SENAI – HORTOTEC / CA

CURSO APREND. INDUSTRIAL - MECÂNICA DE AUTOMÓVEIS

TRABALHO AVALIATIVO – SUSPENÇÃO E DIREÇÃO

SISTEMAS DE DIREÇÃO

Manoela Tarcila Martins Rosa

BELO HORIZONTE2010

INTRODUÇÃOPara condução de um veículo faz-se necessário o uso do volante para

alteração de trajetória durante um percurso, onde as rodas dianteiras se movem para a direção pretendida e as rodas traseiras seguem o trajeto das mesmas. Caso o volante fosse diretamente ligado às rodas, o condutor não teria força suficiente para comandá-las ou até mesmo manter a estabilidade da direção. Para uma direção mais segura que exige menor esforço e oferece maior conforto ao condutor, é utilizado o sistema de direção que pode ter acionamento mecânico ou servo-assistido (direção hidráulica, eletro-hidráulica e elétrica).

O objetivo do sistema de direção é transmitir o movimento do volante através de um conjunto de peças articuladas para as rodas e possibilitar o alinhamento destas com o veículo após descreverem uma curva, garantindo a dirigibilidade do automóvel. O sistema trabalha também em conjunto com a suspensão, de modo a não transmitir ao condutor os efeitos da irregularidade da pista, embora lhe proporcione certa sensibilidade a estes efeitos. O conjunto que o constitui compõe-se basicamente de volante, coluna de direção, árvore de direção, caixa de direção, barras de direção e braços de direção.

Figura 1. Sistema de direção e suspensão completo

O comando de direção dado pelo do volante é transmitido para caixa de direção através árvore de direção, que é uma haste cilíndrica de aço ou um conjunto de hastes menores articuladas entre si. A coluna de direção aloja a árvore de direção e a apóia, podendo ser constituída de modo a ceder ou deformar em caso de colisão frontal, evitando assim que o condutor seja prensado contra o banco pelo volante. A caixa de direção é uma carcaça metálica, contendo um conjunto de peças responsáveis por transformar o movimento de rotação do volante em movimento de translação, transferindo-o para as rodas através dos braços e barras de direção, que constituem as articulações da direção.

Serão aqui apresentados os sistemas de direção existentes no mercado automotivo atualmente. Tem-se como objetivo a descrição do seu funcionamento e de seus componentes, visando a compreensão do sistema como um todo e da sua atuação diante da necessidade direcional identificada pelo condutor.

DIREÇÃO MECÂNICANo funcionamento da direção mecânica a caixa de direção atua como redutor

direto dos esforços efetuados no volante, auxiliando o condutor a dirigir as rodas sem empregar demasiado esforço. Mas por se tratar de um sistema totalmente mecânico, quando comparado aos demais sistemas de direção existentes ele acarreta um esforço maior e possui uma relação de transmissão mais alta. A relação

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de transmissão é a relação entre o giro do volante (em graus) e a angulação projetada pelas rodas. Por exemplo, se o giro completo do volante (360°) resultar no esterçamento (ângulo de deslizamento projetado pela roda) de 20°, esta relação será de 18:1 (360°:20°). Portanto a relação de transmissão esta diretamente relacionada ao esforço que será exercido pelo condutor.

Na direção mecânica são empregados basicamente três tipos de caixa de direção: com setor e rosca sem fim, com rosca sem fim e esferas recirculantes e com pinhão e cremalheira.

Figura 2. Direção com setor e rosca sem fim (esq.) Figura 3. Direção com pinhão e cremalheira (dir.)

Figura 4. Caixa de direção rosca sem fim e esferas recirculantes

A caixa de direção com setor e rosca sem-fim é composta por um eixo de entrada, onde o volante é acoplado, que possui uma rosca sem-fim que fica engrenada no setor de direção (rolete) que pertence ao eixo de saída (conforme figura 5). A rosca sem-fim tem diâmetro maior nas extremidades do que no centro permitindo ao setor ajustagem em toda a sua movimentação e o setor pode apresentar forma cônica ou dentada.

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Figura 5. Vista em corte de mecanismo rolete e sem-fim

Com a rotação do volante a rosca sem-fim recebe este movimento e o transmite para o setor ocasionando um deslocamento angular, a este está acoplado um braço de direção (“Pitman”) que o acompanha. O braço de direção por sua vez transmite este movimento para as mangas de eixo (ligadas às rodas) através dos barramentos de direção acoplados a ele na sua extremidade.

Figura 6. Caixa de direção com setor (rolete) e rosca sem fim

A caixa de direção com rosca sem-fim e esferas recirculantes tem o mesmo princípio de funcionamento da citada anteriormente. Neste mecanismo o volante se conecta através de uma haste com rosca sem-fim a um bloco de metal (cremalheira de esferas) com furo rosqueado. Na parte externa do mesmo existem dentes de engrenagem aos quais se acoplam no setor de engrenagem que movimenta o braço de direção. O giro do volante é transmitido à rosca sem-fim que desloca a cremalheira movimentando o braço de direção.

Figura 7. Esquema de funcionamento de direção mecânica

A rosca sem-fim não faz contato direto com a rosca da cremalheira, devido ao alojamento de esferas em todos os filetes, que recirculam através da engrenagem enquanto ela se movimenta. As esferas atuam na redução do atrito e do desgaste da engrenagem e também reduzem a folga de engrenamento.

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Braço de acionamento (Pitman)

Figura 8. Mecanismo de direção com sem-fim e esferas recirculantes

Na caixa de direção com pinhão e cremalheira a articulação que gira as rodas é ligeiramente diferente das apresentadas anteriormente. Trata-se de um mecanismo muito simples, com poucos componentes, o que representa menor custo. Na extremidade da árvore de direção está montado um pinhão engrenado a cremalheira, a rotação do volante resulta no mesmo movimento de rotação do pinhão que é transformado em movimento de translação da cremalheira (haste linear dentada).

Figura 9. Corte ilustrando o engrenamento pinhão e cremalheira

A cremalheira é a parte central da caixa de direção, tendo em cada extremidade barras laterais bi articuladas (barras de direção) que promovem sua união às mangas de eixo. O acionamento do volante gira o pinhão que obriga a cremalheira a deslocar-se, comandando as barras de direção, assim o movimento linear da cremalheira é transformado em movimentos angulares das rodas.

Figura 10. Ilustração do princípio de funcionamento do mecanismo de pinhão e cremalheira

DIREÇÃO HIDRÁULICA

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A direção hidráulica deixou de ser um acessório de luxo e se tornou um equipamento necessário e comum, reduzindo o esforço (projetado para auxiliar de 70% a 80% no esforço exercido pelo condutor) e proporcionando maior precisão durante as manobras. Este sistema reduz consideravelmente o giro do volante (relação de transmissão) e o tempo necessário para manobras tornando a direção mais segura em situações críticas.

O HPS (Hydraulic Power Steering) é um sistema de direção servo-assistido que conta com a assistência de fluído sobre pressão para auxiliar no deslocamento dos componentes de direção ligados às rodas. O sistema é constituído basicamente de mecanismo de direção, bomba hidráulica, reservatório de óleo e tubulações de alta e baixa pressão onde circula o fluído.

Figura 11. Ilustração do sistema hidráulico de direção

A bomba hidráulica é acionada pelo motor do veículo por meio de polia e correia, como seu funcionamento é constante ocorre desperdício de potência que representa maior consumo de combustível. O reservatório hidráulico pode ser remoto ou acoplado a bomba, caso ele se encontre afastado da mesma, necessita de mangueira (tubulação) de alimentação. As tubulações que compõe o sistema são a de alimentação (quando se trata de reservatório remoto), a de pressão que conduz o fluido pressurizado da bomba para o mecanismo de direção e a de retorno, responsável pela condução do fluído do mecanismo para o reservatório.

Figura 12. Bomba hidráulica

O acionamento da bomba hidráulica ocorre quando o motor entra em funcionamento, ela contém um conjunto de palhetas retráteis que giram no interior de uma câmara oval. À medida que as palhetas se movimentam, elas aspiram o fluido sob baixa pressão da linha de retorno e o forçam para a saída sob alta

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Válvula de

pressão, uma válvula de alívio de pressão assegura que a pressão do sistema não se eleve em excesso.

Figura 13. Esquematização do funcionamento da bomba hidráulica

Como o sistema deve fornecer assitência somente quando houver força exercida sobre o volante, ocorre um monitoramento por meio de um dispositivo chamado válvula de rotação, acoplada a uma barra de torção que está conectada ao volante. Ela é a responsável pela função de resposta das entradas geradas pelo condutor e saída nas rodas, de forma que o esterçamento dependerá do torque aplicado no volante. Quando o sistema está em repouso, o fluído passa através de dois orifícios de comunicação com o mecanismo de direção aplicando pressão igual aos dois lados de um pistão contido num cilindro ligado a este mecanismo. O giro do volante aciona a válvula de rotação que provoca a abertura de um orifício e bloqueio do outro, assim a pessão será exercida em apenas um dos lados do pistão, levando o mecanismo de direção a orientar as rodas na direção desejada. A construção do sistema pode ser do tipo integral (esferas recirculantes), pinhão e cremalheira e booster (cilindro auxiliar).

Figura 14. Sistema de direção em repouso

Figura 15. Acionamento do sistema de direção

Apesar de ser largamente utilizado, este sistema ainda apresenta algumas ineficiências. A vazão fornecida pela bomba está diretamente ligada ao funcionamento do motor, que faz com que a bomba libere mais ou menos fluído conforme a sua rotação, este fluxo torna a direção mais rígida ou mais leve. Quando o motor trabalha em rotações mais elevadas a bomba libera mais fluído do que o necessário para o acionamento do sistema, tendo como conseqüência uma direção mais mole à medida que o veículo ganha velocidade. Alguns veículos contam com a direção hidráulica progressiva, um mecanismo que torna a direção mais rígida proporcionalmente ao aumento da velocidade. Neste sistema eletrônico a centralina recebe a informação da velocidade através de sensores e comanda a abertura ou fechamento da válvula que controla a vazão do fluído pelo sistema, mantendo a direção sempre estável e mais segura. Em caso de avaria do sistema o veículo poderá ser conduzido mecanicamente, porém exigindo maior esforço, pois o

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mecanismo de direção hidráulico tem menor relação de redução que o mecânico e o fluído do circuito oferece certa resistência à movimentação do volante.

DIREÇÃO ELETRO-HIDRÁULICA O EHSP (Electric Hydraulic Power Steering) possui o mesmo princípio de

funcionamento do sistema de direção hidráulica convencional, a diferença está no acionamento da bomba hidráulica que é realizado por meio de um motor elétrico de corrente contínua, controlado eletronicamente. O sistema de direção eletro-hidráulica visa minimizar o consumo de energia do veículo e proporcionar uma

melhor dirigibilidade ao condutor e

possui uma independência funcional por não estar acoplada ao motor.Figura 16. Sistema de direção eletro-hidráulico

O sistema inicia a sua operação após receber da ECU um sinal de ignição e um sinal do alternador do veículo. O controle é feito por velocidade e consumo da corrente elétrica, em resposta ao torque aplicado no volante que provoca o fechamento do conjunto pinhão e válvula rotativa do mecanismo. Esta ação causa um aumento no torque do eixo da bomba hidráulica que é movida pelo motor elétrico. A redução dos esforços é obtida por meio do direcionamento do fluxo na válvula rotativa, sempre para o lado oposto ao movimento da cremalheira.

Algumas das vantagens apresentadas pelo sistema são o baixo consumo de potência do motor e a facilidade da partida do motor, pela possibilidade de manter a bomba hidráulica desligada durante este período. A classificação deste sistema também é dada como progressiva.

DIREÇÃO ELÉTRICAO EPS (Electric Power Steering) é um sistema totalmente elétrico

(independente do motor) que apresenta melhor eficiência na utilização do espaço do compartimento do motor, maior flexibilidade de projeto e maior economia de combustível, graças à redução das perdas de potência do motor. Este sistema elimina a utilização de bombas e mangueiras e é considerado dentre os sistemas de direção, o que apresenta operação menos danosa ao meio ambiente (devido à inexistência de fluído hidráulico).

1. Velocímetro eletrônico do sistema

2. Unidade eletrônica de controle (ECU)

3. Transdutor eletro-hidráulico

4. Mecanismo de direção eletro-assistido

5. Bomba da direção

6. Reservatório

7. Mangueira expansível anti-vibração

8. Coluna de direção ajustável manualmente

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Volante de direção

Este sistema pode ser subdividido em 3 famílias: a da coluna de direção elétrica (Column Drive), a da cremalheira elétrica (Rack Drive) e a do pinhão elétrico (Pinion Drive). Ele é composto por um atuador elétrico formado por um motor elétrico acoplado ao sem-fim engrenado a uma cora solidária ao eixo da coluna de direção. São aplicados sensores visando medir o torque e posição da coluna, como também sensores para medir as condições internas do sistema. A unidade de controle eletrônico (ECU) tem a função de processar os sinais dos sensores, calcular a assistência de acordo com os sinais dos sensores e o status do veículo e controlar o motor.

Figura 18. Sistema de direção Column Drive (esq.), Rack Drive (ao centro) e Pinion Drive (dir.)

Os sensores detectam o movimento e a força aplicada à coluna de direção e enviam estes dados à ECU. Esta aciona um motor elétrico, que aplica a potência necessária para tornar o volante mais leve ou mais rígido de acordo com as condições de condução. Nos sistemas progressivos, a atuação varia de acordo com a velocidade do veículo. Em manobras de estacionamento, por exemplo, o motor elétrico atua mais intensamente, já quando o automóvel trafega em velocidades mais elevadas o motor fornece menor assistência.

A ampliação do conceito de energia limpa e a tendência de que no futuro os veículos serão movidos a energia elétrica, deram margem ao desenvolvimento deste sistema. Mas já existem protótipos de um novo sistema que não utilizaria ligação mecânica entre o volante e as rodas conhecido como Steering by Wire - direção por fios.

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Coluna de direção

Caixa de direção

Motor elétrico

Figura 17. Ilustração do EPS

Figura 19. Ilustração de protótipo equipado com Steering by

CONCLUSÃOOs sistemas de direção existentes se diferem em um ponto comum a todos: o

funcionamento do mecanismo de direção. Os componentes que acionam as rodas após receberem o comando destes têm o mesmo esquema de funcionamento, e estes mecanismos sempre a mesma finalidade, que é o auxilio na condução e direção de um veículo. Seja por auxílio mecânico, hidráulico ou elétrico, se faz necessário que um sistema de direção promova a dirigibilidade e estabilidade na direção. A evolução do sistema de direção ocorreu não só para proporcionar maior conforto ao condutor, o propósito é se obter um sistema cada vez mais eficaz e seguro.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS[1] A Bíblia do Carro_COSTA, Paulo G. (pág. 197 a 207)

[2] Apostila SENAI-MG _ Mecânica automobilística I e II – Suspensão e direção (pág. 37 a 45, pág. 80)

[3] http://coysdenver.com/images/service/steering.jpg

[4] http://dhldirecoes.com.br/SERVICOSDIRECAO.htm

[5] http://g1.globo.com/Noticias/Carros/0,,MUL1012160-9658,00.html

[6] http://odia.terra.com.br/portal/automania/acessorios/html/2010/8/a_direcao_na_eletricidade_102538.html

[7] http://pt.wikipedia.org/wiki/EPHS

[8] http://www.automotiva-poliusp.org.br/mest/banc/pdf/fernandes_marcelo.pdf

[9] http://www.bombasingetoras.com.br/direcao-hidraulica/

[10] http://www.cdtm.com.br/artigostecnicos_v.asp?Contador=49

[11] http://www.dana.com.br/Automotivo/SolucoesChassis/AcionamentosInteligentesSistemasDirecao.asp

[12] http://www.folhaderondonia.com.br/noticias/noticia.php?ID=3097

[13] http://www.infomotor.com.br/site/category/sistema-de-direcao/

[14] http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/artigos/51-automotivos/108-a-evolucao-da-direcao.html

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[15] http://www.nitroz.com.br/noticias/carros-da-nissan-terao-direcao-eletro-hidraulica-e-freios-inteligentes/

[16] http://www.r19club.com/How-to/comofunciona_direcao.php

[17] http://www.scribd.com/doc/9115606/CURSO-DHB

[18] http://www.sincopecas.org.br/materias/?COD=1077

[19] http://www.trw.com.br/treinamento/apostilas/Sistemas_Hidraulicos_Direcao.pdf

[20] http://www.tuning4girls.com.br/site/modules/xt_conteudo/index.php?id=37

[21] http://www.webmotors.com.br/wmpublicador/Colunista6_Conteudo.vxlpub?hnid=36789

[22] http://www.zf.com/media/media/img_1/brands_1/zf_parts/products_zf_parts/steering_gear_zf_parts/zf_servotronic/ZF_Servotronic_2.jpg

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