantera A de las ruedas, medida sobre un plano horizontal (figura 62). Su valor suele ser de O a 6 mm.

Como puede verse, las dos cotas hasta ahora mencionadas, caída y convergencia, siguen presentando serias dificultades en las curvas, siendo la causa de la aparición del ángulo de avance.

4. Avance

Este ángulo es de gran importancia en la estabilidad de la dirección y está formado por el ángulo que forma el pivote de la mangueta con la vertical en el sentido de la marcha.

Dos fines primordiales cumple este ángulo: disminuir las fuerzas que en las curvas actúan sobre las manguetas y sus pivotes y ejercer un efecto de arrastre. El plano descrito por la mangueta al girar sobre el pivote, no es horizontal, sino inclinado hacia arriba por la parte delantera (figura 63, detalle 2). La punta de la mangueta se elevará al desplazarse hacia adelante y descenderá al hacerlo hacia atrás. Esta elevación y descenso de la mangueta se traduce en un descenso del eje, en la parte exterior de la curva, que es donde la mangueta sube, y en una elevación del eje en la parte interior, que es donde aquélla baja, ya que la distancia al suelo viene determinada por el diámetro de la rueda que es fijo.

De esta forma se compensa el efecto de peralte y se corrige en parte el vaivén producido por la convergencia. El efecto más importante de esta cota, es el arrastre o remolque, pues parte del esfuerzo que se aplica para efectuar el cambio de dirección del vehículo provoca la. elevación de la parte anterior, como hemos visto, y por lo tanto al dejar de mover el volante, o lo que es lo mismo al ceder la fuerza que obliga a las ruedas delanteras a levantar el .eje, el propio peso del auto hace que las ruedas se enderecen, pues actúa en A, según puede verse sobre la figura 64, un poco retrasado sobre el punto B, en que la prolongación del pivote corta el suelo. Por lo tanto este efecto de remolque tiende a mantener las ruedas en línea recta y a enderezar las ruedas cuando el vehículo ha tomado una curva.

Se comprende fácilmente, que toda deformación, permanente o accidental , que tienda a reducir el avance, hace que la dirección sea errática. Entre otras causas, las principales son las siguientes:

a) Elásticos muy flexibles en vehículos sin suspensión independiente, que hacen que por caminos malos con los impactos de la marcha el eje constantemente, tienda a perder el avance y por lo tanto, a hacer menos estable la dirección.

b) esfuerzos durante el frenado, que tienden a situar el pivote en la vertical e incluso en posición negativa,

  1. presión de inflado de los neumáticos, que hace que la distancia entre los puntos A y B de la figura 64 disminuya, según puede apreciarse aún mejor en la figura 65, muy exagerada, en la cual la distancia entre A y B se reduce en la cantidad O.

Aunque parece una contradicción, después de todo lo visto, en vehículos americanos sobre todo, debido a los neumáticos muy anchos que suelen usarse actualmente y que hacen que la dirección tienda a centrarse sola, el ángulo de avance tiene menos importancia que cuando se empleaban cubiertas de menos balón sin suspensión independiente. En realidad, hoy día, hay automóviles que tienen ángulo de avance negativo, aunque, generalmente, éste es positivo con eje delantero.

En conclusión podemos decir que un avance positivo muy grande provoca una dirección dura, vibración en el volante y, por lo tanto, trepidación en las ruedas y, por el contrario, un avance demasiado pequeño, facilita la dirección a bajas velocidades, al reducir el esfuerzo que el conductor tiene que hacer en el volante, pero a velocidades altas produce una ligera inestabilidad muy peligrosa. Si el avance es desigual hace que el vehículo tire hacia el lado en que es menor el avance.

En algunos vehículos, para compensar el ligero bombeo de las carreteras, se aumenta él avance en ½ 0 en el lado derecho si se conduce por este lado o en el lado izquierdo si se conduce por la mano de este nombre.

Los valores más corrientes de este ángulo, suelen estar comprendidos entre —½ a 3°.

5. Salida

El propósito de este ángulo es, principalmente, reducir la inclinación excesiva de las ruedas; por efecto de la caída, prácticamente estas dos cotas se complementan.

Se ha visto como la caída acerca el centro del contacto de la huella del neumático a la prolongación del eje del pivote y los efectos que con esta cota se consiguen, pero es evidente que sería imposible dar tanta inclinación a la rueda, como para que el centro de la huella del neumático coincida con esa prolongación. Con la salida se puede llegar a obtener la coincidencia pero, en la práctica, no coinciden sino que la prolongación del pivote queda un poco al interior del centro del apoyo y adelantado como consecuencia del avance, como se puede observar en la figura 66.

El punto 0 en que corta la prolongación del pivote al plano que pasa por el centro de la rueda, se llama punto central de dirección y se encuentra normalmente a una distancia por debajo del plano del piso de 13 a 20 mm.

Esta distancia no debe ser bajo ningún concepto variada, por lo tanto la presión del neumático debe ser preferentemente la indicada por el fabricante, pues, como es lógico, una rueda desinflada influye mucho en esta distancia.

El efecto de la Salida en las curvas es parecido al que se ha visto en el avance, pues al girar las ruedas, la punta de la mangueta tiende a bajar en cualquier sentido de giro, con lo que el eje tenderá a subir venciendo el peso del vehículo que en todo momento obliga a la marcha recta.

Este ángulo suele valer de 2 a 9°.

6. Efecto combinado del avance y la salida

Se ha visto como la inclinación del pivote debida al avance hacía que el puente delantero se elevara en la rueda interior a la curva y descendiera en la exterior, produciendo un efecto de contraperalte. Como la salida eleva los dos extremos del puente por igual (pues la punta de la mangueta baja lo mismo en las dos ruedas, para un mismo giro), este efecto y el del avance se combinan, dando por resultado que en la rueda exterior el eje tienda a mantenerse quieto, ya que por el avance debe de subir y por la salida descender. Por el contrario, en la rueda interior a la curva, el efecto que hace subir al puente se incrementará, ya que aquí se suman los desplazamientos de la punta de la mangueta debidos a las dos cotas.

La representación gráfica del desplazamiento de la punta de la mangueta para el avance, en la rueda exterior, se aprecian en la figura 67, detalle 2, y para la salida en el detalle 1. Si componemos las trayectorias de la punta de la mangueta en cada una de las cotas, girando éstas en el sentido de las tangentes A y B, podemos ver que, por efecto de la salida, ésta tiende a bajar y por el avance, a subir,, dando por resultado para la rueda exterior de la curva, al girar a la derecha el vehículo (se supone en la figura la mangueta de la rueda izquierda), que el extremo de la mangueta tiende sensiblemente a mantenerse a la misma altura (dependiendo como es lógico de la magnitud que hay entre estos dos ángulos) y, como consecuencia, el eje no se mueve (ver detalle 3).

De la misma manera podemos ver el efecto que estas dos cotas producen en la mangueta de la rueda interior a la curva, cuyo extremo tiende a bajar por el efecto sumado de los dos ángulos, con lo que sube el eje, aumentando considerablemente la acción de contraperalte.

Los nombres con que se han identificado los ángulos son los mas habituales, pero en bibliografía de origen no hispano pueden encontrarse que al avance se le llama Caster, a la salida kin-pin inclination, a la caida Camber, la convergencia Toe-in y la divergencia Toe-aut.

7. «Shimmy» y efecto giroscópico de las ruedas

Antes de mencionar los desgastes prematuros producidos en los neumáticos por defectos en las cotas de la dirección, tenemos que hacer mención del «shimmy» ( o contoneo ) que es una de las causas que se suelen combinar con toda clase de defectos para desgastar los neumáticos anormalmente.

A medida que los vehículos han ido aumentando su velocidad, se ha tenido que prestar gran atención al equilibrio y perfecto centrado de la rueda, ya que pequeños desequilibrios que producían repercusiones en la dirección en los automóviles antiguos relativamente lentos, en la actualidad pueden ser causa de serios accidentes. El «shimmy» se manifiesta por una serie de vibraciones muy repetidas en las ruedas, tendiendo a hacer que giren muy poco y repetidamente a derecha y a izquierda. y suele ser producido por que el conjunto de rueda y cubierta es más pesado en el extremo de un diámetro que en el otro. Este «abaniqueo» de las ruedas se pone más de manifiesto para un mismo desequilibrio de la rueda, cuando las articulaciones ya están holgadas, ya que no tenemos el ligero freno que supone un buen ajuste al iniciarse el fenómeno.

Si las rüedas están excéntricas e incluso las del puente trasero, puede dar lugar también a otra trepidación llamada «tramp», aunque no aparezca el «shimmy>, muy molesta aunque menos peligrosa.

El efecto giroscópico como se estudia en Física, no se debe a ninguna anomalía en los órganos de la dirección, pero contribuye a la aparición de los anteriores cuando la rueda tiende a salir de la línea recta si el automóvil va a mucha velocidad, pues a pequeñas velocidades este efecto no tiene ninguna importancia y aun menos con una dirección bien alineada y ajustada. Se puede definir este fenómeno como la tendencia que tiene una rueda a girar siempre en el mismo plano.

Si sobre una barra recta hacemos girar una rueda de gran diámetro, observaremos que si adelantamos un extremo del eje de giro como para hacer que ésta cambie de dirección, por ejemplo hacia la izquierda, la rueda presenta cierta resistencia al cambio de dirección y tiende a inclinar su plano a la derecha y si por el contrario, hacemos que cambie el sentido de la marcha hacia la derecha, habrá también su correspondiente resistencia, y el plano de la rueda se inclinará a la izquierda. Si después levantamos o bajamos el eje por uno de sus extremos, la rueda, además de oponerse a este cambio, tenderá a orientarse a derechas e izquierdas respectivamente.

Con el sistema de dirección en el automóvil, cada vez que se toma una curva se cambia el plano de giro de las ruedas y, por lo tanto, por el efecto giroscópico, éstas tienden a inclinarse y si se toma un obstáculo apreciable a gran velocidad, al subir la rueda, tiende a girar, siendo ésta la causa, en muchos casos, de que aparezca la primera vibración del «shimmy’. Después de haber aparecido la vibración debida al «shimmy» pueden hacerse muchos kilómetros sin que vuelva a aparecer, pero, casi con seguridad, para la misma velocidad del coche en que apareció la primera vez, vuelve a surgir al hacer la rueda una oscilación brusca.

8. Influencia del estado de los neumáticos en la Dirección y viceversa

Ya se ha estudiado, al explicar las cotas, la gran influencia de una presión del neumático defectuosa. Un neumático con presión baja es el peor defecto que puede permitirse en las ruedas, en cuanto a su economía. Además de desgastarse desigualmente, por los bordes de la banda de rodadura, según se muestra en la figura 68, detalle 1, la destrucción es muy rápida, por la gran deformación a que está sometida la cubierta que, al rodar, produce tensiones y deformaciones con roces en los flancos que elevan su temperatura produciendo el corte de los tejidos que sirven para reforzar la goma. Por otra parte, como es lógico, un neumático con poca presión está más expuesto a pellizcar a la cámara.

Una presión excesiva hace que la dirección sea mas suave, pero aumenta las trepidaciones y aumenta la fatiga en todas las articulaciones, desgastando la cubierta desigualmente por el centro de la banda de rodadura (figura 68, detalle 2).

Los defectos en la alineación de las ruedas influyen mucho en el desgaste rápido y desigual de las cubiertas e incluso con la sola observación de una rueda prematuramente desgastada un técnico puede deducir, aproximadamente la cota o cotas que han dado lugar al desgaste anormal.

En líneas generales podemos decir que, excepto el avance que aunque sea excesivo no produce desgaste de los neumáticos, las otras cotas suelen producir los siguientes:

a) Una caída anormal tanto positiva como negativa, crea en el neumático diámetros variables lo que hace que el diámetro más pequeño frote contra el suelo desgastando con gran rapidez los bordes de la banda de rodadura (parte exterior con exceso de caída y parte interior con exagerada caída negativa).

b) La salida suele ser fija en casi todos los vehículos modernos, e influye en la caída por lo tanto si la primera se deforma, los desgastes producidos por la salida son los mismos que los que se deben a la caída.

c) La convergençia, por poco que varíe, influye mucho en el desgaste de las cubiertas, si ésta es pequeña desgasta la parte interior del neumático derecho y si es superior a la debida desgasta la parte exterior del neumático izquierdo, en vehículos con conducción por la izquierda y lo contrario, en aquellos que ruedan por la derecha. El desgaste> debido a esta cota, produce un leve reborde que puede apreciarse, pasando la mano por la banda de rodadura de dentro hacia fuera, y el debido a una divergencia anormal se aprecia pasando la mano en sentido contrario.

Los desgastes anormales son siempre producidos por frote de la cubierta con el pavimento y es muy difícil establecer con exactitud la causa que puede producirlo> pues pueden ser varias a la vez.

Además de las mencionadas por defecto de las cotas, influyen también, de una forma muy acusada, el shimmy», presión de inflado, deformación del chasis, etc.