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6) DIRECCIÓN
- Sistemas de dirección
- Ratio de dirección
- Geometría de Ackerman
SISTEMAS DE DIRECCIÓN
El volante está conectado con la columna de dirección. En algunos casos es desmontable para poder entrar y salir del habitáculo con más facilidad. También es conveniente que se pueda ajustar la altura y distancia al asiento del mismo para lograr una posición cómoda.
El giro de esta columna se traduce en un movimiento lineal mediante un sistema de cremallera ( rack and pinion ) - estilo turismo, o de bieletas ( bellcrank ) - estilo kart. En la cremallera encontramos un módulo que encierra una varilla dentada que es deplazada por un piñón conectado a la columna. En el sistema de bieletas, una pletina fijada a la columna está directamente unida por rótulas articuladas a los dos tirantes de dirección.
El sistema de bieletas es más ligero, barato y sencillo para vehículos livianos. Sin embargo, el sistema de cremallera puede transmitir mejor las sensaciones de la rueda al volante ( par de autoalineamiento para detectar el ángulo de deriva que ofrece el máximo agarre lateral ). Los amortiguadores de dirección, aunque vuelven la conducción más descansada y suave en algunos casos, enmascaran parcialmente este par de autoalineamiento, por lo que es preferible no utilizarlos si no es imprescindible.
En ambos casos, estos tirantes se conectan mediante rótulas a las manguetas de la dirección que permiten girar la rueda independientemente de la posición de la suspensión. Estos tirantes son de longitud ajustable para regular su convergencia o divergencia. En algunos casos incorporan una articulación tipo cardan para reducir el efecto bump steer ( cambio indeseado de la dirección de la rueda al comprimir o extender la suspensión ). Esto lo veremos con detalle en el capítulo 7.
RATIO DE DIRECCIÓN
El ratio de dirección expresa el número de grados que tenemos que girar el volante para lograr un giro de un grado en una rueda. Por ejemplo, con un ratio de 20:1 necesitamos un giro de 20º en el volante para girar 1º la rueda. Un vehículo de turismo tiene habitualmente un ratio de dirección entre 15:1 y 20:1. Un vehículo de competición tiene generalmente un ratio de dirección más bajo. El caso extremo es un kart ( y el de una carrilana europea C4 ), con un ratio de dirección de entre 3:1 y 4:1.
En general, los vehículos ligeros y de competición emplean ratios de dirección más bajos para primar la rapidez de reacciones y los vehículos de turismo y pesados emplean ratios de dirección más altos para disminuir el esfuerzo al torcer y mejorar los cambios suaves de trayectoria.
También hay que tener en cuenta el nº de giros de volante desde el giro completo a la izquierda hasta el giro completo a la derecha ( desde unas 2,5 vueltas en un coche de calle hasta apenas media vuelta en un monoplaza ). Ten en cuenta si el espacio de tu habitáculo permite o no dar vueltas comletas con el volante. También hay que considerar que los volantes ovales o recortados no permiten cambiar la posición de las manos, por lo que tienen el giro limitado a 180º.
Un ratio de dirección mas alto permite un ajuste más fino de la trayectoria ( del mismo modo que un manillar de bicicleta más ancho mejora el control ) y ralentiza ligeramente el giro con lo que logramos que el incremento de fuerza lateral en la rueda sea más gradual. Sin embargo, dificulta los cambios rápidos de trayectoria ( lo cual no suele ser un problema excesivo en Deportes de Inercia por el tipo de recorrido y las velocidades a las que circulamos ).
Un ratio de dirección demasiado bajo vuelve nuestra dirección ultrasensible, dificultando el control fino de la trazada y dificultando, incluso, el mantener la línea recta en zonas bacheadas ya que una mínima oscilación del volante causa un apreciable giro de las ruedas.
Este ratio de dirección total es el producto de varios ratios de dirección parciales: diámetro del volante, longitud de la bieleta ( o ratio de la cremallera ) y longitud de la mangueta de la rueda.
- Un volante de mayor diámetro necesita más movimiento de las manos para producir el mismo ángulo de giro, por lo que puede dificultar los movimientos en un habitáculo estrecho. En estos casos se puede emplear un volante más rectangular, con mayor radio en la zona de agarre de las manos y menor en el resto. El diámetro suele oscilar entre los 20 y los 35 cm.
- Una bieleta más larga disminuye el ratio de dirección. Cuando las manguetas están situadas por detrás del eje de la rueda, la bieleta se sitúa por debajo de la columna de dirección. Si las manguetas están por delante, la bieleta se coloca por encima de la columna.
- Las cremalleras indican directamente su ratio y existen modelos para manguetas por delante o por detrás del eje de la rueda.
- La distancia entre la rótula y el eje de giro de la mangueta tiene también un efecto desmultiplicador: cuanto más larga esta distancia, mayor movimiento del tirante es necesario para lograr un determinado giro de la rueda. Una mangueta más larga tiene una ventaja ya que disminuye el efecto bump steer.
GEOMETRÍA DE ACKERMANN
Cuando un vehículo de 4 ruedas toma una curva, cada rueda toma la dirección que le marca su eje. Si el centro de giro de unas ruedas es distinto al de otras se produce un deslizamiento indeseado de la goma con el asfalto: unas ruedas "luchan" contra otras tratando de "llevarlas" por su trayectoria. Si las cuatro tienen el mismo centro de giro, logramos el mínimo deslizamiento lateral parásito de las mismas.
- Los ejes de las ruedas traseras siempre están en la misma línea: la prolongación del eje trasero.
- Los ejes de las ruedas delanteras giran un ángulo distinto entre ellos, en concreto la rueda interior gira más grados que la exterior, es decir, que adquiere divergencia ( toe out ) al girar el volante. Si el cruce de los ejes delanteros se produce justo en la prolongación del eje trasero, las cuatro ruedas giran alrededor del mismo punto. Esto es lo que se conoce como Geometría de Ackerman. En el caso de que los tirantes de dirección estén en la misma posición longitudinal con los pivotes de anclaje de las manguetas ( como en el dibujo inferior ), podemos calcular la condición de Ackerman prolongando la línea de unión entre el eje de giro vertical de la mangueta y la articulación con los tirantes de dirección.
Esto es deseable en los vehículos de turismo en los que las aceleraciones laterales son reducidas ( menores de 0,3 G en conducción cotidiana ) ya que nos ofrece una menor pérdida de velocidad por rozamiento, un menor desgaste de los neumáticos y rodamientos y un rodar más silencioso.
En competición, esto no siempre es interesante por varios motivos:
- Al tomar las curvas con una alta aceleración lateral, introducimos un ánguo de deriva del neumático respecto a la trayectoria del vehículo que desplaza hacia delante este punto de cruce de las prolongaciones de los ejes, por lo que una geometría de Ackerman en estático no se mantiene en estas condiciones.
- Estas fuertes aceleraciones laterales producen una importante transferencia de pesos de las ruedas interiores a las exteriores. La curva de sensibilidad a la carga de los neumáticos indica que el ángulo de deriva con el que se logra el máximo agarre lateral disminuye al disminuir la carga soportada por la rueda. Por ello, la rueda delantera interior necesita ahora un ángulo de deriva ( y un ángulo de giro ) menor que el que impone la geometría de Ackermann para ofrecer su máximo agarre lateral. Todo ángulo de deriva superior solo conlleva un pérdida de agarre lateral, un calentamiento y desgaste extra de la rueda y una pérdida de velocidad por rozamiento innecesaria.
Por ello, es habitual variar el ángulo de las manguetas de dirección ( haciéndolas más paralelas entre ellas ) - o la posición longitudinal de la cremallera - adelantándola - para retrasar este punto de cruce de las prolongaciones de los ejes delanteros y así lograr que la rueda delantera interior gire menos grados que lo que dicta la geometría de Ackermann.
- Geometría paralela: Las dos ruedas delanteras giran los mismos grados, por lo que la rueda delantera interior no adquiere convergencia ni divergencia.
- Geometría Anti-Ackerman: El cruce se produce por detrás del eje trasero y la rueda interior adquiere convergencia ( toe in ) con el giro del volante.
A la hora de regular la geomatría de Ackermann, hay que tener en cuenta:
- Fase de la curva: Al inicio y al final de la curva, cuando las transferencias laterales de peso son menores, la rueda interior soporta más carga que en el tramo central en el que soporta menos carga.
- Aceleración lateral: La geometría paralela o la Anti-Ackermann aumentan el rozamiento en curvas con baja aceleración lateral ( en Deportes de Inercia, aquellas en las que no es necesario frenar y que se pueden pasar a fondo con una aceleración lateral moderada ). Sin embargo, disminuye el rozamiento en curvas de alta aceleración lateral ( aquellas que no es posible trazar sin frenar y que pasamos cerca del límite de adherencia de la goitibera ).
- Radio de las curvas del recorrido: Tanto la geometría Ackermann como la Anti-Ackermann aumentan la diferencia de divergencia o convergencia exponencialmente con el ángulo de giro del volante. Por ello, su efecto se nota más en curvas cerradas - de radio reducido - que en curvas rápidas - de radio más amplio. El rozamiento en recta no varía ya que el paralelo de las ruedas se mantiene si el volante está recto.
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