Como funciona a direção hidraulica

Você sabe que ao virar o volante do seu carro, as rodas mudam de direção. É só uma questão de causa e efeito, certo? Mas uma série de coisas interessantes acontecem entre o volante e os pneus para que isso ocorra.

Neste artigo, veremos como funcionam os dois sistemas de direção mais comuns dos carros: pinhão e cremalheira e esferas recirculantes. Em seguida, examinaremos a direção assistida descobrindo futuros desenvolvimentos interessantes nos sistemas de direção, resultantes, em sua maioria, da necessidade de reduzir o consumo de combustível dos carros. Mas primeiro veremos o que faz um carro mudar de direção. Não é tão simples quanto você imagina!

Mudando de direção

Você ficará surpreso ao saber que, ao virar o volante de seu carro, as rodas dianteiras não apontam na mesma direção.

Para um carro realizar uma curva suavemente, cada roda deve seguir um círculo diferente. Como a roda interna segue um círculo com raio menor, na verdade ela faz uma curva mais fechada do que a roda externa. Se você desenhar uma linha perpendicular a cada roda, as linhas irão se interceptar no ponto central da curva. A geometria dos elementos de transmissão de movimento da direção faz com que a roda interna esterce mais do que a roda externa.

Há tipos diferentes de mecanismos de direção. O mais comum são o tipo pinhão e cremalheira e a de esferas recirculantes.

Direção de pinhão e cremalheira

A direção de pinhão e cremalheira está se tornando rapidamente o tipo mais comum de direção nos carros, caminhonetes e utilitários esportivos. Ela é realmente um mecanismo bastante simples. Um conjunto de engrenagens de pinhão e cremalheira é encerrado em um tubo metálico, com cada extremidade da cremalheira saindo do tubo. Uma haste, chamada barra de direção, se conecta a cada extremidade da cremalheira.

O pinhão é fixado à árvore de direção. Quando você vira o volante, o pinhão gira e movimenta a cremalheira. A barra de direção em cada extremidade da cremalheira se conecta ao braço de direção na manga de eixo (veja o diagrama acima).

O conjunto de engrenagens de pinhão e cremalheira faz duas coisas:

• converte o movimento de rotação do volante de direção no movimento linear necessário para girar as rodas;
• proporciona uma redução por engrenagens, o que facilita virar as rodas.

Na maioria dos carros, são necessárias três ou quatro voltas completas do volante para fazer com que as rodas se movam de batente a batente (de totalmente à esquerda para totalmente à direita).

A relação de direção é a relação entre o tanto que você gira o volante e o tanto que as rodas giram. Por exemplo, se uma volta completa (360 graus) do volante resulta em um giro das rodas do carro em 20 graus, então a relação de direção corresponde a 360 dividido por 20, ou 18:1. Uma relação mais alta significa que você tem de girar o volante mais vezes para que as rodas girem um determinado número de graus. No entanto, será necessário um menor esforço por causa da relação de transmissão das engrenagens mais alta.

Geralmente, carros esportivos mais leves têm relações de direção mais baixas do que as de carros maiores e caminhões. A relação mais baixa proporciona uma resposta mais rápida (você não tem de girar tanto o volante para que as rodas girem um determinado número de graus), o que é desejável em carros esportivos. Esses carros menores são leves o suficiente para que o esforço requerido para girar o volante seja adequado, mesmo com relação de direção mais baixa.

Alguns carros têm direção de relação variável, que usa um conjunto de pinhão e cremalheira com dentes de passo (número de dentes por centímetro) diferente no centro e nas extremidades. Isso torna a resposta do carro mais rápida ao iniciar uma curva (a cremalheira está próxima ao centro) e também reduz o esforço necessário nas proximidades dos limites de esterçamento das rodas.

Direção hidráulica de pinhão e cremalheira

Quando pinhão e cremalheira se encontram em um sistema de direção assistida hidráulica, o desenho da cremalheira é um pouco diferente.

Parte da cremalheira contém um cilindro com um pistão na porção intermediária. O pistão está conectado à cremalheira. Há duas entradas de fluido, uma de cada lado do pistão. O fornecimento de fluido sob alta pressão força o movimento do pistão a um lado, o que por sua vez movimenta a cremalheira, proporcionando assistência hidráulica.

Vamos conferir neste artigo os componentes que fornecem fluido sob alta pressão, assim como aqueles que decidem para qual lado da cremalheira devem fornecê-lo. Primeiro, vamos dar uma olhada em outro tipo de direção.

Direção de esferas recirculantes

A direção de esferas recirculantes é usada em muitos caminhões e utilitários esportivos atualmente. A articulação que gira as rodas é ligeiramente diferente do sistema de pinhão e cremalheira.

O mecanismo de direção por esferas recirculantes contém uma engrenagem sem-fim. Você pode imaginar a engrenagem em duas partes. A primeira parte é um bloco de metal com furo rosqueado. Esse bloco possui dentes de engrenagem em seu lado externo, os quais se acoplam na engrenagem que movimenta o braço pitman (veja o diagrama acima). O volante de direção se conecta a uma haste com rosca similar a um parafuso que se encaixa no furo do bloco. Quando o volante gira, o sem-fim gira com ele. Em vez de girar e penetrar ainda mais no bloco, como faria um parafuso comum, este é mantido fixo de modo que, quando ele gira, move o bloco, o qual movimenta a engrenagem que gira as rodas.

Em vez de o parafuso fazer contato direto com a rosca no bloco, todos os filetes são preenchidos com esferas que recirculam através da engrenagem enquanto ela gira. Na verdade, as esferas atendem a duas finalidades: primeiro, elas reduzem o atrito e o desgaste da engrenagem, em segundo lugar, elas reduzem a folga de engrenamento. Essa folga seria sentida quando você mudasse a direção do volante. Sem as esferas, os dentes perderiam o contato uns com os outros por um momento, dando a impressão que o volante estivesse solto.

A direção assistida hidráulica em um sistema de esferas recirculantes funciona de modo similar ao sistema de pinhão e cremalheira. A assistência se dá através do fornecimento de fluido sob alta pressão a um lado do bloco.

Agora vamos dar uma olhada nos outros componentes que compõem um sistema de assistência de direção.

A assistência hidráulica

Há alguns componentes fundamentais da assistência de direção hidráulica, além do mecanismo de pinhão e cremalheira ou de esferas recirculantes.

Bomba

A energia hidráulica para a direção é fornecida por uma bomba rotativa de palhetas (veja o diagrama abaixo). Essa bomba é acionada pelo motor do carro por meio de uma polia e correia. Ela contém um conjunto de palhetas retráteis que giram no interior de uma câmara oval.

À medida que as palhetas giram, elas sugam o fluido hidráulico sob baixa pressão da linha de retorno e o forçam para a saída sob alta pressão. A vazão fornecida pela bomba depende da rotação do motor do carro. A bomba deve ser projetada para fornecer uma vazão adequada quando o motor estiver em marcha lenta. Como resultado, a bomba movimenta muito mais fluido do que o necessário quando o motor funciona em rotações mais elevadas.

A bomba contém uma válvula de alívio de pressão para assegurar que a pressão não se eleve em excesso, especialmente em altas rotações do motor quando muito fluido é bombeado.

Válvula rotativa

Um sistema de direção hidráulica deve fornecer assistência ao motorista somente quando ele exerce uma força sobre o volante (como quando inicia uma curva). Quando o motorista não faz força (como quando ele dirige em linha reta), o sistema não deve fornecer nenhuma assistência. O dispositivo que monitora a força exercida no volante de direção chama-se válvula rotativa.

O fundamental na válvula rotativa é a barra de torção. A barra de torção é uma fina haste metálica que se torce quando um torque é aplicado a ela. A parte superior da barra está conectada ao volante e a parte inferior é conectado ao pinhão ou à engrenagem sem-fim (que vira as rodas), de modo que a quantidade de torque que atua na barra de torção é igual à quantidade de torque que o motorista utiliza para virar as rodas. Quanto mais torque o motorista usa para girar as rodas, maior será a torção da barra.

A entrada a partir da árvore de direção forma a parte interna de um conjunto de válvula-carretel. Ela também se conecta à extremidade superior da barra de torção. A parte inferior da barra de torção se conecta à parte externa da válvula-carretel. A barra de torção também gira a saída da engrenagem de direção, se conectando ao pinhão ou a engrenagem sem-fim, dependendo do tipo de direção do carro.

À medida que a barra se torce, ela gira o interior da válvula-carretel em relação ao lado externo. Como a parte interna da válvula carretel também está conectada á arvore de direção (e portanto ao volante de direção), a quantidade de rotação entre as partes interna e externa da válvula-carretel depende de quanto torque o motorista aplica ao volante.

Quando o volante não está sendo virado, ambas as linhas hidráulicas fornecem a mesma quantidade de pressão à engrenagem da direção. Mas se a válvula-carretel é virada em um sentido ou outro, as passagens se abrem para fornecer fluido sob alta pressão à linha apropriada.

Acontece que esse tipo de sistema de direção assistida é bastante ineficiente. Vamos dar uma olhada em alguns avanços dos próximos anos que ajudarão a melhorar a eficiência.

O futuro da direção assistida

Como a bomba da direção assistida na maioria dos carros atuais funciona constantemente, bombeando fluido o tempo todo, ela desperdiça potência. Essa potência desperdiçada se traduz em desperdício de combustível.

Você verá diversas inovações que reduzirão o consumo de combustível. Uma das idéias mais legais na prancheta dos projetistas é o sistema “steer-by-wire” ou “drive-by-wire”. Esses sistemas eliminarão completamente a conexão mecânica entre o volante e a caixa de direção, substituindo-a por um sistema de controle puramente eletrônico. Essencialmente, o volante funcionaria como aquele que você utiliza para jogar em seu computador. Ele conteria diversos sensores que informariam ao carro o que o motorista está fazendo ao volante, e alguns motores elétricos embutidos proporcionariam o retorno de informações ao motorista sobre o que o carro está fazendo. A saída desses sensores seria usada para controlar um sistema de direção motorizado. Isso eliminaria a árvore de direção e livraria espaço no compartimento do motor, além de reduzir a vibração no interior do carro.

Nos últimos cinqüenta anos, os sistemas de direção dos carros não mudaram muito. Mas na próxima década, veremos avanços na direção dos carros que resultarão em carros mais eficientes e em rodar mais confortável.