Como funciona a direção do carro

Você pode se surpreender ao saber que, quando vira o carro, as rodas dianteiras não estão apontando na mesma direção.

Para um carro girar suavemente, cada roda deve seguir um círculo diferente. Como a roda interna segue um círculo com um raio menor, na verdade ela está fazendo uma curva mais fechada do que a roda externa. Se você desenhar uma linha perpendicular a cada roda, as linhas se cruzarão no ponto central da curva. A geometria da articulação da direção faz com que a roda interna gire mais do que a externa.

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Existem alguns tipos diferentes de engrenagens de direção. Os mais comuns são cremalheira e pinhão e bola recirculando.

Direção de cremalheira e pinhão está se tornando rapidamente o tipo de direção mais comum em carros, caminhões pequenos e SUVs. Na verdade, é um mecanismo bastante simples. Um conjunto de engrenagens de cremalheira e pinhão é encerrado em um tubo de metal, com cada extremidade da cremalheira projetando-se do tubo. Uma haste, chamada de tirante, conecta-se a cada extremidade do rack.

o pinhão está anexado ao eixo de direção. Quando você gira o volante, a engrenagem gira, movendo o rack. O tirante em cada extremidade do rack se conecta ao braço de direção no fuso (veja o diagrama acima).

O conjunto de engrenagens de cremalheira e pinhão faz duas coisas:

• Ele converte o movimento rotacional do volante no movimento linear necessário para girar as rodas.
• Proporciona redução de marcha, facilitando o giro das rodas.

Na maioria dos carros, são necessárias três a quatro revoluções completas do volante para fazer as rodas girarem de uma trava a outra (da extrema esquerda para a direita).

o relação de direção é a proporção de quão longe você gira o volante em relação a quão longe as rodas giram. Por exemplo, se uma rotação completa (360 graus) do volante resultar nas rodas do carro girando 20 graus, a relação de direção é 360 dividida por 20, ou 18: 1. Uma proporção mais alta significa que você precisa girar mais o volante para que as rodas girem em uma determinada distância. No entanto, menos esforço é necessário por causa da relação de transmissão mais alta.

Geralmente, carros mais leves e esportivos têm relações de direção mais baixas do que carros e caminhões maiores. A proporção mais baixa dá à direção uma resposta mais rápida - você não precisa girar o volante tanto para fazer as rodas girarem uma determinada distância - o que é uma característica desejável em carros esportivos. Esses carros menores são leves o suficiente para que, mesmo com a relação mais baixa, o esforço necessário para girar o volante não seja excessivo.

Alguns carros têm direção de relação variável, que usa um conjunto de engrenagens de cremalheira e pinhão que tem um passo de dente diferente (número de dentes por polegada) no centro do que no lado de fora. Isso faz o carro responder rapidamente ao iniciar uma curva (o rack está próximo ao centro) e também reduz o esforço perto dos limites de viragem da roda.

Power Rack-and-pinion

Quando a cremalheira e o pinhão estão em um sistema de direção hidráulica, a cremalheira tem um design ligeiramente diferente.

Parte do rack contém um cilindro com um pistão no meio. O pistão é conectado à cremalheira. Existem duas portas de fluido, uma de cada lado do pistão. O fornecimento de fluido de alta pressão para um lado do pistão força o pistão a se mover, o que por sua vez move a cremalheira, fornecendo a assistência de energia.

Veremos os componentes que fornecem o fluido de alta pressão, bem como decidiremos de que lado do rack fornecê-lo, mais adiante neste artigo. Primeiro, vamos dar uma olhada em outro tipo de direção.

Direção de esfera recirculante é usado em muitos caminhões e SUVs hoje. A articulação que gira as rodas é ligeiramente diferente de um sistema de cremalheira e pinhão.

A engrenagem de esfera recirculante contém uma engrenagem helicoidal. Você pode imaginar a engrenagem em duas partes. A primeira parte é um bloco de metal com um orifício rosqueado. Este bloco tem dentes de engrenagem cortados na parte externa dele, que engatam uma engrenagem que move o braço de pitman (veja o diagrama acima). O volante se conecta a uma haste rosqueada, semelhante a um parafuso, que fura no orifício do bloco. Quando o volante gira, ele gira o parafuso. Em vez de girar ainda mais no bloco como faria um parafuso normal, esse parafuso é mantido fixo de modo que, quando gira, ele move o bloco, que move a engrenagem que gira as rodas.

Em vez do parafuso engatar diretamente nas roscas do bloco, todas as roscas são preenchidas com rolamentos de esferas que recirculam pela engrenagem conforme ela gira. Na verdade, as bolas têm dois propósitos: primeiro, reduzem o atrito e o desgaste da engrenagem; segundo, eles reduzem lixo na engrenagem. A queda seria sentida quando você muda a direção do volante - sem as bolas na direção, os dentes sairiam do contato um com o outro por um momento, fazendo com que o volante parecesse solto.

A direção hidráulica em um sistema de esfera recirculante funciona de forma semelhante a um sistema de cremalheira e pinhão. A assistência é fornecida pelo fornecimento de fluido de alta pressão para um lado do bloco.

Agora vamos dar uma olhada nos outros componentes que compõem um sistema de direção hidráulica.

Existem alguns componentes principais em direção hidráulica além do mecanismo de cremalheira e pinhão ou esfera recirculante.

Bomba

A potência hidráulica para a direção é fornecida por um bomba de palheta rotativa (veja o diagrama abaixo). Essa bomba é acionada pelo motor do carro por meio de uma correia e polia. Ele contém um conjunto de palhetas retráteis que giram dentro de uma câmara oval.

Conforme as palhetas giram, elas puxam o fluido hidráulico da linha de retorno em baixa pressão e o forçam para a saída em alta pressão. A quantidade de fluxo fornecida pela bomba depende da rotação do motor do carro. A bomba deve ser projetada para fornecer fluxo adequado quando o motor estiver em marcha lenta. Como resultado, a bomba move muito mais fluido do que o necessário quando o motor está funcionando em velocidades mais rápidas.

A bomba contém uma válvula de alívio de pressão para garantir que a pressão não fique muito alta, especialmente em altas velocidades do motor quando muito fluido está sendo bombeado.

Válvula Rotativa

Um sistema de direção hidráulica deve auxiliar o motorista apenas quando ele estiver exercendo força no volante (como ao iniciar uma curva). Quando o motorista não está exercendo força (como ao dirigir em linha reta), o sistema não deve fornecer nenhuma assistência. O dispositivo que detecta a força no volante é chamado de válvula rotativa.

A chave para a válvula rotativa é um barra de torção. A barra de torção é uma haste fina de metal que torce quando o torque é aplicado a ela. A parte superior da barra está conectada ao volante e a parte inferior da barra está conectada ao pinhão ou engrenagem helicoidal (que gira as rodas), de modo que a quantidade de torque na barra de torção é igual à quantidade de torque que o o motorista está usando para girar as rodas. Quanto mais torque o motorista usa para girar as rodas, mais a barra torce.

A entrada do eixo de direção forma a parte interna de um conjunto de válvula de carretel. Ele também se conecta à extremidade superior do barra de torção. A parte inferior da barra de torção se conecta à parte externa da válvula de carretel. A barra de torção também gira a saída da caixa de direção, conectando-se à engrenagem do pinhão ou da engrenagem helicoidal, dependendo do tipo de direção do carro.

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Animação mostrando o que acontece dentro da válvula rotativa quando você começa a girar o volante

À medida que a barra gira, ela gira o interior da válvula de carretel em relação ao exterior. Uma vez que a parte interna da válvula de carretel também está conectada ao eixo de direção (e, portanto, ao volante), a quantidade de rotação entre as partes interna e externa da válvula de carretel depende de quanto torque o motorista aplica ao volante.

Quando o volante não está sendo girado, ambas as linhas hidráulicas fornecem a mesma quantidade de pressão para a caixa de direção. Mas se a válvula de carretel for girada para um lado ou para outro, as portas se abrem para fornecer fluido de alta pressão para a linha apropriada.

Acontece que esse tipo de sistema de direção hidráulica é bastante ineficiente. Vamos dar uma olhada em alguns avanços que veremos nos próximos anos que ajudarão a melhorar a eficiência.

Como a bomba de direção hidráulica da maioria dos carros hoje funciona constantemente, bombeando fluido o tempo todo, ela desperdiça potência. Esta energia desperdiçada se traduz em combustível desperdiçado.

Você pode esperar ver várias inovações que irão melhorar a economia de combustível. Uma das idéias mais legais na prancheta é o sistema "steer-by-wire" ou "drive-by-wire". Esses sistemas eliminariam completamente a conexão mecânica entre o volante e a direção, substituindo-a por um sistema de controle puramente eletrônico. Essencialmente, o volante funcionaria como aquele que você pode comprar para o seu computador doméstico jogar. Ele conteria sensores que informam ao carro o que o motorista está fazendo com o volante e teria alguns motores para fornecer ao motorista um feedback sobre o que o carro está fazendo. A saída desses sensores seria usada para controlar um sistema de direção motorizado. Isso iria liberar espaço no compartimento do motor, eliminando o eixo de direção. Também reduziria a vibração dentro do carro.

A General Motors lançou um carro-conceito, o Hy-wire, que apresenta esse tipo de sistema de direção. Uma das coisas mais interessantes sobre o sistema drive-by-wire no GM Hy-wire é que você pode ajustar o manuseio do veículo sem alterar nada nos componentes mecânicos do carro - tudo o que é necessário para ajustar a direção é um novo computador Programas. Em futuros veículos drive-by-wire, você provavelmente conseguirá configurar os controles exatamente de acordo com sua preferência pressionando alguns botões, da mesma forma que ajusta a posição do assento em um carro hoje. Também seria possível neste tipo de sistema armazenar preferências de controle distintas para cada motorista da família.

Nos últimos cinquenta anos, os sistemas de direção dos carros não mudaram muito. Mas, na próxima década, veremos avanços na direção do carro que resultarão em carros mais eficientes e um passeio mais confortável.

Para mais informações sobre sistemas de direção e tópicos relacionados, confira os links na próxima página.

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