La Evolución de La Dirección Hidráulica

 

La evolución de la dirección hidráulica   Publicado por  por   Rita Segura  Segura   el 21 Julio, 2015 

 

La dirección hidráulica es uno de los desarrollos tecnológicos más importantes del sector automotor, principalmente porque permite al conductor dirigir las ruedas del vehículo con mayor ligereza, le facilita reaccionar frente a imprevistos y ejecutar maniobras a bajas velocidades.

 

Sin embargo, existen diversos factores que intervienen en la resistencia del giro del volante: la presión de inflado de las llantas, el área de contacto con el suelo, el tipo de neumáticos, las características del pavimento, la velocidad de desplazamiento y, la más determinante, el peso del vehículo.

Funcionamiento  

El sistema de dirección hidráulica o asistida  – como también se le conoce –, funciona a través de un bomba que presuriza un líquido que es enviado por tubos y mangueras a la caja de dirección. En su interior, se ubican sellos que al recibir esta presión impulsan a las varillas de acoplamiento, que unen la caja de dirección con las ruedas, permitiéndoles desplazarse hacia la izquierda o la derecha y en el sentido de giro que el operador desea. Cómo han evolucionado   Luego del gran avance que representó en la industria la incorporación de estos sistemas, el reto era crear otros que se adaptaran a las distintas condiciones condicione s de manejo y así sucedió.

 

 

Aun cuando el principio de funcionamiento es el mismo, en la actualidad existen: 

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Direcciones dependientes de la velocidad . Mejoran la maniobrabilidad y el confort, incrementando a su vez la seguridad ya que alcanzan su nivel máximo a bajas velocidades, como por ejemplo al maniobrar. A velocidades más elevadas, un sistema sensor electrónico reduce gradualmente el grado de asistencia. De este modo, el conductor puede

controlar vehículo aaún gran mayor velocidad el carril asistida elegido con una el precisión quey mantenerlo con una en dirección convencional.   Dirección asistida electromecán electromecánica ica . Se trata de un sistema sensible a la velocidad que se activa únicamente cuando es necesario. Los vehículos equipados con este tipo de dirección logran un menor consumo de combustible y obtienen nuevas funciones de confort y seguridad: el retorno del volante a su punto central mejora la sensación de dirección.   Dirección asistida electrohidráulica.   La bomba hidráulica es accionada por un motor eléctrico cuyo funcionamiento se adapta al nivel de dirección asistida requerido. Cuando el vehículo está parado o circulando a velocidades muy bajas, se incrementa el ritmo de bombeo. A velocidades elevadas, se reduce la velocidad de la bomba, dado que no se requiere asistencia. Ahorran combustible, dado que solo se consume energía cuando es necesario. Mantenimiento 

Generalmente se considera que los sistemas de dirección hidráulica requieren poco mantenimiento. Sin embargo, sus componentes deben ser sujetos a inspecciones periódicas, ya que están sometidos a desgastes, principalmente de las juntas de bola (terminales y rótulas), guardapolvos, nivel de fluidos de la bomba, mangueras y correas de impulsión de la bomba, entre otras. Daños típicos   Tanto la bomba como el mecanismo de la caja de dirección son susceptibles de sufrir problemas relacionados, por lo común, con pérdidas de presión ocasionadas por desgaste en los sellos o fugas de aceite. Otra falla potencial es el daño de la correa respectiva o problemas en las conexiones eléctricas. También las unidades de piñones, las articulaciones y brazos pueden sufrir averías.

 

Para prevenir daños es importante estar pendientes de:  

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Posibles fugas de fluido, las cuales delatan el deterioro del sistema El ruido asociado a las correas del motor  – llevar el volante a su tope derecho o izquierdo –   puede ser indicador de falta de tensión de la correa o que la misma se encuentra dañada   La presencia de ruido en la bomba de dirección puede ser causada por la falta de fluido; también puede evidenciar la obstrucción de alguna    

manguera o válvula del sistema

Más ventajas    –   Reducción del esfuerzo en el volante, lo que proporciona una menor fatiga para el conductor. Muy conveniente en recorridos largos o para las maniobras en ciudad

 –   Permite acoplar una dirección más directa, es decir, menor reducción para obtener mayor rapidez de giro en las ruedas. Esto resulta adecuado para los camiones y autobuses  –   En el caso de que se ponche un neumático en las ruedas directrices, el mecanismo corrige instantáneamente la dirección, actuando automáticamente sobre las ruedas en sentido contrario al que la llanta reventada haría girar al vehículo  –   No presentan complicaciones en el montaje, son de fácil aplicación a cualquier vehículo y no afectan la geometría de la dirección

 

 –   En caso de avería en el circuito de asistencia, el conductor puede seguir conduciendo en las mismas condiciones que en un vehículo sin este sistema, ya que las ruedas permanecen unidas mecánicamente al volante aunque se realiza un mayor esfuerzo en el mismo

Sistema de Dirección  Indice curso 

Dirección asistida  Debido al empleo de neumáticos de baja presión y gran superficie de contacto, la maniobra en el volante de la dirección para orientar las ruedas se hace difícil, sobre todo con el vehículo parado. Como no interesa sobrepasar un cierto limite de desmultiplicacíon, porque se pierde excesivamente la sensibilidad de la dirección, en los vehículos se recurre a la asistencia de la dirección, que proporciona una gran ayuda al conductor en la realización de las maniobras y, al mismo tiempo, permite una menor desmultiplicación, ganando al mismo tiempo sensibilidad en el manejo y poder aplicar volantes de radio mas pequeño. La dirección asistida consiste en acoplar a un mecanismo de dirección simple, un circuito de asistencia llamado servo-mando. Este circuito puede ser accionado por el vacío de la admisión o el proporcionado por una bomba de vacío, la fuerza hidráulica proporcionada por una bomba hidráulica, el aire comprimido proporcionado por un compresor que también sirve para accionar los frenos y también últimamente asistido por un motor eléctrico (dirección eléctrica).  

El mas usado hasta ahora es el de mando hidráulico (aunque actualmente los sistemas de dirección con asistencia eléctrica le están comiendo terreno) del que se muestra el esquema

 

básico en la figura inferior. Puede verse en ella que el volante de la dirección acciona un piñón, que a su vez mueve una cremallera como en una dirección normal de este tipo; pero unido a esta cremallera se encuentra un pistón alojado en el interior de un cilindro de manera que a una u otra de las caras puede llegar el liquido a presión desde una válvula distribuidora, que a su vez lo recibe de un depósito, en el que se mantiene almacenado a una presión determinada, que proporciona una bomba y se conserva dentro de unos limites por una válvula de descarga.  

Ventajas e inconvenientes de la servodirección    

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Ventajas: 1ª.- Reducen el esfuerzo en el volante, con menor fatiga para el conductor, ventaja muy conveniente en los largos recorridos o para las maniobras en ciudad. 2ª.- Permiten acoplar una dirección mas directa; es decir, con una menor reducción con lo que se obtiene una mayor rapidez de giro en las ruedas. Esto resulta especialmente adecuado en los camiones y autocares. 3ª.- En el caso de reventón del neumático, extraordinariamente grave en las ruedas directrices, estos mecanismos corrigen instantáneamente la dirección, actuando automáticamente sobre las ruedas en sentido contrario al que el neumático reventado haría girar al vehículo. 4ª No presentan complicaciones en el montaje, son de fácil aplicación a cualquier vehículo y no afectan a la geometría de la dirección. 5ª.- Permiten realizar las maniobras mas delicadas y sensibles que el conductor precise, desde la posición de paro a la máxima velocidad. La capacidad de retorno de las ruedas, al final del viraje, es como la de un vehículo sin servodirección. 6ª.- En caso de avería en el circuito de asistencia, el conductor puede continuar conduciendo en las mismas condiciones de un vehículo sin servodirección, ya que las ruedas continúan unidas mecánicamente al volante aunque, naturalmente, tenga que realizar mayor esfuerzo en el mismo.   Inconvenientes:   Inconvenientes: Los inconvenientes de estos mecanismos con respecto a las direcciones simples con prácticamente nulos ya que, debido a su simplicidad y robustez, no requieren un entretenimiento especial y no tienen prácticamente averías. Por tanto los únicos inconvenientes a destacar son: 1ª.- Un costo mas elevado en las reparaciones, ya que requieren mano de obra especializada. 2ª.- El costo mas elevado de este mecanismo y su adaptación inicial en el vehículo, con respecto a la dirección simple. 

 

Modelos de sistemas de servodirección hidráulica   Uno de los mas empleados de este tipo de sistemas es el de Virex-Fulmina, cuya disposición de elementos corresponde al tipo integral (mando directo). Esta formada por un dispositivo hidráulico de accionamiento, montado en su interior, y un mecanismo desmultiplicador del tipo sinfín y tuerca. El circuito hidráulico esta constituido (figura inferior) por una bomba de presión (2) accionada por el motor del vehículo y cuya misión es enviar aceite a presión al dispositivo de mando o mecanismo integral (1) de la servodirección. El aceite es aspirado de un depósito (3) que lleva incorporado un filtro para la depuración del aceite. La conducción del aceite a presión entre los tres elementos se realiza a través de las tuberías flexibles (4, 5 y 6) del tipo de alta presión.  

El émbolo (1) del dispositivo hidráulico (figura inferior), alojado en el interior del mecanismo de la dirección, actúa al mismo tiempo como amortiguador de las oscilaciones que se pudieran transmitir desde las ruedas a la dirección. Por ejemplo, en caso de un reventón en una de las ruedas, la válvula de distribución (2) reacciona automáticamente en sentido inverso al provocado por el reventón; esto permite al conductor mantener el control del vehículo hasta poderlo parar con solo mantener sujeto el volante. Existe ademas, un dispositivo hidráulico de reacción de esfuerzos sobre el volante, proporcional al esfuerzo realizado por la dirección, que permite al conductor conocer las reacciones del vehículo en todo momento, haciendo la dirección sensible al mando.   Como hemos visto hasta ahora la dirección asistida se divide en lo que hemos llamado dirección simple o mando mecánico y en el sistema de asistencia a la dirección o mando hidráulico.  Dispositivo de mando mecánico El mando mecánico esta formado por un mecanismo desmultiplicador de tornillo sinfín y tuerca. El husillo del sinfín (3), unido al árbol de la dirección, va apoyado, a través del dispositivo elástico de la válvula distribuidora (2) sobre dos rodamientos axiales. El giro del volante se transmite del husillo (3) a la tuerca (4), que se desplaza longitudinalmente empujado al émbolo de mando (1) unido a ella. El émbolo va unido, a su vez, a través de una biela (5), a la manivela (6) que hace girar al eje (7) y al brazo de mando (8).  

 

  Dispositivo de mando hidráulico La válvula de distribución (figura inferior), situada en el interior del cuerpo central de la servodirección, esta formada por una caja de válvulas (1), en cuyo interior se desplaza una corredera (2) movida por el árbol de la dirección (3). Esta válvula canaliza, según la maniobra realizada en el volante, el aceite a presión hacia uno u otro lado del émbolo (4) de doble efecto. Mientras no se actúa sobre el volante; las válvulas se mantienen abiertas por estar situada la corredera en su posición media. Esta posición es mantenida por un dispositivo elástico de regulación por muelles (5), que tienen una tensión inicial apropiada a las características del vehículo. En esta posición el aceite tiene libre paso de entrada y salida por el interior del distribuidor sin que realice presión alguna sobre las caras del émbolo.  

 

 Al girar el volante para tomar una curva, es necesario vencer previamente la fuerza de resistencia que oponen los muelles para actuar las válvulas; esto hace que, para maniobras que requieren poco esfuerzo sobre el volante, las válvulas no actúan, realizandose la maniobra con el dispositivo mecánico sin intervención del mecanismo de asistencia. Vencido ese pequeño esfuerzo, y para mayores maniobras con el volante, las válvulas actúan desplazandose en uno u otro sentido y contando el paso de aceite a presión en una de las caras del émbolo. La presión del aceite sobre la otra cara del émbolo ayuda al conductor a realizar la maniobra necesaria. En las figuras inferiores pueden verse el funcionamiento y como se desplaza la corredera y los anillos que forman las válvulas, así como el paso de aceite al lado correspondiente émbolo. El aceite sin presión, desalojado a través de la válvula del correspondiente nuevamente al depósito.   por el émbolo es expulsado

La presión de aceite necesaria en cada maniobra es regulada automáticamente en función del esfuerzo de reacción necesario para hacer girar las ruedas del vehículo. Este esfuerzo de reacción depende de la carga que gravita sobre las ruedas del estado de los neumáticos y de la velocidad del vehículo en el momento de efectuarse la maniobra. Para cada presión de maniobra, que oscila de 0 a 70 kg/cm2, se produce un autoequilibrio en las válvulas que regulan con su mayor o menor paso de aceite la presión necesario. En el interior del cuerpo de válvulas, y situada entre los conductos de entrada y salida de aceite, hay instalada una válvula de seguridad que, en caso de avería en el sistema hidráulico, establece automáticamente la circulación continua de aceite sin transmitir presión de uno al otro lado del émbolo. Con esto se anula el peligro de bloqueo en la dirección y se permite la conducción mecánica sin la ayuda de la servo-dirección. Dada la misión que cumple esta válvula, esta prevista de forma que, ni por desgaste no por causa accidental, pueda anularse su funcionamiento. 

 

  Bomba de presión El tipo de bomba empleado en estas servodirecciones es el de tipo de paletas que proporciona un caudal progresivo de aceite hasta alcanzar las 1000 r.p.m. y luego se mantienen prácticamente constante a cualquier régimen de funcionamiento por medio de unos limitadores de caudal y presión situados en el interior de la misma.  

El limitador o regulador de caudal está formado por una válvula de pistón (1) y un resorte tarado (2), intercalados entre la salida de la cámara de presión y el difusor de la bomba; hace retornar el caudal sobrante al circuito de entrada. El limitador de presión esta formado por una válvula de asiento cónico o una esfera (3) y un resorte tarado (4), que comunica la salida de aceite con la parte anterior del difusor. El accionamiento de la bomba se efectúa por una polea y correas trapeciales acopladas a la transmisión del motor. 

 

  Servodirección hidráulica coaxial  coaxial   Esta servodirección se caracteriza por llevar el sistema de accionamiento hidráulico (cilindro de doble efecto) independiente del mecanismo desmultiplicador, aplicando el esfuerzo de servoasistencia. coaxialmente, es decir, en paralelo con el sistema mecánico. La servodirección coaxial puede aplicarse a cualquier tipo de dirección comercial, ya sea del tipo sinfín o de cremallera. El circuito hidráulico esta formado por un depósito (1) y una bomba que suministran aceite a presión a la válvula distribuidora de mando (2). Esta válvula acoplada a la dirección, es accionada el mover el volante y tiene como misión dar paso al aceite a una u otra cara del émbolo del cilindro de doble efecto (3). El cilindro puede ir acoplado en el cuerpo de válvulas o acoplado directamente al sistema direccional de las ruedas (bieletas) como ocurre en las direcciones de cremallera. 

Colocación, despiece y funcionamiento de un sistema de servodirección en el vehículo de la marca Audi 100  

 

 

 

 

 

 

Esquema de situación y funcionamiento de un sistema de servodirección de un vehículo de la marca Audia 80 Quattro. 

 

 

 

 

 

 

2.4- Bomba hidráulica  hidráulica  La bomba hidráulica es el componente que genera el flujo dentro del circuito hidráulico, y está definida por la capacidad de caudal que es capaz de generar, como ejemplo, galones por minuto, litros por minuto, o centímetros cúbicos por revolución. Hay dos grandes grupos de bombas: rotativas y alternativas.  A) Bombas rotativas: rotativas: Dentro de la familia de bombas rotativas, se encuentran los siguientes tipos:

 

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Bombas de engranajes:  engranajes: Las bombas de engranajes son compactas, relativamente económicas y tienen pocas piezas móviles, lo que les confiere tener un buen rendimiento.

Figura 9. Bomba de engranaje. en granaje. Principio de funcionamiento La cilindrada (V  (V ) de una bomba de engranaje se obtiene a partir de la siguiente expresión:  

π

· (De2  - Di 2   ) · A  A 

V   = = 4

siendo, De y Di  los   los diámetros de punta y de base del diente del engranaje y A es y A  es el ancho de bastante la carcasa de la bomba. •  Bombas lobulares: lobulares:    son semejantes a las de engranajes, pero con un número de dientes menor y con rangos de funcionamiento menores. Normalmente se utilizan para incrementos de presiones bajas donde puede haber problemas de erosión en los dientes si se empleara una bomba de engranajes.

 

 

Figura 10. Bomba hidráulica de tipo lobular • Bombas

de paletas: básicamente paletas: básicamente constan de un rotor, paletas deslizantes y una carcasa. Se dividen en dos grandes tipos, compensadas y no compensadas. En las bombas de paletas no compensadas cuando el rotor gira desplaza las paletas hacia fuera debido a la fuerza centrífuga, haciendo contacto con el anillo, o la carcasa, por lo que se forma un sello positivo. El fluido en este tipo de bombas entra y va llenando la porción de volumen mayor que se genera con el hueco dejado por el rotor descentrado dentro de la carcasa. Al girar entonces se genera una fuerza que empuja el fluido hacia afuera. Se denominan de paletas no compensadas porque una mitad del mecanismo de bombeo se encuentra a una presión inferior a la atmosférica, mientras que la otra mitad estará sometida a la presión de trabajo propia del sistema.

Figura 11. Esquema de una bomba de paletas

 

Para equilibrar los esfuerzos dentro de la bomba se desarrollaron las llamadas bombas de paletas compensadas. En este tipo se cambia la forma circular de la carcasa por otra forma geométrica en forma de leva, que consigue equilibrar las presiones interiores.

B) Bombas hidráulicas alternativas: • 

Bombas de émbolos o pistones:  pistones:  en este tipo de bombas se convierte el movimiento giratorio de entrada de un eje en un movimiento de salida axial del pistón. Son un tipo de bombas por lo general, de construcción muy robustas y adecuadas para presiones y caudales altos. Su rendimiento volumétrico también es alto. Se pueden distinguir tres tipos de bombas b ombas de pistones: 1. Pistones en línea: línea: tienen una construcción muy simple y el rendimiento que son capaces de obtener puede llegar al 97%. El cálculo de la cilindrada (V  ( V ) de una bomba de pistones en línea se obtiene a partir de la siguiente expresión:  

π

· D2  · C · Z  

V   = = 4

siendo, C  la carrera del pistón, D es el diámetro de cada pistón y Z  es  es el número de pistones. 2. Bombas deel pistones radiales : en este tipo se puede puede también regular caudal deradiales: cada pistón. Su cilindrada ser fija o variable, y el rendimiento puede llegar a ser de un 99 %.

 

 

Bomba de pistones radiales El cálculo de la cilindrada (V  ( V ) de una bomba de pistones radiales se obtiene a partir de la siguiente expresión:  

π

· e · D2  · Z  

V   = = 2

siendo, e es la excentricidad (o doble de la carrera), D es el diámetro de cada pistón y Z  es  es el número de pistones. 3. Bombas de pistones axiales: axiales: también pueden ser de cilindrada fija o variable. En las que son de caudal variable, pueden autorregularse.

Bomba de pistones axiales

La cilindrada (V  de una bomba de pistones axiales se obtiene a partir de(V  la) siguiente expresión:

 

  V   = =

 

π

tgβ   · D p2  · Z · Dm · tgβ 4

siendo, D p el diámetro de cada pistón, Z  es el número de pistones, Dm el diámetro de la máquina y  β  β  es el ángulo de inclinación del eje (que puede ser fijo si la máquina es de eje recto, o variable si se trata de una máquina con sistema de inclinación del eje). • Bombas de diafragma: en diafragma: en este tipo de bombas el flujo se consigue por el empuje de unas paredes elásticas, de membrana o diafragma, que varían el volumen de la cámara, aumentándolo y disminuyéndolo alternativamente.

En la siguiente tabla se resumen los distintos rangos de trabajo de algunos de los tipos de bombas hidráulicas más empleadas:

 

 

Tabla 6. Rangos de trabajos para las bombas hidráulicas

 

tipos Bomba de engranajes o piñones

Bomba de paletas

Bomba tipo piston

 

 

Hidráulicas (2): Bombas de Engranajes y Bombas de Bombas Hidráulicas Paletas  Atendiendo a la forma constructiva de las bombas y a su diseño, podemos clasificar las bombas de muy diversas maneras, pero la más habitual es la clasificación en tres grandes grupos: Bombas de Engranajes, Bombas de Paletas y Paletas  y Bombas de Pistones. En esta entrada del blog se va a hablar de los dos primeros grupos. Bombas de Engranajes  Engranajes   Las bombas de engranajes son compactas, relativamente económicas y tienen pocas piezas móviles. Las bombas de engranajes externas se componen de dos engranajes, generalmente del mismo tamaño, que se engranan entre si dentro de una carcasa. El engranaje motriz es una extensión del eje impulsor. Cuando gira, arrastra al segundo engranaje. Cuando ambos engranajes giran, provocan un vacío parcial en la cámara de entrada y el fluido se introduce a la bomba través del orificio de entrada. Este fluido queda atrapado entre la carcasa y los dientes de rotación de los engranajes, se desplaza alrededor de la carcasa y es empujado a través del orificio de salida. La bomba genera flujo y presión, de modo que transfiere energía desde la fuente de entrada, que es mecánica, hasta un actuador de potencia hidráulica.

 

 

Bomba Hidráulica de Engranajes Externos

Con el mismo principio de funcionamiento se encuentran las bombas de engranajes internos, las bombas de lóbulo y las bombas gerator. La figura siguiente muestra la forma constructiva de esta clase de bombas.

Bomba de Engranajes Internos

 

 

Bomba de Lóbulos

Bomba Gerator

Paletas   Bombas de Paletas Están construidas por una carcasa de sección circular, con una anillo ajustado en su interior. Dentro de este anillo gira excéntricamente un rotor ranurado, en cuyas ranuras se alojan una paletas que pueden desplazarse radialmente. El rotor está conectado a un motor eléctrico mediante un eje. Cuando el rotor gira, las paletas se mantienen apoyadas contra la superficie de anillo, ya que tienden a salir gracias a la fuerza centrífuga y a la presión aplicada en la parte interior de las mismas gracias a unos muelles, formando un sello positivo. El fluido entra a la bomba y llena el área de volumen grande formada por el rotor descentrado. Cuando las paletas empujan el fluido alrededor de la leva, el volumen disminuye y el fluido se empuja hacia afuera a través del orificio de salida.

 

 

Bomba de paletas

Para comprender el funcionamiento de este tipo de bombas durante la admisión hay que recurrir a la excentricidad. Gracias a la excentricidad se genera una zona, mediante las paletas y la carcasa, que hace la función de cierre hermético que impide que el aceite retroceda durante el funcionamiento de la bomba. A partir de esa zona y producto de la fuerza centrífuga, las paletas salen de las ranuras del rotor, ajustándose a la superficie interna del anillo, así entre cada par de paletas se crean cámaras que hacen aumentar el volumen y disminuir la presión, con lo que es posible asegurar el continuo suministro de aceite. El aceite es tomado de estas cámaras y trasladado a la zona de descarga.