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5/26/2018 Sistemas de direccin asistida2.pdf

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ESCUELA SUPERIOR DE

INGENIEROS INDUSTRIALES

INDUSTRI INJINERUEN

GOIMAILAKO ESKOLA

UNIVERSIDAD DE NAVARRA NAFARROAKO UNIBERTSITATEA

Transportes

Direccin asistida

San Sebastin, Noviembre de 1999

Jorge Amiano GoyarrolaMiguel Ochoa Escala

Ekain Arto IlzarbeLuis Blanco Liao


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Transportes: Direcciones asistidas 2

ndicendice.....................................................................................................................................................21.- Introduccin...................................................................................................................................... 32.-Generalidades .................................................................................................................................... 4

2.1.-Engranaje de la direccin ........................................................................................................ 73.- Sistemas de direccin asistida............................................................................................................ 7

3.1.-Descripcin.............................................................................................................................73.3.- Direccin hidrulica ............................................................................................................... 93.4.- Vlvula rotativa de mando...................................................................................................... 93.5.-Presin - trabajo -- Caudal velocidad .................................................................................... 93.6.-Vlvula limitadora de presin................................................................................................ 103.7.- La bomba y el depsito......................................................................................................... 113.8.- La bomba de desplazamiento positivo................................................................................... 113.9.-Control de caudal .................................................................................................................. 123.10.- Relacin Esfuerzo-Giro Volante......................................................................................... 123.11.-Requerimientos de potencia................................................................................................. 123.12.-Cilindros de potencia........................................................................................................... 133.13.- Vlvula aliviadora de presin ............................................................................................. 13

3.14.- Otros aspectos .................................................................................................................... 144.-Direccin Asistida Elctrica y Electrohidralica ............................................................................... 154.1 Introduccin....................................................................................... .................................... 154.2.-Direccin Asistida Elctrica(EPS) ........................................................................................ 15


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1.- Introduccin

El diseo de un sistema de direccin tiene una gran influencia sobre el

comportamiento de respuesta direccional de vehculos motores. La funcin de un

sistema de direccin es dirigir las ruedas delanteras en respuesta a las rdenes dadas por

el conductor para conseguir un control direccional del vehculo. Sin embargo, los

ngulos de direccin realmente alcanzados quedan modificados por la geometra de la

suspensin, por la geometra y reacciones en el sistema de direccin, y en el caso de

vehculos de traccin delantera, la geometra y reacciones de la cadena de traccin. Las

cualidades de direccin de un vehculo dependen de factores tales como las dimensiones

del volante, la inclinacin del volante, la desmultiplicacin entre el volante y las ruedas,

el engranaje de direccin y la transmisin engranaje-ruedas.

Las caractersticas de la direccin se ven tambin influenciadas por factores tales

como la geometra de las ruedas, el tipo de neumtico y la distribucin de pesos.

Las exigencias que se ponen a la direccin tambin son numerosas:

- Una desmultiplicacin grande para facilitar el giro del volante.- Una demultiplicacin pequea para proporcionar respuestas rpidas.

- Buena estabilidad, para que el vehculo tienda por s mismo a seguir en lnea

recta, pero sin que la direccin oponga demasiada resistencia.

- Amortiguar las fuerzas que actan sobre las ruedas de modo que el

conductor no pierda la sensacin de contacto con el camino, pero sin

necesidad de parar cada irregularidad con el volante.

- Ocasionar los menos daos posibles al conductor en caso de colisin.

Aqu se pretende conseguir una visin general de qu es y cmo funciona un

sistema de direccin normal para luego profundizar ms detalladamente en los sistemas

de direccin asistida. Los sistemas de direccin utilizados en automviles varan

ampliamente en diseo pero funcionalmente son muy parecidos.


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2.-Generalidades

Para variar de direccin en la marcha de un vehculo se cambia la orientacin de

las ruedas delanteras. El mecanismo de direccin ha de cumplir el requisito de llevar

ambas ruedas debidamente orientadas sobre sus trayectorias curvas, pues por ser menor

el radio OA de la descrita por la rueda interior que el OB de la exterior, la primera tiene

que abrirse ms que la segunda, debiendo estar en el centro O de los arcos descritos por

las ruedas delanteras sobre la prolongacin del eje trasero CD. Las ruedas traseras C y D

se adaptan a la diferencia de recorrido en las curvas gracias al diferencial; pero como

permanecen siempre paralelas entre s, resbalan un poco sobre su trayectoria, ya que no

pueden abrirse una ms que la otra; por esta razn, con los modernos neumticos anchos

que dan amplia base de apoyo, las cubiertas chirran en los virajes cerrados tomadosde prisa; y si el piso est resbaladizo se puede iniciar el patinazo por disminucin de la

adherencia en ese momento, cosa que delante no debe suceder y se previene mejor por

abrirse A ms que B; la adherencia de estas ruedas debe ser la mxima posible, ya que

se apoya en ellas el impulso del coche para virar.

Tal y como se ve en la figura el eje delantero E suele terminar en unas horquillas

H que abrazan la articulacin del pivote alrededor del cual giran y son orientadas las

manguetas M, sobre las que giran las ruedas delanteras mediante cojinetes de bolas o

rodillos. Ambas manguetas estn entrelazadas entre s, para que la orientacin de cada

rueda la condicin impuesta de ceirla a su respectiva trayectoria, por medio de brazos

de acoplamientoA, sobre cuyos extremos se articula la barra de acoplamientoB. Las


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dimensiones de los brazos A y barra B estn calculados para que al orientarse una rueda

la otra venga obligada a seguir con suficiente exactitud la trayectoria que resulte por el

cambio de direccin impuesto al vehculo. Resulta, pues, que basta mover una rueda, o

un brazo, o la barra de acoplamiento para obtener la correcta direccin del coche; para

ello, por ejemplo, si el conductor quiere girar a la izquierda, gira en este sentido el

volante de la direccin V, unido a la columna de la direccin C, en cuyo extremo

inferior , y dentro de un crter con lubricante, va un tornillo sin fin engranado con el

sector dentado A;al girar a izquierdas el tornillo, el sector sube, girando su eje, al que

va fijo su brazo de mando R y que se mover hacia adelante (ver flechas) empujando la

biela L, la cual, a su vez, acta sobre la palanca de ataque P, unida a una de las

manguetas, que orientar a la izquierda su rueda. Por el enlace de los brazos A y barra B

de acoplamiento, la otra rueda se orientar en la forma correspondiente, tambin a

izquierdas.

Como puede apreciarse , el mando de la direccin consiste en hacer mover labarra de acoplamiento B a uno u otro lado para que viren las ruedas. El sistema de la

figura se ha usado mucho y an se usa en automviles con eje delantero E rgido y se

caracteriza por el movimiento longitudinal de la biela L (adelante y atrs).Pero hay otra

disposicin tan empleada como sta en la que el movimiento es transversal, como para

el caso de suspensin independiente (ver figura).


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Cuando hay suspensin independiente para cada rueda delantera, como la

separacin entre stas vara un poco al salvar las desigualdades del camino,

generalmente lapalanca de ataque P gira sobre un punto fijo F del travesao delantero

D, para mandar la biela de acoplamiento articulada en dos mitades Bi y Bd: as las

ruedas, al subir y bajar sin reaccionar la una en la otra gracias a la suspensin

independiente, tambin suben y bajan sus respectivos brazos A sin que el movimiento

de uno repercuta en el otro, gracias a la articulacin puesta a la barra de acoplamiento.

Otro tipo de direccin bastante usado es con la barra de acoplamiento dividida

en tres partes.


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2.1.-Engranaje de la direccin

El engranaje que por la columna de la direccin mueve el brazo de mando tiene

muchas variantes tal y como se ve en las figuras.

3.- Sistemas de direccin asistida

3.1.-Descripcin

El uso de neumticos cada vez de ms seccin con bajas presiones de inflado,

que dan un contacto de apoyo bastante amplio, hace que el frotamiento de las cubiertas,sobretodo en los virajes, represente un esfuerzo proporcionalmente ms grande para los

brazos del conductor. Los fabricantes tienden a facilitar lo ms posible el manejo del

vehculo(cambios automticos, por ejemplo), sobretodo habida cuenta de que el

conductor ha de prestar el mximo de su atencin al trfico. Por esta razn, de pura

comodidad, se va extendiendo a los coches el empleo de servo-direcciones que hagan

fciles los virajes, especialmente enojosos cuando hay que aparcar o salir a fuerza de

maniobras.


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Como fuentes de energa pueden utilizarse: el vacio de la admisin, aire

comprimido o bien fuerza hidrulica. Esta ltima es la ms empleada. El vacio es ya

muy poco usado.

La ayuda o asistencia que presta el servo puede hacerse de dos maneras: 1,

actuando en una de las barras del mecanismo, por ejemplo, en la de

acoplamiento(Bndix, Rolls Royce), y 2, aplicar la fuerza de ayuda en el engranaje de la

direccin(sistemas coaxial de Chrysler, y Saginaw de la General Motors).

3.2.-Funcionamiento

3.2.1.-Que sucede al maniobrar la direccin

Cuando se gira el volante se transmite una fuerza hasta el eje de entrada de la

direccin. La barra de torsin, sujeta por un extremo de aquel y por el otro al sinfn, gira

solidariamente con el primero, ejerce una fuerza giratoeria en el sinfn, acta a travs

del mecanismo de recirculacin a bolas e intenta mover el pistn axialmente en su

alojamiento en el cilindro.

A este movimiento del pistn se opone la resistencia de las ruedas, que se

trasmite a travs del varillaje, la palanca y el balancn. Debido a esta resistencia, la

fuerza aplicada en el eje de entrada, hace girar la barra de torsin, accionndose de esta

forma la vlvula de mando. El aceite de presin canalizado por la misma, ayuda a

mover el pistn a lo largo del cilindro. Este hace bascular el balancn con lo que se logra

cambiar la trayectoria del vehculo.

3.2.2.-Sobrecargas en la direccin

Si las ruedas reciben un impacto(bache, bordillazo), ste se trasmite a travs del

balancn al pistn y a travs de las bolas al sinfn. Debido al propio diseo de la

direccin, la vlvula de mando canaliza el aceite a presin a la camara adecuada del

cilindro para resistir la fuerza del impacto. Como estos son absorbidos hidrulicamente,

se evitan los retrocesos bruscos en el volante.

3.2.3.-Vlvula de descarga de presin

La mayora de las direcciones estn provistas de dos vlvulas de descarga una a

cada lado del pistn. Dependiendo del sentido de giro, una u otra vlvula se abrir justo


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antes de que contacten los topes de rueda, reglados segn las especificaciones del

fabricante. Con la vlvula abierta se reduce la presin en la direccin y disminuye as el

calor que se genera en la bomba.

Estas vlvulas evitan tambin sobrecargas en el varillaje de la direccin. En

cuanto a su reglaje se hace automticamente con respecto a los topes de la rueda, al

montar la direccin por primera vez en el vehculo y con el primer giro completo a

derecha y posteriormente a izqda.

3.3.-Direccin hidrulica

Significa que dentro de la caja de direccin se encuentran: El mecanismo manual

de mando, una vlvula de control hidrulica y un cilindro de trabajo, todos ellosformando un conjunto compacto.

3.4.- Vlvula rotativa de mando

La vlvula rotativa combina simplicidad con necesidad de funcionamiento. La

velocidad a la cual el conductor pude girar el volante, depende del caudal, medido en

litros por minuto( lpm ), que enva la vlvula de mando a una de las cmaras del

cilindro.La presin, medida en bar., que se necesita para que la direccin mueva el

vehculo, la suministra la bomba. La vlvula de mando dirige el caudal hacia la cmara

correspondiente y el cilindro auxiliar, si es un problema de doble direccin, con el

caudal y presin adecuados.

3.5.-Presin - trabajo -- Caudal velocidad

Cuanto mayor sea la presin a la que puede trabajar una direccin, ms par de

salida podr dar. La presin max. de funcionamiento es de 150 bares( en el caso de

direcciones para camiones) Los caudales pueden estar segn el tamao entre 7 y 25 lpm.

Con estas caractersticas se pueden conducir los vehculos a los que se les incorpora

incluso en marcha lenta y con el motor a ralent. Dependiendo de que el conductor gire

ms o menos deprisa el volante, se requerirn ms o menos caudales de aceite en la

direccin.


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(figura que ilustra como procede la vlvula una vez de produce un par en el eje de entrada del volante)

3.6.-Vlvula limitadora de presin

Su misin es limitar la presin mxima de suministro, como proteccin de la

bomba, pero la presin en el interior de la direccin no cae mientras no acten lasvlvulas de descarga


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3.7.- La bomba y el depsito

Las bombas utilizadas en las direcciones asistidas hidrulicas son de

desplazamiento positivo. En muchas instalaciones la bomba y el depsito donde va ellquido del circuito hidrulico (normalmente es un aceite) forman un unico conjunto

montado junto al motor. La bomba recibe la potencia del motor mediante una correa.

Cabe la posibilidad de colocar el depsito; Si se coloca en otro lugar, hay que asegurar

unas buenas caractersticas de caudal en el circuito debido a posibles prdidas de

presin.

3.8.- La bomba de desplazamiento positivo

A continuacin se ilustran algunas caractersticas en las bombas dedesplazamiento positivo:


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3.9.-Control de caudal

Debido a que se trata de una bomba de desplazamiento positivo, el caudal

variar linearmente con la velocidad del motor, que trasmite la potencia mediante unacorrea. Por lo tanto, a velocidades mayores que la requerida por el circuito, habr un

exceso de flujo que se reconducir por el sistema. Cada uno de los elementos aguas

debajo de la bomba debe estar diseado para asegurar la mxima potencia(caudal y

presin) de salida de la bomba.

Las bombas de sistemas de direccin asistida estn equipadas con una vlvula de

control de flujo que limita la descarga desde la bomba y recircula el exceso

internamente en la bomba completado el circuito para su posterior uso.

3.10.- Relacin Esfuerzo-Giro Volante

En esta grfica se puede observar que para diferente nmero de giros completos

de volante dependiendo de si se esta conduciendo normal o si se esta aparcando, la

vlvula regula el caudal y de esta manera se controla el esfuerzo que realiza en el

direccionado de las ruedas.

3.11.-Requerimientos de potencia

Los requerimientos de caballos de potencia para alimentar la bomba del sistema

de direccin asistida es funcin del caudal y de la presin. Cuando se est calculando la

potencia, el caudal idneo es la suma total del caudal fuera de la bomba ms la cantidad

que est dentro de la vlvula de control de flujo.


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3.12.-Cilindros de potencia

Hay dos aspectos que hay que tener en cuenta a la hora de hacer el diseo de la

vlvula y ms concretamente en los clculos. Para calcular las fuerzas ejercidas sobre el

pistn hay que tener en cuenta que el vstago de entrada restar rea en una parte con loque habr una parte que tendr ms rea que la otra. Tambin hay que tener en cuenta

que el cilindro va a ser reversible lo que supone otra fuerza en este elemento.

3.13.- Vlvula aliviadora de presin

Sirve para controlar las posibles fluctuaciones en la presin de trabajo que acta

sobre el pistn. En la figura tambin se puede ver la vlvula de control de flujo.


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3.14.- Otros aspectos

Puede hablarse de los siguientes temas:

Reversibilidad del pistn

Prdidas en el circuito hidrulico

Sistema de engrane: pin-cremallera


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4.-Direccin Asistida Elctrica y Electrohidralica

4.1 Introduccin

Para las piezas de seguridad, y las piezas del sistema de direccin sonconsideradas como tales, las exigencias nunca son suficientes, ya que juegan un papel

decisivo en las situaciones crticas.

Como retos para el futuro y el presente inmediato estn la optimizacin de

funciones, la reduccin de peso, la disminucin del consumo de energa de los equipos

y ante todo ms seguridad y confort en la conduccin.

Como respuestas a estos retos se sustituyen los componentes tradicionales

fabricados en acero por componentes de fibra de carbono que favorecen el moldeo,reducen las masas y evitan la corrosin. Asimismo las piezas no sustituidas de acero son

fabricadas mediante la forja en fro de hilos de acero tratados al calor o en acero

microaleado, estos procesos permiten obtener superficies de muy alta calidad, no

necesitando mecanizados posteriores. En cuanto al consumo de energa de los equipos

se proponen las direcciones elctricas o electrohidralicas. En el caso de stas ltimas se

reduce el peso sustituyendo las bombas tradicionales, por otras compuestas en su mayor

parte por aluminio.

4.2.-Direccin Asistida Elctrica(EPS)

Existen cuatro tipos, a saber, la asistida en la cremallera, en la columna de

direccin, en el pion, y por ltimo la mixta, asistida elctrica e hidralicamente.


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4.2.1.- EPS en la cremallera

Ventajas:

- Ahorro de energa (combustible) ya que no tiene instalacin

hidralica y por tanto bomba.

- Verstil por ser de instalacin sencilla y adaptable, ideal para

vehculos pequeos.

Caractersticas Tcnicas:

- Mxima Potencia 375 W / 65 a / 12 v

- Fuerza en la cremallera 7700 N

- Rango de temperatura -40C hasta 120C

- Peso 16 Kg

4.2.2.- EPS en la columna de direccin

Ventajas:

- Cuando el espacio disponible es determinante.

- Ideal para vehculos medianos y pequeos.- Mejores condiciones trmicas



- Par en la columna 65 N m (Fuerza en la cremallera 7700 N)


- Peso 7 Kg


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4.2.3- EPS en el pin

Ventajas:

- Cuando el espacio disponible es determinante y no es posible instalar

la EPS en la columna de direccin.

- Reduccin de peso.



- Par en la columna 65 N m (Fuerza en la cremallera 7700 N)


- Peso 11 Kg

4.2.4- EPHS (electro-hidralica)

Ventajas:

- Se elimina toda conexin del sistema hidralico con el motor por lo

tanto se ahorra energa.

- Versatilidad ya que la posicin de la bomba es variable.


- Mxima Potencia 650 W/ 85a / 13.5v

- Fuerza en la cremallera 9000 N


- Peso 16.5 Kg

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