Funcionamento e Detalhes do Sistema de Direção tipo Setor e Sem Fim


Visão lateral do sistema de direção montado no chassi de longarinas. Na imagem é possível observar a árvore de direção e a caixa, e conectado nesta, o braço pitman.
Crédito foto: http://67-72chevytrucks.com/

Embora tenha sido quase que totalmente substituído pelo sistema de direção com caixa do tipo pinhão e cremalheira, o sistema com caixa do tipo setor e sem fim ainda domina a classe de veículos utilitários e pesados. Pois ainda carrega consigo a robustez do tipo de caixa que o caracteriza, mas também as limitações de um sistema volumoso que se montado na estrutura dos veículos atuais, seria no mínimo desajeitado.

Características

Pinhão e cremalheira contra setor e sem fim.
Crédito foto: http://ecoursesonline.iasri.res.in/

Muito embora este sistema não tenha se adaptado aos modernos carros com configuração de tração e suspensão dianteira independente, o mesmo ainda possui virtudes que o mantem forte na industria automobilística. Não há uma limitação propriamente dita para que sistemas de direção tipo setor e sem fim não sejam utilizados em veículos suspensão dianteira independente, o que há é uma grande dificuldade de se alocar a caixa de direção tipo setor e sem fim no eixo dianteiro, visto que o sistema necessita de varias articulações e consumiria muito espaço no underbody e cofre do motor. E espaço naquela área da carroceria do automóvel, é algo que vem reduzindo com decorrer dos anos.

Não obstante, um sistema de direção tipo setor e sem fim é mais caro e pesado que o atual sistema com pinhão e cremalheira. Entretanto, a robustez de seus componentes, não apenas a caixa da direção, mas suas articulações, como os terminais de direção e o braço pitman garantem um funcionamento quase isento de vibrações. Isso se traduz em conforto, motivo pelo qual este sistema é largamente utilizado em utilitários e, no passado, em veículos de alto luxo.

Articulação de um sistema de direção tipo setor e sem fim de um Hot Rod. As barras cromadas são as barras de direção, exceto a que fica embaixo do feixe de molas. Esta é o eixo rígido dianteiro.
Crédito foto: www.jalopyjournal.com

Devido a quantidade de articulações e ao próprio mecanismo da caixa de direção tipo setor e sem fim, o sistema acaba exposto a um grande atrito interno. Esse atrito dificulta o retorno do volante a posição reta para frente, isso tornou-se uma característica de sistemas de direção setor e sem fim. Estes são chamados irreversíveis, pois a transmissão de torque ocorre do parafuso sem fim para o setor, mas não pode ocorrer de forma inversa, é uma limitação do seu mecanismo. Essa característica se manifesta não apenas na falta do retorno do volante, mas também na ausência de transferência das reações do atrito do pneus com a pista para o motorista. Ou seja, o motorista tem pouca referência do contato dos pneus com a pista, uma característica que reduz o prazer de dirigir substancialmente.

O desenvolvimento das caixas setor e sem fim resultou em alterações que visavam compensar esse grande atrito interno das mesmas. O parafuso sem fim possui diâmetro menor no centro e maior nas suas extremidades (leia mais) visando alterar a relação de direção, aumentando o número de voltas que se dá no volante para obter o giro necessário Tendo portanto, um menor torque de acionamento. Outras formas de redução de atrito, foram a utilização de um rolete no eixo do setor e as bem sucedidas esferas recirculantes entre o parafuso e sem fim e a porca.

Embora as barras e articulações representem mais peso e inércia para o movimento do conjunto, as barras são robustas e encaram com mais resistência a vibração provocada pelo trafego do veículo. Por possuírem um comprimento longo, as barras de direção contribuem para a redução de carga sobre o braço pitman quando o sistema de direção está exposto aos movimentos da suspensão.

Os terminais de direção, que se ligam as barras de direção, podem ser projetados com maior liberdade, de forma que seu comprimento permita que a dinâmica da direção seja favorável ao aumento do ângulo de direção. Sendo então, uma forma de aumentar a relação de direção geral do sistema, contribuindo para redução do esforço para girar o volante.

O sistema de direção tipo setor e sem fim, é amplamente utilizado em veículos que possuem eixo rígido, não apenas pelas sua robustez, mas por ser mais adaptado a esse tipo de suspensão. Além disso, possui a capacidade de superar a resistência ao esterçamento em veículos mais pesados, como utilitários e fora-de-estrada. Isso é obtido devido ao fato da árvore de direção ter grande ângulo de giro (pelo menos 45°), o que significa que o parafuso sem fim pode efetuar varias voltas para que o setor atinja os batentes. Dessa forma, este sistema é capaz de direcionar as rodas em veículos que demandam um alto torque de giro, sem cobrar muito do motorista.

Relação de direção

A quantidade filetes de rosca por unidade de comprimento do parafuso sem fim define a relação de direção do sistema. Crédito foto: https://i.ytimg.com/vi/VxTWL0c5vY4/maxresdefault.jpg

Para esta variação de sistema de direção, a relação de direção é definida pelo parafuso sem fim. Neste, o número de filetes de rosca usinado por todo seu comprimento determina essa relação, quanto mais filetes de rosca houver por unidade de comprimento, menor será o esforço que o motorista irá realizar para girar o volante. Por outro lado, o motorista precisa executar mais voltas no volante para obter o giro desejado, ou seja, uma resposta mais lenta do volante.

Com uma quantidade menor de filetes de rosca por unidade de comprimento, o motorista obtém uma resposta mais rápida do volante, consequentemente efetua-se menos voltas no volante para obter o giro desejado do veículo. Entretanto, o esforço para o motorista girar o volante é maior.

Tipos
  • Sistema de direção tipo setor e sem fim sem auxílio;
  • Sistema de direção tipo setor e sem fim com auxílio hidráulico.

Sistema de direção tipo setor e sem fim sem auxílio

Sistema de direção setor e sem fim montado em um chassi de longarinas. Na foto é possível visualizar a árvore e caixa de direção, braço pitman e a barra de direção conectada neste.
Crédito foto: http://www.jalopyjournal.com/forum/attachments/dscn5524-copy-jpg.2794754/

Trata-se do mais simples sistema com caixa setor e sem fim, neste a relação de direção deve ser adequada para que o motorista consiga acionar o volante sem grandes esforços. Mesmo assim este sistema foi descontinuado em veículos de passeio, mas permanece em utilitários devido a sua grande facilidade de transmitir um grande torque.

Sistema de direção tipo setor e sem fim com auxílio hidráulico

Sistema de direção hidráulica com caixa de direção tipo setor e sem fim.
Steering box – Caixa de direção; Power steering pump with integral reservoir – Bomba de direção hidráulica com reservatório; Steering linkage – Braço pitman. Crédito foto: https://www.howacarworks.com

Este sistema conserva todo as vantagens do sistema mecânico bem como suas desvantagens, mas com o auxílio hidráulico este sistema tornou-se quase um padrão em veículos utilitários. Além de reduzir consideravelmente o esforço do motorista, este sistema ainda reduz ainda mais as vibrações que possam alcançar o volante. Entretanto o sentimento do motorista com relação ao atrito dos pneus com o asfalto fica ainda mais prejudicado.

Componentes

Os componentes básicos de um sistema de direção tipo setor e sem fim sem auxílio são:

  • Coluna de direção;
  • Caixa de direção;
  • Braço pitman;
  • Barras de direção;
  • Amortecedor de direção.

Caixa de direção

Caixa de direção tipo parafuso sem fim e rolete.
Crédito foto: https://www.hemmings.com

É o componente mais importante deste sistema e que o caracteriza. Por sua complexidade, foi totalmente detalhado em um artigo próprio (leia mais).

Braço pitman

Crédito foto: http://www.autopartsdb.net/

A função deste componente é transformar o movimento giratório do setor em movimento retilíneo, e transferi-lo para a barra de direção. O braço pitman em ambas extremidades, um pivô e um furo cônico. Neste, estrias foram usinadas de forma a encaixarem no estriado do eixo do setor, a forma cônica favorece o aperto do braço pitman com o estriado do setor.

Ponta do eixo do setor. O estriado é cônico e encaixa no furo estriado do braço pitman.
Crédito foto: http://st.hotrod.com/

Para garantir a fixação, uma porca auto-travante é utilizada, mas também há variações com porca e pino de travamento. Na outra extremidade do pitman encontra-se um pivô, que se encaixa com a barra de direção. A função do pivô é prover uma articulação para absorver as vibrações provenientes dos movimentos da suspensão.

Barras de direção

Crédito foto: Auto Suspension and Steering.

São um conjunto de barras articuladas que transmitem o movimento da caixa de direção para as rodas. As barras são desenhadas de forma a possuir pivôs ou furos para montagem destes. Dependendo do layout do sistema de direção, a quantidade de barras de direção pode variar. O sistema mais simples (imagem acima) é composto de uma longa barra de direção, sendo esta conectada a uma haste de ligação, que conecta a barra com o braço pitman. Neste arranjo, a barra de direção possui em suas extremidades os terminais de direção. Estes com dispositivos de ajuste de comprimento que é utilizado para regulagem de geometria de direção. Todas as conexões entre essas componentes é realizada por meio de pivôs.

Sistema com articulações composta por braços tensores (idle arms).
Crédito foto: Auto Suspension and Steering

Uma outra forma de dispor a barra de direção, é por meio de braços tensores. Estes são articulações nas quais uma parte está fixa no chassi, e a móvel é aparafusada a barra de direção. O movimento da barra é permitido pois o braço tensor é articulado, de forma muito semelhante a um pivô, ou seja, com um pino de extremidade esférica que desliza dentro de seu alojamento protegido por uma graxa especial e coifa de proteção. Dessa forma, a barra de direção tem suporte que permite o seu deslocamento retilíneo.

Existem sistemas de direção que utilizam duas longas barras de direção, que se articulam entre si para transmitir o movimento do braço pitman para as mangas de eixo. As barras formam um arranjo no qual uma delas está conectada ao braço pitman e a segunda barra de direção.

Pitman arm – Braço pitman; Hydraulic steering damper – Amortecedor hidráulico de direção; Drag link e Tie rod – Barras de direção; Washer – Arruela; Nut – Porca. Crédito foto: Auto Suspension and Steering

Quando o braço pitman se desloca, aciona a barra de direção que consequentemente traz consigo a segunda barra de direção. Ambas as barras possuem suas extremidades conectadas as mangas de eixo, para que o movimento da caixa de direção seja transmitido para as rodas.

No canto inferior esquerdo, é possível visualizar a aplicação dos terminais de direção. Afrouxando as luvas e girando a luva que conecta as duas barras, pode aproxima-las ou afasta-las. Crédito foto: http://constructionmanuals.tpub.com/

Cada arranjo das barras de direção dispões de luvas e presilhas, que possibilitam o ajuste do comprimento das barras. Este dispositivo é importante para o ajuste da geometria de direção.

Amortecedor de direção

Crédito foto: http://www.quadratec.com/

Nada mais é do que um amortecedor hidráulico comum. Aparafusado ao chassi ou eixo e a barra de direção, o amortecedor absorve as vibrações que chegam as barras de direção. A haste do pistão do amortecedor está ligada a barra de direção, sendo então exposta a vibração da barra. No momento da vibração a haste é empurrada e puxada rapidamente, mas o orifícios calibrados do pistão e a viscosidade do óleo, dificultam o escoamento deste pelos orifícios, absorvendo o a vibração do conjunto. O óleo esquenta, mas é refrigerado pelo flui por de baixo do veículo enquanto este trafega.

Em sistemas com auxílio hidráulico, os componentes são os mesmos citados acima, mas com a adição dos seguintes:

  • Bomba de óleo;
  • Mangueiras;
  • Caixa de direção hidráulica.

Bomba de óleo

Crédito foto: https://d3vl3jxeh4ou3u.cloudfront.net

Componente responsável por enviar óleo sobre pressão para a caixa de direção, e a partir desta, ocorrer o auxílio hidráulico. Por sua complexidade, foi detalhado em artigo próprio.

Mangueiras

Detalhe da secção transversal das mangueiras da zona e alta pressão dos sistemas de direção hidráulica.
Crédito foto: http://www.powersteeringhose.net/

São os componentes responsáveis por permitir a circulação de óleo pelo sistema de direção hidráulica. As mangueiras do sistema se dividem em duas, uma para a linha de alta pressão e outra para a linha de baixa pressão, ou de retorno.

Esquema de uma mangueira de alta pressão com parafuso de fixação do tipo olha.
Crédito foto: Auto Suspension and Steering

As mangueiras fabricadas para linha de alta pressão possuem várias camadas de borracha reforçada. Os terminais da mangueira são fixadas na caixa e na bomba com um parafuso olhal. Este parafuso é oco e permite que o óleo escoe para dentro da bomba e da caixa de direção. Os terminais da mangueira são fabricados conforme normas regulamentadores para os respectivos componentes.

As mangueiras destinadas a linha de retorno ou de baixa pressão não possuem o mesmo material de fabricação das mangueiras de alta pressão, são menos reforçadas devido a menor demanda. Seus terminais também podem ser fixados por parafusos olhais, mas por terem uma pressão bem menor agindo nas paredes internas da mangueira, as mangueiras de baixa pressão podem até serem fixadas por abraçadeiras de alta pressão.

Mangueira fixada no reservatório por meio de abraçadeiras de alta pressão. Devido a baixa demanda, as abraçadeiras são suficientes para fixa-las.
Crédito fotos: http://www.bimmerforums.com/

Embora as mangueira possuam a função de conduzir o óleo pelo sistema de direção hidráulica, são feitas de materiais flexíveis, pois estão conectadas a bomba e a caixa de direção. Estes componentes estão montados em diferente pontos do veículo, no motor e na estrutura do veículo respectivamente. Por sua vez, há um movimento relativo entre o motor e a estrutura do veículo, neste pode ser o próprio eixo, agregado ou subchassi. Esse movimento acaba por variar em alguns milímetros a distância entre a bomba e a caixa de direção, sendo necessário então que as mangueiras possuam um flexibilidade adequada tanto para suportar a pressão interna, quando para compensar a variação dessa distância.

Caixa de direção hidráulica

Visão em corte de uma caixa de direção hidráulica do tipo parafuso sem fim e porca.
Crédito foto: http://www.dodgeoffroad.com/

Nesta variação, a caixa de direção tipo setor e sem fim dispõe canais internos e um cilindro, por onde o óleo sobre pressão circula e exerce o auxílio hidráulico. Devido a complexidade da caixa de direção, este componente foi detalhado em um artigo próprio.

Funcionamento

Sistema de direção tipo setor e sem fim sem auxílio

Com o veículo em movimento, o motorista ao acionar o volante está, também, girando a árvore de direção. Esta é suportada por rolamentos na coluna de direção. Isto faz a árvore girar livre de atrito e transmitir totalmente a força de acionamento do motorista para a árvore de entrada da caixa de direção.

Dentro da caixa de direção, o engrenamento do parafuso sem fim com o setor promove a redução necessária para que motorista esterce as rodas com comodidade. O parafuso sem fim gira acionando o setor, o eixo deste está ligado ao braço pitman que transforma o movimento giratório da caixa de direção em movimento retilíneo das barras de direção.

As barras estão articuladas entre si de forma que o movimento destas sejam transmitidos para as mangas de eixo. Pivôs (ball sockets) promovem a conexão das barras entre si e com as mangas de eixo compensando todos os movimentos da suspensão e vibração do eixo dianteiro. Finalmente as mangas de eixo são acionadas e as rodas esterçam para o lado desejado.

A vibração do eixo dianteiro devido as imperfeições do solo é absorvida, em maior quantidade, pelo amortecedor de direção, que pode estar ligado as barras de direção, ou na coluna de direção. Quando o veiculo passar por algo que faça o eixo dianteiro vibrar, essa vibração se propaga pelas barras de direção, que por estarem ligadas ao amortecedor de direção, direcionam a vibração para o amortecedor, que hidraulicamente reduz os impactos que podem chegar ao motorista.

Sistema de direção tipo setor e sem fim com auxílio hidráulicos

A partir do momento em que o automóvel está em funcionamento, o sistema de direção hidráulica está operando, pois o motor faz girar a bomba de óleo do respectivo sistema. A bomba empurra o óleo que pelas mangueiras chegam a caixa de direção, e desta retornam para o reservatório de óleo da direção hidráulica. Válvulas de segurança impedem que o sistema tenha sobrepressão, fazendo retornar o óleo de volta para a bomba quando o volante permanece reto.

Com o veículo em movimento, no momento em que o motorista aciona o volante, a árvore de direção é acionada. Esta aciona a árvore de entrada da caixa de direção, nesta encontra-se uma barra de torção e uma válvula de direcionadora. A resistência das barras de direção e da próprias rodas ao esterçamento fazem torcer a barra de torção, que libera a passagem do óleo contido na válvula direcionadora para dutos e cilindro da caixa de direção. O óleo, finalmente exerce o auxílio hidráulico que faz girar o setor com muito menos esforço.

O eixo do setor está conectado com o braço pitman, que converte o movimento giratório daquele em movimento retilíneo. As barras de direção conectadas ao braço pitman são acionadas por este e se deslocam para o lado desejado. Dessa forma, por estarem conectadas as mangas de eixo, fazem estas girarem, consequentemente esterçando as rodas.

Ao trafegar, o veículo passar por superfícies irregulares, desníveis e imperfeições. Essas variações do plano geram vibrações nas rodas que se propagam pela suspensão atingem as barras de direção e chegariam totalmente ao volante. Entretanto, o um amortecedor hidráulico é fixado à barra de direção e à estrutura do veículo. Quandos barras vibram, parte dessa vibração é absorvida pelo amortecedor e seu pistão interno, que é totalmente exposto a viscosidade de um óleo específico. Além disso, a parte das vibrações que não é absorvida pelo amortecedor, alcança a caixa de direção e sua válvula direcionadora. Isso ocorre pois as barras de direção tendem a mover-se, mas como o volante está em posição fixa, essa diferença de movimento faz a barra de torção liberar um pouco de óleo para caixa de direção absorvendo a vibração remanescente.

Manutenção

Devido a quantidade maior de articulações do sistema de direção tipo setor e sem fim, a folga é um dos modos de falha mais recorrentes desse sistema. As barras de direção e de conexão, por apresentarem diversos pivores, estão expostas ao desgaste destes. A medida que o pivô se desgasta, uma folga surge prejudicando a firmeza do conjunto. A coluna e a caixa de direção também devem ser verificadas, a primeira pois as juntas universais da árvore de direção pode apresentam desgaste e a segunda pode apresentar uma desregulagem do setor, fazendo com que este não permanece totalmente engrenado com o parafuso sem fim, gerando uma pequena folga.

Esse tipo de folga é observado quando o veículo se apresenta sem estabilidade em linha reta, vai de um lado para o outro da pista necessitando que o motorista efetue inúmeras correções. Vulgarmente falando, chama-se passarinhar. Para corrigir esse modo de falha, basta substituir os componentes desgastados e reapertar as fixações frouxas e eliminar as folgas da caixa de direção.

Além de passarinhar, é comum que o volante apresente um nível maior de vibrações, pois como as articulações perderam sua firmeza, permitem que as vibrações se propaguem mais rapidamente e em maior quantidade. Dessa forma, o maior nível de vibração causado pelo desgaste de um componentes apenas, pode prejudicar os demais componentes do sistema.

Sabendo que neste sistema o retorno do volante a posição reta para frente não ocorre com tanta facilidade, é preciso garantir que o alinhamento das rodas e a pressão dos pneus estejam conforme o especificado. Na maioria dos casos, a dificuldade anormal de retorno do volante ocorre devido a esses dois fatores.

Em um sistema hidráulico, os modos de falha aumentam, e o principal chama-se vazamento. O óleo do sistema pode vazar por diversos pontos. As mangueiras são os pontos de maior visibilidade, uma simples inspeção visual pode determinar o estado destas. Contudo, os componentes mais frágeis são os pontos mais comuns de vazamento de óleo. Estes são juntas e o-rings, que podem permitir vazamentos pelo simples desgaste natural do material, mas também quando há uma má manutenção preventiva do veículo. Neste último caso, é importante salientar que o nível de óleo do reservatório de óleo da direção hidráulica não baixa, e se baixar, é porque há um ponto de vazamento. Completar o nível sem necessidade acarreta em uma sobrepressão do sistema, pois óleo não tem mais o espaço que tinha antes para se expandir quando quente. Consequentemente estouram os o-rings e juntas facilmente.

Outra forma de causar vazamentos, é mantendo o volante acionado até o batente ou com as rodas faceando algum objeto rígido. Por isso, é boa prática que uma vez que o volante atingiu seu batente, retornar um pouco o giro para evitar que pressão se eleve em excesso.

O desgaste da árvore de entrada também pode causar vazamento, pois nesse ponto está instalada a válvula direcionadora. Se há desgaste, então entre a árvore e a válvula passa a existir uma folga, esta permite que parte do óleo vaze para fora da caixa de direção.
O sistema de direção hidráulica, independente de qual tipo for, tem um funcionamento bastante silencioso. Mas uma vez que ruídos tornam-se frequentes sempre que o volante for acionado, existem duas causas mais frequentes. A primeira é relacionada ao acionamento da bomba de óleo do sistema, neste a correia precisa estar bem tensionada para não derrapar. Porém, é importante também verificar o estado da correia e de seu tensionador. A segunda causa é relacionada a entrada de ar no sistema, e isso ocorre quando o sistema apresenta um vazamento, o ar entra pelo ponto de vazamento e passa a circular pelo sistema, ao alcançar a bomba ocorre o chiado.

Quando um vazamento atinge o sistema a ponto da diminuição do nível ser perceptível, o motorista pode observar que o volante requer esforços diferentes para girar a esquerda ou a direita. Isso ocorre devido a carência de óleo em um dos lados do cilindro da caixa de direção, que gera uma redução na força de auxílio produzida pelo sistema. Outras causas para este modo de falha é a simples regulagem das barras de direção, pressão desigual dos pneus, danos nas barras de direção e falta regulagem da caixa de direção.

Em sistemas hidráulicos, o óleo tem papel fundamental no funcionamento do sistema. É importante que o óleo esteja operando dentro de sua temperatura ideal de funcionamento. Quando a temperatura ultrapassa esse valor, ocorre o superaquecimento. Nessa situação o óleo pode perder suas características lubrificantes e refrigerantes, dependendo do período que ficou exposto a esse superaquecimento. Este pode ocorrer quando, de alguma forma, o sistema possui obstruções em suas mangueiras e canais ou é forçado a operar em seu máximo acionamento durante períodos prolongados.


Acadêmico de Engenharia Mecânica pela Universidade Federal do Ceará (UFC), Técnico em mecânica automotiva pelo Senai-CE e IFCE, certificado Six Sigma Green Belt. Profissional dedicado a área automobilística, com 8 anos de experiência no mercado automotivo, do setor de peças a qualidade em montadoras. Atualmente participa do projeto de extensão Siara Baja da Universidade Federal do Ceará.

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