La dirección asistida es un sistema para reducir el esfuerzo del conductor al 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 agregan energía controlada al mecanismo de dirección, de modo que el conductor puede realizar menos esfuerzo para girar las ruedas direccionales cuando conduce a velocidades típicas y reducir considerablemente el esfuerzo físico necesario para girar las ruedas cuando un vehículo está detenido o se mueve lentamente. La dirección asistida también se puede diseñar para proporcionar cierta retroalimentación artificial de las fuerzas que actúan sobre las ruedas direccionales.
Los sistemas de dirección asistida hidráulica para automóviles aumentan el esfuerzo de dirección a través de un actuador, un cilindro hidráulico que forma parte de un servosistema . Estos sistemas tienen una conexión mecánica directa entre el volante y el varillaje que dirige las ruedas. Esto significa que la falla del sistema de dirección asistida (para aumentar el esfuerzo) aún permite que el vehículo se dirija 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 del 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 de construcción todoterreno más grandes) no tienen 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, "alambre" se refiere a cables eléctricos que transportan energía y datos, no a cables de control mecánico de cable delgado .
Algunos vehículos de construcción tienen un bastidor de dos partes 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 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 utilizaba un motor eléctrico independiente 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 estadounidense 646.477) [4] emitida el 3 de abril de 1900 para el primer sistema de tracción en las cuatro ruedas. [5]
Francis W. Davis, 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 mudó a General Motors y perfeccionó el sistema de dirección asistida hidráulicamente, pero el fabricante de automóviles calculó que sería demasiado costoso 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 facilitar la dirección de los vehículos pesados aumentaron la necesidad de asistencia eléctrica en los 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 "Hydraguide". [9] El sistema Chrysler se basó en algunas de las patentes vencidas de Davis. General Motors presentó el Cadillac de 1952 con un sistema de dirección asistida utilizando el trabajo que Davis había realizado para la empresa casi veinte años antes.
Charles F. Hammond de Detroit presentó varias patentes para mejoras de la dirección asistida ante la Oficina Canadiense de Propiedad Intelectual en 1958. [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 se ofrece ampliamente a nivel internacional en vehículos modernos, debido a las tendencias hacia la tracción delantera , mayor masa del vehículo, menores costos de producción en la línea de ensamblaje y neumáticos más anchos . todo lo cual aumenta el esfuerzo de dirección requerido. Los vehículos más pesados, como son comunes en algunos países, serían extremadamente difíciles de maniobrar a bajas velocidades, mientras que los vehículos más livianos pueden no necesitar dirección asistida en absoluto.
Un estudio realizado en 1999 sobre la fidelidad perceptiva de la retroalimentación de la fuerza de la dirección encontró que los conductores comunes de camiones y automóviles del mundo real esperan naturalmente un aumento en el par de retroalimentación a medida que aumenta la velocidad, y por esta razón las primeras formas de dirección asistida, que carecían de tal efecto, fueron encontró desaprobación. [13] [14]
Los sistemas de dirección asistida hidráulica funcionan mediante el uso de un sistema hidráulico para multiplicar la fuerza aplicada a las entradas del volante a las ruedas direccionales (generalmente delanteras) del vehículo. [15] La presión hidráulica generalmente proviene de un gerotor o bomba de paletas rotativas impulsada 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. El volante acciona válvulas para controlar el flujo al cilindro. Cuanto más torque aplica el conductor al volante y a la columna, más fluido dejan pasar las válvulas al cilindro y, por lo tanto, más fuerza se aplica para girar las ruedas. [dieciséis]
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 girar, la barra se girará 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 hacia el cilindro que proporciona asistencia de dirección; cuanto mayor sea el "giro" de la barra de torsión, mayor será la fuerza.
Dado que las bombas hidráulicas son del tipo de desplazamiento positivo, el caudal que entregan es directamente proporcional a la velocidad del motor. Esto significa que a altas velocidades del motor, la dirección naturalmente funcionaría más rápido que a bajas velocidades del motor. Debido a que esto no sería deseable, un orificio restrictivo y una válvula de control de flujo 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 dirección está dispuesto de manera que, si falla, la dirección seguirá funcionando (aunque el volante se sentirá más pesado). La pérdida de 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 líquidos y el mantenimiento regular del sistema de dirección asistida.
El líquido de trabajo, también llamado " fluido hidráulico " o "aceite", es el medio por el cual se transmite la presión . Los líquidos de trabajo habituales se basan en aceite mineral .
Algunos sistemas modernos también incluyen una válvula de control electrónico para reducir la presión del suministro hidráulico a medida que aumenta la velocidad del vehículo; Esta es la dirección asistida de 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 automóvil y es siempre la misma sin importar la velocidad de la carretera. Al girar el volante, las ruedas se mueven simultáneamente al ángulo correspondiente mediante un cilindro hidráulico. Para dar una sensación de dirección artificial, hay un sistema independiente operado hidráulicamente que intenta girar el volante a la posición central. La cantidad de presión aplicada es proporcional a la velocidad de la carretera, de modo que a bajas velocidades la dirección es muy ligera y a altas velocidades es muy difícil desviarse más que un poco del centro.
Fue inventado por Citroën de Francia.
Mientras haya presión en el sistema hidráulico del automóvil, no habrá conexión mecánica entre el volante y las ruedas. 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 Estados Unidos.
Los sistemas de dirección asistida electrohidráulica, a veces abreviados EHPS, y también llamados 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 equipadas con "dirección instantánea con giro de muñeca" que reemplazaban el volante grande convencional con dos aros de 5 pulgadas (127 mm), una rápida relación de transmisión de 15:1 y un sistema hidráulico eléctrico. bomba en caso de que el motor se cale. [18] [19]
En 1988, el Subaru XT6 estaba equipado con un sistema de dirección electrohidráulico adaptativo Cybrid exclusivo 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. Esto evitó pasar líneas hidráulicas desde el motor (que estaba detrás del conductor en el MR2) hasta la cremallera de dirección.
En 1994 Volkswagen produjo el Golf Mk3 Ecomatic , con bomba eléctrica. Esto significaba que la dirección asistida seguiría funcionando mientras la computadora paraba el motor 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 dirección asistida 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 par de asistencia a través del motor, que se conecta al mecanismo de dirección o a la columna de dirección. Esto permite aplicar distintas cantidades de asistencia dependiendo de las condiciones de conducción. Por lo tanto, los ingenieros pueden adaptar la respuesta del mecanismo de dirección a sistemas de suspensión de tasa y amortiguación variables, optimizando la conducción, el manejo y la dirección de cada vehículo. [21] Esta nueva característica tecnológica también brindó a los ingenieros la capacidad de agregar nuevas funciones de asistencia al conductor. Esto incluye funciones como asistencia de carril, corrección de deriva del viento, etc. [22] En los automóviles del grupo Fiat, la cantidad de asistencia se puede regular usando un botón llamado "CITY" que cambia entre dos curvas de asistencia diferentes, mientras que la mayoría de los otros sistemas EPS tienen variables. asistir. Estos brindan más asistencia a medida que el vehículo reduce la velocidad y menos a velocidades más rápidas.
En el EPS se conserva una conexión mecánica entre el volante y el mecanismo de dirección. En caso de falla de un componente o falla de energía que provoque que no se brinde asistencia, el enlace mecánico sirve como respaldo. Si falla el EPS, el conductor se encuentra con una situación en la que se requiere un gran esfuerzo para girar. Este gran esfuerzo es similar al de un sistema de asistencia de dirección hidráulica inoperativo [ cita requerida ] . Dependiendo de la situación de conducción, la habilidad de conducción y la fuerza del conductor, la pérdida de asistencia de dirección puede provocar o no un accidente. La dificultad de girar con dirección asistida inoperante se ve agravada por la elección de relaciones de dirección en engranajes de dirección asistida versus totalmente manual. 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 la eficiencia del combustible porque no hay una bomba hidráulica accionada por correa funcionando constantemente, ya sea que se requiera asistencia o no, y esta es una razón importante para su introducción. Otra ventaja importante es la eliminación de un accesorio del 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 torque para ayudar al conductor en maniobras correctivas. [24]
En 1986, NSK puso en práctica 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 columnas exclusivamente para miniautos vendidos únicamente en el mercado interno de Japón. [26] El primer sistema de dirección asistida eléctrica para turismos producidos en serie apareció en el Suzuki Cervo en 1988. [27] Sin embargo, otros fabricantes de automóviles no adoptaron ampliamente este método simple en los primeros años debido a la sensación antinatural de la dirección. del motor causada por la inercia en el momento de la dirección rápida para evitar peligros en la conducción a menor velocidad, así como en el momento de la conducción a mayor velocidad en la que el embrague electromagnético reduce la fuerza de la dirección, volviendo al modo de dirección manual. En el año 1990, se puso en práctica en el Honda NSX un sistema de control total directo de asistencia de cremallera sin embrague (inicialmente instalado sólo en sistemas automáticos). Desde entonces, ha habido una transición de la tendencia de los motores con escobillas a los motores sin escobillas del tipo cremallera 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 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 a automóviles más pequeños para reducir el consumo de combustible y los costos de fabricación [ cita requerida ] .
En 2000, el Honda S2000 Tipo V presentó el primer sistema eléctrico de dirección de relación de transmisión variable (VGS). [28] En 2002, Toyota introdujo el sistema de "Dirección de relación de engranaje variable" (VGRS) en el Lexus LX 470 y el Landcruiser Cygnus, y también incorporó el sistema de control electrónico de estabilidad para alterar las relaciones del engranaje de dirección y los niveles de asistencia de 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 sistemas en los que la relación de transmisión sólo varía en función del ángulo de dirección. Estos últimos se denominan más exactamente tipos no lineales (por ejemplo, Direct-Steer ofrecido por Mercedes-Benz ); una gráfica de la posición del volante versus el ángulo de dirección del eje es progresivamente curvada (y simétrica).
