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Categorías: Autoblog, Tecnología

Direcciones mecatrónicas: lo bueno y lo malo


¿Qué tiene de bueno una dirección que no esté conectada mecánicamente a las ruedas?

Hace unos días Dani nos traía buenas nuevas sobre las intenciones de Infiniti de incorporar un sistema de dirección mecatrónica a sus coches a medio plazo. Muchos preguntásteis el por qué resultaba interesante hacerlo, o el por qué no se habían implementado antes.

Hoy os ofrezco una visión privilegiada de este tema. Curiosamente, en mi trabajo de final de carrera, ampliado después en un proyecto físico y real, desarrollé un sistema de dirección mecatrónica, y por ello acabé descubriendo y experimentando sus puntos fuertes y débiles, así como la problemática legal existente.

Empezaré primero concretando a qué nos referimos con dirección mecatrónica. Se trata de un sistema de dirección "por cable" (by-wire, en inglés), en el que el volante no tiene un acoplamiento mecánico directo con la cremallera de dirección y las ruedas. El volante actúa sobre un sensor electrónico, éste envía esa señal a una centralita, que calcula cuánto giro hay que aplicar a las ruedas, y mediante una serie de actuadores aplica el giro deseado a las ruedas.

Diseñar la geometría de dirección y suspensión de un coche es puro compromiso, compromiso que se aligera con un sistema de dirección mecatrónico

Las ventajas de un sistema de este tipo son tan enormes que más pronto que tarde se acabarán imponiendo en cualquier tipo de automóvil. De hecho, si fuera legal su uso en competición, y el estado de la técnica fuera el adecuado, se implementarían mañana mismo en todos los coches de carreras.

Para empezar, la primera ventaja es geométrica. Como bien sabes, las ruedas de un coche pivotan en relación a sus anclajes en la suspensión de una determinada manera. Las ruedas delanteras se colocan con un ángulo de "avance". Este ángulo de avance lo que genera es estabilidad lineal. Cuanto mayor es el ángulo de avance, las ruedas ofrecen más resistencia a dejar de ir en línea recta.

El ángulo de avance, además, genera un par de "autocentrado" para que la dirección vuelva a su posición de "recto". Uno de los muchos, muchísimos compromisos que afronta un ingeniero en el desarrollo de un coche es saber elegir cuánto ángulo de avance coloca a su coche, en función de la cantidad de fuerza que haya que hacer sobre el volante para girar las ruedas, y en función también de cuánta información quiera que las ruedas transfieran al volante.


Especialistas como Brose ya ofrecen columnas de dirección pensadas para estos sistemas

Con la llegada de las direcciones asistidas, cada vez más elaboradas, se pudo pasar a usar ángulos de avance diferentes a los convencionales, ya que aunque hiciera falta mucha más fuerza a la hora de girar las ruedas, se podía contar con la ayuda de la asistencia.

Otra de las claves geométricas de las ruedas de un coche es su convergencia. Las ruedas de un coche no suelen estar orientadas en línea recta, sino que siempre tienden a mirar hacia adentro o hacia afuera de la línea longitudinal del coche. A esto lo denominamos convergencia, y sirve para hacer que un coche sea más o menos ágil en la entrada de curva, o más estable en recta.

Estos dos parámetros son fijos en la práctica totalidad de los coches (la convergencia puede variar en el tren trasero en coches con sistemas de suspensión multibrazo, con cojinetes de deformación programada, o con direcciones a las cuatro ruedas). El problema para los ingenieros automovilísticos es que nos encontramos siempre en la calle del compromiso.

En coche dirigidos al gran público resulta extremadamente complicado encontrar un compromiso que permita mantener un coche ágil, pero que al mismo tiempo sea seguro, neutro y fácil de conducir.

A la postre, ante la necesidad de crear coches fáciles y estables para todas las personas en todas las circunstancias de uso (cargado a tope, lloviendo, cuesta arriba en un puerto de montaña de noche), se acaban optando por geometrías que podríamos llamar conservadoras.


Sistema con cuatro actuadores independientes, uno por rueda

Un coche con este tipo de sistema puede ser al mismo tiempo más estable en línea recta y mucho más ágil en curva lenta y rápida

Pues bien, la ventaja de un sistema mecatrónico apunta justo a esta problemática. Se pueden optar por muchos tipos de sistemas mecatrónicos, conservando una cremallera de dirección convencional, como es el caso de Infiniti, por un tema legal que luego explicaremos, u optando por un sistema de cuatro ruedas directrices controladas por electrónica.

En mi proyecto personal, que se quedó en prototipo para un gran fabricante automovilístico, de cuyo nombre no puedo acordarme por temas de confidencialidad, se proponía un sistema de cuatro ruedas directrices, con cuatro actuadores independientes, uno para cada una de las cuatro ruedas.

Una veloz centralita electrónica calculaba la cantidad ideal de giro de cada rueda en cada milésima de segundo, en función de la guiñada (giro sobre sí mismo) del coche, el giro del volante, la velocidad, el deslizamiento, y una serie extra de parámetros, para conseguir un coche neutro en todo momento.

Se podía prescindir de reglajes en estático de convergencia para las cuatro ruedas, y al mismo tiempo se podía contar con un avance de prácticamente cero grados en las ruedas anteriores. Gracias a ello se podía conseguir un coche mucho más ágil, que gastaba mucho mejor los neumáticos, y que podía interactuar con el sistema de control de estabilidad para salvar cualquier imprevisto dinámico (derrapes antes de que el conductor los perciba, por ejemplo), al tiempo que era estable en línea recta.


Sistema en funcionamiento, con giro independiente de cada rueda

El concepto era equivalente al diseño de los aviones caza de combate modernos, que están desarrollados sobre el principio de la inestabilidad. Un coche con este tipo de sistema de dirección mecatrónica es inestable sin el sistema electrónico activo. Aprovechar esta inestabilidad a favor de la agilidad del vehículo es la clave de la ventaja de este tipo de direcciones mecatrónicas.

Los resultados eran claramente positivos y palpables. Podrás pensar "¿y si la electrónica falla?", bien, estos sistemas se hacen redundantes, con dos o tres juegos de sensores por toma, y todo por duplicado para evitar problemas. Así funcionan en aviones comerciales y aviones militares, sin tasa sensible de fallo, por lo que replicarlo para la industria automovilística no debería resultar complicado.

Otro aspecto de desarrollo complejo es ofrecer un feedback adecuado a través del volante, una información útil para que el conductor pueda saber la cantidad de agarre disponible en las ruedas. Para ello, tal y como se usa en los volantes de los videojuegos, el propio volante del vehículo contaba con un sistema motorizado para generar fuerzas de autocentrado variables en función del agarre disponible, calculado en función del esfuerzo requerido en cada uno de los actuadores de las ruedas, creando una comunicación importante para el conductor, y que podía ser además regulada en su intensidad.

La complejidad, y las pegas de este tipo de sistemas vienen de otro lado.

El primer problema es la potencia de cálculo de los sistemas electrónicos disponibles, el coste de los actuadores, y las enormes diferencias con los coches ya existentes en el mercado. Un sistema de este tipo ha de contar con una electrónica de cálculo muy potente, que en el año en el que yo la trabajé (2005) no era precisamente accesible para el mercado en masa. Además, por la falta de potencia de cálculo se generaban retrasos de décimas de segundo, que aunque en teoría no representaban problemas reales, sí que se dejaban notar a la hora de conducir.

Las cosas cambian muy rápido en este campo, y a día de hoy este ya no es un factor determinante, por lo que ahora sí es viable industrialmente hablando.

El otro problema, en cambio, es bastante más grave. Y es que por cuestiones legales, no se puede homologar un coche con un volante completamente desacoplado de las ruedas. En el caso de Infiniti, por ejemplo, se va a usar un actuador sobre una cremallera de dirección convencional, en lugar de un actuador para cada rueda de manera independiente. Esto se va a hacer así para que, en caso de emergencia, un embrague acople el volante con la columna de dirección para evitar quedarnos sin dirección si el sistema falla.


Uno de los prototipos conceptuales creados para el proyecto, que no pasó de estado de chasis móvil

Una problemática similar también ocurría con los frenos "sensotrónicos" desarrollados por Mercedes, estrenados en los Clase E y SLR, y abandonados poco tiempo después. Tenían que tener acoplado un sistema "backup" por si estos fallaban, para poder frenar el coche sin la ayuda electrónica.

Esta problemática legal homologativa es realmente un enorme escollo. Sería como si la agencia que regula las licencias de vuelo de nuevos aviones obligara a mantener un vínculo de unión por sirgas con la palanca de vuelo de los aviones. No tiene sentido.

Las normativas europeas deberían adaptarse al potencial tecnológico de estos sistemas y reescribirse. El acoplamiento mecánico es redundante siempre que los sistemas electrónicos estén bien pensados y estén duplicados o triplicados para un funcionamiento redundante (si falla un circuito, se usa un segundo subsistema de emergencia, o un tercer subsistema). De la misma manera que el sistema electrónico, aún así, podría fallar, también se puede romper una junta cardánica en una columna de dirección.

Las limitaciones de potencia de cálculo electrónico se están evaporando cada año que pasa, pero las de homologación siguen ahí por el momento

Desacoplar el giro direccional de las ruedas de una conexión mecánica con el volante cambiaría el universo automovilístico de una manera inimaginable, ya que permitiría configuraciones más abiertas para el habitáculo, versiones con volante a izquierda y derecha más económicas de desarrollar, coches más rápidos, más seguros, más cómodos, e incluso coches autónomos de conducción automatizada más fáciles de conceptualizar y desarrollar.

Llegar, llegará... Pero en un mundo tan "controlado" por normas que velan por nuestra seguridad, pero que se exceden en su rigidez ante el avance de la técnica, no estaría de más un poco de apertura al mundo técnico para permitirnos evolucionar al ritmo que se hacía a principios del siglo XX, cuando prácticamente cualquier coche podía montar cualquier innovación sin tener que pasar por un férreo organismo regulador.

Un aplauso desde aquí por la iniciativa de Infiniti, en todo caso.

Todos los derechos reservados, Guille García Alfonsín @GuilleAlfonsin

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