Geometría de la dirección

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Video resumen Geometría de la dirección

La estabilidad en el automóvil, entendida como la capacidad de seguir la trayectoria indicada por el volante en todas las circunstancias en las que la adherencia entre neumático y suelo no se supera, depende de diversos factores.

Uno trascendental es la geometría de la dirección y la suspensión definidas por los elementos que las componen.

Circulando en recta, el automóvil ha de mantener la trayectoria, para lo que las ruedas deben tener tendencias que lo propicien.

En curvas, la velocidad y trayectoria es distinta para cada una de las ruedas, tanto delanteras como traseras.

El diferencial del eje motriz se encarga de repartir la velocidad a las ruedas de su eje en curvas.

Al ser diferente la trayectoria en curva de las ruedas delanteras directrices, que marcan la ruta, han de girar ángulos distintos, y esto implica una determinada geometría de diseño de la dirección, que es el objetivo de este artículo.

Se complementan las explicaciones con otra geometría, que relaciona suspensión y dirección, para mantener capacidad direccional y estabilidad.

Esta geometría de suspensión y dirección con tendencias direccionales implica el reglaje del paralelo en las ruedas delanteras.

Como el tema de este artículo tiene bastantes implicaciones se añaden al final enlaces a otros del blog relacionados con la geometría de la dirección que aportan más información.

Posición perpendicular de las bieletas de dirección

Para deducir la geometría correcta de giro de las ruedas delanteras por la dirección en curvas se parte de una geometría errónea, viéndose después sus consecuencias y soluciones:

El automóvil representado tiene suspensión delantera (también trasera) por eje rígido
Al girar el volante lo hacen las ruedas delanteras, primero hacia la izquierda y después a la derecha
El volante hace girar el eje o caña de dirección, y este el mecanismo de tornillo y rodillo (en el interior de la caja de dirección), que mueve angularmente a la bieleta de salida, que a su vez desplaza a la bieleta de mando, que articula con la barra de dirección, los extremos de la barra de dirección articulan con las bieletas de dirección que hacen girar las ruedas directrices
Se resaltan las bieletas de dirección y su geometría, su eje es perpendicular al eje trasero, lo que implica que en curva las dos ruedas giren el mismo ángulo

Hay bastantes sistemas o mecanismos para que las ruedas delanteras giren al hacerlo el volante.

En este artículo se comentan, el ya citado de tornillo y rodillo, y el de cremallera que es el más utilizado con diferencia en el automóvil, no se explican con más detalle al no ser necesario para el contenido de este artículo.

Efectos en curva con posición perpendicular de las bieletas de dirección

En recta las ruedas delanteras han de ir paralelas, pero no en curva que es lo que va a pasar con esta geometría de las bieletas de dirección:

Este automóvil va a tomar una curva a la izquierda
El conductor gira el volante y lo hacen las ruedas delanteras
El radio de la curva que describe la rueda interior es menor que el de la rueda exterior
Se toma como referencia la trayectoria de la rueda interior, y se ve es tangente a la circunferencia de la curva en el centro de la huella del neumático con el piso, es lo correcto
La rueda exterior al girar el mismo ángulo que la interior sigue una trayectoria paralela, cuando debería ser tangente a la circunferencia de mayor radio que describe en el punto de contacto del centro de la huella
Las ruedas en curva han de girar ángulos diferentes, más la interior que la exterior ¿cómo?
Esta situación provocaría el deslizamiento de los neumáticos en el suelo con mucho desgate, esfuerzos a los componentes de suspensión y dirección con sensible merma de estabilidad y capacidad direccional

Esta geometría no se ha utilizado, pero es un buen punto de partida para las siguientes explicaciones.

Bieletas de dirección oblicuas

Se ve a continuación la solución para lograr el adecuado ángulo de giro de cada rueda delantera en curva:

Se parte de la imagen con las bieletas de dirección perpendiculares al eje trasero
Las bieletas cambian a una posición oblicua, con una determinada geometría; sus ejes desde el punto de giro de la dirección pasando por la articulación con la barra de dirección llegan al centro del eje trasero
Se verán a continuación los resultados en curva

Esta es la geometría de dirección de Akermann/Jentaud, sus creadores y se utiliza en los automóviles con suspensión delantera por eje rígido.

Efectos en curva con bieletas de dirección oblicuas

En esta animación se representa el comportamiento en curva de las ruedas delanteras con las bieletas de dirección oblicuas coincidiendo su prolongación con el centro del eje trasero:

Toma el automóvil una curva a la izquierda
El radio de la circunferencia que describe la rueda interior es menor que el de la exterior
Se aprecia que el ángulo de giro de las ruedas delanteras es diferente
Comprobándose que la rueda interior gira más que la exterior, lo justo para que ambas sigan la trayectoria correspondiente a sus tangentes en el contacto de cada huella del neumático con el suelo

Esta sencilla geometría de las bieletas de dirección es una solución para disponer de estabilidad en curva.

Su aplicación en automóviles con suspensión por eje rígido es tal como se ha explicado, con algunas posibles variaciones según los ángulos de la suspensión y dirección, que se comentan más adelante.

Aplicación de geometría de bieletas de dirección oblicuas

Se ven cuatro automóviles con las bieletas de dirección por delante o por detrás de las ruedas delanteras, además las suspensiones son diferentes.

En la siguiente animación se describen los tipos de suspensión de los automóviles representados, para verlas con detalle se indican al final enlaces a cada uno de los modelos en la sección “Historia del automóvil:

Coche de la imagen superior izquierda (Jaguar Type E):
- Suspensión delantera independiente (por barras de torsión longitudinales)
- Dirección de cremallera
- Bieletas de dirección por delante de las ruedas, coincidiendo su prolongación con el centro del eje que une los centros de las ruedas traseras (Suspensión trasera por semiejes oscilantes y dos muelles por rueda)
Coche de la imagen superior derecha (Pegaso Z102):
- Suspensión delantera independiente (por cuatro barras de torsión longitudinales)
- Dirección por tornillo y rodillo
- Bieletas de dirección por delante de las ruedas delanteras, su prolongación incide en el centro del eje que une las ruedas traseras (Suspensión trasera por eje de Dion con dos barras de torsión transversales)
Coche de la imagen inferior izquierda (Ford T):
- Suspensión delantera por eje rígido (con ballesta transversal)
- Dirección de tornillo y rodillo
- Bieletas de dirección por detrás de las ruedas delanteras, llegando su prolongación al centro del eje trasero (Suspensión trasera por eje rígido con ballesta transversal)
Coche de la imagen inferior derecha (Citroën 2CV):
- Suspensión delantera independiente (Por brazos longitudinales y muelles horizontales bajo el piso, la suspensión tiene mucho recorrido)
- Dirección de cremallera (Las bieletas de mando de dirección, que articulan con las de dirección en las ruedas, son de gran longitud y parten del mismo punto de la cremallera para reducir la alteración del paralelo de las ruedas por el gran recorrido de suspensión)
- Bieletas de dirección por detrás de las ruedas, llegando su prolongación al centro del eje que une los centros de las ruedas traseras (Suspensión trasera con brazos longitudinales y muelles horizontales bajo el piso, con mucho recorrido)
- Las bieletas de mando desde la cremallera a las bieletas de dirección son muy largas para, como se ha dicho, reducir las variaciones de paralelo por el amplio recorrido de la suspensión

Con suspensión independiente delantera, y también trasera, hay variaciones de geometrías que requieren alteraciones en la posición oblicua teórica de las bieletas de dirección, generalmente inciden sus prolongaciones en el eje central del eje de unión de las ruedas traseras, pero por debajo o por encima del punto medio.

Tendencias de las ruedas delanteras a abrir o cerrar circulando en recta

Avance y pivote

Para que el automóvil tenga capacidad direccional se diseñan geometrías determinadas entre los componentes de suspensión, dirección y sus articulaciones o apoyos en la carrocería.

Los efectos de esta geometría es inducir tendencias en las ruedas delanteras a abrir o cerrar, que han de estar equilibradas para hacer su función direccional y no provocar desvíos.

Algunos valores de esta geometría pueden ser regulables, según el tipo de automóvil y suspensión, la variación de alguno afecta a los demás, tanto por modificar el reglaje como por ser a causa de un golpe que ha deformado algún elemento.

En las explicaciones siguientes se va a analizar cada uno de los valores de esta geometría independientemente, sin que la variación de uno afecte a los demás, para que quede más clara la descripción de cada uno de los valores.

Esta geometría se explica con detalle en otro artículo del blog indicado al final:

Ángulo de avance; viendo el automóvil de lado es el formado por el eje que une los puntos de giro de la dirección con la vertical:
- Si es el mismo en ambas ruedas delanteras tienden a cerrar, convergencia, por igual
- Si es diferente en las dos ruedas, el mayor ángulo de avance tiene más tendencia direccional que el menor, como resultado se produce desvío hacia el lado de menos avance que ha de compensar el conductor girando el volante en sentido contrario
Ángulo de pivote; viendo el automóvil de frente es el formado por el eje que une los puntos de giro de la dirección con la vertical:
- Su función es como la del ángulo de avance; inducir efectos que tienden a cerrar las ruedas, convergencia
- El ángulo de pivote ha de ser el mismo para que se equilibren las tendencias direccionales de las dos ruedas
- Si no es igual en las dos ruedas; con más ángulo de pivote la tendencia direccional es mayor que con menos ángulo, lo que induce desvío hacia el lado con menor pivote haciendo que el conductor gire el volante en sentido contrario

Los ángulos de avance y pivote afectan a diversas reacciones del automóvil.

Con más valor, además de aportar mayor capacidad direccional aumenta la tendencia de retorno del volante al punto medio tras una curva, y precisa más fuerza del conductor para el giro del volante, con dirección asistida se compensa.

Además, el ángulo de pivote está muy relacionado con el de caída y el radio de pivotamiento, que se presentan a continuación.

Esos dos ángulos no se incluyen en la suspensión trasera al no ser sus ruedas directrices.

En los automóviles con dirección en las ruedas traseras, estas giran ángulos muy reducidos por lo que los efectos son mínimos, pero se tienen en cuenta en el diseño.

Caída

Este ángulo se puede detectar por la posición de las ruedas en algunos automóviles en los que su valor es mayor que la media:

El ángulo de caída es la posición de las ruedas en el suelo con respecto a la vertical
Caída 0; las ruedas son perpendiculares al suelo
Caída +; las ruedas están inclinadas hacia el interior del automóvil en la parte de contacto con el piso
Caída –; la inclinación de las ruedas con el piso hace que estén en esta zona hacia el exterior del automóvil
Con caída 0 no se producen efectos direccionales en las ruedas
La caída + tiende a que las ruedas abran, divergencia, y el valor ha de ser el mismo para que se equilibren
Si la caída es – la tendencia de las ruedas es a cerrar, convergencia, y ha de ser el mismo ángulo para mantener la tendencia equilibrada
Si la caída es diferente en las ruedas se producirán desvíos que ha de contrarrestar el conductor

Los automóviles de calle tienen valores de caída de 0 o muy próximos.

Ya se ha comentado que si este ángulo es regulable afecta al de pivote directamente y puede que al de avance según como actúe el sistema de regulación.

Tras la reparación de la carrocería de un automóvil que ha tenido un accidente importante, se ha recuperado la geometría de los puntos de apoyo de suspensión y dirección, además de sustituir los elementos afectados.

Para comprobar que la reparación ha sido correcta se hace el control de los ángulos que se han explicado que han de estar en los valores indicados por el fabricante, o se puede llegar a esos con los reglajes previstos.

Las ruedas traseras también tienen ángulo de caída, que puede ser regulable según el tipo de suspensión.

Radio de pivotamiento

Esta geometría no es un ángulo, es una distancia y está muy relacionada con el ángulo de pivote, caída y el bombeo de la llanta (ET):

Con el coche de frente, el radio de pivotamiento es la distancia en el suelo entre el centro de la huella del neumático (flecha roja) y el punto de intersección de la prolongación del eje que une los puntos de giro de la dirección. Ha de ser el mismo en ambos lados
Radio de pivotamiento 0; la prolongación del eje de los puntos de giro de la dirección coincide en el suelo con el centro de la huella del neumático
- No se producen efectos direccionales al frenar o acelerar tanto con tracción (delantera) como propulsión (tracción trasera)
Radio de pivotamiento +; está el punto de giro de la dirección en el suelo hacia el interior del centro de la huella del neumático
- Al frenar se genera tendencia a abrir las ruedas, divergencia
- Al acelerar con tracción (delantera) la tendencia es a cerrar, convergencia y al retener a abrir, divergencia
- Con propulsión (tracción trasera) no hay efectos al acelerar o retener
Radio de pivotamiento –; el punto de giro de la dirección en el suelo está hacia el exterior del centro de la huella del neumático
- La tendencia al frenar es que cierren las ruedas delanteras, convergencia
- Con tracción (delantera) las ruedas tienden a abrir al acelerar, divergencia, y a cerrar al retener, convergencia
- Con propulsión (tracción trasera) no hay efectos direccionales relacionados con aceleración o retención

El radio de pivotamiento forma parte del diseño de la geometría suspensión y dirección, sobre todo con pivote y caída.

Si se sustituyen las llantas por otras con distinto bombeo (ET), se altera el radio de pivotamiento que puede provocar efectos direccionales y de estabilidad inadecuados.

Paralelo dinámico, estático y alineación

La geometría explicada de suspensión y dirección induce efectos direccionales que han de ser iguales en las dos ruedas.

En las articulaciones de los diferentes elementos de suspensión hay silentblocs, que son elásticos, lo que implica que sus deformaciones permiten que los efectos de la geometría de suspensión impliquen ciertas variaciones del paralelo de las ruedas, lo que afectaría al desgaste de neumáticos y estabilidad, para compensar estos efectos se hace el siguiente reglaje.

Las ruedas han de ir paralelas circulando en recta
Si la tendencia es que las ruedas cierren, convergencia, con el coche parado se abren, divergencia, el mismo valor para que vayan paralelas en marcha
Cuando la tendencia es que las ruedas abran, divergencia, en parado se cierran, convergencia, el mismo valor para que circulando estén paralelas
Este reglaje es el paralelo, para lo que se disponen sistemas de ajuste específicos en la dirección
Al hacerse con el coche parado le hemos denominado paralelo estático
El paralelo se ha de repartir por igual en ambos lados, por lo que se hace con la dirección y volante en el punto medio de giro entre topes a ambos lados
Las ruedas delanteras han de estar también alineadas con las traseras
En la imagen se representan en el mismo eje longitudinal las ruedas delanteras y traseras, pero no es siempre así pues la vía de los ejes delantero y trasero pueden ser distintas (distancia transversal entre el centro de las huellas en el suelo de las ruedas del mismo eje)
Los ejes longitudinales de las ruedas traseras han de ser paralelos a los de las delanteras circulando en recta

Las ruedas traseras también tienen paralelo y alineación, que puede ser regulable según el tipo de suspensión.

Es frecuente en sistemas de suspensión trasera multibrazo (“multilink”).

Geometría de la dirección

Video resumen Geometría de la dirección