En un automóvil , las rótulas son cojinetes esféricos que conectan los brazos de control con los muñones de dirección y se utilizan en prácticamente todos los automóviles fabricados. [1] Se parecen biónicamente a las articulaciones esféricas que se encuentran en la mayoría de los animales tetrápodos . [2]
Una rótula consta de un perno de cojinete y un casquillo 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 la dirección. Una carcasa protectora evita que entre suciedad en el conjunto de juntas. Por lo general, se trata de una funda similar a una goma que permite el movimiento y la expansión del lubricante. Las rótulas de control de movimiento tienden a retenerse 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 están presentes expansión y contracción térmica, choque, movimiento sísmico y movimientos de torsión y fuerzas. [3]
Una rótula se utiliza para permitir la rotación libre en dos planos al mismo tiempo y al mismo tiempo evitar la traslación en cualquier dirección, [1] incluida la rotación en esos planos. La combinación de dos de estas articulaciones con brazos de control permite el movimiento en los tres planos, lo que permite dirigir la parte delantera de un automóvil y una suspensión de resorte y amortiguador para hacer que el viaje sea cómodo.
Una suspensión de pivote simple requiere que los brazos de control superiores e inferiores (espoletas) tengan ejes de pivote paralelos y en estricta relación geométrica con el pivote, o los muñones superior e inferior, que conectan el pivote a los brazos de control, serían severamente estresados y los rodamientos 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 fue insuficiente para permitir que se hicieran muchos ajustes de las ruedas y también introdujo cumplimiento donde el diseñador de la suspensión tal vez no hubiera deseado. en su búsqueda de un manejo óptimo. El ángulo de inclinación generalmente se puede 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, normalmente debido al uso de cojinetes elastoméricos, provocaría nuevamente que los muñones se estresaran. La libertad del diseñador de la suspensión era limitada, era necesario tener algo de cumplimiento donde no se deseaba, y muy poco donde más hubiera sido útil para absorber la carga de impacto longitudinal de los golpes.
La introducción de rótulas superior e inferior permitió la articulación de 3 ejes y, por lo tanto, eliminó todas las limitaciones de que los ejes del brazo de control fueran exactamente paralelos, por lo que las ruedas se podían ajustar libremente, generalmente mediante un ajuste asimétrico de la posición de los pivotes internos del brazo de control, mientras que La curvatura se ajustó mediante el ajuste simétrico de estos mismos pivotes.
Las disposiciones para ajustar el ángulo de convergencia no se modifican mediante la introducción de rótulas en la suspensión, aunque el varillaje de dirección en sí debe utilizar 4 o más pivotes, también normalmente rótulas, y en casi todos los vehículos jamás fabricados, algunos de ellos han sido ajustables mediante que tiene un extremo roscado y una contratuerca, para permitir que la punta se ajuste con precisión.
Esta capacidad de ajustar la suspensión con rótula permite a los fabricantes hacer que el automóvil sea más estable y más fácil de conducir, en comparación con la antigua suspensión estilo kingpin. También puede ser más silencioso y 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 rey. pasador y muñones. La marcha más suave también puede aumentar la vida útil de la banda de rodadura de los neumáticos, ya que la suspensión de rótula permite un mejor control de la geometría de la suspensión y, por lo tanto, puede proporcionar un mejor contacto entre los neumáticos y la carretera.
En los vehículos modernos, las articulaciones 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 la disposición de pivote central /pasador de enlace o de 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 automóviles fabricados actualmente en todo el mundo utilizan suspensión de puntal MacPherson , que utiliza una rótula por lado, entre el extremo inferior del puntal y el brazo de control, con la pequeña cantidad necesaria de articulación en la parte superior del puntal generalmente proporcionada por un cojinete elastomérico. , dentro del cual hay un rodamiento de bolas para permitir la libre rotación alrededor del eje de dirección. Por lo tanto, normalmente solo hay dos rótulas en la suspensión, sin embargo, habrá al menos cuatro (extremos de varilla de dirección y extremos de cremallera) en el varillaje de dirección.
En la suspensión de automóviles que no es de puntal 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 hacia adelante y hacia atrás, principalmente debido al frenado, son mayores en la rótula inferior. (La reacción de torsión y el arrastre se suman en la junta inferior y se cancelan parcialmente en la junta superior). Además, las cargas laterales en las curvas son mayores en la junta inferior. Dependiendo del 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 picos de impacto o tasa de rebote 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 tomarse 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 bola preferentemente en contacto con un asiento. Este fue el caso del BMC Mini de 1959 y sus muchos derivados, donde el brazo de control inferior no soportaba carga vertical, por lo que la articulación necesitaba un resorte anti-traqueteo, mientras que la articulación superior, compuesta por partes idénticas, siempre estaba comprimida debido a cargas de resorte (cono de goma) y amortiguador, por lo que no estaba equipado con un resorte.
Otros vehículos de la década de 1960, incluidos algunos Vauxhall, tenían rótulas inferiores con una considerable flotación final, porque la articulación siempre estaba en tensión ya que las cargas del resorte y el 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 en curvas laterales.
A diferencia de un kingpin, que requiere un conjunto en el centro de la rueda para poder girar, las juntas se conectan al extremo superior e inferior del eje (articulación de dirección), a los brazos de control . Esto deja la sección central abierta para permitir el uso de tracción delantera . Los diseños más antiguos de pivote central 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 utilizan rótulas selladas para minimizar los requisitos de mantenimiento. El lubricante era normalmente un lubricante de muy alta viscosidad . Se cree comúnmente que las rótulas estándar sobrevivirán a las selladas porque eventualmente el sello se romperá, lo que provocará que la junta se seque y se oxide . [4] Además, el acto de agregar lubricante nuevo expulsa el lubricante viejo y seco, extendiendo la vida útil de la junta. Se suponía que esto debía hacerse a intervalos de 1000 a 2000 millas en muchos vehículos, lo cual es incompatible con el intervalo de servicio en los automóviles modernos, a menudo 12000 millas o más, y en cualquier caso rara vez los propietarios lo atendían, lo que resultaba en un desgaste severo y Posible fallo de la rótula, que puede provocar accidentes graves. Por esta razón, casi todas las rótulas de los automóviles modernos europeos o del Lejano Oriente 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 OEM y sellos de guardapolvo mejorados que funcionan mucho mejor para retener la grasa.
Una junta rodante esférica es una junta esférica de alta precisión que consta de una pista exterior e interior esférica separada por rodamientos de bolas. Los rodamientos de bolas están alojados en un retenedor esférico y ruedan a lo largo de las superficies interior y exterior. Este diseño permite que la articulación tenga una fricción muy baja mientras mantiene un amplio rango de movimiento y un juego tan bajo como 1 μm . Los SRJ se utilizan a menudo en aplicaciones de robótica paralela como una plataforma Stewart , donde una alta rigidez y un bajo juego son esenciales. [5] [6]
La mayoría de los SRJ están diseñados con una carcasa desplazada, lo que permite cargas de compresión más altas en un espacio más pequeño. Alternativamente, la articulación se puede ensamblar al revés para obtener una mayor capacidad de carga de tracción pero menos rango de movimiento.
Una alternativa al SRJ es la junta universal , que consta de dos juntas de revolución . [7] Al utilizar juntas rodantes esféricas en lugar de universales, los diseñadores pueden reducir el número 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 rodamientos esféricos lisos en lugar de SRJ a costa de una mayor fricción, pero ofrecen la oportunidad de precargar aún más la articulación.
Si bien no existe una vida útil exacta que se pueda asignar a las rótulas selladas, pueden fallar tan pronto como 80 000 millas (130 000 km) en los vehículos modernos, y mucho antes en los vehículos más antiguos. [ cita necesaria ] Los signos de una rótula defectuosa pueden comenzar con un sonido de explosión repentino como resultado del desmantelamiento de la rótula. Luego continúa con un sonido de clic, estallido o chasquido cuando se gira el volante y eventualmente se convierte en un chirrido al final de una parada, cuando se usa el pedal del acelerador y/o también al golpear baches. Otro síntoma podrían ser ruidos sordos provenientes de la suspensión delantera al pasar sobre baches. Las rótulas secas han aumentado drásticamente la fricción y pueden hacer que la dirección se atasque o sea más difícil.
Si falla una rótula, los resultados pueden ser peligrosos ya que el ángulo de la rueda se vuelve ilimitado, provocando la pérdida de control. Debido a que la llanta estará en un ángulo no deseado, el vehículo se detendrá abruptamente, dañando las llantas. Además, durante una falla, los escombros pueden dañar otras partes del vehículo. [4]
Si bien en el lenguaje automotriz el término "rótula" generalmente se refiere a las conexiones primarias de rótula en los extremos de los brazos de control, este tipo de junta también se usa en otras partes, incluidos los extremos de las barras de dirección. En estas otras aplicaciones, normalmente se denominan extremos de barra de dirección o, cuando son un extremo de barra de dirección interior en un sistema de dirección de piñón y cremallera, se denominan conjuntos de casquillo interior. Estas articulaciones también se utilizan en otras aplicaciones no automotrices, desde articulaciones de muñecas hasta otros enlaces mecánicos para una variedad de dispositivos, o cualquier lugar donde se desee cierto grado de rotación en el movimiento.