A caixa de direção propriamente dita, em algumas literaturas. Trata-se de um robusto conjunto de componentes que combinam um parafuso com rosca sem fim e parte de uma engrenagem. Devido a suas dimensões e peso, foi substituído pela caixa do tipo pinhão e cremalheira nos veículos de passeio, mas permanece em utilitários, picapes, jipes e veículos da linha pesada.

Função

É o componente responsável por transmitir o movimento circular do volante para as barras e articulações do sistema de direção. Estas acionam as mangas de eixo e consequentemente as rodas. A caixa deve executar essa tarefa absorvendo ao máximo as vibrações provenientes da superfície na qual o veículo está trafegando. A caixa de direção do tipo setor e sem fim é uma unidade compacta, seu uso é mais adequado a veículos com chassi de longarinas. Embora compacta, é mais pesada e requer maior lubrificação em relação a caixa tipo pinhão e cremalheira. A lubrificação da caixa é normalmente feita por uma grava específica ou por óleo lubrificante. O objetivo é evitar que a caixa venha a ter desgastes prematuros de seus componentes.

Tipos

A caixa de direção com mecanismo sem fim e setor possui três variações, que embora não alterem seu princípio de funcionamento, buscam elevar a robustez do conjunto e adequar as necessidades do projeto. Os tipos de caixa de direção com mecanismo sem fim e setor, são:

Parafuso sem fim e setor;
Parafuso sem fim e rolete;
Parafuso sem fim e porca.

Parafuso sem fim e setor

É o tipo de caixa de direção mais comum. Nesta a coluna de direção está conectada a ponta de um parafuso com rosca sem fim. O parafuso possui apenas uma de suas extremidades exposta da caixa de direção, que é onde se liga a coluna de direção. Dentro da caixa, esta disposto na transversal, atravessando toda a carcaça da caixa, esbarrando apenas, no parafuso de ajuste. A rosca sem fim do parafuso engrena com o setor, no qual transmite o movimento circular do volante. No eixo do setor, está a árvore de saída da caixa de direção, que engrena com as articulações do sistema de direção, transmitindo às rodas o movimento do volante.

Parafuso sem fim e rolete

Nesta variação, o setor é substituído por um rolete, este suportado por rolamentos, gira em torno do próprio eixo para aliviar o atrito do engrenamento com o parafuso sem fim. Ao mesmo tempo, transmite o movimento circular para as articulações do sistema de direção. Este sistema visa a redução do desgaste de engrenamento entre parafuso sem fim e setor, foi bastante utilizado em veículos de passeio leves, como o Volkswagen Sedan.

Parafuso sem fim e porca (com esferas recirculantes)

Trata-se de uma caixa ainda mais robusta, nesta o parafuso sem fim está diretamente engrenado com uma porca nada convencional, pois esta não possui a forma comum de uma porca sextavada. Na verdade, é um bloco maciço com um orifício rosqueado, por dentro deste passa o parafuso sem fim. O engrenamento do parafuso sem fim com a porca é intermediado por esferas recirculantes, que por guias internas da própria porca circulam entre esta e o parafuso sem fim com o objetivo de reduzir o atrito entre os dois componentes. Como o parafuso é fixo, apenas gira em torno do próprio eixo, a porca é que se desloca por este. Externamente nesta, existem dentes que engrenam no setor. Portanto, quando a porca se desloca, transmite o movimento para o setor e este para as articulações do sistema de direção. Assim como os outros tipos, também necessita de lubrificação interna de seus componentes, esta pode ser feita por óleo específico ou graxa.

Componentes

A caixa de direção do tipo parafuso sem fim e setor sem auxílio possui os seguintes componentes:

• Carcaça;
• Parafuso sem fim (Worm);
• Setor (Sector);
• Dispositivo de regulagem (Adjusting nut);
• Junta;
• Vedadores;
• Rolamentos (Tapered Roller Bearing).

Carcaça

Fabricado em aço ou liga de alumínio, a carcaça aloja todos os componentes da caixa de direção, bem como os mantém banhados de graxa ou óleo. A caixa é aparafusada diretamente no chassi do veículo, e deste requisita suporte.

Parafuso sem fim

Feito em aço, possui uma rosca sem fim usinada no próprio. Sua função é transmitir o movimento circular do volante para o setor. O parafuso não se desloca, apenas gira em torno de seu eixo suportado por rolamento. Em uma de suas extremidades está ligada a árvore da coluna de direção, enquanto que a outra encosta no dispositivo de regulagem no qual é realizado a regulagem da folga do sem fim.

Setor

O setor é fabricado em aço cementado. Robusto, transmite os movimentos do parafuso sem fim para as articulações do sistema de direção, mais precisamente, o braço pitman. Na geometria ackerman, o braço pitman não necessita girar por completo para transmitir o movimento da caixa para as rodas, este gira cerca de 70 graus, o suficiente para fazer esterçar as rodas. Na realidade, o setor não passa de uma engrenagem, mas como o braço pitman gira apenas algumas dezenas de graus, apenas um setor de engrenagem é utilizado, daí vem o nome Setor.

Dispositivo de regulagem

Trata-se de um conjunto composto por um parafuso e porca. Sua função é regular a folga do sem fim com o setor. A folga é feita girando o parafuso de acordo com o procedimento indicado pelo fabricante, geralmente este é realizado mantendo o volante em uma determinada posição e girando o parafuso até encostar no parafuso sem fim. A porca é utilizada para travar o parafuso na posição desejada, impedindo que este afrouxe e permita que a folga retorne.

Junta

Trata-se de uma junta de papel ou um conjunto de varias juntas metálicas, estas impedem que a graxa ou o óleo lubrificante escorra da caixa. Uma vez que a caixa é aberta para reparos preventivos ou corretivos, as juntas devem ser trocadas, pois ao serem apertadas durante a montagem da caixa, se deformam e não voltam a sua forma original.

Vedadores

Assim como a junta, os vedadores são montados na caixa de direção, mais especificamente no orifício onde o parafuso sem fim é montado. Sua função é impedir que o óleo ou a graxa escorram da caixa, bem como a entrada de impurezas ou fluídos externos. Sempre que a caixa é aberta para manutenções corriqueiras, os vedadores dever ser trocados.

Rolamentos

Os rolamentos dão suporte ao parafuso sem fim, além de reduzir o atrito deste com a caixa. Os rolamentos são um dos responsáveis pela absorção das vibrações da caixa.

Nas demais variações de mecanismos de caixa de direção os componentes são semelhantes, as diferenças ficam por conta de alguns componentes que caracterizam uma determinada variação do mecanismo, abaixo explicaremos a função desses componentes.

Parafuso sem fim e rolete – Sem auxílio

• Carcaça;
• Parafuso sem fim;
• Rolete;
• Dispositivo de regulagem;
• Junta;
• Vedadores;
• Rolamentos.

Parafuso sem fim

Neste tipo de caixa de direção, o parafuso sem fim possui uma característica que a diferencia das demais caixas. O diâmetro do parafuso, na região da rosca, possui variações. Sendo mais estreito no meio, a relação de engrenamento entre o parafuso sem fim e o setor (ou rolete) varia em função do diâmetro, permitindo uma relação que promova um torque de acionamento da direção adequado. Em linha reta, a relação é alta, proporcionando um controle firme da direção, enquanto que nas extremidades do parafuso essa relação diminui. Neste caso, objetivando um manuseio da direção em manobras de baixa velocidade.

Rolete

O rolete, neste tipo de caixa, faz o papel do setor. Entretanto, o objetivo do rolete é prover uma redução do atrito entre o parafuso sem fim e o rolete. Este está suportado por rolamentos, que além disso também suporta as cargas e vibrações que a caixa de direção está exposta, e gira em torno do próprio eixo enquanto engrena e recebe o movimento do parafuso sem fim.

Parafuso sem fim e porca – Com auxílio hidráulico

• Carcaça;
• Válvula direcionadora(7,13,14);
• Parafuso sem fim(32);
• Barra de torção;
• Porca(29);
• Esferas recirculantes(33);
• Setor(42);
• Dispositivo de regulagem(40,43);
• Junta;
• Vedadores;
• Rolamentos(10).

Válvula direcionadora

Assim como em caixas hidráulicas de mecanismo pinhão e cremalheira, esta válvula é responsável por direcionar o óleo sobre pressão para um dos lados da carcaça da caixa de direção, de acordo com o lado no qual o volante está sendo girado. Ao mesmo, a válvula direciona o óleo contido no lado oposto ao lado de giro do volante para as mangueiras de retorno, e destas para o reservatório de fluído de direção hidráulica. Além disso, a válvula direcionadora tem a importante função de auxiliar na absorção de vibração do sistema de direção pela caixa de direção (veja adiante);

Parafuso sem fim

Nesta aplicação, o parafuso sem fim possui algumas funções adicionais. Além de acionar a porca, aquele dispõe de um canal interno por onde é montada a barra de torção e que serve, também de passagem de óleo sobre pressão para um dos lados da caixa de direção. Assim como nas outras caixas, o parafuso sem fim tem sua pré-carga ajustada por um conjunto parafuso-porca na tampa da caixa de direção.

Barra de torção

A barra de torção é montada na válvula direcionadora, esta ao ser montada na caixa, faz aquela passar por dentro de um canal do parafuso sem fim, travando na extremidade deste. Entre a válvula e o parafuso sem fim encontra-se um anel espaçador, que mantém uma defasagem de giro entre a válvula e o parafuso sem fim. Dessa forma, a barra de torção age para criar uma diferença de giro entre a mesma e a árvore de entrada da caixa de direção. Isso faz com que a válvula abra passagem de fluído para um dos lados caixa de direção antes mesmo do parafuso sem fim ser acionado, providenciando auxílio hidráulico imediato para o sistema.

Porca

A porca é frequentemente chamada de pistão-cremalheira, pois este tipo de caixa de direção é frequentemente adaptada para utilização em sistema de direção hidráulica. Usinada na parte externa da porca estão dentes que engrenam com o setor, ou seja, uma pequena cremalheira, motivo pelo qual é chamada como tal. A função da porca é transmitir o movimento do parafuso sem fim para o setor, e em caixas com auxílio hidráulico, a porca funciona como pistão, pois é exposta a pressão do óleo, que empurra a porca auxiliando na força de acionamento da direção. Este é o motivo pela qual a porca também é chamada de pistão. Além disso, a porca possui um canal por onde esferas circulam enquanto a porca se desloca sobre o parafuso sem fim.

Esferas recirculantes

Caixas de direção com sem fim e porca frequentemente utilizam esferas recirculantes. Estas são colocadas entres o parafuso sem fim e a porca com o objetivo de impedir o contato direto entre o parafuso sem fim e a porca. Isso além de reduzir o atrito, também reduz o desgaste. As esferas circulam entre parte da rosca do parafuso sem fim e a porca, quando saem destes e entram em canais dentro da porca que as redirecionam para os filetes de rosca do parafuso,
daí o nome recirculantes.

Funcionamento

O funcionamento dos principais tipos de caixa de direção do tipo setor são descritos nos parágrafos seguintes.

Parafuso sem fim e setor – caixa sem auxílio

Ao acionar o volante de direção, acionamos diretamente a árvore da coluna de direção, esta por sua vez está conectada a ponta do parafuso sem fim, que fica exposta para fora da caixa de direção. Dessa forma, a direção gira o parafuso sem fim, e este, por estar engrenado com o setor, o faz girar. O setor, quando gira, aciona o braço pitman e este aciona as articulações do sistema de direção, consequentemente, as rodas. O engrenamento do parafuso sem fim e setor provoca a redução necessária do torque de acionamento, ao mesmo tempo esse engrenamento deve ser lubrificado, tanto por questões de redução de atrito, como para evitar o desgaste do conjunto parafuso e setor. Como na maior parte do tempo em que o automóvel está sendo utilizado este se desloca em linha reta, o desgaste maior do parafuso sem fim ocorre na região central. A temperatura, nessa ponto, também é maior, e cabe a lubrificação ajudar na redução dessa temperatura. A caixa de direção está constantemente exposta a vibrações, mas grande parte desta não é sentida pelo motorista através do volante. Isto se deve ao parafuso sem fim, que suportado por rolamentos de esferas, absorve grande parte dessas vibrações. Portanto, seja em linha reta ou girando o volante, o motorista obtém a redução do esforço de giro do volante e absorção das vibrações.

Parafuso sem fim e rolete – caixa sem auxílio

Neste caso, o volante de direção também aciona o parafuso sem fim, este ao girar, transmite seu movimento para o rolete. O rolete engrena com facilidade no parafuso sem fim pois dispõe de rolamentos que reduzem o atrito entre a rosca sem fim e o rolete, dessa forma, este realiza dois movimentos. O primeiro é o fato de girar em torno do próprio eixo, a fim de reduzir atrito, o segundo é o movimento de girar em torno do eixo da árvore de saída da caixa de direção. O movimento do rolete é limitado por batentes usinados internamente na própria carcaça da caixa de direção. Estes impedem que o rolete se desengrene do parafuso sem fim em caso de um grande ângulo de esterço das rodas. Entretanto, batentes contidos nas articulações de direção impedem que as rodas alcancem ângulos excessivos, impedindo o rolete de sequer aproximar-se de seus batentes. O movimento do rolete é transmitido para árvore de saída e desta para as articulações do sistema de direção.

Parafuso sem fim e rolete – caixa com auxílio hidráulico

As caixas com auxílio hidráulico possuem fases de operações distintas.

Girando o volante para um dos lados

O giro do volante é transmitido até a árvore de entrada da caixa de direção, nesta variação, a árvore faz parte do conjunto de componentes da válvula direcionadora. Assim, a árvore de direção gira de acordo com o volante. Esse movimento é transmitido para a barra de torção e desta para o parafuso sem fim, este tenta deslocar a porca, que está engrenada com o setor. Sabendo que o setor está ligado a árvore de saída da caixa, o setor estará exposto a resistência das rodas ao movimento executado no volante. Essa resistência se opõe ao movimento de todos os componentes acima citados, que permanecem imóveis, exceto pela barra de torção. A barra de torção, ao tentar girar o parafuso sem fim, torce e gera uma defasagem de poucos graus entre o movimento da árvore de entrada e da barra de torção. Essa defasagem faz a árvore de entrada liberar os canais de óleo sobre pressão para um dos lados da caixa de direção. Entretanto, quando essa defasagem atinge um limite (que varia de acordo com o projeto da caixa) de cerca de 6 graus, o anel de encosto promove o contato da árvore de entrada com o parafuso sem fim, fazendo este girar solidariamente a aquele.

Assim, o óleo pressurizado, sai da válvula passa pela canaleta no parafuso sem fim e chega no respectivo lado da caixa no qual o volante foi girado. A carcaça da caixa com a superfície da porca forma uma câmara. O óleo empurra a porca. Quando o parafuso sem fim começa a girar, a porca já está sobre pressão do óleo, ou seja, o auxílio hidráulico já está ocorrendo. A porca se desloca pelo parafuso sem fim, pois este gira sem sair do lugar, e sua rosca sem fim faz a porca se deslocar. Entre ambos, esferas recirculantes reduzem o atrito e facilitam o movimento. Estas circulam por guias internas da porca, que as direcionam para a rosca do parafuso sem fim. A medida que a porca se desloca, transmite seu movimento para o setor, no qual está engrenada. O setor gira alguns graus transmitindo seu movimento para árvore de saída. Assim, o movimento da caixa é transmitido para as articulações de direção, e destas, para as rodas.

Volante reto ou mantendo um ângulo constante

A válvula direcionadora é do tipo centro aberto, ou seja, quando o volante está na posição reta, os dois canais encontram-se abertos, expondo as duas câmaras a pressão do óleo proveniente da bomba. Portanto, ao conduzir o veículo em linha reta, a válvula direcionadora está na posição central, nenhum auxílio hidráulico é obtido. O mesmo ocorre quando o veículo é conduzido por uma curva de raio constante ou alguma situação em que se mantém o volante constantemente girado. Entretanto, quando mantemos o volante virado, a barra de torção faz a válvula direcional retornar a sua posição de repouso, ou seja, com ambos os canais de óleo são abertos. Ao retornar o volante, ou gira-lo ainda mais, o auxílio hidráulico volta a agir.

Sem auxílio, em caso de falha do sistema

Quando alguma falha no sistema hidráulico ocorre, no caso desta ser falta de pressão da bomba, o óleo não irá circular pelas mangueiras. No momento em que a válvula direcional abre, o óleo não consegue alcançar a porca. Assim, o parafuso sem fim gira, o seu movimento é transmitido para a porca através das esferas recirculantes e a porca começa a se deslocar. Nesse momento, é gerado vácuo por detrás da porca fazendo com que uma válvula de recirculação abra e deixa ambos os lados da porca em contato. O vácuo gerado faz com que o óleo passe um lado para o outro facilitando o movimento da porca sobre o parafuso sem fim.

Absorção de vibrações

Em caixas de direção com auxílio hidráulico, a absorção de vibrações é auxiliada pela válvula direcionada da caixa de direção. Quando o veículos está em movimento, a vibração das rodas passa para a suspensão e chega a caixa de direção. Essa vibração tendem a oscilar os braços de direção, que reagindo na caixa, mais precisamente no setor. Essa oscilação passa para a porca e desta para o parafuso sem fim através das esferas recirculantes. Quando o sem fim começa a girar, a barra de torção faz a válvula direcionadora acompanhar esse giro, mas com a árvore de entrada permanecendo imóvel. Ocorre então, uma pequena defasagem entre a válvula direcionadora e árvore de entrada. Dessa forma, os canais formados pelos componentes da válvula, irão liberar a passagem de óleo para o lado a caixa de direção. Nesse caso, para o lado oposto ao da oscilação, fazendo com que óleo exerça uma contra-força na porca, reduzindo a oscilação, logo, absorvendo a vibração do conjunto.

Manutenção

A manutenção das caixas de direção do tipo setor possui algumas diferenças relativas ao tipo de caixa.

Caixa sem auxílio

Para que a caixa de direção com mecanismo sem fim e setor funcione com eficiência e longevidade, sua lubrificação deve ser adequada. Nesse tipo de caixa a lubrificação é realizada por um óleo ou graxa específica. Geralmente, na tampa da caixa há um orifício que permite a colocação ou troca do lubrificante. O óleo ou a graxa cobre todo o sem fim e os mancais deste.

A troca da óleo ocorre em casos nos quais a caixa deve ser aberta, estes são reparos e troca de componentes de desgaste, como juntas e retentores. Quando estes falham, a caixa apresenta vazamentos e o óleo começa a oxidar, devido ao contato com o ar, além de ficar contaminado com impurezas. Para caixas lubrificadas com graxas a sua troca segue o mesmo princípio para caixas com óleo. A graxa é geralmente colocada por meio de uma parafuso com válvula esfera, chamado graxeiro. Uma pequena bomba de mão coloca a graxa sobre pressão na caixa, mas com o cuidado de não extrapolar a quantidade de graxa suportada pela caixa. Uma vez excedida essa quantidade, a graxa passa a atrapalhar o movimento dos componentes internos, além de vazar pelas juntas, tanto no momento do abastecimento de graxa como no funcionamento da caixa.

Devido ao contato entre os dentes do setor e do parafuso sem fim ou da porca, ocorre o desgaste desses dentes, mesmo sobre lubrificação, com o tempo de funcionamento folgas começam a aparecer. Nesses caso, apenas o reparos dos componentes internos resolve o problema, e ainda assim, durante a montagem da caixa, a regulagem da folga deve ser realizada. A regulagem da folga é realizada por um pequeno parafuso na tampa da caixa de direção. Este encosta diretamente no parafuso sem fim impedindo qualquer folga deste.

Caixa com auxílio hidráulico

Em caixa com auxílio hidráulico frequentemente o óleo do sistema é verificado em revisões. Na prática, é um fluído que demorar a oxidar, visto que as condições de funcionamento da caixa de direção e do sistema de direção hidráulica em si, não são tão agressivas. Entretanto, para caixas de sistemas hidráulicos, valem os mesmos cuidados para caixas de sistemas puramente mecânicos. A atenção diferenciada é dada ao óleo, que não pode baixar de nível, o que denuncia um vazamento no sistema. Para a caixa de direção, um vazamento significa perda de pressão e até entrada de ar dentro da caixa, dessa forma o auxílio hidráulico fica comprometido. Além disso, a presença de ar no sistema oxida o óleo, que perde suas propriedades. O vazamento pode ocorrer por falhas nas juntas, vedadores e o-rings, a medida que este aumenta sua intensidade ruídos e chiados podem ocorrer devido a entrada de ar na caixa de direção. Outro sintoma é o esforço excessivo para virar o volante para um dos lados, devido a contaminação com e baixo nível de óleo, no momento que a válvula direcionadora abre, pouco óleo chega ao lado de pressão.

Referências

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• GENTA, Giancarlo, MORELLO, Lorenzo, The Automotive Chassis Volume 1 Components Design, Torino, Editora Springer, 2009. 633p;
• HEISSING, Bernd, ERSOY, Metin. Chassis Handbook – Fundamentals, Driving Dynamics, Components, Mechatronics, Perspectives, Germany, Vieweg+Teubner, 2011. 591p;
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• BOSCH, Robert, Manual de Tecnologia Automotiva. 25.ed. Edgard Blücher LTDA, 2004. 1231p;
• Apostila manutenção TRW;
• Livro do Automóvel, Seleções do Readers Digest, 1978.