Dirección asistida

La dirección asistida es un sistema para reducir el esfuerzo del conductor al girar el volante de un vehículo motorizado , mediante el uso de una fuente de energía para ayudar en la dirección . ^{[ 1 ]}

Los actuadores hidráulicos o eléctricos añaden energía controlada al mecanismo de dirección, de modo que el conductor puede girar el volante con menos esfuerzo a velocidades normales y reduce considerablemente el esfuerzo físico necesario para girar las ruedas cuando el vehículo está parado o circula lentamente. La dirección asistida también puede diseñarse para proporcionar información artificial sobre las fuerzas que actúan sobre las ruedas.

Los sistemas de dirección asistida hidráulica para automóviles aumentan el esfuerzo de dirección mediante un actuador, un cilindro hidráulico que forma parte de un servomotor . Estos sistemas tienen una conexión mecánica directa entre el volante y el mecanismo de dirección que mueve las ruedas. Esto significa que, incluso si falla el sistema de dirección asistida (que aumenta el esfuerzo), el vehículo aún puede dirigirse manualmente.

Los sistemas de dirección asistida eléctrica utilizan motores eléctricos para proporcionar la asistencia en lugar de sistemas hidráulicos. Al igual que en los sistemas hidráulicos, la potencia que llega al actuador (el 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 mecanismo de dirección; requieren energía eléctrica. Estos sistemas, sin conexión mecánica, se denominan a veces « dirección por cable » o «control electrónico», por analogía con el sistema de control electrónico de la aviación . En este contexto, «cable» se refiere a los cables eléctricos que transmiten energía y datos, no a los delgados cables de control mecánico.

Algunos vehículos de construcción tienen un bastidor de dos partes con una robusta bisagra en el centro; esta bisagra permite que los ejes delantero y trasero no sean paralelos para dirigir el vehículo. Cilindros hidráulicos opuestos mueven las dos mitades del bastidor una con respecto a la otra para dirigirlo.

El primer sistema de dirección asistida en un vehículo fue aparentemente instalado en 1876 por un hombre de apellido Fitts, pero se sabe poco más 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 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 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 perfeccionó el sistema de dirección asistida hidráulica, pero el fabricante de automóviles calculó que sería demasiado caro de producir. ^{[ 7 ]} Davis entonces firmó con Bendix , un fabricante de piezas para fabricantes de automóviles. Las necesidades militares durante la Segunda Guerra Mundial de una dirección más fácil en vehículos pesados ​​impulsaron la necesidad de asistencia de dirección 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 automóviles de pasajeros disponible comercialmente en el Chrysler Imperial de 1951 bajo el nombre de "Hydraguide". ^{[ 9 ]} El sistema de Chrysler se basaba en algunas de las patentes caducadas de Davis. General Motors presentó el Cadillac de 1952 con un sistema de dirección asistida que utilizaba el trabajo que Davis había realizado para la compañía casi veinte años antes.

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

A partir de mediados de la década de 1950, los fabricantes estadounidenses ofrecieron esta tecnología como equipamiento opcional o de serie, mientras que actualmente se ofrece ampliamente a nivel internacional en vehículos modernos, debido a la tendencia hacia la tracción delantera , la mayor masa del vehículo, la reducción de los costes de producción en cadena y el uso de neumáticos más anchos , factores que aumentan el esfuerzo necesario para girar el volante. Los vehículos más pesados, como los que abundan en algunos países, serían extremadamente difíciles de maniobrar a bajas velocidades, mientras que los vehículos más ligeros podrían no necesitar dirección asistida.

Un estudio de 1999 sobre la fidelidad perceptiva de la retroalimentación de la fuerza de dirección, encontró que los conductores comunes de camiones y automóviles en el 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 recibidas con desaprobación. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

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

Un diseño para medir el par aplicado al volante incluye un sensor de par : una barra de torsión en el extremo inferior de la columna de dirección. Al girar 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 su extremo inferior suele oponer resistencia a la rotación, la barra se torsionará en una magnitud proporcional al par aplicado. La diferencia de posición entre los extremos opuestos de la barra de torsión controla una válvula. Esta válvula permite el paso del fluido al cilindro que proporciona asistencia a la dirección; cuanto mayor sea la torsión de la barra, 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 revoluciones, la dirección funcionaría más rápido que a bajas revoluciones. Para evitar este comportamiento indeseable, un orificio restrictor y una válvula de control de caudal redirigen parte del caudal de la bomba al depósito hidráulico a altas revoluciones. Una válvula de alivio de presión evita una acumulación peligrosa de presión cuando el pistón del cilindro hidráulico llega al final de su recorrido.

El servodirección está diseñado para que, en caso de fallo, la dirección siga funcionando (aunque el volante se sienta más pesado). La pérdida de la dirección asistida puede afectar significativamente la conducción del vehículo. El manual del propietario de cada vehículo incluye instrucciones para la comprobación de los niveles de líquido y el mantenimiento periódico del sistema de dirección asistida.

El fluido de trabajo, también llamado " fluido hidráulico " o "aceite", es el medio por el cual se transmite la presión . Los fluidos de trabajo comunes se basan en aceite mineral y son similares, y en algunos casos idénticos, al fluido para transmisiones automáticas .

Algunos sistemas modernos también incluyen una válvula de control electrónica para reducir la presión del suministro hidráulico a medida que aumenta la velocidad del vehículo; esto es la dirección asistida variable.

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

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

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

En 1990, Toyota presentó la segunda generación de su MR2 con dirección asistida electrohidráulica. Esto evitó tener que tender conductos hidráulicos 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 una bomba eléctrica. Esto significaba que la dirección asistida seguiría funcionando mientras el motor estaba apagado 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 dirección asistida motorizada ( MDPS ) utiliza un motor eléctrico y una unidad de control electrónico ( ECU ) en lugar de un sistema hidráulico para asistir al conductor del vehículo . Los sensores detectan la posición y el par ejercido dentro de la columna de dirección, y un módulo informático aplica el par de asistencia a través del motor, que se conecta a la caja de dirección o a la columna de dirección. Esto permite aplicar diferentes niveles de asistencia según las condiciones de conducción. Por lo tanto, los ingenieros pueden adaptar la respuesta de la caja de dirección a los sistemas de suspensión de tasa variable y amortiguación variable, optimizando la conducción, el manejo y la dirección para cada vehículo. ^{[ 21 ]} Esta nueva característica tecnológica también les dio a los ingenieros la capacidad de agregar nuevas funciones de asistencia al conductor. Esto incluye funciones como la asistencia de carril, la corrección de la deriva del viento, etc. ^{[ 22 ]} En los automóviles del grupo Fiat, la cantidad de asistencia se puede regular mediante 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 proporcionan más asistencia a medida que el vehículo desacelera y menos a velocidades más altas.

En el sistema EPS se mantiene una conexión mecánica entre el volante y la caja de dirección. En caso de fallo de algún componente o de la alimentación eléctrica que provoque la pérdida de asistencia, esta conexión mecánica actúa como respaldo. Si el EPS falla, el conductor se enfrenta a una situación en la que se requiere un gran esfuerzo para girar el volante. Este esfuerzo es similar al de un sistema de dirección asistida hidráulica inoperativo . Dependiendo de la situación de conducción, la habilidad y la fuerza del conductor, la pérdida de la asistencia a la dirección puede o no provocar un accidente. La dificultad de girar el volante con la dirección asistida inoperativa se ve agravada por la elección de las relaciones de dirección en las cajas de dirección asistida en comparación con las totalmente manuales. La NHTSA ha ayudado a los fabricantes de automóviles a retirar del mercado los sistemas EPS propensos a fallar. ^{[ 23 ]}

Los sistemas eléctricos ofrecen una ventaja en eficiencia de combustible, ya que no requieren una bomba hidráulica accionada por correa que funcione constantemente, independientemente de si se necesita asistencia o no, lo cual constituye una razón fundamental 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 el 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 práctica el primer sistema de dirección asistida eléctrica del mundo para carretillas elevadoras de batería. ^{[ 25 ]} En 1988, Koyo Seiko (actualmente JTEKT) y NSK desarrollaron conjuntamente un sistema de columna exclusivamente para minicoches vendidos únicamente en el mercado interno de Japón. ^{[ 26 ]} El primer sistema de dirección asistida eléctrica para turismos de producción en masa apareció en el Suzuki Cervo en 1988. ^{[ 27 ]} Sin embargo, este método sencillo no fue ampliamente adoptado por otros fabricantes de automóviles en los primeros años debido a la sensación de dirección poco natural del motor causada por la inercia en el momento de giros rápidos para evitar peligros a baja velocidad, así como en el momento de conducción a alta velocidad en el que el embrague electromagnético reduce la fuerza de dirección, volviendo al modo de dirección manual. En el año 1990, se puso en práctica un sistema de control total directo de una cremallera asistida sin embrague en el Honda NSX (inicialmente instalado solo en automáticos). Desde entonces, se ha producido una transición de tendencia desde los motores con escobillas a los motores sin escobillas de tipo cremallera para vehículos comunes, y este método se ha convertido en la norma.

Otros sistemas de dirección asistida eléctrica (incluida la 4WS) aparecieron posteriormente en el Honda NSX después de 1990, el Honda Prelude y el Subaru SVX en 1991, el Nissan 300ZX (Z32; a partir de la versión 3), 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.

Este sistema ha sido utilizado por varios fabricantes de automóviles, y se aplica con mayor frecuencia a coches más pequeños para reducir el consumo de combustible y los costes de fabricación .

En 2023, Lexus presentó el RZ 450e con un sistema de dirección electrónica que elimina la conexión mecánica entre el volante y las ruedas, lo que representa un avance significativo en la tecnología de dirección asistida. ^{[ 28 ]}

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