Dirección asistida

La dirección asistida es un sistema que reduce el esfuerzo del conductor para girar el volante de un vehículo de motor , mediante el uso de una fuente de energía para ayudar a la dirección . ^[1]

Los actuadores hidráulicos o eléctricos añaden energía controlada al mecanismo de dirección, de modo que el conductor pueda hacer menos esfuerzo para girar las ruedas directrices cuando conduce a velocidades normales y reduce considerablemente el esfuerzo físico necesario para girar las ruedas cuando un vehículo está detenido o se mueve lentamente. La dirección asistida también puede diseñarse para proporcionar cierta retroalimentación artificial de las fuerzas que actúan sobre las ruedas directrices.

Los sistemas de dirección asistida hidráulica para automóviles aumentan el esfuerzo de dirección mediante un actuador, un cilindro hidráulico que forma parte de un sistema servo . Estos sistemas tienen una conexión mecánica directa entre el volante y el varillaje que dirige las ruedas. Esto significa que, en caso de falla del sistema de dirección asistida (para aumentar el esfuerzo), el vehículo puede seguir direccionándose utilizando únicamente el esfuerzo manual.

Los sistemas de dirección asistida eléctrica utilizan motores eléctricos para proporcionar asistencia en lugar de sistemas hidráulicos. Al igual que con los tipos hidráulicos, la potencia que llega al actuador (motor, en este caso) está controlada por el resto del sistema de dirección asistida.

Otros sistemas de dirección asistida (como los de los vehículos todoterreno de mayor tamaño) no tienen una conexión mecánica directa con el varillaje de dirección; requieren energía eléctrica. Los sistemas de este tipo, sin conexión mecánica, a veces se denominan " drive by wire " o "steer by wire", por analogía con el " fly-by-wire " de la aviación. En este contexto, "wire" se refiere a cables eléctricos que transportan energía y datos, no a cables de control mecánicos de alambre fino .

Algunos vehículos de construcción tienen un bastidor de dos piezas con una bisagra resistente en el medio; esta bisagra permite que los ejes delantero y trasero no estén paralelos para dirigir el vehículo. Los cilindros hidráulicos opuestos mueven las mitades del bastidor entre sí para dirigir el vehículo.

El primer sistema de dirección asistida en un vehículo fue aparentemente instalado en 1876 por un hombre de apellido Fitts, pero poco más se sabe sobre él. ^[2] El siguiente sistema de dirección asistida se instaló en un camión Columbia de 5 toneladas en 1903, donde se utilizó un motor eléctrico separado para ayudar al conductor a girar las ruedas delanteras. ^{[2] [3]}

Robert E. Twyford, residente de Pittsburgh , Pensilvania , incluyó un mecanismo de dirección asistida mecánica como parte de su patente (Patente de EE. UU. 646,477) ^[4] emitida el 3 de abril de 1900 para el primer sistema de tracción en las cuatro ruedas. ^[5]

Francis W. Davis, un ingeniero de la división de camiones de Pierce-Arrow , comenzó a explorar cómo se podría facilitar la dirección y en 1926 inventó y demostró el primer sistema práctico de dirección asistida. ^{[6] [7] [8]} Davis se trasladó a General Motors y refinó el sistema de dirección asistida hidráulicamente, pero el fabricante de automóviles calculó que sería demasiado caro de producir. ^[7] Davis luego firmó con Bendix , un fabricante de piezas para fabricantes de automóviles. Las necesidades militares durante la Segunda Guerra Mundial de una dirección más sencilla en vehículos pesados ​​impulsaron la necesidad de asistencia eléctrica en vehículos blindados y vehículos de recuperación de tanques para los ejércitos británico y estadounidense. ^[7]

Chrysler Corporation introdujo el primer sistema de dirección asistida para turismos disponible comercialmente en el Chrysler Imperial de 1951, con el nombre de "Hydraguide". ^[9] El sistema de Chrysler se basaba en algunas de las patentes vencidas de Davis. General Motors introdujo el Cadillac de 1952 con un sistema de dirección asistida que utilizaba el trabajo que Davis había realizado para la empresa casi veinte años antes.

En 1958, Charles F. Hammond, de Detroit , presentó ante la Oficina Canadiense de Propiedad Intelectual varias patentes para mejoras de la dirección asistida. ^{[10] [11] [12]}

A partir de mediados de la década de 1950, los fabricantes estadounidenses ofrecieron la tecnología como equipo opcional o estándar, mientras que a nivel internacional se ofrece ampliamente en los vehículos modernos, debido a las tendencias hacia la tracción delantera , una mayor masa del vehículo, menores costos de producción en línea de ensamblaje y neumáticos más anchos , que aumentan el esfuerzo requerido para la dirección. Los vehículos más pesados, como es común en algunos países, serían extremadamente difíciles de maniobrar a bajas velocidades, mientras que los vehículos de menor peso pueden no necesitar dirección asistida en absoluto.

Un estudio de 1999 sobre la fidelidad perceptiva de la retroalimentación de la fuerza de dirección encontró que los conductores de camiones y automóviles del mundo real esperan naturalmente un aumento en el torque de retroalimentación a medida que aumenta la velocidad y, por esta razón, las primeras formas de dirección asistida, que carecían de tal efecto, fueron recibidas con desaprobación. ^{[13] [14]}

Los sistemas de dirección asistida hidráulica funcionan mediante un sistema hidráulico que multiplica la fuerza aplicada a las ruedas de dirección (normalmente delanteras) del vehículo. ^[15] La presión hidráulica suele proceder de un gerotor o una bomba de paletas rotativas accionada por el motor del vehículo. Un cilindro hidráulico de doble efecto aplica una fuerza al mecanismo de dirección, que a su vez dirige las ruedas de dirección. El volante acciona válvulas para controlar el flujo hacia el cilindro. Cuanto más par aplica el conductor al volante y a la columna de dirección, más fluido permiten que las válvulas pasen al cilindro y, por tanto, más fuerza se aplica para dirigir las ruedas. ^[16]

Un diseño para medir el par aplicado al volante tiene un sensor de par, una barra de torsión en el extremo inferior de la columna de dirección. A medida que gira el volante, también lo hace la columna de dirección, así como el extremo superior de la barra de torsión. Dado que la barra de torsión es relativamente delgada y flexible, y el extremo inferior generalmente se resiste a ser girado, la barra se torcerá en una cantidad proporcional al par aplicado. La diferencia de posición entre los extremos opuestos de la barra de torsión controla una válvula. La válvula permite que el fluido fluya al cilindro que proporciona asistencia a la dirección; cuanto mayor sea el "giro" de la barra de torsión, mayor será la fuerza.

Dado que las bombas hidráulicas son de desplazamiento positivo, el caudal que suministran es directamente proporcional a la velocidad del motor. Esto significa que, a altas velocidades del motor, la dirección funcionará naturalmente más rápido que a bajas velocidades del motor. Como esto no sería deseable, un orificio de restricción y una válvula de control de caudal dirigen parte de la salida de la bomba de regreso al depósito hidráulico a altas velocidades del motor. Una válvula de alivio de presión evita una acumulación peligrosa de presión cuando el pistón del cilindro hidráulico llega al final de su carrera.

El servomotor de la dirección está diseñado de tal manera que, si falla, la dirección seguirá funcionando (aunque el volante se sentirá más pesado). La pérdida de la dirección asistida puede afectar significativamente el manejo de un vehículo. El manual del propietario de cada vehículo brinda instrucciones para la inspección de los niveles de líquido y el mantenimiento regular del sistema de dirección asistida.

El líquido de trabajo, también llamado " fluido hidráulico " o "aceite", es el medio por el que se transmite la presión . Los líquidos de trabajo más comunes se basan en aceite mineral .

Algunos sistemas modernos también incluyen una válvula de control electrónico para reducir la presión de suministro hidráulico a medida que aumenta la velocidad del vehículo; esto se conoce como dirección asistida con asistencia variable.

DIRAVI innovó el beneficio ahora común de la dirección sensible a la velocidad . ^[17]

En este sistema de dirección asistida, la fuerza que dirige las ruedas proviene del sistema hidráulico de alta presión del vehículo y siempre es la misma sin importar la velocidad en carretera. Al girar el volante, las ruedas se mueven simultáneamente hasta un ángulo correspondiente a través de un cilindro hidráulico. Para dar una sensación de dirección artificial, hay un sistema independiente operado hidráulicamente que intenta girar el volante de nuevo a la posición central. La cantidad de presión aplicada es proporcional a la velocidad en carretera, de modo que a bajas velocidades la dirección es muy suave y a altas velocidades es muy difícil moverla más que un poco fuera del centro.

Fue inventado por Citroën de Francia.

Este sistema se introdujo por primera vez en el Citroën SM en 1970 y se conocía como "VariPower" en el Reino Unido y "SpeedFeel" en los EE. UU.

Los sistemas de dirección asistida electrohidráulica, a veces abreviados EHPS y también llamados a veces sistemas "híbridos", utilizan la misma tecnología de asistencia hidráulica que los sistemas estándar, pero la presión hidráulica proviene de una bomba impulsada por un motor eléctrico en lugar de una correa de transmisión en el motor.

En 1965, Ford experimentó con una flota de Mercury Park Lanes equipados con "dirección instantánea con giro de muñeca" que reemplazaban el volante grande convencional con dos anillos de 5 pulgadas (127 mm), una relación de transmisión rápida de 15:1 y una bomba hidráulica eléctrica en caso de que el motor se detuviera. ^{[18] [19]}

En 1988, el Subaru XT6 fue equipado con un exclusivo sistema de dirección electrohidráulica adaptativa Cybrid que cambiaba el nivel de asistencia en función de la velocidad del vehículo.

En 1990, Toyota presentó su MR2 de segunda generación con dirección asistida electrohidráulica, lo que evitaba tener que pasar líneas hidráulicas desde el motor (que en el MR2 estaba detrás del conductor) hasta la cremallera de dirección.

En 1994, Volkswagen produjo el Golf Mk3 Ecomatic , con una bomba eléctrica. Esto significaba que la dirección asistida seguiría funcionando mientras el motor fuera detenido por la computadora para ahorrar combustible. ^[20] Los sistemas electrohidráulicos se pueden encontrar en algunos automóviles de Ford , Volkswagen , Audi , Peugeot , Citroën , SEAT , Škoda , Suzuki , Opel , MINI , Toyota , Honda y Mazda .

La dirección asistida eléctrica ( EPS ) o la dirección asistida impulsada por motor ( MDPS ) utiliza un motor eléctrico en lugar de un sistema hidráulico para ayudar al conductor del vehículo . Los sensores detectan la posición y el par ejercido dentro de la columna de dirección, y un módulo de computadora aplica un par de asistencia a través del motor, que se conecta al mecanismo de dirección o a la columna de dirección. Esto permite aplicar diferentes cantidades de asistencia según las condiciones de conducción. Por lo tanto, los ingenieros pueden adaptar la respuesta del mecanismo de dirección a los sistemas de suspensión de velocidad variable y amortiguación variable, optimizando la conducción, el manejo y la dirección para cada vehículo. ^[21] Esta nueva característica tecnológica también dio a los ingenieros la capacidad de agregar nuevas funciones de asistencia al conductor. Esto incluye funciones como asistencia de carril, corrección de la deriva del viento, etc. ^[22] En los automóviles del grupo Fiat, la cantidad de asistencia se puede regular utilizando un botón llamado "CITY" que cambia entre dos curvas de asistencia diferentes, mientras que la mayoría de los demás sistemas EPS tienen asistencia variable. Estos brindan más asistencia a medida que el vehículo disminuye la velocidad y menos a velocidades más altas.

En el sistema EPS se conserva una conexión mecánica entre el volante y el mecanismo de dirección. En caso de que falle un componente o un fallo de alimentación que provoque una falla en la prestación de asistencia, la conexión mecánica sirve como respaldo. Si el sistema EPS falla, el conductor se encuentra en una situación en la que se requiere un gran esfuerzo para conducir. Este gran esfuerzo es similar al de un sistema de asistencia de dirección hidráulica inoperante ^{[ cita requerida ]} . Dependiendo de la situación de conducción, la habilidad al volante y la fuerza del conductor, la pérdida de la asistencia de dirección puede o no provocar un accidente. La dificultad de conducir con una dirección asistida inoperante se ve agravada por la elección de las relaciones de dirección en los mecanismos de dirección asistida frente a los totalmente manuales. La NHTSA ha ayudado a los fabricantes de automóviles a retirar del mercado sistemas EPS propensos a fallar. ^[23]

Los sistemas eléctricos tienen una ventaja en cuanto a la eficiencia del combustible porque no hay una bomba hidráulica accionada por correa que funcione constantemente, ya sea que se requiera asistencia o no, y esta es una de las principales razones para su introducción. Otra ventaja importante es la eliminación de un accesorio de motor accionado por correa y de varias mangueras hidráulicas de alta presión entre la bomba hidráulica, montada en el motor, y el mecanismo de dirección, montado en el chasis. Esto simplifica enormemente la fabricación y el mantenimiento. Al incorporar control electrónico de estabilidad, los sistemas de dirección asistida eléctrica pueden variar instantáneamente los niveles de asistencia de par para ayudar al conductor en las maniobras correctivas. ^[24]

En 1986, NSK puso en uso práctico el primer sistema de dirección asistida eléctrica del mundo para carretillas elevadoras a batería. ^[25] En 1988, Koyo Seiko (actualmente JTEKT) y NSK desarrollaron conjuntamente un sistema de columna exclusivamente para minicoches vendidos solo en el mercado interno de Japón. ^[26] El primer sistema de dirección asistida eléctrica para automóviles de pasajeros producidos en masa apareció en el Suzuki Cervo en 1988. ^[27] Sin embargo, este método simple no fue ampliamente adoptado por otros fabricantes de automóviles en los años iniciales debido a la sensación de dirección antinatural del motor causada por la inercia en el momento de la dirección rápida para evitar peligros en la conducción a baja velocidad, así como en el momento de la conducción a mayor velocidad en la que el embrague electromagnético hace que la fuerza de dirección sea menor, volviendo al modo de dirección manual. En el año 1990, se puso en uso práctico un sistema de control total directo de una asistencia de cremallera sin embrague en el Honda NSX (inicialmente instalado solo en automáticos). Desde entonces, ha habido una transición de tendencia desde motores con escobillas a motores sin escobillas en el tipo bastidor para vehículos comunes y este método se ha convertido en la corriente principal.

Otros sistemas de dirección asistida eléctrica (incluido el 4WS) aparecieron más tarde en el Honda NSX después de 1990, el Honda Prelude y el Subaru SVX en 1991, el Nissan 300ZX (Z32; después de la Versión 3 en adelante), Silvia, Skyline y el Laurel en 1993, el MG F, el FIAT Punto Mk2 en 1999, el Honda S2000 en 1999, el Toyota Prius en 2000, el BMW Z4 en 2002 y el Mazda RX-8 en 2003.

El sistema ha sido utilizado por varios fabricantes de automóviles y se aplica más comúnmente en automóviles más pequeños para reducir el consumo de combustible y los costos de fabricación ^{[ cita requerida ]} .

En 2000, el Honda S2000 Type V incorporó el primer sistema de dirección asistida eléctrica con relación de transmisión variable (VGS). ^[28] En 2002, Toyota introdujo el sistema de "dirección con relación de transmisión variable" (VGRS) en el Lexus LX 470 y el Landcruiser Cygnus, y también incorporó el sistema de control electrónico de estabilidad para modificar las relaciones de la dirección y los niveles de asistencia a la dirección. En 2003, BMW introdujo el sistema de " dirección activa " en la Serie 5. ^[29]

Este sistema no debe confundirse con la dirección asistida variable, que varía el par de asistencia de la dirección, no las relaciones de dirección, ni con los sistemas en los que la relación de transmisión solo varía en función del ángulo de dirección. Estos últimos se denominan con más precisión tipos no lineales (por ejemplo, Direct-Steer ofrecido por Mercedes-Benz ); un gráfico de la posición del volante en función del ángulo de dirección del eje es progresivamente curvado (y simétrico).

• Servomecanismo
• Motor de dirección
• Volante de carreras de simulación con transmisión directa

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