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¿Cómo funciona la dirección hidráulica?

 

 

Si tu barco lleva dirección hidráulica, o quieres instalar una, es importante saber cómo funciona para poder sacar el máximo partido o resolver cualquier incidente en la mar.

 

Conocerlas, da seguridad y nos permitirá poner remedio o mejorar sistemas demasiado duros o ruidosos.

 

¿Quieres diseñarte tu propio sistema hidráulico?

Muchos barcos utilizan sistemas hidráulicos para mover el timón, especialmente a partir de cierta eslora, o de cierto desplazamiento, cuando es importante generar una fuerza significativa en la pala del timón. En motoras es normal encontrarnos con sistemas hidráulicos a partir de los 10

metros de eslora, y en veleros por encima de los 50 pies. Pero la mayoría de los barcos con motorización fuera-bordas, desde pequeñas potencias, utilizan también direcciones hidráulicas. Al final, siempre encontraremos un pistón hidráulico, también llamado "actuador", que es el que mueve el motor fueraborda, o el timón al empujar una biela o un brazo fijado al eje del timón.

 

El pistón hidráulico ‘Actuador’

Este elemento es el que realmente hace el trabajo duro, moviendo el timón o el motor fueraborda. Se trata de un émbolo que puede moverse dentro de un cilindro por el que introducimos aceite a presión desde uno de los dos extremos. Este aceite, a una presión de unos 30 a 60 bares, proviene de una bomba que activamos al girar el volante. El mecanismo es muy sencillo, pero su dimensionamiento, aunque es tarea sencilla, debe ser bien calculado si no queremos tener un volante demasiado duro, o con el que necesitemos dar demasiadas vueltas para conseguir el giro de la dirección.

Dependiendo del lado por el que entre el fluido hidráulico a presión, el embolo se desplazará a uno u otro lado. La fuerza que ejerce el embolo dependerá de la presión del aceite y de la superficie del pistón.

Es interesante observar que en un sistema hidráulico, cuando el timón está parado, sea cual sea su posición, tanto el pistón como los tubos hidráulicos continúan a alta presión, para así soportar las fuerzas a las que esté sometido el timón o el motor fueraborda.

Incluso una pequeña bomba en el eje del volante de dirección puede hacer girar un timón muy grande y que ofrezca mucha resistencia, si damos las suficientes vueltas a la rueda para conseguir realizar el trabajo necesario. Pero sería muy poco apropiado tener que dar, por ejemplo, 20 vueltas al timón para conseguir mover el timón de lado a lado ("lock-to-lock" en la jerga anglosajona). Por ello es importante saber qué factores intervienen en esta relación y cómo se puede modificar o diseñar estos tipos de sistemas de dirección.

En veleros de gran eslora en vez de guardines, se suele también utilizar sistemas hidráulicos para mover la pala del timón.

Existen barcos en los que por el contrario, el timón se mueve con pocas vueltas pero está muy duro. Como veremos, también puede estar duro, aunque giremos bastantes vueltas, debido a otros problema que explicaremos más adelante.

 

Las medidas del Actuador

La dimensiones del pistón actuador son muy importantes, pues nos permitirán calcular el número de vueltas a dar en el volante para conseguir un movimiento completo de la pala del timón o del motor fueraborda.

Lo importante es el desplazamiento que indica el volumen interno de aceite que puede ser desplazado al hacer el movimiento lineal completo y que, cómo no podía ser de otra manera, es el producto de la sección del cilindro por la longitud del movimiento del pistón.

El diámetro de los pistones suele ser medido en pulgadas y los hay de 1,25, 1,50, 1,75 o 2 pulgadas y el movimiento del pistón también en pulgadas suele ser de 7, de 9 o más pulgadas. Pero también encontraremos estas medidas en métrica y en centímetros lo cual nos simplificará el cálculo (al menos a los Europeos).

El pistón actuador de color negro se encuentra en la parte superior de la foto. En el centro aparece de color negro el medidor de ángulo del timón que lleva en su eje un potenciómetro para pasar esta medida al piloto automático y poder gobernar dependiendo de las reacciones que tenga el timón.

 

Si por ejemplo tenemos un pistón de 5 centímetros cuadrados de sección y hace un movimiento de 15 centímetros lineales (desde máxima extensión a su máxima retracción), su desplazamiento será de 75 centímetros cúbicos (5x15). Si la bomba del volante es capaz de mover 15 cc por vuelta, está claro que necesitaremos 5 vueltas completas para conseguir mover el timón de lado a lado. Normalmente tendremos que añadir un 10% de vueltas de volante pues el aceite se "desliza" un poco en la bomba y por tanto por cada vuelta en realidad estaremos moviendo un poco menos de esos 15 centímetros cúbicos.

 

La bomba estática

Lo que hay detrás del volante de dirección o gobierno, es una bomba que impulsa el aceite en una u otra dirección al mover el volante. En muchos barcos esta bomba es manual, es decir, que somos nosotros con nuestros esfuerzo los que movemos la bomba y por tanto forzamos la circulación de aceite en uno u otro sentido.

Pero en barcos de gran tonelaje o con timones muy grandes, necesitamos asistencia mecánica o electromecánica. La mayoría de los montajes pasivos sin asistencia eléctrica o mecánica, están diseñados para tener que dar entre 5 y 10 vueltas completas de volante para mover todo el timón de banda a banda.

 

En este esquema de gobierno hidráulico no asistido, son nuestro brazos quienes mueven la bomba situada en la rueda de gobierno. Así bombeamos aceite hacia el actuador que se encarga de mover el timón. Si abrimos la llave de by-pass  el aceite puede fluir libremente sin presión, anulando el sistema de gobierno hidráulico, pero permitiendo utilizar por ejemplo una caña de respeto conectada directamente al tintero del timón. Necesario por ejemplo, si se estropeara la bomba o si tuviéramos una rotura o pérdida importante de fluido hidráulico en un manguito...

 

Cómo calcular el ratio de giro

La mayoría de los timones se mueven 35º a cada banda o lo que es lo mismo un total de 70º, aunque algunos timones en embarcaciones lentas con grandes necesidades de maniobra portuaria lo hacen en 45º a cada banda. Si por ejemplo tenemos un desplazamiento de 8 vueltas de volante (360º por vuelta) y lo dividimos por los 70º del timón, obtendremos el ratio de giro, en nuestro ejemplo (8x360/70)  de aproximadamente 41:1, es decir, que por cada grado de giro del timón, habremos de girar el volante 41 grados.

 

Cómo funciona la bomba de la rueda

Encontraremos proveedores italianos, franceses, norteamericanos o incluso Koreanos. Marcas como Capilano, Hynautic, Jastram, Vetus, Teleflex, Twin-Disk o SeaFirst.

Naturalmente cada fabricante propone diferentes prestaciones y calidades, pero muchos están fabricados según un esquema bastante parecido, consistente en una serie de pistones distribuidos radialmente. Los pistoncitos son empujados por un disco que gira cuando movemos el volante con un determinado ángulo respecto al eje de giro. Al moverse, el disco va empujando uno atrás otro cada uno de estos pistoncitos radiales.

Algunas bombas permiten ajustar el ángulo de este disco, lo que hace que aumente o disminuya el volumen de aceite impulsado por cada vuelta, o lo que es lo mismo, permite ajustar el desplazamiento de la bomba y por tanto la dureza del volante, haciéndolo más suave a cambio de necesitar más vueltas de volante para conseguir el movimiento de la pala, o viceversa.

Pistones de una bomba de dirección. Al girar la rueda, empujamos uno tras otro cada uno de estos pistones que impulsan el liquido hidráulico, del mismo modo que lo hace una jeringuilla de inyecciones.

 

Otros fabricantes montan un sistema de rueda de excéntrica que permite presurizar el aceite que es guiado en una u otra dirección dependiendo el movimiento de unas válvulas desplazadas al comenzar a mover el volante en una u otra dirección.

Existen bastantes tipos de bombas hidráulicas, y este es uno de ellos bastante utilizado. Cuanto mayor sea el ángulo del plato, mayor será el desplazamiento de cada pistón, por tanto más aceite desplazará la bomba pero más fuerza tendremos que hacer al volante. En algunas bombas, el ángulo se puede ajustar para cambiar el comportamiento de la dirección.

 

Sea como fuere el sistema utilizado, lo importante es entender que el aceite solo puede circular en una dirección definida por el timonel  al mover el volante, y no puede retornar, o lo que es lo mismo, la bomba no se puede comportar como un "motor" si la inyectáramos aceite a alta presión en dirección contraria. Esto es importante, pues si tenemos dos puestos de gobierno, uno en el interior del barco y otro en el fly-bridge, al mover una de las dos ruedas de gobierno, queremos que la presión de aceite haga mover el actuador, y no hacer girar la otra rueda de gobierno. Y lo mismo ocurre con una tercera bomba que puede ser eléctrica para poner en marcha el sistema de piloto automático.

 

Dos líneas o tres líneas

Muchas instalaciones hidráulicas son evidentes, al existir solo dos tubos que salen de la bomba del puesto de gobierno y que van a parar al actuador. Sencillo y lógico.

Pero en instalaciones con dos volantes de gobierno, existe un tercer tubo de sangrado que se une a las dos unidades de control, e incluso van también a la bomba eléctrica del piloto automático.

Por ejemplo, el fabricante norteamericano Tele-Flex e Hynautic (que ahora también pertenece a Tele-Flex), tiene el tercer tubo –central- que es utilizado para interconectar diferentes bombas de gobierno y hacer más sencillo las operaciones de purgado y sangrado, aunque una de ellas esté a varios metros por encima, por ejemplo en el Fly-bridge del barco. En otros fabricantes, esta tercera línea queda conectada a un depósito de aceite hidráulico que mantiene el sistema siempre en el estado de purga correcta.

 

 

Dureza en la dirección

El aceite es viscoso y por tanto ofrece rozamiento y fricción en el interior del sistema hidráulico. Si a pesar de tener una correcta relación de varias vueltas de volante, este está demasiado duro, es posible que tenga demasiadas pérdidas debidas a la fricción hidrodinámica en el interior de los tubos. Cuantos más codos, ‘T’ y empalmes, más rozamiento y mayor esfuerzo en el volante. Otra causa típica de dureza en la dirección se debe al empleo de tubos hidráulicos demasiado finos lo que obliga a una velocidad alta del fluido hidráulico en el sistema, lo que a su vez aumenta la fricción y la dureza. A mayor diámetro de las tuberías menor velocidad del fluido hidráulico, y por tanto más suavidad en el volante.

La viscosidad también es importante, pues si utilizamos un líquido demasiado viscoso dentro del sistema, notaremos un aumento en la dureza de la dirección debido a las pérdidas por rozamiento en líquido en las pareces del circuito hidráulico.

El soporte en donde va fijado el actuador, debe ser muy sólido pues por reacción habrá de soportar toda la fuerza que ejerce la pala del timón. Vemos como el soporte del cilindro en bronce, está montado en un cardán que permite el movimiento del actuador pues dependiendo de la posición del brazo, el ángulo del actuador varía ligeramente.

 

Al diseñar el sistema de tuberías en la hidráulica de nuestro barco, debemos reducir en lo posible los ángulos de 90º y los codos demasiado forzados. En cuanto al diámetro de la tubería, para bombas de entre 25 cc hasta 50 cc de desplazamiento por vuelta debemos utilizar tubería de entre 5/16’’ y 3/8’’. Si la bomba es más potente, de 50cc a 100cc por vuelta, debemos sin lugar a dudas saltar a un diámetro de tubo de ½ pulgada. La opción de utilizar tubo de cobre de calidad, normalmente utilizado para instalaciones de refrigeración, es adecuado pero en las ‘T’ y uniones con maguitos o lo que necesitemos conectar, debemos utilizar soldadura estaño/plata que tiene una dureza mucho mayor al típico estaño/plomo. Para ello no basta la temperatura de soldadura del soplete típico de fontanería, y debemos soldar con más calor con soldador de mezcla de gases con oxígeno.

Si a pesar de todas estas cuestiones su dirección va demasiado dura, debemos investigar si la náutica que la instaló hizo un buen diseño. En una Motora de 8 metros de eslora y motorizada con un fueraborda pesado de 350 caballos la dirección estaba demasiado dura y todo parecía en buen estado con un correcto montaje. El problema radicaba en que solo había de dar 3 vueltas para girar el motor de trescientos kilos de peso de lado a lado. El calculo de desplazamientos fue mal efectuado y deberían haber escogida una bomba que desplazara la mitad de aceite en cada vuelta, para que aunque hubiese que dar más vueltas, la fuerza en el volante fuera la mitad de importante.

 

Sistemas de gobierno asistidos

A partir de las 10 o 20 toneladas va siendo normal encontrar barcos con sistemas hidráulicos asistidos por bombas eléctricas o movidas por la misma potencia del motor principal. Es decir el timón no se mueve por la fuerza del patrón por mucha desmultiplicación que sea.

En estos sistemas el circuito tiene diferentes electroválvulas que son activadas para ayudar al sistema de gobierno y suplementar la fuerza que podemos hacer con nuestras manos en la bomba del puesto de gobierno. En definitiva, se trata de "multiplicar" la fuerza que podemos ejercer sobre la rueda del timón. La potencia de las bombas está entre medio caballo y 3 caballos lo cual, aunque pueda parecer pequeño, en realidad es muy importante si tenemos presente que la potencia que una persona humana puede ejercer en el volante es del orden de una veinteava parte de un Caballo de potencia (1/20 CVs).

Grupo hidráulico con varias electro-válvulas situadas en la parte superior de la imagen.

 

Otra consideración importante es que hay muchos barcos en el mercado con asistencia hidráulica de excesiva potencia, por culpa del astillero que no quiere arriesgarse a quedarse corto. Es un error, pues el exceso de potencia en el sistema hidráulico de gobierno además de consumir energía, genera inconvenientes al sobrecalentar el fluido hidráulico que tiene que circular por el by-pass a mucha velocidad generando también ruidos agudos molestos en la sala de máquinas.

 

La importancia del diámetro de la rueda del timón

Algunos veleros tiene una rueda del timón desmesuradamente grande, mientras que algunas motoras llevan un volante muy pequeño. ¿Por qué?

Aunque todo el mundo lo sepa, hay que recordar que la fuerza del par que podemos ejercer, es proporcional y mayor cuanto más grande sea el radio de la rueda. Al final lo que todos queremos es que la rueda tenga la mejor proporción y estética para nuestro barco. En un sistema hidráulico asistido, el tamaño no tiene importancia pues disponemos de fuerza adicional, y por ello los yates con sistema hidráulico asistidos suelen tener un volante de pequeñas dimensiones. Por el contrario un velero de regatas que necesita sensibilidad y poder ejercer fuerza sobre la pala del timón, que casi siempre es de tipo pasivo y por tanto no tiene asistencia, requiere una rueda que maximice el par de fuerzas ejercido.

A mayor diámetro de la rueda, más fuerza o mayor par-de-fuerza, podremos ejercer en el sistema de gobierno. Por ello en los veleros que no llevan asistencia mecánica, las ruedas de timón suelen ser grandes, independientemente de si estas mueven un sistema de guardines o una bomba de fluido hidráulico.

 

De la misma manera que para sacar una tuerca endurecida utilizamos una llave de mayor tamaño, con la rueda del timón ocurre lo mismo. Cuanto mayor sea la rueda, menor fuerza necesitaremos para conseguir el mismo par de giro.

En sistemas de gobierno hidráulicos pasivos, si no tenemos espacio para una rueda de mayor tamaño, habremos de incrementar el ratio de desmultiplicación y por tanto tendremos que dar más vueltas al timón para conseguir girar todo el timón de lado a lado.

 

Tubos hidráulicos

En la canalización del fluido hidráulico debemos utilizar manguitos hidráulicos de goma reforzados con mallas metálicas para soportar altas presiones, o tubería de cobre, o de bronce soldada. En motoras de pequeñas esloras lo normal es encontrar manguitos que van conectados entre el pistón de la dirección del fueraborda y la bomba del volante. Pero en yates mayores, también encontramos distribuciones de hidráulico por tubos soldados. Cerca del actuador, estas tuberías hidráulicas se conectan a dos manguitos flexibles por los que continúa el circuito hidráulico hasta el pistón que mueve el timón.

La IMO y las normas SAE indican que debemos utilizar manguitos reforzados con mallas metálicas inoxidables y/o tuberías de cobre capaces de soportar las altas presiones generadas en bombas y pistones hidráulicos. Estas pueden alcanzar cifras que dependen del diseño de la instalación, y que normalmente estarán entre los 15 y los 30 bares de presión, por lo que por seguridad, los circuitos deben poder soportar presiones de entre 30 y 60 bares.

Los tubos por los que se mueve el fluido hidráulico pueden ser manguitos hidráulicos que aguantes presiones altas de hasta unas 30 atmósferas o canalizaciones rígidas en tubo de cobre. La sección de estos tubos es asunto importante pues si son demasiado estrechas, aumentará excesivamente la velocidad del fluido hidráulico en su interior.

 

Si vamos a montar nosotros mismos el circuito, en las uniones de manguitos debemos utilizar selladores anaeróbicos y resinas epoxis, evitando el uso de cinta de teflón como demasiadas veces vemos en algunos videos de YouTube. Si unos hilos de teflón se cuelan al interior del sistema, pueden acarrear problemas en las bombas y por ello debemos evitar su uso.

El fluido hidráulico no debe ser excesivamente viscoso, y podemos bajar hasta un ISO-15 para conseguir aún más suavidad.

 

Direcciones ruidosas

Ya hemos comentado algunas de las causas de ruidos, al hablar de los problemas con la dureza de la dirección. Al margen de problemas mecánicos por un mal funcionamiento de la bomba de la dirección, la causa normal de los ruidos proviene de un mal diseño y cálculo incorrecto de las tuberías de distribución hidráulica.

Si el fabricante ha utilizado tubos algo demasiado finos para ahorrar costes (lo cual ocurre en bastantes ocasiones) el aceite tiene que circular a más velocidad y por tanto genera más roce con las paredes del tubo y crea un ruido "típico" debido al movimiento hidráulico, cuya única solución es cambiar la instalación con tubos de mayor diámetro.

Con ello, aunque tengamos que meter más aceite en el circuito la primera vez, para un mismo desplazamiento del pistón actuador en una misma unidad de tiempo, la velocidad del movimiento de este aceite por las tuberías será más lento, y hará del sistema una dirección más suave y silenciosa.

En sistemas hidráulicos asistidos, es demasiado "normal" montar una bomba eléctrica que mueve demasiado aceite y por tanto el exceso de presión debe ser eliminado en una válvula de "by-pass", que está siempre "pitando" instalada casi siempre en la sala de máquinas, cerca de la bomba asistida, o del pistón hidráulico.

 

¿Qué es la válvula de By-Pass?

Sólo se suele encontrar en instalaciones hidráulicas que tengan asistencia mecánica o electromecánica. En estos sistemas, la bomba de aceite, que en náutica de recreo normalmente suele ser de 0,5 cv, hasta potencias a 2 ó 3 CV genera presión en el sistema para que siempre tengamos presión "‘disponible" y lista a ser canalizada al pistón actuador.

Cuando en navegación no es necesario mover el timón, como ocurre la mayor parte del tiempo, el exceso de presión generado por la bomba debe ser "puenteado" para que retorne a la bomba sin que se mueva el actuador.

Este es el cometido de la válvula de by-pass. Simplemente es una válvula tarada a una presión determinada, por encima de la máxima presión admitida en el pistón actuador, que permite recircular el fluido hidráulico por encima de la presión máxima de trabajo del circuito.

La válvula de By-Pass puede ser manual para poder desactivar el sistema hidráulico, o automáticas,  taradas a una determinada presión para disiparse en una sobre presión, en caso de utilizar un diseño asistido por una electro-bomba como ocurre en motoras a partir de cierta eslora.

Al recircular aceite por el By-Pass, ésta hace ruido que se suma al ruido del aceite al circular por las tuberías.

Este tipo de instalaciones son sumamente ineficientes, pues el 95% del tiempo, los 2 ó 3 cv de la bomba se "gastan" en recircular aceite, hacer ruido por fricción, que finalmente se convierte en calor y aumento de temperatura en el circuito.

En una motora de 50 ó 60 pies la potencia de la bomba suele ser de uno o dos caballos, energía perdida o absorbida de la potencia de propulsión del motor, sea esta directamente restada por una bomba hidráulica y mecánica, conectada por una correa,  o bien eléctrica desde el alternador también conectado por su correspondiente correa.

Un funcionamiento mucho más racional e inteligente tiene lugar en los sistemas hidráulicos montados normalmente en veleros, en donde la energía nunca sobra. Así cuando el sistema necesita presión hidráulica para corregir el timón, y sólo en ese momento, un presostato dispara el funcionamiento de la bomba hidráulica.

Así es como funcionan también todos los grupos de presión hidráulica necesarios para el funcionamiento de pasarelas, elevación de puertas de garajes, winches hidráulicos, enrolladores de velas… Temas suficientemente extenso al que dedicaremos otro artículo en profundidad.

 

Instalar un pistón hidráulico

Existen dos puntos importantes a tener en cuenta tras haber calculado y elegido un actuador que necesitamos en función de la fuerza que este ha de realizar y el volumen de aceite que debe tener en relación con la capacidad de la bomba que lo ha de "‘mover", sea esta manual o asistida por un motor eléctrico o de otro tipo.

El primer asunto es analizar y definir cuál será el "lugar geométrico" del movimiento y por tanto tener claro cómo es la geometría del movimiento que necesitamos. A veces es sencillo, como en el caso de un timón de gobierno, y a veces muy complicado con sistemas de bieletas y palancas que pueden lograr movimientos sorprendentemente curiosos y sofisticados. No es el caso, pero se puede hacer.

Este montaje utiliza dos actuadores para mover el eje del timón. Observamos como el manguito que conduce el aceite en un sentido va conectado a los dos pistones pero en extremos contrarios a través de una 'T'. De este modo el fluido hidráulico mueve simultáneamente los dos actuadores pero en direcciones opuestas.

 

Debemos tener presente que ambos extremos de actuador deben poder moverse libremente en uno o dos ejes de libertar para permitir la elongación del actuador. Hacer una maqueta en cartón a escala real puede ser conveniente para asegurar la libertad de movimientos de todos los componentes, antes de lanzarse manos a la obra.

Las uniones con bola son cada vez más utilizadas y muy convenientes, al permitir eliminar el juego normalmente producido por otro tipo de uniones más tradicionales con un pasador.

Dependiendo de la longitud de la bieleta final que mueve el actuador podemos modificar el ángulo máximo que puede girar el timón, o la altura que tenga que subir una puerta de garaje, por ejemplo.

El segundo asunto consiste en conseguir un montaje físico que sea suficientemente sólido para poder aguantar los esfuerzos muy elevados que produce la acción y reacción del pistón hidráulico. Normalmente estamos limitados al espacio de un tambucho y un mamparo que no tiene que ser necesariamente demasiado sólido, o un espacio en el que no encontramos un soporte en el que fijar el actuador.

Debemos ser creativos y montar una estructura rígida con contrachapado marino que posiblemente convendrá reforzar laminando con fibra de vidrio. En otras situaciones podremos encontrar alguna varenga o viga en la que podemos atornillar un pieza de inox de dimensiones suficientes, para descargar las fuerzas en distintos puntos y por tanto aumentar la resistencia a la reacción del pistón.

Si tiene que atornillar una pieza de aluminio con otra de bronce es buena idea utilizar entre medias una pieza de nylon, o polietileno, para que con el tiempo no tengamos disgustos galvánicos y en un futuro también podamos revisar y desmontar el conjunto sin problemas.

 

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