De mecanismo simples, a caixa de direção do tipo pinhão e cremalheira pode ser até mais barata, em termos de manufatura, do que a caixa de direção do tipo parafuso sem fim e setor. Entretanto, suas virtudes são a facilidade de manutenção e montagem no chassi monobloco, motivos pelo qual se tornou um sistema padrão em veículos de passeio.

Função

A caixa de direção do tipo pinhão e cremalheira é um conjunto de componentes com a função de transformar o movimento circular do volante de direção em movimento retilíneo (axial) dos braços de direção. O engrenamento do pinhão na cremalheira deve prover o amortecimento das vibrações do sistema de direção, impedindo que estas cheguem ao volante.

Tipos

A caixa de direção do tipo pinhão e cremalheira pode apresentar três variações:

• Caixa de direção com braços axiais montados na extremidade da cremalheira;
• Caixa de direção com braços de direção montados no centro da cremalheira;
• Caixa de direção com braços de direção montados na extremidade da cremalheira.

Essa variação na posição onde os braços de direção são montados não altera o princípio de funcionamento da caixa de direção, mas sim sua disposição na estrutura do veículo. Alguns projetos não contemplam tanto espaço para que um caixa de direção com braços de direção montados nas duas extremidades da cremalheira seja instalada na estrutura do veículo. Dessa forma sistemas com braços montados no centro ou em na extremidade da cremalheira podem ser adaptar melhor em situações aonde o espaço para alocar suspensão, direção, motor e sua estrutura de suporte são muito restritos. Aliás, a redução de espaço dentro do cofre do motor é algo notável nos veículos atuais. Portanto, não existe um tipo melhor, apenas uma caixa de direção pode ser mais adequada do que as outras, tudo vai depender do projeto do veículo.

Componentes – Caixa de direção mecânica (sem auxílio)

Uma caixa de direção mecânica é composta pelos seguintes componentes:

• Corpo;
• Pinhão;
• Cremalheira;
• Braços de direção;
• Terminais de direção;
• Dispositivos de regulagem;
• Coifas;
• Bucha;
• Rolamento.

Corpo

O corpo da caixa de direção aloja todos outros componentes, permite que a cremalheira deslize longitudinalmente por dentro do mesmo, movimentando os braços de direção e consequentemente, as rodas.

Pinhão

Feito de aço cementado, o pinhão está localizado no corpo da caixa de direção, engrenado com a cremalheira de um lado e conectado a árvore de direção de outro. Através desta, o pinhão recebe os movimentos do volante e o transmite para cremalheira, sua principal função.

Cremalheira

Trata-se de uma barra de aço cementado na qual há dentes usinados, estes engrenam com os dentes do pinhão. A relação de redução do volante de direção é determinada pelo número de giros do pinhão (número de giros do volante) sobre o curso de deslocamento da cremalheira. Essa relação é depende do número de dentes do pinhão e da cremalheira, e determina o torque de acionamento da caixa de direção. A cremalheira possui em suas extremidades, dois braços de direção (ou braços axiais) que se conectam as mangas de eixo. A posição destes pode variar conforme informado no tópico anterior.

Braços de direção

Também chamados de braços axiais, estes são rosqueados na cremalheira em uma de suas extremidades, na outra podem se conectar a terminais de direção ou na própria manga de eixo. Sua função é transferir o movimento da cremalheira para as mangas de eixo, possibilitando que estas girem e estercem as rodas. Os braços de direção são articulados para permitir que estes acompanhem o movimento da suspensão.

Terminais de direção

São rosqueados na ponta dos braços de direção, trata-se de um pino de articulação esférica que faz a conexão entre a caixa de direção e a manga de eixo. Os terminais precisam de um certo nível de articulação para lidar com as vibrações e movimentos das rodas.

Dispositivos de regulagem

São um conjunto de componentes compostos por molas, porcas e tampa aparafusada no corpo da caixa de direção. Sua função é regular a folga entre o pinhão e a cremalheira.

Coifas de proteção (Contra pó)

São proteções de borracha montadas nas extremidades do corpo da caixa de direção, fixadas nesta por meio de abraçadeiras metálicas. Por dentro da coifa passam os braços de direção. As coifas impedem que a poeira e outros detritos contaminem as extremidades da caixa de direção, e com o movimento da cremalheira e braços de direção, esses contaminantes venham a entrar na corpo da caixa de direção causando vazamentos.

Buchas

Fabricadas de liga leve ou nylon, as buchas são montadas nas extremidades da caixa de direção. Por dentro delas corre a cremalheira quando se desloca, a bucha facilita o movimento da cremalheira reduzindo o atrito entre esta e a cremalheira.

Rolamento

Para o pinhão girar com o mínimo de atrito, é utilizado um rolamento no mesmo, que se encaixa em uma alojamento no corpo da caixa de direção. Dessa forma, o pinhão pode girar com o devido suporte e sem resistências.

Componentes – Caixa de direção com auxílio hidráulico

Embora nos sistemas hidráulicos, a caixa de direção tipo pinhão e cremalheira seja auxiliada por um circuito hidráulico pressurizado, esta mantém o mesmo princípio de funcionamento e componentes da caixa de direção pinhão e cremalheira para sistema sem auxílio. Entretanto, alguns componentes possuem novas funções.

Corpo

Além de possuir a função de alojar todos os componentes da caixa, em um sistema hidráulico, o corpo forma também um cilindro de pressão, no qual as mangueiras do circuito hidráulico estão ligadas ao próprio corpo conduzindo o óleo para dentro e para fora do cilindro.

Pinhão

Em um sistema hidráulico, o pinhão, além de acionar a cremalheira, é também uma válvula direcionadora de fluxo de óleo. Esta, através de orifícios calibrados, direciona o óleo do sistema hidráulico para um dos lados da cremalheira, a pressão age contra o êmbolo da cremalheira empurrando-a para o lado no qual o volante está sendo esterçado.

Cremalheira

Além de transformar o movimento circular do pinhão em movimento retilíneo da cremalheira e braços de direção, aquela é dotada de um pequeno êmbolo, que a divide em dois, logo cilindro do corpo também será dividido em dois lados. Portanto, também exerce a função de receber a pressão de auxílio do circuito hidráulico sobre o lado desejado a se deslocar.

Os demais componentes da caixa de direção pinhão e cremalheira hidráulica possuem a mesma função na respectiva sem auxílio.

Funcionamento – Caixa de direção tipo pinhão e cremalheira sem auxílio

Quando giramos o volante de direção, estamos girando também a coluna de direção, que por sua vez tem ligado a sua extremidade, a árvore de direção. A árvore também está conectada ao pinhão da caixa e dessa forma é ocorre o acionamento desta. Ao girar, o pinhão, engrenado com a cremalheira, faz esta se deslocar para um dos lados. Neste caso, conforme o lado para qual o volante está sendo girado. A cremalheira, ao ser deslocada, faz o mesmo com os braços de direção, que empurram as mangas de eixo, estas giram e consequentemente as rodas esterçam.

Funcionamento – Caixa de direção tipo pinhão e cremalheira com auxílio
hidráulico

Em azul, está o óleo de retorno para o reservatório. Em vermelho, está o óleo sob pressão da bomba. Como os dois orifícios estão abertos, então a pressão de óleo igual nos dois lados da cremalheira.
Crédito foto: FIAT.
Com o motor ligado, o circuito hidráulico da caixa de direção hidráulica está sob pressão, pois a bomba é movida diretamente pelo motor. Na caixa de direção estão conectadas duas mangueiras, cada mangueira permite que o óleo entre na caixa de direção, contudo, este entre em câmara separadas pelo êmbolo da cremalheira. Portanto, a pressão sobre as faces do êmbolo se anulam e a cremalheira permanece reta.

Girando para um dos lados

Ao acionarmos o volante de direção, esse movimento em relação a resistência dos pneus provoca a torção da barra de torção localizada na coluna de direção. O pinhão, embora gire conforme o volante, tem sua válvula direcionadora aberta em função da torção da barra de torção. Então, quando acionamos bruscamente o volante, provocamos uma abertura súbita e plena abertura da válvula do pinhão. Contrariamente, ao acionarmos com suavidade o volante, a válvula abre progressivamente.

A abertura dos furos calibrados da válvula direcionadora permite que o óleo, sob pressão da bomba hidráulica entre em um dos lados do cilindro (corpo da caixa de direção) e aja sobre o embolo da cremalheira, empurrando-a para o lado no qual o volante está sendo acionado. O óleo contido do outro lado da cremalheira retorna para o reservatório do fluído da direção hidráulica. A maneira como acionamos o volante vai determinar a forma como essa pressão será exercida na cremalheira, se for súbita, brusca, a cremalheira será subitamente empurrada. Se for progressiva, a cremalheira terá uma força de auxílio que cresce progressivamente. Ao se deslocar, a cremalheira traz consigo os braços axiais que movimentam as mangas de eixo, logo, esterçando as rodas.

Posição neutra

Depois de acionado o volante, se este for mantido na mesma posição, a válvula direcionadora irá voltar para sua posição de repouso devido ao efeito mola da barra de torção. Dessa forma os orifícios calibrados da válvula ficam abertos, permitindo que o óleo sob pressão entre nos dois lados do cilindro, mantendo então a cremalheira estável na posição imposta.

Absorção de impactos

Sempre que as rodas passam por irregularidades no solo ou sofrem uma pancada, parte do impacto é transmitido da suspensão para a direção. Nesse momento, o impacto se manifesta por vibrações e faz o pinhão girar, a válvula acompanha esse movimento enquanto o volante, não. Portanto, a válvula direcionadora se move em relação a árvore de direção, isso faz com que os orifícios da válvula abram passagem do óleo para câmara do lado oposto ao movimento do pinhão, logo ocorre a anulação da vibração recebida pela caixa. Dessa forma, um sistema hidráulica consegue absorver grande parte das vibrações atribuídas ao movimento do veículo.

Manutenção

Ambos caixa de direção hidráulica e mecânica necessitam de ferramentas especiais para sua manutenção, pois possuem componentes com folgas milimétricas e exigem ferramentas de precisam adequada. Uma vez desmontada, a limpeza de seus componentes é, geralmente, realizada com benzina. Dentro da caixa de direção existem diversos componentes menores que exercem função de suporte e redução de atrito, como as buchas. Uma vez retiradas as buchas, estas devem ser substituídas, pois são montadas sobre pressão, geralmente com um pulsão, e sua retiradas se faz por pequenas pancadas que danificam sua estrutura e comprometendo seu uso. O conjunto cremalheira e pinhão, uma vez retirados, devem passar por inspeção e uma vez detectados trincas, rachaduras ou pancadas, devem ser substituídos ambos. No momento da montagem do conjunto cremalheira e pinhão, ambos devem ser lubrificados com a graxa especificada pelo fabricante. Para girar livremente, o pinhão conta com um rolamento, este deve estar isento de graxa e marcas de pancada. O que indicaria vazamento de graxa no rolamento, com posterior risco de travagem no primeiro caso e montagem incorreta ou com ferramentas inadequadas no segundo caso. As coifas impedem que poeiras e outros detritos contaminem a cremalheira, o que levaria esta a ter arranhões e riscos, que no sistema hidráulico resultaria em um princípio de vazamento. Uma vez rasgadas ou contaminadas com algum fluído derivado do petróleo, em pouco as coifas deixam de exercer sua função, devem ser verificadas e trocadas quando constatado seus danos.

Referências

• SENAI, Série Metódica Ocupacional;
• BOSCH, Robert, Manual de Tecnologia Automotiva. 25.ed. Edgard Blücher LTDA, 2004. 1231p.