En un automóvil , las rótulas son cojinetes esféricos que conectan los brazos de control a los muñones de dirección y se utilizan en prácticamente todos los automóviles fabricados. [1] Se parecen biónicamente a las rótulas que se encuentran en la mayoría de los animales tetrápodos . [2]
Una rótula consta de un perno y un casquillo de cojinete encerrados en una carcasa; todas estas piezas están hechas de acero . El perno del cojinete es cónico y roscado, y encaja en un orificio cónico en el muñón de dirección. Una carcasa protectora evita que entre suciedad en el conjunto de la rótula. Por lo general, se trata de una funda similar al caucho que permite el movimiento y la expansión del lubricante. Las rótulas de control de movimiento tienden a estar retenidas con un resorte interno, lo que ayuda a prevenir problemas de vibración en el varillaje.
La rótula "desplazada" proporciona medios de movimiento en sistemas donde hay expansión y contracción térmica, choque, movimiento sísmico, movimientos torsionales y fuerzas. [3]
Una rótula se utiliza para permitir la rotación libre en dos planos al mismo tiempo, evitando al mismo tiempo la traslación en cualquier dirección [1], incluida la rotación en esos planos. La combinación de dos de estas rótulas con brazos de control permite el movimiento en los tres planos, lo que permite dirigir la parte delantera de un automóvil y una suspensión con resortes y amortiguadores para que el viaje sea cómodo.
Una suspensión de pivote central simple requiere que los brazos de control superior e inferior (horquillas) tengan ejes de pivote que sean paralelos y estén en estricta relación geométrica con el pivote central, o los muñones superior e inferior, que conectan el pivote central a los brazos de control, se verían sometidos a una gran tensión y los cojinetes sufrirían un desgaste severo. En la práctica, muchos vehículos tenían cojinetes elastoméricos en los pivotes horizontales de los muñones, lo que permitía una pequeña cantidad de flexibilidad, sin embargo, esto no era suficiente para permitir que se hicieran muchos ajustes del avance y también introducía flexibilidad donde el diseñador de la suspensión puede no haberlo deseado en su búsqueda de un manejo óptimo. El ángulo de inclinación generalmente se podía ajustar moviendo ambos pivotes internos del brazo de control superior o inferior hacia adentro o hacia afuera en una cantidad exactamente igual. Pero la flexibilidad de los pivotes internos del brazo de control, generalmente debido al uso de cojinetes elastoméricos, volvería a provocar que los muñones se sometieran a una gran tensión. La libertad del diseñador de la suspensión era limitada, era necesario tener cierta flexibilidad donde quizás no fuera necesaria y muy poca donde más hubiera sido útil para absorber la carga de impacto hacia adelante y hacia atrás de los baches.
La introducción de rótulas superiores e inferiores permitió una articulación de tres ejes y, por lo tanto, eliminó todas las restricciones sobre los ejes del brazo de control que eran exactamente paralelos, de modo que el avance se podía ajustar libremente, generalmente mediante el ajuste asimétrico de la posición de los pivotes internos del brazo de control, mientras que la inclinación se ajustaba mediante el ajuste simétrico de estos mismos pivotes.
Las disposiciones para ajustar el ángulo de convergencia no se modifican al introducir rótulas en la suspensión, aunque el propio varillaje de dirección debe utilizar 4 o más pivotes, también habitualmente rótulas, y en casi todos los vehículos jamás fabricados, algunos de estos han sido ajustables al tener un extremo roscado y una contratuerca, para permitir ajustar la convergencia con precisión.
Esta capacidad de ajustar con precisión la suspensión con rótulas permite a los fabricantes hacer que el automóvil sea más estable y más fácil de conducir, en comparación con la suspensión de tipo pivote central más antigua. También puede ser más silencioso y más cómodo, porque la flexibilidad lateral y longitudinal en la suspensión se puede introducir en cantidades controladas en los pivotes internos del brazo de control sin comprometer la integridad de los pivotes del eje de dirección, que ahora son rótulas en lugar de un pivote central y muñones. La conducción más suave también puede aumentar la vida útil de la banda de rodadura de los neumáticos, ya que la suspensión con rótulas permite un mejor control de la geometría de la suspensión y, por lo tanto, puede proporcionar un mejor contacto entre el neumático y la carretera.
En los vehículos modernos, las rótulas son el pivote entre las ruedas y la suspensión de un automóvil. Hoy en día, se utilizan casi universalmente en la suspensión delantera, habiendo reemplazado el pivote central /perno de enlace o el pivote central/muñón, pero también se pueden encontrar en la suspensión trasera de algunos automóviles de mayor rendimiento. [4] Las rótulas desempeñan un papel fundamental en el funcionamiento seguro de la dirección y la suspensión de un automóvil.
Muchos de los automóviles que se fabrican actualmente en todo el mundo utilizan una suspensión con puntal MacPherson , que utiliza una rótula por lado, entre el extremo inferior del puntal y el brazo de control, y la pequeña cantidad de articulación necesaria en la parte superior del puntal suele proporcionarla un cojinete elastomérico, dentro del cual hay un cojinete de bolas para permitir la rotación libre sobre el eje de dirección. Por lo tanto, normalmente solo hay dos rótulas en la suspensión, aunque habrá al menos cuatro (extremos de la barra de dirección y extremos de la cremallera) en el varillaje de dirección.
En la suspensión de automóviles con puntal no MacPherson, las dos rótulas se denominan "rótula superior" y "rótula inferior". Las rótulas inferiores a veces son más grandes y pueden desgastarse más rápido, porque las cargas delanteras y traseras, principalmente debidas al frenado, son mayores en la rótula inferior. (La reacción de par y la resistencia se suman en la rótula inferior y se cancelan parcialmente en la superior). Además, las cargas laterales en las curvas son mayores en la rótula inferior. Según el diseño de la suspensión, la carga vertical del resorte de suspensión puede ser manejada completamente por la rótula superior o completamente por la rótula inferior. La carga del amortiguador (que es baja en condiciones normales, cero cuando está parado, pero en la tasa máxima de rebote o impacto puede ser casi tan grande como la carga del resorte) generalmente, pero no siempre, se toma en la misma rótula que la carga del resorte. La carga de la barra estabilizadora a menudo, pero no siempre, se toma en la rótula inferior. Puede ser tomada por la rótula superior o directamente desde el muñón de dirección mediante eslabones de caída con rótula.
Si una de las rótulas no soporta carga de resorte, se puede equipar con un resorte interno anti-traqueteo para mantener la rótula preferentemente en contacto con un asiento. Este fue el caso en el BMC Mini de 1959 y sus muchos derivados, donde el brazo de control inferior no soportaba carga vertical, por lo que la rótula necesitaba un resorte anti-traqueteo, mientras que la rótula superior, compuesta por piezas idénticas, siempre estaba en compresión debido a las cargas del resorte (cono de goma) y del amortiguador, por lo que no estaba equipada con resorte.
Otros vehículos de la década de 1960, incluidos algunos Vauxhall, tenían rótulas inferiores con una holgura axial considerable, porque la rótula siempre estaba en tensión ya que las cargas del resorte y del amortiguador se aplicaban a través del brazo de control inferior y siempre eran distintas de cero.
Otro ejemplo es el Ford Focus, que utiliza puntales MacPherson y la barra estabilizadora está conectada directamente al puntal, por lo que la rótula inferior solo soporta cargas de tracción/frenado hacia adelante y hacia atrás y cargas de viraje lateral.
A diferencia de un pivote central, que requiere un conjunto en el centro de la rueda para poder pivotar, las juntas se conectan al extremo superior e inferior del eje (mangueta de dirección), a los brazos de control . Esto deja la sección central abierta para permitir el uso de tracción delantera . Los diseños de pivote central más antiguos solo se pueden utilizar en una configuración de tracción trasera .
Las rótulas selladas no requieren lubricación , ya que están "lubricadas de por vida". Anteriormente, la mayoría de las rótulas tenían un engrasador (a veces llamado engrasador ) y estaban diseñadas para la adición periódica de un lubricante, sin embargo, casi todos los automóviles modernos usan rótulas selladas para minimizar los requisitos de mantenimiento. El lubricante era generalmente un lubricante de muy alta viscosidad . Se cree comúnmente que las rótulas estándar durarán más que las selladas porque eventualmente el sello se romperá, haciendo que la junta se seque y se oxide . [4] Además, el acto de agregar lubricante nuevo expulsa el lubricante viejo y seco, lo que extiende la vida útil de la junta. Se suponía que esto se debía hacer a intervalos de 1000 a 2000 millas en muchos vehículos, lo que es incompatible con el intervalo de servicio en los automóviles modernos, a menudo 12000 millas o más, y en cualquier caso, los propietarios rara vez lo atendían, lo que resultaba en un desgaste severo y posible falla de la rótula, lo que puede provocar accidentes graves. Por esta razón, casi todas las rótulas de los automóviles europeos o del Lejano Oriente modernos son del tipo sellado de por vida. La nueva tecnología aplicada especialmente al diseño de los cojinetes internos ha permitido que las rótulas cumplan con estos intervalos de servicio más prolongados. Los diseños especiales incorporan cojinetes de metal sinterizado que reemplazan la versión sellada de polímero/plástico del fabricante original y sellos de guardapolvo mejorados que funcionan mucho mejor para retener la grasa.
Una junta esférica rodante es una rótula de alta precisión que consta de una pista esférica exterior e interior separadas por cojinetes de bolas. Los cojinetes de bolas están alojados en un retenedor esférico y ruedan a lo largo de las superficies interior y exterior. Este diseño permite que la junta tenga una fricción muy baja mientras mantiene un amplio rango de movimiento y un juego de tan solo 1 μm . Las SRJ se utilizan a menudo en aplicaciones de robótica paralela como una plataforma Stewart , donde la alta rigidez y el bajo juego son esenciales. [5] [6]
La mayoría de las juntas SRJ están diseñadas con una carcasa desplazada, lo que permite soportar mayores cargas de compresión en un espacio más pequeño. Como alternativa, la junta se puede ensamblar al revés para lograr una mayor capacidad de carga de tracción pero con un menor rango de movimiento.
Una alternativa a la SRJ es la junta universal , que consta de dos juntas giratorias . [7] Al utilizar juntas esféricas rodantes en lugar de universales, los diseñadores pueden reducir la cantidad de juntas para lograr el mismo resultado. El uso de una junta esférica en lugar de una junta universal también elimina la posibilidad problemática de una singularidad cinemática . [8] Se pueden utilizar cojinetes esféricos simples en lugar de SRJ a costa de una mayor fricción, pero ofrecen la oportunidad de precargar aún más la junta.
Si bien no existe una vida útil exacta que se pueda establecer para las rótulas selladas, pueden fallar tan pronto como a las 80,000 millas (130,000 km) en los vehículos modernos, y mucho antes en los vehículos más antiguos. [ cita requerida ] Los signos de una rótula defectuosa pueden comenzar con un sonido de estallido repentino como resultado del desmontaje de la rótula. Luego continúa con un sonido de clic, estallido o chasquido cuando se gira el volante y eventualmente se convierte en un sonido chirriante al final de una parada, cuando se usa el pedal del acelerador y/o también al pasar por baches. Otro síntoma podría ser ruidos de "golpe" provenientes de la suspensión delantera al pasar por baches. Las rótulas secas tienen una fricción drásticamente aumentada y pueden hacer que la dirección se atasque o sea más difícil. [9]
Si falla una rótula, las consecuencias pueden ser peligrosas, ya que el ángulo de la rueda se descontrola y provoca la pérdida de control. Como el neumático formará un ángulo no deseado, el vehículo se detendrá de repente y dañará los neumáticos. Además, durante la falla, los residuos pueden dañar otras partes del vehículo. [4]
Si bien en el lenguaje automotriz el término "rótula" generalmente se refiere a las conexiones de rótula primarias en los extremos de los brazos de control, este tipo de rótula también se usa en otras partes, incluidas las rótulas de dirección. En estas otras aplicaciones, se las suele llamar rótulas de dirección o, cuando son rótulas de dirección internas en un sistema de dirección de piñón y cremallera, se las llama conjuntos de casquillos internos. Estas rótulas también se usan en una variedad de otras aplicaciones no automotrices, desde las rótulas de las muñecas hasta otros enlaces mecánicos para una variedad de dispositivos, o cualquier lugar donde se desee un cierto grado de rotación en el movimiento.