Funcionamento e Detalhes do Sistema de Direção tipo Pinhão e Cremalheira


Sistema de direção tipo pinhão e cremalheira elétrico instalado no eixo dianteiro do veículo.
Crédito foto: https://www.carthrottle.com

Mecanicamente, o sistema de direção do tipo pinhão e cremalheira, esbanja simplicidade. Entretanto, dispões de muitos outros atributos que são necessários para uma eficiente automóvel. Por esses e por outros motivos, o compacto sistema de direção composto por caixa do tipo pinhão e cremalheira, substituiu quase totalmente o sistema setor e sem fim.

Por sua utilização em larga escala, tanto na classe de veículos de passeio como em veículos utilitários, o sistema de direção do tipo pinhão e cremalheira ganhou variações com auxílio hidráulico e elétrico, o que evitou o grande exercício físico que era manobrar uma veículo, mesmo um compacto, para estaciona-lo.

Características

Layout de um sistema de direção tipo pinhão e cremalheira básico. Repare na quantidade de articulações.
Crédito foto: http://www.auto-repair-help.com/

Usualmente comparado com o sistema de direção do tipo setor e sem fim, este sistema é consideravelmente mais leve devido as propriedades construtivas da caixa de direção do tipo pinhão e cremalheira, seu principal componente. Além disso, entre os dois tipos de caixa de direção, a pinhão e cremalheira é mais barata de fabricar, o que torna o sistema de direção mais barato, também.

O sistema de direção do tipo pinhão e cremalheira conta com menos articulações em relação ao sistema com setor e sem fim, o que resulta em menos inércia e deflexão das articulações quando a suspensão dianteira está sob carga. Além disso, é reconhecido por sua capacidade de retorno do volante de direção a posição reta, absorção das vibrações provenientes das rodas e a mais importante delas, a capacidade de prover uma resposta imediata ao motorista das condições da via. Esta última característica é fator relevante para o prazer de dirigir.

Layout básico do sistema de direção caixa setor e sem fim. Repare que há mais pontos de articulações em relação ao sistema com caixa tipo pinhão e cremalheira.
Crédito foto: www.pittsburghblacknursesinaction.org

A caixa de direção é montada na estrutura monobloco do veículo por abraçadeiras, mas há variações que utilizam parafusos em pontos estratégicos do corpo da caixa. A posição de montagem deve ser perfeitamente horizontal, ou veículo terá dificuldade para andar em linha reta quando acelerado.

Relação de direção

Pinion Gear – Pinhão; Rack – Cremalheira; Shaft from steering wheel – Árvore de Direção; Rubber dust boot – Coifa de proteção. Crédito foto: https://www.carid.com

É a relação entre engrenagens da caixa de direção, neste sistema a relação é obtida entre o número de dentes do pinhão e da cremalheira. Um pinhão grande e com muitos dentes fornece uma resposta rápida ao menor acionamento do volante, requerendo menos rotações deste para se obter o giro necessário, mas ao custo de um esforço de acionamento mais alto. Por outro lado, o um pinhão menor, com poucos dentes, fornece uma resposta mais lenta, necessitando de uma maior rotação do volante para se obter o giro desejado, contudo exigindo menos esforço por parte do motorista.

A relação de direção é um parâmetro significativo no projeto do veículo para determinação do comportamento deste, resposta ao acionamento do motorista e propósito do veículo.

Tipos

O sistema de direção do tipo pinhão e cremalheira possui variantes de acordo com o tipo de auxílio de acionamento. O primeiro auxílio criado foi o hidráulico, em 1927 pelo engenheiro Francis Davis. Contudo, o sistema apenas tornou-se padrão em um veículo em 1955, no Citroen DS19 e desde então passou a equipar praticamente toda classe de veículos compactos e de entrada.

Embora tenham surgido sistemas hidráulicos capazes de variar a intensidade do auxílio hidráulico do volante de acordo com a demanda, um segundo tipo de auxílio surgiu, o auxílio elétrico. Em 1986 a TRW lançou o sistema Powertronic de direção elétrica tipo pinhão e cremalheira. O sistema era composto por um motor elétrico controlado por uma ECU.

Portanto, os sistemas de direção do tipo pinhão e cremalheira são:

  • Sistema de direção tipo pinhão e cremalheira sem auxílio;
  • Sistema de direção tipo pinhão e cremalheira com auxílio hidráulico;
  • Sistema de direção tipo pinhão e cremalheira com auxílio elétrico.

Sistema de direção tipo pinhão e cremalheira sem auxílio

Mini-Column – Coluna de direção;
Flexible steering shaft – Árvore de direção;
Flexing coupling – Acoplamento flexível (geralmente juntas universais ou cruzetas de borracha);
Rack and pinion steering gear – Caixa de direção pinhão e cremalheira.
Crédito foto: http://arrc.ebscohost.com/

É o tipo mais simples, neste sistema não há auxílio hidráulico ou elétrico, portanto o motor não utiliza parte de sua potência para ativar o sistema. Todo os esforço para superar o torque de giro é provocado pelo motorista, de modo que a relação de direção deve ser adequada a fim de não gerar esforços excessivos sobre o motorista. Os demais sistemas, com auxílio hidráulico ou elétrico, possuem os mesmos componentes, exceto aqueles que produzem o auxílio de direção.

Sistema de direção do tipo pinhão e cremalheira com auxílio hidráulico

Layout básico de um sistema de direção hidráulica tipo pinhão e cremalheira.
Crédito foto: http://www.mechanicalengineeringblog.com/

O primeiro sistema de direção com caixa do tipo pinhão e cremalheira com auxílio fazia desta um cilindro, no qual um fluído, pressurizado por uma bomba, empurra o pistão ligado a cremalheira, provendo o auxílio hidráulico. Este sistema tem sua versatilidade comprovada por possibilitar um grande auxílio em manobras de estacionamento e em baixas velocidades e redução do auxílio conforme o veículo ganha velocidade, proporcionando uma boa resposta do volante em relação a pista para o motorista (Sistema com auxílio variável).

Entretanto, devido ao fato de possuir uma bomba hidráulica acionada permanentemente pelo motor, parte da potência produzida por este é utilizada para girar a bomba. Dessa forma, o consumo de combustível é prejudicado, pois a bomba está girando enquanto consome potência do motor. Mesmo sem acionar o volante, a bomba continua girando e pressurizando o sistema, em situações críticas esta pode consumir de 5 a 10 hp do motor. Sistemas com auxílio variável conseguem contornar esse problema com válvulas de limite e controle de pressão, reduzindo a pressão no sistema em momentos de pouco uso deste.

Em um sistema hidráulico, as características de absorção de vibração da caixa mecânica são ainda melhores. Antes o engrenamento do pinhão com a cremalheira e o fato desta ser suportadas por robustos rolamentos de esferas, dava conta do recado na absorção de vibrações. Com o auxílio hidráulico, a própria válvula direcionadora (leia mais) produz um sistema de amortecimento de vibrações ainda mais eficiente.

Sistema de direção tipo pinhão e cremalheira com auxílio elétrico

Crédito foto: http://www.aa1car.com/library/steering_power_electric.htm

Antes renegado a carros caros e sofisticados, o sistema com auxílio elétrico tem se popularizado em veículos de entrada e compactos. Trata-se de um sistema, basicamente, composto por motor elétrico, unidade de comando eletrônico e sensor de torque. Funciona a partir do monitoramento dos movimentos do motorista e das condições de rodagem do veículo, uma ECU determina quando o motor elétrico irá atuar efetuando o auxílio.

De funcionamento silencioso e discreto, o sistema se destaca pela sensação que este passa ao motorista, reduzindo o esforço deste quando necessário e mantendo uma direção firma nas situações apropriadas. Além disso, o sistema entra em funcionamento apenas quando é realmente necessário, não está diretamente ligado ao motor e funciona sob demanda. Dessa forma, pouca potência do motor é exigida, ajudando a reduzir o consumo de combustível.

Uma ECU comanda o sistema através do sinal de vários sensores, que monitoram os movimentos do volante, velocidade do veículo e até sensores dinâmicos, como sensores de taxa de yaw. De acordo com os sinais destes, o sistema de entra em funcionamento fornecendo o auxílio necessário para a situação que for imposta a este.

O sistema de direção tipo pinhão e cremalheira com auxílio elétrico pode variar de acordo com posição do motor elétrico. Das três variações mais comuns, em duas o motor é instalado na caixa de direção e uma na coluna de direção. Cada sistema possui características que se encaixam em diferentes tipos de veículos.

Componentes

Todos os sistemas de direção do tipo pinhão e cremalheira possuem em comum os seguintes componentes:

  • Árvore de direção;
  • Coluna de direção;
  • Terminais de direção.

Coluna de direção

Detalhes de uma coluna de direção mecânica.
Crédito foto: http://www.autorecyclersonline.com/

Trata-se de uma estrutura que presta suporte a árvore de direção. A coluna é instalada por de trás do painel do veículo, podendo ser fixada, através de parafusos ou porcas, na parede corta fogo ou na estrutura interna do painel. Possui dois rolamentos de esferas destinados a reduzir o atrito de giro da árvore de direção, além de suportar as vibrações deste.

Além disso, a extremidade superior da coluna também serve de suporte para componentes acionados pelo motorista como pisca-pisca, faróis, limpador de para-brisas e piloto automático. Em veículos com Airbag, o mecanismo de acionamento é fixado na coluna de direção. Também encontra-se alojado na coluna, a alavanca seletora do cambio automático de alguns veículos. Todos esses componentes são alojados na coluna e cobertos por uma capa plástica.

Quando o veículo possui ajuste da posição do volante, seja em altura e/ou distância, os mecanismos que permitem esses ajustes estão na coluna de direção.
O mecanismo de ajuste de altura do volante, é na verdade uma regulagem de inclinação da árvore de direção. A árvore possui na sua extremidade superior uma junta universal (leia mais). Esta é uma articulação que divide a árvore em duas, mas permitindo-as um certo grau de movimento. Dessa forma, a ponta da árvore superior pode alterar sua inclinação, e por ter o volante conectado na sua extremidade, pode variar a altura deste. Uma alavanca acionada pelo motorista, destrava a articulação permitindo o ajuste da direção, e trava mantendo o volante na posição desejada.
O mecanismo de ajuste de distância do volante permite aproximar ou distanciar o volante em relação ao motorista, é chamada de coluna de direção telescópica. Nesse ajuste, a árvore de direção possui uma sessão maciça e uma oca. A sessão maciça pode se deslocar para dentro da sessão oca, e por estar conectada a direção, afasta ou aproxima esta do motorista. Um alavanca aciona a trava que fixa a sessão oca da árvore na posição ou libera esta para ajuste.

Árvore de direção

Exemplo de uma coluna como a árvore montada. Repare nas articulações, juntas universais que permitem o livre movimento da árvore, tanto a superior como a inferior.
Crédito foto: http://www.joesracing.com/

Trata-se de um par de hastes, sendo uma oca e outra maciça, de formato cilindro e que giram sobre rolamentos dentro da coluna de direção. Esta configuração da árvore permite que o deslocamento de uma haste para dentro da outra, que como visto acima, caracteriza o ajuste de distância do volante. Entretanto, esse atributo é também utilizado como dispositivo de segurança do veículo.

Esquema das hastes oca e maciça que permitem o mecanismo de segurança da árvore de direção.
Crédito foto: Auto Suspension and Steering

As duas hastes estão conectadas por pinos de cisalhamento, que são pinos fabricados na intenção destes quebrarem caso a árvore de direção seja fortemente empurrada, no caso de uma colisão, por exemplo. Neste caso, os pinos não resistem ao impacto e permitem que a haste oca da árvore de direção cubra a haste maciça, impedindo a árvore de invadir o habitáculo e acertar o motorista.

Terminais de direção

Terminal de direção – Visão em corte do alojamento da esfera.
Crédito foto: http://pailton.com/

Conectado aos braços axiais da caixa de direção tipo pinhão e cremalheira, os terminais de direção são utilizados como elemento de transmissão de movimento, mas com a capacidade de, enquanto transmitem o movimento, se deslocarem horizontal e verticalmente. Isso é necessário devido ao fato das articulações do sistema de direção se movimentarem entre si, além da própria vibração das rodas devido as irregularidades do solo. O terminal de direção precisa transmitir o movimento dos braços axiais para a manga de eixo enquanto compensa esses outros movimentos involuntários.

O terminal de direção (também chamado de pivô) é composto por um pino encaixado sobre pressão no corpo do terminal. O pino possui sua extremidade superior rosqueada, para receber a porca e o pino de travamento desta. Na extremidade inferior, o pino possui formato esférico para deslizar dentro do corpo do terminal, isso permite a liberdade de movimento que o terminal proporciona.

Terminal de direção (extremidade direita do mecanismo) montado no braço axial da caixa de direção.
Crédito foto: https://www.volvoclub.org.uk

Dentro da estrutura que aloja o pino do terminal, é colocada uma graxa para proteger o pino de corrosão e reduzir o atrito. Para evitar o vazamento desta, uma capa de plástico ou de borracha é utilizada, além disso esta evita a contaminação da graxa por impurezas. Embaixo do pino, é colocada uma mola que mantem o pino sempre sobre carga, com o objetivo absorver a vibração que o terminal está exposto. Isso permite que o terminal transmita o movimento da caixa de direção, que é horizontal, enquanto compensa vibrações e o movimento da suspensão, sendo boa parte destes vertical.

O terminal de direção possui uma ponta oca, rosqueada internamente com o mesmo passo de rosca dos braços axiais da caixa. Portanto, o terminal é rosqueado neste, sendo a posição do terminal no braço axial um ajuste para o alinhamento de direção. Uma vez feito esse ajuste, o terminal é travado por uma porca.

Sistema de direção tipo pinhão e cremalheira sem auxílio

  • Coluna de direção;
  • Árvore de direção;
  • Caixa de direção tipo pinhão e cremalheira (leia mais);
  • Terminais de direção.

Sistema de direção tipo pinhão e cremalheira com auxílio hidráulico

  • Reservatório de óleo;
  • Coluna de direção;
  • Árvore de direção;
  • Bomba hidráulica (leia mais);
  • Correia de acessórios;
  • Mangueiras;
  • Caixa de direção tipo pinhão e cremalheira (leia mais);
  • Terminais de direção.

Sistema de direção tipo pinhão e cremalheira com auxílio elétrico

O sistema com auxílio elétrico possuí algumas variações para se adequar a proposta da categoria do veículo, essa variação se dá em relação a posição do motor elétrico. Este pode estar localizado na coluna ou na caixa de direção, tendo um total de três variações mais utilizadas. Ainda assim, o sistema com auxílio elétrico conserva os mesmos componentes do sistema puramente mecânico, mas com o adicional do sistema elétrico.

  • Sensor de torque;
  • Motor elétrico;
  • Coluna de direção;
  • Árvore de direção;
  • Caixa de direção tipo pinhão e cremalheira (leia mais);
  • Terminais de direção.

Sensor de torque

Pinhão da caixa de direção com sensor de torque embutido. Repare no chicote preto.
Crédito foto: http://www.aa1car.com/

Sua função é medir o torque que o motorista aplica ao acionar o volante, essa informação é utilizada pela ECU (do sistema de direção elétrica) para determinar a intensidade do auxílio provido pelo motor elétrico.

O sensor é instalado no conjunto barra de torção/pinhão, que em sistemas com caixa de direção tipo pinhão e cremalheira é acoplado no pinhão de entrada da caixa. Basicamente, a barra de torção é conectada a árvore de direção proveniente da coluna, portanto está diretamente ligada ao volante. Na barra de torção está uma roda fônica, com dentes ou polos imantados.

Quando giramos o volante, a roda fônica gira passando os dentes na frente do sensor. Isso faz variar o campo magnético que age sobre o sensor, gerando uma tensão neste. Esta se manifesta em forma um sinal senoidal conforme os dentes da roda fônica passam em frente ao elemento magneto resistivo do sensor.

Em alguns sistemas, além do sensor de torque, no mesmo conjunto barra de torção/pinhão, há uma sensor hall, destinado a medir a quantidade de voltas que o volante efetua. Sendo portanto, mais uma informação para ECU determinar a intensidade do auxílio elétrico.

Motor elétrico

1 – Motor elétrico; 2 – Unidade de controle eletrônico. Crédito foto: Bosch.

Deve ser potente e compacto, para superar a resistência de giro das rodas com facilidade e para ser alojado em locais de difícil acesso e pouco espaço da estrutura do veículo. Mesmo compacto, o motor elétrico é capaz de produzir de 400 a 800 W de potência, e dispor de 2 a 8 Nm de torque. Números suficientes para atender a diversas categorias de veículos, dos compactos até utilitários esportivos. Tudo isso aliado a característica discrição de funcionamento dos motores elétricos.

O motor elétrico é alimentado pelo sistema elétrico do veículo, e deve prover o auxílio no momento determinado pela ECU do sistema de direção elétrica. Geralmente, o motor elétrico é instalado em dois locais diferentes: na coluna ou na caixa de direção. Essas variantes posicionais são objetivam adequar o sistema às características do veículo.

Sistema de direção elétrica com motor instalado na coluna de direção.
Crédito foto: http://www.autonews.com/

No motor elétrico está localizado a ECU do sistema. Trata-se de um módulo eletrônico com todas as característica da ECU do motor (leia mais), mas que neste caso tem a função de calcular, o mais rápido possível, o quanto de auxílio será necessário para o motorista, ou seja, o momento que o motor elétrico será acionado e por quanto tempo este ficará ativo. A ECU, através da rede CAN, está em constante contato com as demais ECUs do veículo, ou seja, o sistema de direção elétrica também tem acesso a informações como velocidade do veículo, ângulo de giro do volante, rolagem e guinada do veículo (caso possuam sensores para controle dinâmico). Essa troca de informações permite que o sistema de direção se adapte mais rápidamente as cargas impostas ao veículo. Devido a esse controle, o sistema elétrico de direção assistida é capaz impactar bem menos no consumo de combustível do veículo, cerca 10 a 15 % menos se comparado ao mesmo automóvel com sistema de direção hidráulica. Além disso, permite que o sistema atue em conjunto com sistemas de controle de estabilidade, aumentando o nível de segurança ativa do veículo.

A automatização do sistema de direção permite, também, que este possua diferentes parâmetros, e que estes possam ser acessados pelo condutor. Permitindo a este alterar a resposta do volante, deixando-o menos ou mais direto. Isso significa que em apenas um automóvel, é possível obter modos de condução diferentes, um mais voltado para o conforto e outro para o prazer de dirigir, uma condução mais esportiva. Esses modos também afetam o comportamento da suspensão, mas isso é assunto para outro artigo.

Funcionamento

Sistema de direção pinhão e cremalheira sem auxílio

Quando acionamos o volante, o diâmetro deste nos ajuda a girar a árvore de direção com torque suficiente para esterçar as rodas. A árvore de direção está conectada ao pinhão da caixa de direção, este aciona a cremalheira e movimenta os braços axiais para o lado desejado. Os braços acionam as mangas de eixo através dos terminais de direção, que compensam as vibrações e movimentos da suspensão sem deixar de transmitir o movimento da caixa de direção. Parte da vibração das rodas pode chegar a coluna de direção, que dispõe de rolamentos de esferas que ajudam na absorção de parte dessa vibração.

As mangas de eixo são articuladas, por suportarem os cubos de roda, permitem que as rodas sejam esterçadas. Dessa forma, as rodas do veículo são esterças independente de vibrações e da velocidade de deste. Por ser mecânico, a relação entre pinhão e cremalheira é adequada para que o motorista consiga girar o volante sem grandes esforços.

Sistema de direção pinhão e cremalheira com auxílio hidráulicos

Quando acionamos o volante, estamos girando a árvore de direção, cuja conexão ao pinhão da caixa de direção permite o acionamento direto desta pelo volante. O pinhão, neste caso, contém uma barra de torção que trabalha em conjunto com um válvula direcionadora de óleo. A barra se torce sempre que o volante é girado, liberando dutos que conduzem o óleo pressurizado pela bomba para um dos lados do cilindro contido na caixa de direção. Enquanto o pinhão aciona a cremalheira, o óleo empurra o pistão ligado a esta auxiliando o motorista a movimentar os braços axiais para o lado desejado. Os braços acionam as mangas de eixo através dos terminais de direção, que compensam as vibrações e movimentos da suspensão sem deixar de transmitir o movimento da caixa de direção. As mangas de eixo são articuladas, e por suportarem os cubos de roda, permitem que estes sejam esterçados. Dessa forma, as rodas do veículo são esterças independente das vibrações e da velocidade de deste. Por ser um sistema assistido, a relação entre pinhão e cremalheira é adequada para que o motorista possa girar o volante sem uma resposta súbita do sistema, o que poderia acarretar a perda de controle do veículo.

Sistema de direção pinhão e cremalheira com auxílio elétrico

  • Sistema com motor na coluna de direção

Sistema de direção elétrica com motor instalado na coluna de direção. Repare na foto, que há uma alavanca na extremidade direita da coluna. É a alavanca de ajuste de posição do volante.
O motor aciona a árvore de direção da coluna.
Crédito foto: http://image.zdcar.com.cn/

Quando acionamos o volante, estamos girando a árvore de direção. Entretanto, nesta existe um sensor de torque e posição do volante. Através destes, a ECU detecta o ângulo de giro e o torque de acionamento do volante, com estas informações determina o período e a intensidade de acionamento do motor elétrico. Nesta aplicação, o motor está conectado a coluna de direção e transmite seu torque para a árvore de direção através de um parafuso sem fim, que está também engrenado com a árvore de direção.

O movimento do volante finalmente chega ao pinhão da caixa de direção, este aciona a cremalheira e movimenta os braços axiais para o lado desejado. Os braços acionam as mangas de eixo através dos terminais de direção, que compensam as vibrações e movimentos da suspensão sem deixar de transmitir o movimento da caixa de direção. Além dos terminais, parte da vibração das rodas é absorvida também, pelos rolamentos da caixa e da coluna e por uma estratégia de funcionamento do sistema.

As mangas de eixo são articuladas, por suportarem os cubos de roda, permitem que estas sejam esterçadas. Dessa forma, as rodas do veículo são esterçadas independente de vibrações e da velocidade deste. A caixa de direção utilizada em sistemas com auxílio elétrico são mecânicas, sem auxílio algum. Portanto, a relação entre pinhão e cremalheira deve ser adequada para que o sistema consiga efetuar o auxílio sem superaquecimento, e o motorista possa girar o volante sem grandes esforços.

  • Sistema com motor elétrico na caixa de direção e dois pinhões

1 – Cabo do sensor de torque;
2 – Motor elétrico;
3 – Parafuso sem fim;
4 – Coifa;
5 – Braço axial;
6 – Segundo pinhão;
7 – Unidade de comando eletrônico;
8 – Cremalheira;
9 – Carcaça;
10 – Árvore de entrada do pinhão;
11 – Sensor de torque;
12 – Yoke da junta universal;
13 – Pinhão.
Crédito foto: Bosch.

Ao acionarmos o volante, um sensor de torque e posição do volante detecta o ângulo de giro e o torque de acionamento do volante, e enviam estas informações para ECU. Os sensores encontram-se na árvore de direção, que na sua extremidade encontra-se conectada ao pinhão da caixa de direção. Portanto, a caixa de direção é acionada.

A ECU em questões de milisegundos, ao receber as informações dos sensores, calcula a quantidade de tempo necessária que o motor elétrico deve permanecer acionado e a intensidade do sinal elétrico enviado para este. Nesta aplicação, o motor está instalado na caixa de direção, um segundo pinhão recebe o torque do motor elétrico e o auxílio de giro é efetuado. O engrenamento do motor elétrico com o segundo pinhão é realizado por um parafuso sem fim, mas que encontra-se engrenado com uma engrenagem helicoidal. Entretanto, esta está ligada ao segundo pinhão e transmite totalmente o torque do motor para este. Um dispositivo de sobrecarga na engrenagem helicoidal e uma mola amortecedora no parafuso sem fim garantem um funcionamento livre superaquecimento e folgas. Lembrando, parafuso sem fim e engrenagens helicoidais exigem engrenamentos sem folgas.

Layout da engrenagem helicoidal, parafuso sem fim e o segundo pinhão.
1 – Engrenagem helicoidal;
2 – Mola amortecedora;
3 – Mecanismo de sobrecarga;
4 – Rolamento;
5 – Parafuso sem fim;
6 – Pinhão;
7 – Corpo da caixa de direção.
Crédito foto: Bosch.

Finalmente, com o pinhão acionado pelo motorista, a cremalheira da caixa de direção começa a se deslocar, mas com o motor elétrico funcionando, o segundo pinhão fornece uma torque extra de acionamento, poupando o motorista de esforços excessivos. Dessa forma, a cremalheira movimenta os braços axiais para o lado desejado. Estes acionam as mangas de eixo através dos terminais de direção, que compensam as vibrações e movimentos da suspensão sem deixar de transmitir o movimento da caixa de direção.

As mangas de eixo são articuladas, por suportarem os cubos de roda, permitem que estas sejam esterçadas. Dessa forma, as rodas do veículo são esterçadas independente de vibrações e da velocidade de deste. A caixa de direção utilizada em sistemas com auxílio elétrico são mecânicas, sem auxílio algum. Portanto, a relação entre pinhão e cremalheira deve ser adequada para que o sistema consiga efetuar o auxílio sem superaquecimento, e o motorista possa girar o volante sem grandes esforços.

  • Sistemas com motor elétrico paraxial a caixa de direção

1 – Pinhão;
2 – Sensor de torque;
3 – Carcaça;
4 – Motor elétrico;
5 – Mecanismo de esferas recirculantes;
6 – Cremalheira;
7 – Correia de transmissão.
Crédito foto: http://www.caranddriver.com/

Neste sistema, o motor elétrico se encontra, também, na caixa de direção. Entretanto, o motor é instalado em posição lateral, de forma que seu eixo esteja paralelo ao eixo da cremalheira da caixa de direção, daí o nome paraxial.

O funcionamento, contudo, é o mesmo dos outros sistemas elétricos. Acionado o volante, um sensor de torque e posição do volante detecta o ângulo de giro e o torque de acionamento do volante, e enviam estas informações para ECU. Os sensores encontram-se na árvore de direção, que na sua extremidade encontra-se conectada ao pinhão da caixa de direção. Portanto, a caixa de direção é acionada.

A ECU em questões de milisegundos, ao receber as informações dos sensores, calcula a quantidade de tempo necessária que o motor elétrico deve permanecer acionado e a intensidade do sinal elétrico enviado para este.

Instalado na caixa de direção, o motor elétrico aciona um mecanismos de esferas recirculantes através de uma correia dentada de borracha. Esse mecanismo é fixo, quando girado pelo motor, faz uma porca interna girar sobre as esferas. As esferas correm pela rosca da cremalheira, entram no mecanismo e retornam para a cremalheira, fazendo um pequeno circuito. Este circuito é o ponto no qual porca está engreanda com a cremalheira, as esferas são o meio de transferência. Quando a porca gira, a cremalheira corre para um dos lados, no caso, o lado para qual o volante foi girado.

Portanto, quando o pinhão da caixa de direção começa a girar, a ECU envia o comando para o motor elétrico entrar em ação, a cremalheira da caixa de direção começa a se deslocar, mas com o motor elétrico funcionando, o mecanismo de esferas recirculantes transfere a força auxiliar do motor no deslocamento da cremalheira, poupando o motorista de esforços excessivos. Assim, a cremalheira movimenta os braços axiais para o lado desejado. Estes acionam as mangas de eixo através dos terminais de direção, que compensam as vibrações e os movimentos da suspensão sem deixar de transmitir o movimento da caixa de direção.

As mangas de eixo são articuladas, por suportarem os cubos de roda, permitem que estes sejam esterçadas. Dessa forma, as rodas do veículo são esterçadas independente de vibrações e da velocidade de deste. A caixa de direção utilizada em sistemas com auxílio elétrico são mecânicas, sem auxílio algum. Portanto, a relação entre pinhão e cremalheira deve ser adequada para que o sistema consiga efetuar o auxílio sem superaquecimento, e o motorista possa girar o volante sem grandes esforços.

Características e diferenças – Direção Hidráulica X Elétrica

Conforme visto no tópico funcionamento, existem três variações de sistemas de direção elétrica. O objetivo, é adequar o sistema às categorias de veículos na qual será utilizado. Na categoria de compactos e médios, o sistema com motor elétrico na coluna é o mais adequado. Compacto e leve, poupa bastante espaço no underbody e no cofre do motor, pois não requer mangueiras, bomba hidráulica, além da caixa de direção ser mecânica, sem dispositivos hidráulicos, então é menor e mais leve. Para veículos de médio e grande porte, o sistema com motor elétrico na caixa de direção e segundo pinhão combina robustez e precisão na transmissão de torque do motor para a caixa. Enquanto que utilitários esportivos, esportivos de alta performance e veículos de alto padrão utilizam o sistema com motor elétrico paraxial. Pois é um sistema que consegue suprir a demanda de alta torque de giro, visto que são utilizadas em categorias de veículos pesados (acima de 1300 Kg), com o mínimo de ruído e muita robustez do mecanismo de esferas recirculantes.

Embora existam variantes do sistema de direção elétrica, todas essas conservam o mesmo princípio de funcionamento, possuem alguns componentes intercambiáveis e principalmente, compartilham das mesmas vantagens. Um sistema de direção assistida eletricamente, por mais simples que seja, dispõe de largas vantagens em relação ao sistema assistido hidraulicamente. É mais leve e compacto, não há bomba ou mangueiras e a caixa de direção utilizada é uma simples caixa mecânica. A bomba hidráulica era permanentemente acionada pelo motor, algo que em situações críticas podia consumir deste cerca de 5 a 10 Hp. O motor elétrico, contrariamente a bomba, também consome potência do motor, porém o consumo é menor e o acionamento é por demanda. Apenas essas vantagens citadas, já garantem ao sistema a capacidade de reduzir o consumo do veículo em cerca de 10%, valendo o mesmo número para emissões de CO. A energia que o motor utiliza para fazer funcionar o sistema de direção, pode chegar 90% menos, se comparado a sistemas de direção hidráulica.

Uma vantagem importante do sistema de direção com assistência elétrica é o aperfeiçoamento obtido na resposta do veículo sentida pelo motorista. Controlado pela ECU, o sistema elétrico de direção pode ser parametrizado para funcionar de diversas formas. Partindo de um sistema básico, com um mapa de funcionamento padrão, os sinais utilizados pela ECU são o ângulo de giro, torque e velocidade do veículo. Dessa forma, a ECU determina quando o motor elétrico deve funcionar e prover o auxílio elétrico ou, simplesmente, não deve fornecer auxílio algum. Por exemplo, em situação de estacionamento e manobras em baixa velocidade, nas quais o sistema deve fornecer um grande nível de auxílio para o motorista. Por outro lado, conforme o veículo ganha velocidade, a ECU reduz o nível de auxílio elétrico visando um manuseio mais estável e firme do veículo.

Em sistemas mais completos, a direção elétrica é capaz de dispor de modos de funcionamento. Estes são diferentes parametrizações que a ECU recebe e que podem ser utilizados pelo motorista em momentos oportunos. Por exemplo, quando o motorista deseja um modo de condução mais direto, que transmita mais as reações do veículo em relação a pista, o sistema pode ser parametrizado para ter menos intervenção do motor elétrico. Esse modo é geralmente chamado de Sport. Outro exemplo é o modo Confort, no qual o sistema mantém o motor elétrico mais ativo visando reduzir ao máximo o esforço do motorista, mas sem perder a segurança do veículo em média e alta velocidade. Além destes, existem pequenos auxílios como controle de faixa, correção sob vento cruzado e assistente de estacionamento.

O amplo controle da ECU sobre o sistema de direção elétrica se deve aos diversos sensores instalados no veículo como sensores de velocidade, de guinada, de rolagem e os dados do sistema de injeção eletrônica são todos utilizados como parâmetros para configuração de mapas de funcionamento, assim como os mapas de injeção (leia mais).

Comparativamente ao bastante conhecido sistema de direção hidráulica, o sistema de direção elétrica é mais silencioso e consome muito menos energia do motor para funcionar, mesmo em situções críticas. Isso se deve ao fato do sistema elétrico dispensar bombas hidráulicas e mangueiras de circulação de fluídos, estes componentes consumiam uma parte considerável da potência do motor, o que se manifestava no consumo de combustível, além de gerarem ruídos extras durante o funcionamento do motor de combustão. Consequentemente, o sistema auxiliado eletricamente estava livre problemas de vazamento de fluídos, que no caso da direção hidráulica, são inflamáveis. Basicamente, o sistema de direção elétrica é livre de manutenção.

Ao volante, a impressão que o motorista tem, é de que o sistema de direção elétrica transmite mais segurança que o sistema hidráulico. Isso se deve ao fato daquele interferir menos na direção quando o veículo encontra-se em média e alta velocidade. Por outro lado em baixa velocidade ou manobras de estacionamento, ambos os sistemas desempenham bom torque auxiliar e o motorista não exerce grandes esforços.

Curiosamente, o sistema de direção elétrica e hidráulica apresentam uma diferença que o sistema de injeção eletrônica e o carburador apresentavam, quando o sistema de injeção dava seus primeiros passos. O tempo de reação do sistema ao comando do motorista. Por estar sempre funcionando, a bomba hidráulica mantém o sistema em constante pressurização, sempre pronto para efetuar o auxílio, diferente do sistema com auxílio elétrico, que chega a desligar o motor elétrico. Esse comportamento, aliádo a uma maior inercia e atrito interno da caixa de direção (que é mecânica) provoca um pequeno retardo na resposta do volante. Para evitar esse comportamento, a ECU é programada para compensar esse retardo.

Manutenção

Por sua construção robusta e precisa, o sistema de direção do tipo pinhão e cremalheira dificilmente irá quebrar sem antes emitir algum sinal de aviso. A principal causa de problemas em sistemas de direção é a própria vibração do conjunto devido ao trafego do veículo. Portanto, a durabilidade do sistema e seus componentes está muito ligada ao uso do veículo. Como já foram explicitados os problemas e manutenções na bomba hidráulica (leia mais) e caixa de direção (leia mais), nos concentraremos nos demais componentes.

Terminal de direção com pivô estourado. A graxa escapa e o pivô passa a funcionar sem lubrificação, gerando desgaste prematuro e folgas. Como resposta, o condutor percebe que o volante possui um pequena dificuldade de acionamento e retorno.
Crédito foto: http://www.clublexus.com/

Os pontos de articulação do sistema de direção são compostos por juntas universais, braços axias e terminais de direção. Quando essas articulações apresentam desgastes excessivos, ruídos e estalos passam a ocorrer, além da manobrabilidade do direção ficar prejudicada. Os estalos e ruídos ocorrem pois as articulações se desgastaram e passam a trabalhar com folga, motivo pelo qual a precisão da direção é prejudicada. As juntas universais geralmente estão dispostas na árvore de direção e são responsáveis por conecta-la ao pinhão da caixa e também por prover uma articulação da árvore. Quando desgastadas, oferecem uma resistência a mais no retorno do volante.

Sistema de direção hidráulica

A manutenção dos sistemas de direção hidráulica é, em termos mecânicos, a mesma para sistemas sem auxílio. Entretanto, o sistema hidráulico merece atenção especial. Este tem como principal problema a perda de pressão, e consequentemente do auxílio hidráulico. Entretanto, este é um modo de falha mais ligado a bomba hidráulica e a caixa de direção, que estão explicados em um artigo dedicado.

Mangueiras por flui o óleo da caixa de direção. A fadiga do material em pontos de concentração de tensão fez romper o material e vazar o óleo.
Crédito foto: http://i42.tinypic.com/

Outros modos de falha também podem ocorrer no sistema de direção, por exemplo, as mangueiras. Estas não podem apresentar bolhas ou interferências entre si ou nos painéis do veículo, pois podem se desgastar precocemente devido ao atrito, o que acarreta no seu rompimento. Além disso, as mangueiras são geralmente fixadas por parafusos olhais, estes possuem arruelas que devem ser trocadas sempre que aquelas forem removidas. Caso, as mangueiras sejam fixadas por abraçadeiras, verificar se estas ainda aplicam boa pressão de fechamento.

Correia poly-V quebradiça, deve ser trocada imediatamente.
Crédito foto: http://i42.tinypic.com/

A correia de acessórios é frequentemente esquecida nas manutenções, mas deve ter o mesmo cuidado que se tem com correias dentadas. Portanto, não podem apresentar-se com rachaduras ou danos, estes prejudicam a resistência da correia ao torque do motor. Para que a bomba funcione bem, a correia deve estar bem tensionada, sem que o menor deslize desta venha a ocorrer. Isso é garantido pelo tensionador da correia, que deve ser apertado com o torque especificado pelo fabricante. O tensionador, quando desgastado, além de reduzir a tensão da correia, pode também emitir ruídos, pois dentro deste, um rolamento garante a redução do atrito de giro da polia e quando desgastado emite um ruído característico.


Auto entusiasta, piloto virtual, técnico em Manutenção e Mecânica Automotiva, estudante de Engenharia Mecânica. Automobilista nato!

Your Turn To Talk

O seu endereço de e-mail não será publicado.

Instagram