Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, V Edición 2016, No. 4 (15)
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 5 Vol. 1 / 2016 (15) ISSN 1390 - 7395 (4/15)
Artículo Cientíco / Scientic Paper
- 33 -
CARRERA D.,MOLINA F.,ROCHA C., ZAMBRANO D.,SISTEMA DE DIRECCIÓN ASISTIDA HIDRÁULICAMENTE A LAS CUATRO RUEDAS EN
VEHÍCULOS AUTOMOTORES.
SISTEMA DE DIRECCIÓN ASISTIDA HIDRÁULICAMENTE A LAS CUATRO
RUEDAS EN VEHÍCULOS AUTOMOTORES
HIDRAULICALLY ASSISTED STEERING SISTEM FOR THE FOUR WHEELS ON
AUTOMOTIVE VEHICLES
Romel David Carrera Tapia
1
, Luis Fernando Molina Molina
2
, Juan Carlos Rocha Hoyos
3
, Victor Danilo Zambrano León
4
1,2,4
Universidad de Fuerzas Armadas ESPE – Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica, Quijano y Ordoñez y
Marques de Maenza s/n.
3
Universidad SEK del Ecuador
e – mail:
1
rdcarrera@espe.edu.ec,
2
lfmolina@espe.edu.ec,
3
jcrocha@uisek.edu.ec ,
4
vdzambrano@espe.edu.ec ,
RESUMEN
La investigación tiene como objetivo
disminuir el radio de giro del vehículo
Volkswagen Santana, mediante
la implementación del sistema de
dirección asistida hidráulicamente a las
ruedas posteriores, complementando
la orientación de las ruedas delanteras,
para proporcionar maniobrabilidad y
agilidad al paso por curva en zonas
concurridas u obstaculizadas, con
capacidad de cambio de dirección y
estabilidad, logrando que el viaje sea
seguro y satisfactorio. Se implementó el
sistema electrónico de reenvío de giro,
que es el encargado de transmitir el par
del volante de la dirección delantera,
hacia un motor de pasos ubicado en la
parte posterior del vehículo, al mismo
tiempo que esta señal electrónica hará
que las ruedas posteriores viren en
sentido opuesto a las ruedas delanteras
del vehículo, las señales electrónicas
son proporcionadas por un PLC que
recibirá información de sensores de
velocidad del vehículo y giro del volante
de la dirección. El motor eléctrico está
acoplado con la válvula distribuidora
del mecanismo de asistencia hidráulica
en el eje posterior, para direccionar las
ruedas posteriores.
Palabras clave
Dirección asistida, vehículo automotor, PLC,
estabilidad, hidráulica.
ABSTRACT
The research aims to reduce the
turning radius of the Volkswagen
Santana vehicle, by implementing the
hydraulically assisted steering system
to the rear wheels, complementing the
orientation of the front wheels, to provide
maneuverability and agility when
driving in crowded areas. Obstructed,
with capacity of change of direction
and stability, making the trip is safe
and satisfactory. The electronic turn-
over system was implemented, which is
responsible for transmitting the pair of
the steering wheel of the front direction,
towards a stepper motor located at the
rear of the vehicle, at the same time as
this electronic signal will cause the rear
wheels Turn in the opposite direction
to the front wheels of the vehicle, the
electronic signals are provided by a
PLC that will receive information from
vehicle speed sensors and turn the
steering wheel. The electric motor is
coupled with the distributor valve of the
hydraulic assist mechanism for the rear
axle to direct the rear wheels.
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Keywords
Power steering, automotive vehicle, plc,
stability, hydraulic.
1. INTRODUCCIÓN
En la ciudad de Latacunga existe el
problema de circulación de los vehículos
automotores debido a las dimensiones
angostas de sus calles por ello es factible
desarrollar un sistema automotriz que
permita mejorar la maniobrabilidad en
la conducción por las vías locales de la
ciudad.
Al realizar la implementación de un
sistema de dirección hidráulica integral
se proporciona un vehículo que permite
reducir los esfuerzos al conductor al
circular por las vías de la ciudad y
con esto garantizar un buen ujo de
circulación por esta por medio de un
control de dirección posterior realizada
a un vehículo Volkswagen Santana.
El sistema de dirección a las cuatro
ruedas disminuye los radios de giro de un
vehículo, al paso por curva en espacios
reducidos presentes en situaciones
donde se requiere de precisión de
la dirección y una gran destreza del
conductor, es posible la capacidad para
maniobrar en pequeños espacios y
posibilidad de efectuar aparcamientos
más sencillos.
2. METODOLOGÍA
SISTEMA MECÁNICO
Para plantear el diseño de la suspensión
posterior del vehículo prototipo, se
orienta hacia la abilidad, eciencia y
seguridad durante su funcionamiento.
Estos factores son de gran importancia
ya que ayudan a transmitir al conductor
conanza y control, que son valores
elementales para el buen desempeño
del sistema.
El resultado obtenido en la carga, como
se observa en la gura 1, sobre la fuerza
que actúa en el eje posterior del vehículo
prototipo es el valor que se ingresa en
el asesor de cargas del software de
simulación y que soporta la estructura
del semi-chasis posterior.
En la gura 2 se observa que la fuerza
aplicada es de 3086.22 Newtons
distribuidas en la estructura del semi-
chasis, para obtener un rendimiento
óptimo se parte del diseño de la
estructura para que pueda soportar
las cargas a las que se va a encontrar
sometida la misma. A través del software
de simulación se puede conocer las
características de la estructura del semi-
chasis posterior diseñada y del material
aplicado.
La tensión de Von Mises de la estructura
en el semi-chasis posterior bajo cargas
de fuerza sobre el eje posterior.
Se somete a la estructura del semichasis
a estudios estáticos mediante el software
solidworks.
Esfuerzo máximo: 94 Mpa.
Figura 1. Cargas aplicadas a la estructura del
semi-chasis posterior
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La simulación entrega como resultado
que la fuerza aplicada no supera la
resistencia de uencia del metal,
concluyendo que el material es apto
para su utilización. Cumple con la teoría
de Von Mises, objetando la abilidad del
material.
Fu
MPaMPa94 250
1
1
v
Desplazamientos resultantes en el
semichasis posterior
Sistema hidráulico circuito posterior.-
Es el encargado de proporcionar la
asistencia hidráulica a las ruedas del eje
posterior para lograr la estabilidad del
sistema.[2]
Cálculo de la bomba hidráulica de
asistencia para la dirección posterior. [3]
Área del pistón del cilindro hidráulico de
la dirección posterior.
,
:
()
.
()
*( .)
,,
Áó á
rcm
Donde
Area delpist ndel cilindro hidr ulico cm
rRadiodel pist ndel cilindro hidr ulico cm
Acm
Acmin
35
35
38 48 596
óá
2
2
22
r
=
=
=
=
==
Fuerza generada por la bomba del
circuito posterior.
Datos:
.P
A
F
Ec 2
=
:
.(/ )
()
,
ó
Donde
PPresi nlbf in
Area delpist nin
Presi ndelabom ba ba
rp
s
i
Dimetro cm
75 1080 4
7
Áó
ó
á
2
2
=
=
==
=
Para conocer la fuerza se despeja de la
ecuación 2, entonces:
,,
,
FPA
F
in
lb
in
Flbf
1080 4596
6444 706
2
2
$
$
=
=
=
Expresada la fuerza en Newtons se
tiene:
,FN28771 01
=
Esta fuerza es la que provee el
mecanismo de asistencia hidráulica al
sistema de dirección del vehículo, la cual
es la necesaria para vencer la carga del
eje posterior.
Ya que :
Es así que se debe disponer de una
bomba con las características indicadas
en la tabla 1:
Figura 2. Tensión de Von Mises aplicada a la
estructura posterior
Figura 3. Desplazamientos aplicados a la estructura
posterior
F
,.
ó
mecanism odireccin NN28771 01 3086 222
=
*.Ar Ec 1
2
r
=
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Características Valores
Presión de la bomba 75 Bar (1080.4Psi)
Caudal 2.4 Gpm
Revoluciones de la
bomba
1700 Rpm
Mecanismo de dirección hidráulica de
piñón y cremallera.
La fuerza que proporciona este
mecanismo al varillaje de la dirección, es
igual a la presión que provee la bomba
hidráulica por el área de la sección
transversal de su pistón hidráulico
Cálculo de las mangueras hidráulicas,
los datos sugeridos para evitar la
turbulencia en el ujo y pérdidas de
presión [2]
/
,(,* )/)/
Transformaci ndeGPM am s
QGPM ms GPM
24 6 309 10 1
ó
3
53
43
=
-
-
Donde:
D = Diámetro de tubería. (m)
A= Área de sección. (m
2
)
*.QAvEc4
=
Donde:
Q = Caudal. (m
3
/s)
A= Área de sección. (m
2
)
v = Velocidad sugerida (m/s)
Reemplazando se obtiene:
.
.Qv
D
Ec
4
5
2
r
=
Despejando el diámetro:
./ ..
(.,)/)/( .,
/)
,
Di Qv
Di ms
ms
Di m
4
4151 10 45
65410
43
3
#
#
r
r
=
=
=
-
-
Conversión del diámetro a pulgadas
,.(/,)
,/
Di minm
Di in
6541010 0254
02514
3
.
=
=
-
Figura 4. Circuito hidráulico posterior en
recirculación
SISTEMA ELECTRÓNICO PLC XINJE
Por su compatibilidad y bajo costo,
sin dejar a un lado las prestaciones
y benecios que proporciona, es un
dispositivo electrónico digital con una
memoria programable para guardar
instrucciones y llevar a cabo funciones
lógicas[3] de conguración, secuencia,
sincronización, conteo y funciones
aritméticas, necesarias para el control
de los actuadores instalados en el
prototipo, gura 5.
Tabla 1 Características bomba de presión para
dirección posterior.
,,
,
,
FPA
F
in
lb
in
Flbf
FN
1080 4596
6444 706
28771 01
2
2
$
$
=
=
=
=
.
.A
D
Ec
4
3
2
r
=
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Figura 5. PLC Xinje
SENSOR DEL VOLANTE DE LA
DIRECCIÓN
Cumple la función de sensar el ángulo
del volante de la dirección. Por esta
razón se recurre a la selección de un
encoder incremental bidireccional que
tiene dos canales de salida A y B, que
permiten detectar el sentido de rotación
del eje, el canal B está desfasado en 90°
eléctricos respecto al canal A, gura 6.
Figura 6. Sensor del Volante
SENSOR DE VELOCIDAD
Se encarga de sensar la velocidad de
circulación del vehículo, la información
es necesaria para la desactivación del
sistema de asistencia a la dirección
posterior , es decir, que al llegar a una
velocidad de 60 Km/h el sensor informa
al PLC y este desactiva el funcionamiento
del motor a pasos, gura 7.
Figura 7. Sensor magnético para velocidad del
vehículo.
ELEMENTOS MECÁNICOS EN EL EJE
POSTERIOR.
La suspensión posterior de este tipo
independiente gura 8, permite un acople
seguro en el sistema implementado, las
medidas de los elementos corresponden
a las deseadas para la adaptación; por
la parte superior de la suspensión se
acopla con el chasis de tal manera que
no se hizo ningún tipo de ajuste y en la
parte inferior de la misma se procede a
la sujeción por medio de una mesa que
va anclada al nuevo semi-chasis [4].
Figura 8. Semi - chasis posterior
De esta forma se naliza la construcción
y adaptación de la estructura del semi-
chasis posterior y los elementos del
sistema de suspensión en el vehículo
prototipo, guras 8 y 9.
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Figura 9. Instalación de cañerías de uido
Se adapta en el eje posterior el
mecanismo de dirección hidráulica
de piñón y cremallera que esta jado
al semi-chasis, a través de dos bases
que se soldaron al mismo, sujetándolo
rmemente evitando cualquier tipo de
vibración[5].
Figura 10. Cilindro de dirección
En la gura 10 se presenta la forma en
que se sujeta el actuador que acciona el
sistema de dirección posterior sujeto al
semi-chasis. [6]
El actuador está localizado en la parte
posterior del vehículo en la cajuela,
de forma que coincide verticalmente
con la válvula rotativa del mecanismo
de dirección hidráulica de las ruedas
posteriores.
Figura 11. Fijación del actuador de la dirección
posterior
El sensor de ángulo del volante ubicado
sobre el eje de la columna de la dirección,
que en este caso es un tubo de hierro
de 1/2 pulgada, se instala un engranaje
que esta acoplado con otro ubicado en el
encoder, el cual envia la señal eléctrica
de posición del volante, es decir, hace
la función de sensor de ángulo de giro
para el control del actuador, gura 12.
Figura 12. Sensor de ángulo
Para el montaje del sensor inductivo se
realizó una base pequeña para ubicar al
contacto magnético jo, el mismo que
envia la señal mediante cables.
Se alinea entre el contacto jo y el
móvil para tener una buena señal. La
holgura de separación entre contactos
magnéticos es 10 mm para un perfecto
funcionamiento del sensor, se ajusta las
abrazaderas de plástico, se corta los
pedazos sobrantes, se procede a realizar
las conexiones respectivas, gura 13.
Figura 13. Ubicación del sensor de giro.
Una vez implementado en el vehículo
Volkswagen Santana el sistema de
dirección en el eje posterior se aprecia
en la gura 14 la disposición del mismo
a las cuatro ruedas.
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Figura 14. Vehículo prototipo implementado con el
sistema de dirección a las cuatro ruedas.
3. EXPERIMENTACIÓN Y
RESULTADOS
Se presenta la geometría de giro
implementada en el vehículo prototipo,
gura 15 en la cual se aprecia la reducción
del radio de giro, también la generación
de viraje de las ruedas posteriores, sus
ángulos opuestos a los ángulos de viraje
de la dirección delantera, así como
también las longitudes recorridas por
las ruedas del vehículo durante la curva.
Figura 15. Geometría del sistema de dirección a
las cuatro ruedas
El sistema de direccion posterior[6] fue
evaluado en varias pruebas, entre ellas
la prueba de parqueo como se ilustra en
la gura 16.
Figura 16. Parqueo con el sistema de dirección a las
cuatro ruedas.
De la misma forma se realiza pruebas [8]
en las calles de la ciudad de Latacunga
observando el óptimo rendimiento
del sistema de dirección posterior
especialmente en las curvas cerradas
de las vías angostas, gura 17.
Figura 17. Curva con el sistema de dirección a las
cuatro ruedas
En la tabla 2 y 3 se aprecia los valores
obtenidos al efectuar las pruebas de
conducción activado y desactivado
el sistema de dirección a las ruedas
posteriores del vehículo prototipo, con
réplicas realizadas por 3 veces en las
diferentes curvas expresadas.
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Tabla 2. Pruebas realizadas sin la dirección de las
ruedas posteriores
ÁNGULO DE GIRO DEL VOLANTE DE LA
DIRECCIÓN
Curvas
Prueba
1 (°)
Prueba
2 (°)
Prueba
3 (°)
Promedio
(°)
C1 535 546 539 540
C13 320 318 308 315
C14 627 629 634 630
Tabla 3. Pruebas realizadas activadas el 4ws
Diámetro de giro del vehículo prototipo
Tipo
dirección
Dimensión Reducción
%
Reducción
2WS 11115 mm
2350mm 2114%
4WS 8800 mm
En la tabla 4 se evidencia los resultados
obtenidos en cada prueba con el sistema
4ws activado y desactivado, que
proporciona los resultados deseados
dejando ver la abilidad y eciencia de la
investigación, en cuanto a la reducción
el radio de giro se disminuye en un
21% sobrepasando las expectativas y
logrando así el objetivo deseado. [9]
Tabla 4. Reducción del diámetro de giro
ÁNGULO DE GIRO DEL VOLANTE DE LA
DIRECCIÓN
Curvas
Prueba
1 (°)
Prueba
2 (°)
Prueba
3 (°)
Promedio
(°)
C1 395 408 398 400
C13 248.5 249.5 252 250
C14 455 450 445 450
4. CONCLUSIONES
• Se implementó el sistema de
dirección asistida hidráulicamente a
las ruedas posteriores de un vehículo
automotor, para lograr reducir el radio
de giro del vehículo, proporcionar
mayor maniobrabilidad por falta de
espacio.
• Se optimizó el sistema de dirección
del vehículo prototipo en diferentes
situaciones y condiciones de
conducción, mediante la reducción
del radio de giro, en 21% lograda
gracias al viraje de las ruedas
posteriores en sentido contrario y en
relación transmisión de viraje de 2:1
con respecto a las ruedas delanteras,
para obtener mejor maniobrabilidad,
agilidad, precisión y seguridad.
• Se obtiene un gran porcentaje de
reducción en cuanto al giro del volante
de la dirección, llegando a disminuir
en un 26% al realizar un viraje en una
curva angosta, un 21% en una curva
normal, y un 29% al realizar un giro
en U a 180°, que es el resultado de
la aplicación del sistema de dirección
en el eje posterior en sentido opuesto
al viraje de las ruedas delanteras.
• Como mayor aporte del sistema de
dirección posterior, se tiene que
el diámetro de giro del vehículo se
reduce en 21%, pasando de 11,15
m a 8,80 m, conseguido gracias a la
conguración de viraje opuesto de las
ruedas posteriores con relación a las
ruedas delanteras, esto signica que
entre mayor es el ángulo de viraje de
las ruedas posteriores, menor es el
diámetro de giro del vehículo.
• Se consiguió incorporar en el sistema
electrónico que permita controlar
el funcionamiento del sistema de
dirección a las ruedas posteriores,
dependiendo de los requerimientos
del usuario: la velocidad de
desactivación del sistema es de 60
Km/h.
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5. REFERENCIAS
[1] Cengel, Y. &Cimbala J. (2011).
Mecánica de Fluidos.México : Mc
Graw Hill.
[2] Creus, N. E. (2011). Hidráulica.
México: Alfaomega.
[3] H.Kindler& M.Kynast (2005).Cálculos
técnicos para el automóvil.Mexico:
Reverte
[4] Mott, R. L. (2006). Mecánica de
Fluidos. México: Pearson Education.
[5] Mott, R. L. (2007). Diseño de
elementos de máquinas. México:
Pearson Education.
[6] Mott, R. L. (2006). Resistencia
de Materiales. México: Pearson
Education
[7] Selección y aplicación de motores
eléctricos WEG (13 de Julio de 2014)
obtenido de :
http://ecatalog.weg.net/les/wegnet/
WEG-selecci óny-aplicacion-de-
motores-electricos-articulo-tecnico-
espanol.pdf
[8] Sistema de dirección a las 4 ruedas
(25 de Julio de 2014)obtenido de :
http://www.acionadosalamecanica.
net/4ws-direccion-4-ruedas.htm
[9] Cuatro ruedas directrices. (04 de
agosto de 2014) obtenido de:
http://cuatro-ruedas.blogspot.
com/2011/07/4-ruedas-directrices.
html
6. BIOGRAFÍA
1
Romel Carrera Tapia
nació en Latacunga
Ecuador, es Ingeniero
Automotriz, Docente
Tiempo Completo, de
la Unidad de Gestión
de Tecnologías de la
Universidad de Fuerzas
Armadas ESPE –
Latacunga
2
Luis Molina, nació en
Latacunga Ecuador, es
Ingeniero Automotriz,
Docente Tiempo
Completo, de la
Unidad de Gestión
de Tecnologías de la
Universidad de Fuerzas
Armadas ESPE –
Latacunga.
3
Juan Carlos Rocha,
nació en, Quito Ecuador,
es Ingeniero Automotriz,
dispone Posgrado en
Sistemas Automotrices,
Autotrónica, Docencia
Universitaria, Docente
en la Universidad
Internacional SEK.
Imparte servicios de
asesoramiento y capacitación en
mecánica automotriz.
4
Danilo Zambrano León
Nació en la ciudad
de Quito, Ecuador.
Ingeniero Automotriz,
Magíster Sistemas
Automotrices, Magíster
en Gestión de la
Producción, Diplomado
en Autotrónica, Docente
tiempo completo en la
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Universidad de Fuerzas Armadas ESPE –
Latacunga.
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 27 junio 2016
Fecha aceptación 12 diciembre 2016
CARRERA D.,MOLINA F.,ROCHA C., ZAMBRANO D.,SISTEMA DE DIRECCIÓN ASISTIDA HIDRÁULICAMENTE A LAS CUATRO RUEDAS EN
VEHÍCULOS AUTOMOTORES.