O sistema de direção dos automóveis com motor de combustão interna

O controle do automóvel é possível através de três comandos básicos, o acelerador, o freio e a direção. Os dois primeiros agem no motor e nas rodas, produzindo forças necessárias para deslocar ou para o veículo. Uma vez que se consegue fazer os veículo se movimento, é necessário aponta-los para uma direção. A partir desta necessidade surgiu o sistema de direção, que era basicamente um pivô no centro do eixo dianteiro. Isso possibilitava o giro do eixo em torno desse pivô, mudando a direção das rodas. Embora esse sistema tenha possibilitado o controle dos “automóveis” daquele período, quando os veículos deixaram de ser carruagens motorizadas para se tornarem automóveis propriamente ditos, tornou-se necessário um sistema de direção bem definido.

O princípio de Ackerman

A primeira mudança do sistema de direção para que este fosse eficiente foi na sua geometria. O arranjo mecânico deixava de ser baseado em um pino ou pivô central, para funcionar a partir da geometria promovida pelo deslocamento espacial dos pontos de um paralelogramo. A geometria dos sistemas de direção atuais, conhecida por geometria Ackerman, é baseada em um paralelogramo. Neste dois lados tem comprimentos diferentes, enquanto que os outros dois lados estão dispostos inclinados em relação a vertical, mas possuem comprimentos iguais.

Neste mecanismo, o elo de maior comprimento tem liberdade para se deslocar linearmente para esquerda e para direita. Sempre que o elo maior transladar totalmente para um dos lados, o elo inclinado do lado para o qual o elo maior se deslocou, vai inclinar com um ângulo maior em comparação com elo do lado externo. Trazendo essa teoria para os sistemas de direção dos automóveis, os elos inclinados são os braços axiais da caixa de direção, e os elos maiores são as fixações da caixa de direção e o próprio chassi.  Dessa forma, a manga de eixo do lado para o qual o volante está sendo girado, vai esterçar mais a roda em relação a manga de eixo do lado externo a curva. Isso é uma necessidade devido a trajetória que as rodas dianteiras obedecem no momento em que o automóvel está contornando uma curva. As rodas externas percorrem um trajeto maior, sendo então necessário um menor esterçamento da roda dianteira externa. As rodas internas percorrem um caminho mais curto, dessa o esterçamento da roda dianteira interna deve ser maior.

Tipos

Os sistemas de direção dos automóveis possuem algumas variações quanto ao tipo de aplicação do automóvel. Além disso, existem as variações relacionadas a assistência de operação. Dessa forma, as variações de sistema de direção são, quanto ao tipo de caixa de direção:

  • Sistema de direção do tipo pinhão e cremalheira;
  • Sistema de direção do tipo setor e parafuso sem-fim;
  • Sistema de direção do tipo setor e parafuso sem-fim com esferas re-circulantes.

Quanto ao tipo de assistências, as variações são:

  • Sistema de direção mecânica;
  • Sistema de direção hidráulica;
  • Sistema de direção eletro-hidráulica;
  • Sistema de direção elétrica.

As variações dos sistemas de direção visam atendem as demandas necessárias para cada aplicação de veículos. Em veículos pesados, utilitários de médio e pequeno porte, em geral, são necessários sistemas robustos. Além disso, o chassi desses veículos, na maioria dos casos, ainda é o chassi de longarinas (leia mais). Essas condições permitem e necessitam de uma caixa de direção mais pesada e robusta, características obtidas com a caixa de direção do tipo setor e parafuso sem fim. Esse tipo de caixa não requer uma rigorosidade no alinhamento de seu alojamento no chassi, e por sua construção, é capaz de esterçar rodas pesadas e em condições de carga severa, motivo pelo qual é bastante utilizada nas categorias de veículos citadas acima. Atualmente, a maioria delas vem com assistência hidráulica devido a grande força de acionamento necessária. Apesar disso, as versões mais antigas são projetadas com relações de redução adequadas. Os veículos com sistema de direção do tipo pinhão e cremalheira possuem, obrigatoriamente, chassi do tipo monobloco (leia mais). Nesse tipo de chassi o controle dimensional é muito mais preciso e as variações devido a torção do chassi é mais controlada. Dessa forma, é possível utilizar a caixa de direção do tipo pinhão e cremalheira, que é mais leve e ocupa menos espaço. Assim, é mais fácil o compartilhamento do espaço ocupado pelos sistemas do automóvel (package). Entretanto, a caixa de direção pinhão e cremalheira requer o perfeito alinhamento dos seus pontos de fixação. Dessa forma, é inadequada para chassis e carroceira não unidos. A assistência para esse tipo de caixa é praticamente mandatória, o que torna sistemas sem direção hidráulica cada vez menos oferecidos.

Componentes

Os componentes básicos do sistema de direção podem variar de acordo com o tipo, mas em geral são:

  • Caixa de direção;
  • Coluna de direção;
  • Volante de direção;

Caixa de direção

A caixa de direção é, basicamente, uma caixa de engrenagens. Sua principal função e converter o movimento circular do volante de direção em movimento circular das rodas dianteiras. Os métodos pelos quais a caixa se utiliza para tal função, em geral, compreende a uma relação de engrenagens adequada à um esforço confortável por parte do motorista. A caixa de direção pode ser completamente mecânica, ou ter auxílio hidráulico. Neste último caso, um circuito hidráulico pressurizado produz as forças necessárias para deslocar a cremalheira ou setor. Em sistemas de direção hidráulicos são contabilizados componentes como bomba de óleo, mangueiras e válvula de alívio.

Coluna de direção

É componente que conecta o volante a caixa de direção. Apesar funcionar como meio transmissor dos movimentos do volante, a coluna de direção foi, por diversas vezes no passado, causa de ferimentos e obtidos em acidentes automobilísticos, uma vez que no momento de uma colisão, a mesma era empurrada e acertava o motorista. Atualmente, as colunas são projetadas com um junta universal (cardan), não apenas para sua articulação, mas também por segurança promovendo o dobramento ou o total rompimento da coluna. Em sistemas assistidos, é na coluna que se encontra a válvula direcional, que envia fluído hidráulico para o circuitos referente aos lados esquerdo e direito. Além disso, na coluna de direção estão os mecanismos de desligamento do comandos dos sinais de indicadores de posição (pisca).

Volante de direção

Crédito foto: https://www.carid.com/bi/steering-wheel.html

É componente de acionamento do sistema de direção, tem formato que promove a ergonomia na pegada. Em geral, possui de 340 a 380 mm de diâmetro. O volante é circular na maioria dos veículos de uso civil. Em geral, possui de 340 a 380 mm de diâmetro ou proporcional a força de acionamento do sistema de direção. Atualmente o volante é também utilizado como alojamento de comandos importantes, como troca de marchas, controle do painel e sistema de bordo.

Manutenção

Embora o sistema de direção seja seguro com relação a falhas, existem diversos pontos deste que estão expostos ao colapso e devem ser verificados periodicamente. O sistema tem diversos pontos de articulação e, quando provido de assistência hidráulica, há também a necessidade de verificar a integridade do sistema. Apesar disso, os componentes maiores, como a caixa e a coluna de direção são robustos e costumam não apresentar falhas significativas. Em geral estes componentes possuem kits de reparo que são utilizados por oficinas especializadas. Estes consistem de retentores, anéis de vedação, coifas e espaçadores que se desgastam com o uso. Pontos importantes estão nos braços axiais, nos quais os pivôs oxidam criando mais resistência ao acionamento. Em casos extremos, os pivôs se rompem e o sistema de deixa de esterçar as rodas. Em sistemas assistidos, o fluído hidráulico não requer substituições. Entretanto, com a falha de retentores o óleo fica exposto a umidade do ar e oxida, criando detritos e desgaste em regiões pontuais do sistema. Essa é uma das razões pelas quais não é interessante abrir o reservatório do óleo do sistema de direção aleatoriamente. Além disso, a avaliação do nível deve ser com o volante na posição reta para frente, em superfície plana e com o veículo desligado. A bomba de óleo tem vida útil longa, e são protegidas contra sobre pressão do sistema graças as válvulas de alívio.

Crédito

Foto de capa: https://innovationdiscoveries.space/steering-system-requirements-types-power-steer/