Dirección asistida electrohidráulica: construcción y principio de funcionamiento

El diseño del sistema de dirección del automóvil mejoraba constantemente junto con el resto de sus componentes. A medida que aumentaban la velocidad y el peso de los automóviles, la cuestión de la dirección asistida cobró importancia, ya que los músculos del conductor ya no eran capaces de realizar las maniobras y aparcar.

El primer sistema de dirección asistida era hidráulico y funcionaba mediante un cigüeñal a través de una transmisión por correa. Todavía se utiliza hoy en día porque es fiable y eficiente, pero tiene importantes inconvenientes, siendo los principales la dependencia de la potencia de la bomba del régimen del motor y el consumo constante de energía para hacer girar la bomba hidráulica, incluso cuando el coche circula en línea recta. Se ha iniciado la evolución del servo asistido hidráulico.

Cómo se desarrolló la dirección asistida eléctrica

La etapa inicial del sistema hidráulico variable fue la válvula servotronic, que liberaba presión en la línea hidráulica cuando el coche se movía a alta velocidad. La dirección se volvió más flexible y sensible, pero esto solo resolvía la mitad del problema. Los sistemas de dirección asistida de diseño tradicional son muy difíciles de maniobrar, especialmente en el tráfico, cuando se requiere la máxima potencia, pero el motor suele funcionar a velocidad mínima. Los diseñadores tuvieron que diseñar la bomba para obtener la máxima potencia y drenar el exceso de fluido de trabajo a altas velocidades del eje del motor a través de un bypass.

Además, el servotronic no resolvió el principal problema del sistema hidráulico: las revoluciones constantes durante el funcionamiento del motor de combustión interna y los importantes inconvenientes que ello conlleva, tales como

• aumento del consumo de combustible y de las emisiones atmosféricas;
• desgaste más rápido de la bomba de la dirección asistida y reducción de la calidad del fluido;
• la presencia de una transmisión por correa y, por lo tanto, la fijación a un lugar de instalación específico;

Por lo tanto, a medida que aumentaba la potencia de los generadores de los automóviles y mejoraba la electrónica, se hizo posible equipar la bomba hidráulica con un motor eléctrico. Inicialmente, se trataba de motores de tipo colector. Estas bombas aún no podían cambiar su rendimiento, pero debido a la ausencia de una correa de transmisión, la unidad podía instalarse en cualquier lugar del compartimento del motor. El rendimiento de la bomba dejó de depender directamente de la velocidad del motor. Más tarde, se equiparon con un sistema de arranque suave y, posteriormente, con una unidad de control para el servofreno hidráulico con capacidades de diagnóstico. Dado que no había quejas sobre la parte de descarga de las bombas, que se caracteriza por su alta calidad y rendimiento, se mejoraron aún más las unidades mediante el desarrollo de motores de accionamiento eléctrico. Se introdujeron motores eléctricos sin escobillas de imanes permanentes (BLDC). A continuación, compararemos todos los tipos y clases de motores eléctricos.

Estructura y principio de funcionamiento de un amplificador electrohidráulico

El principio de funcionamiento del primero se ha mantenido prácticamente sin cambios con la llegada de los motores eléctricos y la electrónica que los controla. Al igual que antes, la rotación del volante del conductor se amplifica mediante la presión del fluido de trabajo, aunque ahora se crea mediante una bomba con un accionamiento eléctrico independiente del motor de combustión interna. Solo la carcasa del carrete giratorio tiene un sensor de dirección asistida que transmite datos sobre la velocidad de rotación del volante a la unidad de control electrónico para que pueda ajustar la velocidad de la bomba.

El sistema de dirección asistida hidráulica incluye:

• bomba
• regulador de presión del fluido de trabajo;
• depósito de expansión;
• válvula de control (carrete);
• cremallera de dirección (o caja de dirección) con un cilindro de potencia;
• mangueras de alta y baja presión.

Además, el sistema de dirección asistida puede incluir adicionalmente un filtro de fluido hidráulico y/o un enfriador.

Diseño de la bomba y principio de funcionamiento

El diseño de este dispositivo se puede dividir en dos partes:

• Hidráulico.
• Eléctrico.

En la mayoría de los automóviles, se combinan en una sola unidad. Esta consta de:

• módulo hidráulico con bomba de engranajes y válvula reductora;
• motor eléctrico;
• depósito para el fluido de trabajo;
• unidad de control de la dirección asistida;

La bomba está conectada al mecanismo de dirección mediante mangueras de drenaje especiales. Al igual que en un sistema hidráulico convencional, la línea de drenaje está conectada al depósito de ruptura. En el compartimento del motor, la bomba está fijada a un soporte, que normalmente se fija a la carrocería o al bastidor mediante elementos elásticos de goma.

Estructura de la parte hidráulica de una bomba de dirección asistida

Los componentes de bombeo de las bombas de dirección asistida se pueden dividir en tres tipos:

• caja de cambios
• pistón
• paleta

Las bombas más comunes instaladas en los automóviles modernos son las del primer tipo. La razón de ello es su diseño relativamente sencillo, su alta eficiencia y su rendimiento.

Los engranajes giratorios aspiran el fluido hacia el espacio entre los dientes y lo transfieren de la zona de baja presión a la de alta presión, forzándolo así a entrar en la red. Como prácticamente no hay espacio entre el cuerpo y los extremos de los dientes, se garantiza un buen sellado. Esto se complementa y refuerza en los laterales con placas o casquillos, que también actúan como cojinetes para los engranajes. La parte hidráulica de la bomba no requiere mantenimiento. La parte hidráulica de la bomba no requiere mantenimiento. Sus piezas se lubrican con fluido de trabajo durante el funcionamiento.

Parte eléctrica

Esto incluye los motores eléctricos que accionan la bomba y los componentes electrónicos que los controlan. Dependiendo del modelo de vehículo, el tipo de motor y otros factores, puede tratarse de una unidad de control, un microcontrolador o un relé. Hay varias formas de controlar los componentes electrónicos de la bomba:

• Inyectando corriente en el terminal (el tipo más sencillo).
• Controlando mediante una unidad de control.
• Control mediante modulación por ancho de pulso (PWM) basado en sensores de velocidad del motor y del vehículo.
• Control mediante modulación por ancho de pulso (PWM) basado en sensores de velocidad del motor y del vehículo.
• A través de la interfaz de diagnóstico K-line (utilizada en las primeras generaciones de unidades EHPC).
• El bus CAN es el método más moderno utilizado en las bombas tanto para el control como para el diagnóstico.

En los sistemas de dirección asistida eléctrica y electrohidráulica se utilizan dos tipos de motores eléctricos:

• motores con colector (escobillas);
• motores sin escobillas (BLDC);

Los motores con colector se instalaron anteriormente y tienen funciones limitadas. Sin embargo, no se pueden considerar inequívocamente inferiores, ya que cada uno de estos dos tipos de motor tiene sus ventajas y desventajas.

Motor con colector de escobillas

Ventajas:

• Facilidad de fabricación y mantenimiento.
• Facilidad de control de la velocidad.
• Fácil de usar.
• Bajo coste en comparación con el BLDC.
• Bajo coste en comparación con el BLDC.

Desventajas:

• Mantenimiento del conjunto colector de escobillas.
• Bajo par motor al arranque.
• Bajo par motor de arranque.
• Menor eficiencia.

Motor sin escobillas (BLDC)

Ventajas:

• Alta eficiencia y valores de par.
• Sin escobillas sujetas a fricción y desgaste.
• Alta fiabilidad y larga vida útil.
• Posibilidad de ajuste suave de la velocidad de rotación de la bomba.

Debilidades:

• Alto coste en comparación con los motores de escobillas debido al uso de imanes caros.
• Sistema de control electrónico más complejo.

Averías típicas de la dirección asistida electrohidráulica

Al igual que las piezas de la unidad de bombeo, las averías de la unidad se pueden dividir en mecánicas y eléctricas. Las más comunes del primer grupo son:

• fuga de fluido de trabajo debido a juntas rotas o daños en mangueras y tuberías de la línea principal;
• contaminación de la válvula reductora de presión;
• desgaste de los engranajes.

En el primer caso, las averías se pueden reconocer por las manchas de aceite debajo del coche y, en los demás casos, por una caída de la presión del sistema y un volante duro. Las averías eléctricas son más diversas. Estas son:

• desgaste o daños en las piezas del motor eléctrico: escobillas, bobinados, colector;
• mal funcionamiento de la electrónica: placa de control, transistores de efecto de campo;
• mal funcionamiento del sensor;
• falta de comunicación con la unidad de control o la placa de control.

Las causas frecuentes son la corrosión de los contactos o las piezas, así como los cortocircuitos asociados a la penetración de fluido de trabajo en la unidad electrónica.

Reparación de la dirección asistida eléctrica

Aunque los fabricantes suelen recomendar sustituir toda la unidad en caso de avería, las bombas del sistema de dirección asistida son bastante reparables. Lo principal es buscar la ayuda de profesionales cualificados, por ejemplo, STS, cuyos especialistas disponen de todo el equipo necesario para la reparación, así como de muchos años de experiencia en el mantenimiento y la restauración de cualquier sistema de dirección.