Dirección
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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
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» 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
Propiedades de la dirección
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Rueda, suspensión y dirección
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Rueda, suspensión y dirección
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Angulos de rueda - ángulo de salida
i Angulo de salida (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
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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:
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
Ángulo de caída positivo
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Angulos de rueda - convergencia y divergencia
Angulo de convergencia o divergencia de la rueda (A-B, se expresa en mm).
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
A
B
Convergencia B > A
Divergencia A > B
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Angulos de rueda - convergencia y divergencia
Rueda delantera motriz
Divergencia
Caída negativa
Fmotriz
Rueda delantera sólo directriz
Convergencia
Caída positiva
Rrodadura
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Angulos de rueda - ángulo de avance
Angulo de avance (β) es la inclinación longitudinal del eje del pivote de la mangueta.
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
Ángulo de avance
positivo
β
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Angulos de rueda - ángulo de avance
B
A
Y
B A
Mz
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)
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
Rrodadura
B A
Mz
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
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Eje de giro independiente para cada rueda
d
F
d
F
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Elementos principales de la dirección manual
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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
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Recirculación de bolas
Tornillo sinfín y tuerca con bolas recirculantes
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Piñón - cremallera
1. Fuelle protector 5. Palier 9. Empujador
2. Piñón 6. Rotula 10. Resorte
3. Carter 7. Biela 11. Tuerca
4. Cremallera
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Relación teórica de los ángulos de dirección
tδcotgδcotg o i (1)
A B
C D
CdG
R
o
o
i
i
t
ℓ
I
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Efecto de la deriva
CdG R
o
i
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El trapecio de Ackerman
Rb
t
Valores orientativos
- alrededor de 70º
- Rb sobre 200-300 mm
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Curva de error
Representación gráfica de la
formula de las cotangentes
A B
D C
E t/2
t
ℓ
i
A B
D C
E
i1 or1 o1 (o
r- o)21
i2 or2 o2 (o
r- o)22
i3 o
r3 o3 (o
r- o)23
… … … …
Cálculo numérico del error Curva de error
i o
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Giro máximo de rueda (i +o) con un trapecio de Ackerman
t
o
i
Ltr
A B
ob
2
b
22
btr δcosRt2RtRL
b
2
btr
2
b
2
oRt2
RLRtδcos
btr
ob
RL
)sen(δRψsen
ψsen
R
)sen(δ
RL b
o
btr
o
i = -
(2)
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Par de dureza
dαξ2
1dS 2
dαξ2
1pμdSpμdf 2
rr
dαξ3
pμdfξ
3
2dT 3r
El ángulo de salida hace que se
produzca una rodadura al girar Par estático respecto al centro de la huella (=0)
W - Peso soportado por la rueda
Pr - Presión constante sobre el área de
contacto
- Coeficiente de rozamiento combinado
Considera el efecto de la rodadura
f - Fuerza de rozamiento
T - Par de dureza
π2
0
3r dαξ3
pμT
y
x
d
O
i
O O’
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Par de dureza
π2r3
pμdαr
3
pμdαξ
3
pμT 3r
π2
0
π2
0
3r3r
WkμT
La integral sobre 2 no se anula, ya
que se integra el momento de las
fuerzas de rozamiento respecto a O
y
x 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
Wrμ3
2T Teniendo en cuenta que W = pr.S = pr..r2, se llega a:
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
Par estático respecto al centro de la huella (=0)
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Par de dureza
22 ρkWμT
iii
cos
)sen(γr)cos(γρρ cs
Par estático respecto al centro de giro (O’)
y
x O O’
k
i
C
D O’ O
s
rc
Cálculo de (suponiendo nulo el ángulo de avance)
Td - 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
22
d ρkWμ2T
(3)
(4)
(5)
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p 25 E.I.I. Valladolid / José A. López Septiembre 2013
Par de dureza
neumáticos
¿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
Td
22
d ρkWμ2T
¿De qué es función el par de dureza (Td)?
- De la carga sobre las ruedas directrices
- Del coeficiente de rozamiento combinado
- Del ángulo de salida (i)
- Del neumático
- → Td
- =f( ) → → Td
22
d ρkWμ2T
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Relación de desmultiplicación de la dirección (rd)
mtimoneríadvd ηrrTT
mdvd ηrTT
Expresión con brazo de Pittman
rtimonería = (longitud del brazo de Pittman)/(longitud del brazo de dirección)
io
vd
δδ
δr
Td - Par de dureza de la dirección
Tv - Par en el volante
rd - Relación de desmultiplicación (caja de dirección)
m - Rendimiento mecánico de la dirección
mv
dd
ηT
Tr
Es la relación entre el ángulo de rotación del volante y el ángulo de rotación de las ruedas.
Relación de pares
rd es un compromiso entre el
- par en el volante
- número de vueltas del volante
(6)
(8)
(7)
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Par en función del ángulo del volante
Angulo del volante (º)
Par en el volante (daNm)
720º 720º
35
35
retorno
retorno
giro del volante
giro del volante
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p 28 E.I.I. Valladolid / José A. López Septiembre 2013
http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&NR=1&v=8XzkiH5ZHe4
Angulos de rueda
http://www.youtube.com/watch?v=WHzoWYppNIA
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