Os sistemas de direção utilizados atualmente são de dois tipos:
- Setor e sem-fim (setor de engrenagem e cremalheira de esferas). O fuso sem-fim, ligado à coluna de direção, ao girar, movimenta a cremalheira de esferas recirculantes que, por sua vez, faz girar o setor de engrenagem e com ele, o braço “pitman”, ligado às rodas através de barras de direção.
- Pinhão e cremalheira. A engrenagem (pinhão) ligada à coluna de direção (volante) faz mover a cremalheira ligada às rodas através de rótulas.
A função do sistema de assistência é reduzir o torque de esterçamento exercido através do volante. Ou seja, o torque de esterçamento é igual à somatória do torque exercido através do volante e do torque fornecido pelo dispositivo de assistência.
Tipos de Assistência
- Assistência hidráulica (direção hidráulica). A direção é assistida hidraulicamente com a pressão necessária fornecida por uma bomba acionada pelo motor. É identificada na literatura, entre outras, com a sigla HPS (Hydraulic Power Steering ou direção de acionamento hidráulico).
- Assistência eletro-hidráulica (direção eletro-hidráulica). A direção é assistida hidraulicamente com a pressão necessária fornecida por uma bomba acionada eletricamente. É identificada na literatura, entre outras, com a sigla EHPS (Electro-Hydraulic Power Steering ou direção de acionamento eletro-hidráulico).
- Assistência elétrica (direção elétrica). A direção é assistida por um motor elétrico que atua diretamente sobre o mecanismo de direção: coluna, caixa ou cremalheira. Este sistema não tem assistência hidráulica. É identificada na literatura, entre outras, com a sigla EPS (Electrically Powered Steering ou direção acionada eletricamente).
Direção Hidráulica - HPS
A figura abaixo apresenta a configuração básica da direção de assistência hidráulica. A pressão hidráulica gerada pela bomba é direcionada pela válvula rotativa, instalada dentro da caixa de direção, para a câmara correspondente do cilindro de assistência (fig.[2b]) de forma a movimentar a cremalheira no sentido determinado pela rotação do volante.
O elemento que determina a assistência a ser fornecida é a válvula rotativa, presente na caixa de direção. A figura abaixo apresenta, de forma simplificada, o esquemático da válvula rotativa que gira, dentro da caixa de direção, junto com o volante.
Consta de um elemento interno, conectado à coluna de direção, e de um elemento externo conectado ao pinhão. Ambos os elementos estão ligados por uma barra de torção. Ao ser girado o volante, ao mesmo tempo em que o conjunto todo gira, a barra de torção torce, permitindo que o elemento interno gire com relação ao externo.
- A figura [3a] apresenta a situação em que não há torque aplicado ao volante: 1) o veículo se movimenta em linha reta, 2) numa curva com o volante estacionário ou 3) o torque aplicado ao volante é inferior ao necessário para torcer a barra de forma a provocar um deslocamento relativo entre os elementos interno e externo da válvula. Nesta situação, tanto a câmara
E como a D recebem a mesma pressão da bomba, que assim atua sobre ambos os lados do pistão, não havendo, portanto, assistência.
- As figuras mostram a situação em que o volante é acionado com torque menor que o exercido pelas rodas no sentido contrário. Nesta condição, e como indicado nas figuras, a barra torce o suficiente (absorve a diferença) para permitir a rotação relativa entre os elementos, de forma a provocar o desbalanceamento das pressões aplicadas às câmaras. Só uma das câmaras recebe pressão da bomba. Como resultado disto, se inicia a assistência.
Nota: As figuras são meramente ilustrativas. Seu objetivo é mostrar a composição mecânica do conjunto, que permite a rotação da válvula rotativa (acompanhando o giro do volante), mantendo a ligação com o circuito hidráulico da forma como indicado nas figuras.
- A figura [4] mostra uma vista explodida da válvula rotativa. Não corresponde à implementação real do dispositivo, sendo o seu objetivo salientar como se ligam os componentes.
Uma característica importante a ser salientada é que a bomba, acionada pelo motor, funciona constantemente e a pressão e o fluxo aumentam em função da rotação. Como resultado, consome energia ainda quando o volante permanece estacionário.
Neste caso, o fluxo excedente retorna ao reservatório através de uma válvula limitadora (“by-pass”).
Por outro lado, a bomba é projetada para fornecer assistência nas situações de maior requerimento, como por exemplo, durante as operações de estacionamento quando a rotação do motor é mínima. No entanto, nas altas velocidades, a alta pressão de assistência torna a condução insegura. Em função disto, a evolução da tecnologia tem sido no sentido de diminuir, progressivamente, a pressão de assistência na medida em que a velocidade do veículo aumenta.
Direção Hidráulica Progressiva
Como mencionado no item anterior, na direção hidráulica convencional, a assistência independe da velocidade do veículo, o que pode implicar em certa sensação de insegurança para o condutor nas altas velocidades. Para contornar esta limitação, a direção progressiva (fig.[5a]) incorpora uma válvula solenoide (válvula Servotronic) cuja função é diminuir a pressão de assistência em função da velocidade. A figura corresponde à configuração básica da direção ZF Servotronic.
A válvula é controlada pela UC de carroçaria com sinal de ciclo de trabalho variável. Como exemplo ilustrativo, o gráfico apresenta a curva de pressão em função da velocidade do veículo.
Até aproximadamente 20 km/h, a válvula permanece desativada (ciclo de trabalho = 0%) fechando o retorno ao reservatório, oferecendo assim, assistência máxima (ponto 1;). A partir desse ponto, o ciclo de trabalho aumenta, com o que a válvula abre parcialmente derivando parte do fluxo ao reservatório. Com isto, a pressão de assistência diminui, tornando a direção mais “dura”. Em torno de 80 km/h (ponto 2;) a válvula abre totalmente (ciclo = 100%) com o que cessa a assistência.
A figura acima apresenta o circuito hidráulico simplificado com a localização da válvula Servotronic.