Geometría de las ruedas directrices

Salvo raras excepciones la capacidad de hacer giros en un automóvil se consigue haciendo pivotar un cierto ángulo la(s) rueda(s) delantera(s) para adaptarse a las curvas del camino.
Esta necesidad presupone que la rueda estará montada en una suerte de "bisagra", tal como si fuera una puerta, y que esta rueda estará accionada por un mecanismo especial que responde a la voluntad del conductor.
Para el caso de la puerta, lo mas deseable es que el eje de la bisagra se coloque en posición vertical, con ello logramos que toda la puerta está también vertical y que mantenga esa posición en todo el ángulo de giro, evitando la tendencia a auto-moverse por su propio peso, como sería el caso de un montaje inclinado, o en otros casos, perder el paralelismo del borde inferior con el piso. A primera vista puede pensarse que estas mismas condiciones serían las deseables para las ruedas del coche, pero...... nada mas lejos de la realidad, en el coche, ni el eje de pivote, ni la rueda están verticales, incluso las dos ruedas de un mismo eje no son paralelas.
Al conjunto de cotas angulares de los pivotes y de las ruedas con respecto a la vertical, así como la falta de paralelismo entre las ruedas se les conoce como Geometría de la Dirección.

Cotas de la geometría de la dirección.

Las cotas angulares que determinan la geometría del sistema de dirección son:

Ángulo de salida
Ángulo de caída
Ángulo de avance
Convergencia de las ruedas

Veamos ahora qué son, y porqué son convenientes en el automóvil cada una de estas cotas.

Ángulo de salida.

Este ángulo, conocido en Inglés como King-pin Inclination, se muestra en la figura 1.

En ella se representa un corte transversal a la rueda montada en el vehículo, observe que la linea del pivote forma un ángulo B con respecto a la vertical, el que ha sido exagerado en el dibujo para facilitar la comprensión. Observe también que de esta forma, la prolongación del eje del pivote, pasará muy cerca de la prolongación de la linea vertical en el centro del área de contacto de la rueda con el suelo.
¿Qué ventajas trae esto consigo?
Pues bien, son principalmente dos:
Primera:
Al estar inclinado el eje de giro de la rueda, cuando ella abandona la posición de marcha recta al frente, tendría la tendencia a bajar, como no puede hacer esto, ya que lo impide el suelo, lo que se produce es un levantamiento del vehículo. No es difícil darse cuenta entonces, que el peso del vehículo está forzando constantemente la rueda a mantener la posición recta al frente, si se gira a un lado levanta el vehículo, si se gira al otro también, de manera que la posición mas estable es con las ruedas rectas al frente. Por lo que nuestra dirección adquiere la tendencia a auto-alinearse al frente haciéndose mas estable en marcha recta y además genera la recuperación de la marcha recta después de hacer un giro de manera automática sin esfuerzo del conductor.

Figura 1

Segunda:
Como la distancia entre la prolongación de la linea del pivote y la vertical que pasa por el centro del área de contacto de la rueda con el piso es muy pequeña, el esfuerzo necesario para realizar un giro se reduce considerablemente, ya que la rueda en realidad está girando "casi" sobre su centro de apoyo, favoreciendo además, la auto-recuperación de la marcha al frente por influencia del peso de coche.
Todo esto ha sido visto hasta aquí de manera estática, sin embargo en la realidad, el propio giro del coche produce la deformación de la "huella" del neumático al actuar en él las fuerzas centrífugas generadas por el giro, también esta "huella" se modifica por las fuerzas de frenado, las fuerzas de tracción (si además de directrices las ruedas son tractoras) la presión de inflado y la rigidez del neumático etc. por lo que la determinación del ángulo de salida, recomendado por el fabricante del coche, ha sido el resultado de pruebas de campo meticulosas y nunca debe cambiarse por el usuario del vehículo.

Ángulo de caída.

Si volvemos a la figura 1 podemos observar que la linea de simetría del neumático, representada por la linea de puntos, no coincide con la linea vertical, entre ellas hay un pequeño ángulo denominado como A en la figura. Esto es, la rueda está instalada en el vehículo con cierta inclinación respecto al plano horizontal del camino.
¿Porque se hace esto?
Por tres razones básicas:
Primera:
Cuando la rueda se inclina en la forma mostrada en la figura 1, es decir, con su parte superior mas hacia afuera, la propia carga que soporta la rueda produce un cierto empuje hacia adentro, hacia el cojinete mas interno de la mangueta, la rueda no tiende a salirse del coche, si no, todo lo contrario.
Segunda:
Otra ventaja del ángulo de caída es que reduce la fuerza de flexión que actúa sobre la mangueta al trasladar el punto de soporte de la carga mas hacia el interior de esta.
Apoyémonos en la figura 2 para entender.

Figura 1

En la figura 2 se muestran dos esquemas de montaje de la rueda, a la izquierda sin ángulo de caída, y a la derecha con él un tanto exagerado para facilitar la compresión.
Observe las lineas de las cargas, a la izquierda sin ángulo de caída, la distancia d que es el brazo de la palanca donde actúa el peso del vehículo es mayor que en el caso del dibujo de la derecha, con ángulo de caída. De este modo hemos acercado la linea de acción del peso del vehículo a la zona de empotramiento de la mangueta, reduciendo el brazo de palanca que tiende a flexionarla.
Este cambio permite utilizar manguetas con menores dimensiones, reduce considerablemente las cargas sobre los cojinetes de giro del pivote, y además se puede utilizar el cojinete de rueda exterior mas ligero que el interior. La mangueta entonces adquiere un perfil marcadamente cónico con su extremo exterior de mucho menor diámetro que el interior para el caso de las ruedas directrices que no sean motrices.

Figura 2

Tercera:
Para mejorar el drenaje del agua de las carreteras y calles cuando llueve, todas tienen un perfil abombado que induce al agua que cae, a circular hacia los bordes externos y así darle salida de la vía. De esta forma, el neumático no circula por una superficie plana, especialmente el de la rueda que se mueve por el borde del camino. Podemos suponer entonces, que una pequeña inclinación del neumático en el sentido de esta combadura favorece un mejor contacto con el perfil del pavimento y por tanto un desgaste mas parejo.

Ángulo de avance.

Nunca se ha puesto a pensar ¿Porqué los carritos de los supermercados son tan fáciles de guiar?, observemos el dibujo de la figura 3.

Figura 3

En la figura 3 se muestra una imagen de una rueda típica delantera de las usadas en los carritos de los mercados. En ella se pueden ver dos lineas trazadas; la linea marrón que corresponde al eje del pivote direccional del conjunto y la linea magenta que une el centro de pivote del conjunto, con el punto donde la rueda apoya en el suelo, lugar donde se genera la fuerza de resistencia al rodaje F (azul).
En la proyección sobre el piso, ambas lineas están separadas por la distancia d.
Supongamos ahora que queremos iniciar el movimiento del carrito, y que la dirección de rodaje de la rueda esté desviada de la dirección de este movimiento un cierto ángulo , la rueda está parcialmente atravesada al movimiento que hemos iniciado y con ello la distancia d. ¿Qué pasa entonces?
Como la dirección de rodaje no coincide con la dirección del movimiento, la rueda tendría la tendencia a rodar con cierto arrastre lateral, este arrastre lateral genera una gran fuerza F que actúa sobre la distancia d como brazo de palanca, y hace girar el conjunto hasta adquirir la dirección donde la fuerza de resistencia al movimiento sea la menor, es decir, con la dirección de rodaje coincidente con la dirección del movimiento. Nuestra rueda se auto-alínea y el empuje del carrito se hace fácil.

Este mismo efecto de auto-alineación en marcha recta se logra en las ruedas directrices del automóvil con el uso del ángulo de avance.

Observe la figura 3, en ella se ha representado esquemáticamente un rueda del automóvil con su pasador de pivote. Hay dos esquemas superpuestos, uno relleno, que representa la rueda con el pasador del pivote completamente vertical, y otro de lineas de puntos con el pasador inclinado formando el ángulo de avance (inclinación). Observe que la inclinación del pasador del pivote hace que la proyección de su eje corte el suelo adelantado a la vertical, y desplaza el punto de contacto de la rueda con el suelo hacia atrás una distancia d, tal y como se produce en el carrito del supermercado explicado anteriormente. Así, como en aquel caso, se produce el efecto de auto-alineación deseado con lo que se logra una estabilización notable de la marcha recta al frente del vehículo.

Figura 3

Convergencia de las ruedas

En la figura 4 se representa el esquema de montaje y direccional de las ruedas delanteras de un camión provisto de eje de carga rígido. La flecha magenta corresponde a la dirección de marcha al frente.
Observe en el dibujo, que la posición relativa de una rueda con respecto a la otra, se produce con el uso de una barra transversal conectada a unas palancas fijas a las manguetas a través de rótulas. De esta forma, cuando el mecanismo de dirección hace girar la rueda primaria, el movimiento de pivoteo se transfiere a la otra por la barra transversal.

Figura 4

Aunque a simple inspección podría suponerse que lo mejor es montar las dos ruedas directrices paralelas al eje longitudinal de vehículo para obtener un mejor rodaje, la práctica demuestra que no es así, que lo mas conveniente es instalar las ruedas de manera que formen un pequeño ángulo entre ellas conocido como convergencia.
La convergencia puede ser positiva, cuando las ruedas se cierran al frente, y negativa cuando se abren al frente. En el caso del dibujo presentado en la figura 4, que corresponde a las ruedas directrices, pero no motrices, la convergencia es positiva. Observe como la distancia A entre las lineas longitudinales centrales del neumático es menor que la B, correspondiente a la distancia entre las lineas longitudinales paralelas al vehículo. Las ruedas cierran al frente.
La convergencia en la práctica se mide en milímetros, y corresponde a la diferencia entre la distancia medida en el borde delantero de la llanta metálica de la rueda a la altura de la mangueta (C) y la distancia en el mismo punto en la parte trasera (D).
Para el caso de las ruedas que son al mismo tiempo motrices y directrices, lo mas común es que la convergencia sea negativa, esto es las ruedas abran al frente.
¿Porque la convergencia es conveniente?
Ya sabemos que cuando la rueda marcha, en el punto de contacto con el camino se genera cierta resistencia al movimiento, esta resistencia evidentemente tiene el efecto de producir la tendencia a la apertura de las ruedas por la parte delantera y en parte lo logra, debido a la elasticidad de las piezas metálicas que aseguran la rueda y a las holguras de las articulaciones, para compensar esta abertura en movimiento, las ruedas se dotan de cierta convergencia de montaje.
Para el caso de las ruedas que son motrices al mismo tiempo de directrices, como son las que generan el empuje su tendencia es contraria, es decir, tienden a cerrarse por el frente, por eso se montan con convergencia negativa.
Con el uso, y el desgaste normal de las articulaciones pivotantes de la suspensión y de giro de la rueda, especialmente en la suspensión independiente, todas estas cotas de la dirección se van alterando, y con ello se pueden empezar a notar problemas de estabilidad en la dirección o de desgaste irregular de los neumáticos, en tal caso, debe llevarse el coche a un taller especializado para revisar y corregir cualquier alteración.