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Sistema de dirección a las 4 ruedas (4WS)


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El sistema 4WS

Desde 1980, varios modelos de diferentes fabricantes aplicaron el sistema de dirección a las 4 ruedas (4WS - four wheel steering system). Y es que, este concepto permite realizar maniobras con menor diámetro de giro y permite trazar las curvas a cierta velocidad con mayor seguridad.

Este sistema lo equiparon automóviles como el Toyota Célica, Honda Prelude, Mitsubishi Galant y Mazda RX7. También lo implementaron algunos automóviles europeos como el Citröen ZX, el Xsara y el Peugeot 306. Actualmente lo montan muy pocos modelos nuevos, un ejemplo lo tenemos en el Renault Laguna en alguna de sus versiones mas deportivas.

Tenemos dos sistemas de dilección a las 4 ruedas básicamente, uno sencillo que se basa en girar las ruedas traseras, por medio de un pequeño giro de la suspensión que soporta a las ruedas y que no esta unida fijamente a la carrocería, sino que la unión se hace a través de una unión elástica que permite un pequeño giro de 3 a 5º. Un ejemplo de este tipo, es el eje trasero autodireccional que monta el Citröen ZX. El otro sistema utilizado para hacer girar las ruedas traseras, es el utilizado por la marca Honda en su modelo Prelude. Este sistema es mucho mas complejo que el anterior. El volante de la dirección ademas de hacer girar las ruedas delanteras, hace girar también a las ruedas traseras, para eso cuenta con un mecanismo que actúa sobre las ruedas delanteras y traseras al mismo tiempo.

La función de girar las ruedas en varios ejes de un vehículo no es nada nuevo ya que este sistema lo vienen utilizando desde hace tiempo, camiones, maquinaria pesada y también vehículos militares como las tanquetas, que buscan principalmente una buena maniobrabilidad utilizando el menor espacio posible.

 

La función del eje trasero en el sistema de dirección de un automóvil tiene su importancia, por eso estudiaremos que procesos se suceden cuando el vehículo toma una curva o cambia de dirección.
Cuando el automóvil toma una curva en el eje delantero se produce un ángulo de deriva de las ruedas delanteras que generan una fuerza lateral. Lo mismo que en el eje delantero ocurre en el eje trasero, con la diferencia que la fuerza lateral llega con un cierto retraso, ya que las ruedas del eje delantero son las primeras en tomar la curva. Este retraso en el eje trasero provoca, sobre todo a elevadas velocidades, una cierta tendencia del vehículo a querer rotar sobre su eje vertical. Este efecto provoca un balanceo de la carrocería que no resulta peligroso si se mantiene con firmeza el volante.
Este defecto puede corregirse si a las ruedas del eje trasero se le permite dar una cierta orientación en el sentido conveniente, sobre todo a altas velocidades que es cuando mas se nota este problema.
El otro efecto que se busca cuando se pueden orientar las ruedas del eje trasero, es que en las maniobras a bajas y medias velocidades se puedan conseguir menores diámetros de giro, lo que facilita las maniobras en ciudad y garajes.

Por lo expuesto anteriormente el sistema de dirección en la 4 ruedas, intenta conseguir dos objetivos, mejorar el paso por curva a altas velocidades y conseguir mejores maniobras en espacios reducidos.

El conseguir orientar las ruedas del eje trasero teniendo en cuenta la orientación que toman las ruedas del eje trasero no es tarea fácil, como vamos a ver a continuación. Teniendo en cuenta los estudios que han realizado los fabricantes que han desarrollado estos sistemas, la orientación de las ruedas traseras deberán orientarse de la siguiente manera. En la figura (A) las ruedas están orientadas un cierto ángulo que no es grande, en este caso las ruedas traseras están orientadas en el mismo sentido. En la segunda figura (B) vemos que las ruedas del eje delantero están orientadas un ángulo mucho mayor que el anterior caso, en este supuesto se puede ver que las ruedas del eje trasero estarían orientadas en sentido contrario.

El supuesto (A) visto en la figura anterior corresponde, por ejemplo, a una maniobra de cambio de carril en una autopista a alta velocidad. En la figura inferior podemos ver este supuesto donde el color rojo representa la posición del automóvil con un sistema 4WS y el color negro sin dirección a las 4 ruedas.

 

El supuesto (B) por el contrario corresponde a una maniobra a baja o media velocidad en un espacio pequeño o en una curva muy cerrada. En la figura inferior podemos ver este supuesto donde el color rojo representa la maniobra con un vehículo con 4WS y el color negro sin 4WS. Se puede apreciar como el vehículo con 4WS necesita menos diámetro de giro para realizar la maniobra.

 

En este ultimo caso, al tomar una curva cerrada, aunque sea a baja velocidad, la estabilidad es mucho mayor en un automóvil dotado de 4WS, que en uno sin este sistema. Todo esto teniendo en cuenta que se toma la curva mas cerrada y a la misma velocidad. Para hacer esta maniobra las ruedas del eje trasero están orientadas en sentido contrario a las ruedas del eje delantero.

 

Sistema 4WS de Honda
El sistema de dirección a las 4 ruedas de Honda, seguramente será el mas reconocido, ya que uno de sus modelos, en concreto el Honda Prelude en su 3ª generación (1988 - 92) montaba este sistema, años mas tarde a partir de la 4ª generación (1992 - 96) el sistema de dirección a las 4 ruedas es electrónico.
El esquema del sistema de Honda es el que podemos ver en la figura inferior. Como se puede apreciar es técnicamente sencillo y se ha mostrado muy efectivo a lo largo del tiempo. Además sus desajustes y averías son mínimos.


Los elementos que forman el 4WS esta formado por un sistema de dirección convencional para el eje delantero, de la caja de dirección delantera sale el movimiento a través de un mecanismo de reenvío que se transmite por el eje de transmisión a la caja de dirección trasera que se encarga de orientar las ruedas traseras a través de la bieletas de dirección.
La caja de dirección trasera, a diferencia de la delantera, realiza un movimiento distinto tanto en grados (ángulo) como en el sentido (orientación de la rueda). Por esta razón el funcionamiento de esta caja de dirección es muy distinta a la del eje delantero.

En la figura inferior podemos ver una caja de dirección trasera (4WS) se trata de un sistema de engranajes planetarios que crean la desmultiplicación necesaria para el movimiento de las ruedas traseras siempre con un ángulo muy inferior al alcanzado en las ruedas delanteras. La presencia de una corredera provista de su correspondiente guía permite lograr un pequeño desplazamiento que necesita el sistema y que transmite a las ruedas a través del reenvío a la bieleta que acciona directamente a las ruedas.

 

El funcionamiento teórico del sistema mecánico 4WS de Honda esta representado en el gráfico inferior. Como podemos ver si empezamos a girar el volante, las ruedas delanteras se orientan un cierto ángulo mientras que las traseras también se orientan en el mismo sentido, pero con un ángulo mucho menor. Cuando hemos girado el volante 140º las ruedas delanteras se orientan un ángulo cuyo valor es 8º, mientras que en el eje trasero solo giran un ángulo de 1,5º. Seguimos girando el volante hasta alcanzar los 240º, para este valor las ruedas delanteras se orientan un ángulo de 15,6º mientras que las ruedas del eje trasero retroceden en su orientación y se quedan en el punto inicial de 0º de ángulo. Seguimos girando el volante hasta 450º y las ruedas delanteras se siguen orientado con un mayor ángulo de 30,3º, mientras que en las ruedas del eje trasero se orientan un ángulo de 5,3º pero esta vez en sentido contrario a la ruedas delanteras.

 

Como podemos ver en la gráfica anterior, el ángulo de giro de las ruedas del eje delantero no guarda proporción con el ángulo de giro de las ruedas del eje trasero. Ademas se puede ver como a medida que aumenta el ángulo de giro en las ruedas del eje delantero, el ángulo en el eje trasero disminuye, hasta un momento en el que cambia el sentido de orientación de las ruedas traseras con respecto a las delanteras.
El dispositivo encargado de orientar las ruedas traseras el ángulo adecuado y hacer que cambien de sentido de orientación es la caja de dirección trasera. Esta caja actúa de forma automática accionada solamente por el movimiento que recibe del mecanismo de reenvío a través del árbol de transmisión. Un esquema de la estructura interna de este mecanismo lo tenemos en la figura inferior.
El eje excéntrico tiene el control del engranaje planetario, que es el encargado de desplazar a la derecha o izquierda la barra de accionamiento de la bieleta de mando. El tetón de este engranaje actúa directamente sobre la guía de la barra de accionamiento. El engranaje planetario se desplaza por el interior de la corona cuando el movimiento que proviene del reenvió de la caja de dirección delantera le llega desde el eje excéntrico.
Siguiendo en la figura inferior, tenemos que el movimiento de entrada que gira en el sentido de las agujas del reloj como muestra la flecha se transforma en la salida en un movimiento hacia la izquierda como indica la flecha. Ahora bien, si el giro de entrada supera el ascenso del planetario por la corona (que esta fija), este pasa a la posición contraria y entonces empuja la barra de accionamiento de la bieleta de mando en la dirección opuesta.
Este es el principio básico de funcionamiento de la caja de dirección trasera.

 

Sistema 4WS electrónico
La gestión electrónica de la dirección en el eje trasero es una evolución lógica de los sistemas 4WS "mecánicos" estudiados hasta ahora. En el Honda Prelude a partir de la 4ª generación (1992 - ....) se aplico el control electrónico. Con la gestión electrónica podemos tener en cuenta otros parámetros para orientar las ruedas traseras. Uno de estos parámetros es la velocidad del vehículo.
El movimiento de orientación en las ruedas traseras, como hemos visto anteriormente, es de unos pocos grados de giro en cualquiera de las condiciones de su utilización. Pero, en ese reducido margen de giro debe existir una gran precisión en la elección del ángulo no sólo de acuerdo con las fuerzas laterales, ni tampoco con los grados de giro del volante, sino también con la velocidad a la que ese momento circula el vehículo.
El sistema funciona de forma que, cuando se afronta una curva cerrada a menos de 60km/h, las ruedas traseras pueden llegar a girar en 3,5 grados en el sentido contrario al de las delanteras, ayudando a tomar la curva, además de requerir menos giro del volante. A velocidades superiores a 60km/h, las ruedas traseras toman la misma dirección que las delanteras.
Los sistemas electrónicos de control del 4WS tienen una luz testigo que avisa al conductor en el caso de que exista fallo en algún elemento del equipo. También disponen de un mecanismo automático que, en caso de que se produzca esta avería, las ruedas traseras quedan automáticamente centradas en linea recta de forma permanente, hasta que se solucione la avería acudiendo al taller.

 

En la figura inferior podemos ver el actuador de la dirección trasera. Este elemento sustituye a la caja de dirección trasera de los sistemas "mecánicos".

 

Otros fabricantes de automóviles tambien incorporaron el sistema 4WS electrónico en sus vehículos. Por ejemplo, Mitsubishi en su modelo Galant incorpora este sistema, con la particularidad de que solo funciona para que el vehículo pueda trazar bien las curvas a altas velocidades. No funciona a bajas velocidades cuando se quieren hacer maniobras o trazar curvas muy cerradas. El sistema, por lo tanto, no dispone de la posibilidad de orientar las ruedas traseras en sentido contrario a las ruedas del eje delantero.

Actualmente un fabricante que incorpora el sistema 4WS en sus automóviles es Renault. El fabricante frances en su modelo Laguna Coupe incorpora este sistema, denominandole «4Control».

 

«4Control»
Es un sistema de dirección en las ruedas traseras que mejora la seguridad activa. Las ruedas traseras (figura inferior) tienen dirección, como las delanteras, y pueden girar en el mismo sentido o en el contrario.

Cuando giran en sentido contrario aumenta la guiñada y disminuye el diámetro de giro, mientras que cuando lo hacen en el mismo sentido, disminuye la guiñada. De cara a la seguridad activa, su función es la misma que la del control de estabilidad, pero en ciertos casos puede ser incluso más efectivo. Además, mejora la maniobrabilidad cuando el coche se desplaza a baja velocidad, como por ejemplo al maniobrar para estacionar. Eso sí, las ruedas traseras sólo giran a partir de 2 km/h.

 

Sobre el eje trasero torsional del Laguna, Renault ha colocado unos bujes que pivotan sobre un eje, con un ángulo máximo de 3,5º (mucho menor que el de las ruedas delanteras, que suelen girar en torno a 60º). Un motor eléctrico colocado al lado del eje trasero mueve las ruedas mediante un sistema de palancas semejante al que hay en las ruedas delanteras. El sistema está controlado por una centralita que tiene en cuenta datos como la velocidad y aceleración angular del volante, ángulo de giro, la velocidad del coche y los datos que proporciona el control de estabilidad. La centralita evalúa esos datos cada centésima de segundo.

 

Hasta una velocidad de 60 km/h, las ruedas traseras pueden girar en sentido contrario a las delanteras, lo que facilita las maniobras a baja velocidad. Esto supone que, con respecto al resto de versiones del Laguna, el diámetro de giro disminuya de 12,05 metros a 10,80 metros, con las llantas de aleación de 18 pulgadas opcionales. Además, la dirección se vuelve más rápida —hay que mover menos el volante para conseguir el mismo efecto porque se suma el giro de las ruedas traseras—.

Por ejemplo, para conseguir el mismo giro, sin el sistema de cuatro ruedas directrices se requiere 16º de ángulo de volante, mientras que con él únicamente es necesario un ángulo de 13,5º. Cuando las ruedas traseras han cambiado de dirección al máximo (3,5º), sólo es necesario un ángulo de volante de 12º.

Además de mejorar la maniobrabilidad, la otra función del «4Control» por debajo de 60 km/h es aumentar la guiñada cuando es aconsejable. Eso permite que el coche sea más ágil, más capaz de cambiar de dirección, por ejemplo en un eslalon o en una curva muy lenta de carretera de montaña.

A partir de 60 km/h, las ruedas traseras cambian de dirección en el mismo sentido que las delanteras con objeto de disminuir la guiñada. Si el coche realiza dos cambios de dirección rápidos —por ejemplo, en una maniobra de esquive o en curvas enlazadas—, la dirección trasera se puede utilizar para evitar un eventual sobreviraje. Normalmente, en estas condiciones el giro de las ruedas traseras no es mayor de 2º (se tendría que dar una situación extremadamente violenta para que llegara al máximo de 3,5º).

Otra función de sistema de dirección trasera es evitar una eventual pérdida de trayectoria durante una frenada sobre superficie de adherencia desigual. Si las ruedas de un lado entran en una superficie resbaladiza pero las del otro lado no lo hacen, se produce una cierta guiñada que el control de estabilidad debe controlar. Con el «4Control» es posible orientar las ruedas traseras para compensar esa guiñada y que el coche frene en línea recta.

 

 

 

 

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