Al aprender a conducir, uno de los controles más difíciles de dominar es el del volante. Pero, ¿sabías que bajo el volante se encuentran unas asombrosas leyes de la física y mecanismos que mantienen el vehículo en el camino correcto sin que las ruedas derrapen?
En este artículo, descubriremos por qué necesitamos esos mecanismos para el volante, cómo funcionan y entenderemos el funcionamiento de los mecanismos de dirección asistida. Agradecemos a brilliant org por su apoyo.
Lo sorprendente de un automóvil es que, si solo inclinas las ruedas delanteras, todo el vehículo girará. Sin embargo, ¿por qué el vehículo no sigue moviéndose en línea recta incluso después de que las ruedas hayan girado?
Para responder esta pregunta, tenemos que entender la física detrás del invento más significativo de la humanidad: la física de las ruedas en movimiento. Cuando una rueda rueda perfectamente, la velocidad de la rueda en el punto de contacto siempre debe ser cero. Esto asegurará que no haya deslizamiento entre la carretera y la rueda en el punto de contacto.
¿Pero cómo puede tener una rueda en movimiento una velocidad cero en un punto de su superficie? Esto es posible porque la rueda tiene dos tipos de movimiento: se mueve en la dirección del automóvil y también gira sobre su eje. Cuando sumamos estos dos componentes en la parte inferior de la rueda, se cancelan entre sí.
Mantén en mente este simple principio de una rueda rodante y podrás entender perfectamente el mecanismo de dirección. Ahora, supongamos que incluso después de que la rueda gire, el automóvil sigue moviéndose recto. Volvamos a verificar las velocidades de rotación y de traslación en el punto de contacto de la rueda.
Podemos ver que la velocidad de rotación está inclinada, pero la velocidad de traslación es recta. Debido a esto, las velocidades no se cancelarán entre sí y esto provocará derrape. La única forma de lograr la condición de velocidad cero es asegurarse de que la velocidad de traslación también esté inclinada. Esto solo es posible cuando todo el automóvil gira con respecto a un punto central.
Un punto importante a tener en cuenta aquí es que, para un giro perfecto, las líneas perpendiculares de las ruedas delanteras deben encontrarse en un punto común con respecto al eje de las ruedas traseras. Esta condición es el principio de la dirección.
Si observas con atención, notarás que los ángulos girados por las ruedas izquierda y derecha no son iguales. Esto significa que, para una dirección perfecta, las ruedas izquierda y derecha deben girar en ángulos diferentes. El mecanismo de dirección se utiliza para lograr este propósito.
El mecanismo de dirección más comúnmente utilizado en los vehículos modernos es el de cremallera y piñón. Veamos cómo este mecanismo logra dirigir el vehículo.
En el centro de este mecanismo se encuentra una cremallera que solo puede moverse en línea recta. El piñón, que proviene del volante de dirección, puede hacer que la cremallera se mueva. Se adjunta una pieza llamada brazo de dirección a ambas ruedas. Esta pieza solo puede tener un movimiento de rotación a lo largo del eje mostrado.
El brazo de dirección está conectado al marco del automóvil mediante un cojinete de rodillos. Esto garantiza que solo pueda girar. Una barra de dirección conecta el brazo de dirección a la cremallera. La barra de dirección puede tener movimiento tanto de traslación como de rotación.
Observa lo que sucede con las ruedas cuando la cremallera se mueve. Puedes ver que las ruedas izquierda y derecha giran en ángulos diferentes. Si rastreamos el punto de encuentro de las ruedas izquierda y derecha, veremos que siempre se encuentra en la línea de las ruedas traseras. Así, el mecanismo de cremallera y piñón cumple perfectamente con las condiciones necesarias para la dirección, lo que permite que el vehículo gire sin deslizarse.
La dirección que hemos discutido hasta ahora es del tipo manual. Hoy en día, se utiliza ampliamente la dirección asistida por motor eléctrico, que hace que la acción de dirección sea más fácil y precisa.
Aquí se muestra una unidad de dirección asistida por columna. Un motor de corriente continua sin escobillas impulsa la columna de dirección y el piñón. El motor es capaz de girar en ambas direcciones: en sentido horario y antihorario.
Una unidad de control electrónico decide la cantidad de potencia que el motor debe transferir a la columna. La unidad de control electrónico tiene en cuenta diferentes entradas, como el par que el conductor ha aplicado al volante, el ángulo de dirección, la velocidad del volante de dirección y la velocidad del vehículo, para determinar el par adecuado que debe suministrarse.
Para medir el par de entrada del conductor, se utiliza un sensor basado en efecto Hall y una disposición de barra de torsión. Debido a la asistencia del motor, la rotación del volante de dirección se vuelve fácil para el conductor.
Pero, ¿qué sucede si el motor falla? Probablemente sepas que se puede girar un tornillo sin fin, pero un engranaje sin fin no puede girar un tornillo sin fin. Esto significa que si el motor falla, ninguna rotación manual del conductor será bloqueada por esta restricción del mecanismo sin fin. En resumen, la dirección se bloqueará.
Para resolver este problema, la rotación del volante de dirección nunca se conecta directamente al engranaje sin fin. En cambio, pasa a través de un conjunto de engranajes planetarios. Aquí, la rotación del conductor se transfiere al engranaje sol. La salida se obtiene del portador y el engranaje sin fin se convierte en engranaje anular del conjunto de engranajes planetarios.
En caso de funcionamiento normal, la potencia del engranaje anular se transferirá fácilmente al portador. En caso de falla del motor, el engranaje anular no puede moverse. Sin embargo, puedes ver que la rotación manual del engranaje sol del conductor se transferirá al portador y, finalmente, al engranaje piñón.
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