Análisis Técnico – Columna de dirección

La columna de dirección de un coche es un dispositivo destinado a conectar el volante con todo el mecanismo de dirección mediante la orden del conductor a través del volante, es decir, el giro que el conductor – en este caso el piloto – quiera transmitir por el volante.

La columna de dirección puede realizar otras funciones secundarias como:

• Disipar la energía en caso de colisión frontal.
• Montaje de: interruptor multifunción, bloqueo de la columna, cableado, la cubierta de la columna, selector de marchas, medidores u otros instrumentos como motores hidráulicos, así como las unidades motoras y engranajes hidráulicos o electromecánicos que se encuentra en la dirección asistida.
• Ajustar la altura/longitud adecuada para el asiento del piloto.

La columna de dirección consta de una carcasa plegable que contiene un eje de rotación plegable. Como medida de seguridad, la columna de dirección está diseñada para plegarse en caso de una colisión frontal. En este caso, ha de ser reemplazada al completo.

El eje de dirección es un componente de dos o más piezas situado dentro de la columna de dirección, apoyado en la parte superior y la parte inferior de la columna por cojinetes. Esta columna también puede tener componentes de la caja de cambios.

En coches de calle, la columna de dirección se emplea normalmente para instalar varios accesorios, entre los que destacan el interruptor de los intermitentes, los faros, el limpiaparabrisas, el botón de encendido del motor, que pueden estar sobre o en el interior de la columna de dirección.

Se ha de tener especial cuidado al remover la columna, ya que, previamente hay que remover todos estos componentes. No se ha dejar caer o apoyar, ya que esto puede producir que los elementos internos se desprendan colapsando parcialmente la columna.

El mecanismo es simple. Cuando el piloto gira el volante, la columna – que emplea un sistema de piñón cremallera – rota el engranaje sobre el eje dentado que se mueve lateralmente. Esto provoca que las barras de accionamiento se pongan en acción, moviendo las ruedas. La biela de unión se utiliza para unir el volante con la mangueta de la dirección.

Los tirantes de la dirección han de ser inspeccionados por exceso de movimiento, engrasándose debidamente y controlando cualquier tipo de desgaste. No se debe colapsar las rótulas de la barra de la dirección intentando comprimirlo a mano, ya que cualquier movimiento inapropiado de sus componentes puede desgastar o romper la columna.

La mayoría de los coches modernos instalan el sistema de piñón cremallera, mencionado con anterioridad. Este mecanismo consiste en que un piñón mueve el eje dentado – comúnmente conocido como cremallera – que es un engranaje lineal que encaja perfectamente con el piñón, convirtiendo el movimiento circular en movimiento linea a lo largo del eje transversal del coche, de lado a lado.

Este movimiento es aplicado con el par de dirección al punto central del eje de las ruedas a través de las bielas y una palanca de brazo corto llamado brazo de la dirección.

El diseño de piñón y cremallera tiene la ventaja de un alto grado de información sintiendo directamente la dirección, lo que también no aporta puntos negativos. Es por ello que es la primera opción para un diseñador, aunque la desventaja es que no es ajustable, de forma que el reemplazo es la única cura para el desgaste de este mecanismo.

Construida principalmente en fibra de carbono, acero de alta calidad, titanio y aluminio, está formada por dos tubos. Unidos por una junta de velocidad constante, haciendo seguro que las dos partes se mueven a la misma velocidad. También proporciona alta rigidez y baja fricción. Si hay demasiada fricción o poca rigidez afectará negativamente a la forma en que el piloto puede manejar el coche.

En Fórmula 1 y otras categorías, la columna cuenta con un dispositivo eléctrico que va conectado a la electrónica del volante y, a su vez, a la centralita electrónica a través de un haz de cables.

El extremo donde se monta el volante es de conexionado rápido, por lo que se puede sustituir el volante en caso de urgencia. La FIA estipula que el piloto de F1 debe ser capaz de salir del coche en cinco segundos, por lo que la desconexión rápida es muy importante.

Al final de la cremallera se utiliza una junta con estrias que une la válvula de la dirección con el piñón. La bomba de la dirección hidráulica proporciona la presión hidráulica utilizada en materia de dirección. La bomba de dirección asistida es accionada por un engranaje unido al cigüeñal. El engranaje de la bomba de dirección asistida hace girar un conjunto de aletas dentro de un anillo de bombeo situada en el interior de la bomba.

Esta presión se crea mediante la compresión de fluido entre las paletas y la superficie del anillo de la bomba. La salida de presión de la bomba se mantiene mediante una válvula de control de flujo que contiene una válvula que alivia la presión interna.

Se emplean dos tipos de bombas de dirección asistida, sumergidos y no sumergidos. Ambos son similares en funcionamiento, con la única diferencia en el tipo de depósito de líquido utilizado. La bomba sumergida contiene la bomba y el depósito de líquido en una unidad. Y la no sumergida incorpora el depósito de fluido a distancia de la bomba.

Sin la dirección asistida – que consiste en un sistema hidráulico de alta presión – el piloto tendría que trabajar el doble de duro para mover el volante.

En lugar de usar la dirección asistida, algunos coches de calle se sirven de un motor eléctrico que ayuda en la conducción, haciendo las veces de la dirección asistida común.

Los sistemas eléctricos son más eficientes que la dirección asistida hidráulica, ya que el motor eléctrico de dirección asistida sólo necesita proporcionar asistencia cuando el volante gira, mientras que la bomba hidráulica debe funcionar constantemente.

Este sistema se puede ajustar fácilmente al tipo de vehículo, la velocidad en carretera, e incluso las preferencias del conductor. Un beneficio adicional es la eliminación de los riesgos ambientales derivados por posibles fugas y eliminación de líquido de la dirección asistida hidráulica.

Otro de los requisitos impuestos por la FIA es el impacto del tubo de aluminio. Se realiza un test de impacto en el que se deja caer un peso en el extremo de la columna de dirección donde se mide la deceleración. El pico de deceleración ha de ser menor a 80G de fuerza en el impacto.

Por razones de seguridad, los coches de calle configuran una columna de dirección plegable que se rompe en caso de un choque frontal muy fuerte con el fin de evitar lesiones en el conductor. Una columna de dirección no plegable puede ser fatal en un choque frontal para un piloto. Las columnas de dirección plegables fueron inventadas por Béla Barényi.

La fabricación de una columna de dirección de un monoplaza de Fórmula 1 toma alrededor de 10 horas de fabricación. En un fin de semana de Gran Premio, una escudería tiene como 3 ó 4 piezas de repuesto a este componente. Inspeccionados a los 1500 kilómetros, se retiran de su uso a los 3000 kilómetros.

Un mantenimiento típico que aporta esta columna envuelve el desmontaje completo, seguido de una comprobación de las posibles fractures en las piezas críticas de seguridad. Reensamblado – con nuevas piezas donde sea neecsario – y finalmente probado en el banco de pruebas antes de ser puesto en pista.

Mezclando ligereza, rigidez y fiabilidad, la columna de dirección es un elemento que no se suele cambiar regularmente. Sin embargo, se suceden revisiones del boceto frecuentemente, originando un nuevo diseño si el chasis varía sustancialmente para adaptarse al nuevo diseño.

Especificaciones técnicas de una columna de dirección de Fórmula 1:

• Longitud: 950mm aproximadamente.
• Diámetro: 35mm aproximadamente.
• Material: fibra de carbono, titanio, acero y aluminio.

Normativa técnica de la FIA sobre la columna de dirección:

• 10.4 Volante:
  • 10.4.1 No se permite un sistema de dirección que reajuste más de dos ruedas.
  • 10.4.2 La dirección asistida no puede estar controlado electrónicamente. Ningún otro sistema debe reducir el esfuerzo realizado por el piloto que se necesita para mover el coche.
  • 10.4.3 El volante, La columna de dirección y cualquier pieza que forme parte de ellos ha de estar a una distancia igual al plano formado por el borde trasero de la llanta de la rueda de dirección. Todas las partes fijas al volante han de estar fabricadas de forma que minimicen el riesgo de lesiones en caso de contacto con la cabeza del piloto.
  • 10.4.4 El volante, la columna de dirección y la cremallera de dirección deberán pasar un test de choque, detallado el procedimiento en el Artículo 16.5.
• Pruebas de choque de la columna de dirección:
  • Las partes referidas en el Artículo 10.4.4 se instalarán en una estructura representativa de prueba; cualquier pieza que pudiera afectar materialmente al resultado del test, también deberá estar presente. La estructura de prueba ha de estar fijada solidamente al suelo con un objeto solido, de una masa de 8kg (+1%/-0) viajará a una velocidad no menos de 7m/s impactando contra dicho elemento.
  • El objeto empleado en este test deberá será semiesférico con un diámetro de 165mm (+/-1mm).
  • Durante el test, el centro de la semiesfera golpeará la estructura en el centro de la rueda de dirección a lo largo del mismo eje que la parte principal de la columna de dirección.
  • Durante la prueba, el objeto que impacta no debe girar en ningún eje y la estructura de la prueba puede estar apoyada de alguna manera siempre que ello no aumente la resistencia al impacto de las partes que se están probando.
  • La resistencia debe ser tan que el pico de impacto no debe exceder de 80G de deceleración por más de 3ms de tiempo acumulativo, midiéndose solamente en la dirección de impacto.
  • Tras el test, la deformación sustancial ha de estar en la columna de dirección, de forma que el volante siga funcionando con normalidad.

Fuente: formula1-dictionary, car bibles, google