Rueda libre
En ingeniería mecánica o automotriz, a freewheel o embrague de sobrecosto es un dispositivo en una transmisión que desmonta el eje del eje impulsado cuando el eje conducido gira más rápido que el eje de transmisión. Un overdrive a veces se llama erróneamente un freewheel, pero no está relacionado de otra manera.
La condición en la que un eje impulsado gira más rápido que su eje de transmisión existe en la mayoría de las bicicletas cuando el ciclista deja de pedalear. En una bicicleta de piñón fijo, sin rueda libre, la rueda trasera mueve los pedales.
Existe una condición análoga en un automóvil con transmisión manual que va cuesta abajo, o en cualquier situación en la que el conductor levanta el pie del acelerador y cierra el acelerador: las ruedas impulsan el motor, posiblemente a más RPM. En un motor de dos tiempos, esto puede ser catastrófico: dado que muchos motores de dos tiempos dependen de una mezcla de combustible y aceite para su lubricación, la escasez de combustible en el motor hace que el aceite se quede sin aceite en los cilindros y los pistones pronto pueden atascarse, causando daños importantes. . Saab utilizó un sistema de rueda libre en sus modelos de dos tiempos por este motivo y lo mantuvo en el Saab 96 V4 y en los primeros Saab 99 para una mejor eficiencia de combustible.
Mecánica
El dispositivo de rueda libre más simple consta de dos discos con dientes de sierra cargados por resorte que se presionan entre sí con los lados dentados juntos, algo así como un trinquete. Al girar en una dirección, los dientes de sierra del disco impulsor se bloquean con los dientes del disco impulsado, haciéndolo girar a la misma velocidad. Si el disco impulsor reduce la velocidad o deja de girar, los dientes del disco impulsado se deslizan sobre los dientes del disco impulsor y continúan girando, produciendo un sonido de clic característico proporcional a la diferencia de velocidad del engranaje impulsado en relación con la del engranaje impulsor (más lento). .
Un diseño más sofisticado y resistente tiene rodillos de acero accionados por resorte dentro de un cilindro accionado. Al girar en una dirección, los rodillos se bloquean con el cilindro haciéndolo girar al unísono. Al girar más lentamente o en la otra dirección, los rodillos de acero simplemente se deslizan dentro del cilindro.
La mayoría de las ruedas libres de bicicletas utilizan un tambor interno con dientes escalonados con dos o más trinquetes de acero endurecido con resorte para transmitir la carga. Más trinquetes ayudan a distribuir el desgaste y dan mayor confiabilidad aunque, a menos que el dispositivo esté fabricado con tolerancias que normalmente no se encuentran en los componentes de las bicicletas, rara vez se logra el acoplamiento simultáneo de más de dos trinquetes.
Ventajas y desventajas
Por su naturaleza, un mecanismo de rueda libre actúa como un embrague automático, permitiendo cambiar de marcha en una caja de cambios manual, ya sea hacia arriba o hacia abajo, sin pisar el pedal del embrague, limitando el uso del embrague manual al arranque desde parado. o detenerse. El conductor puede activar o desactivar la rueda libre del Saab empujando o tirando de una palanca. Esto bloquea o desbloquea el eje principal con el cubo de rueda libre.
Una rueda libre también produce una economía de combustible ligeramente mejor en los motores con carburador (sin corte de combustible en el freno del motor) y menos desgaste en el embrague manual, pero genera un mayor desgaste en los frenos ya que ya no hay capacidad de funcionar con el motor. frenado. Esto puede hacer que las transmisiones de rueda libre sean peligrosas para su uso en camiones y automóviles conducidos en regiones montañosas, ya que la aplicación prolongada y continua de los frenos para limitar la velocidad del vehículo pronto conduce al sobrecalentamiento del sistema de frenos, seguido poco después por una falla total.
Usos
Equipos agrícolas
En equipos agrícolas, un embrague de sobremarcha se utiliza normalmente en empacadoras de heno y otros equipos con una carga inercial alta, particularmente cuando se usa junto con un tractor sin toma de fuerza activa (PTO). Sin una PTO activa, una carga inercial alta puede hacer que el tractor continúe avanzando incluso cuando se presiona el embrague de pie, creando una condición insegura. Al desconectar la carga de la TDF en estas condiciones, el embrague de rueda libre mejora la seguridad. De manera similar, muchos motores de 'empuje' Los cortacéspedes cilíndricos utilizan una rueda libre para accionar las cuchillas: éstas están accionadas por engranajes o cadenas para girar a alta velocidad y la rueda libre evita que su impulso se transfiera en la dirección inversa a través de la transmisión cuando la máquina está parada.
Arrancadores de motor
Un conjunto de rueda libre también se usa ampliamente en los arrancadores de motores como una especie de dispositivo de protección. Los motores de arranque generalmente necesitan girar a 3000 RPM para que el motor funcione. Cuando se mantiene la llave en la posición de arranque durante un período de tiempo después de que el motor ha arrancado, el motor de arranque no puede girar lo suficientemente rápido como para seguir el ritmo del volante. Debido a la extrema relación de transmisión entre el engranaje de arranque y el volante (alrededor de 15 o 20:1), la armadura del motor de arranque haría girar a velocidades peligrosamente altas, provocando una explosión cuando la fuerza centrípeta que actúa sobre las bobinas de cobre enrolladas en la armadura ya no puede resistir. la fuerza exterior que actúa sobre ellos. En los arrancadores sin rueda libre o embrague de inercia, esto sería un problema importante porque, con el volante girando a aproximadamente 1000 RPM en ralentí, el motor de arranque, si estuviera acoplado con el volante, se vería obligado a girar entre 15 000 y 20 000 RPM. Una vez que el motor ha girado y está en marcha, el embrague de inercia libera el motor de arranque del volante y evita que los engranajes vuelvan a engranarse (como en un giro accidental de la llave de encendido) mientras el motor está en marcha. En la actualidad, muchas motocicletas con motor de arranque eléctrico utilizan un embrague de rueda libre. Se utiliza como reemplazo del solenoide de arranque (o la unidad Bendix anterior) que se usa en la mayoría de los arrancadores de automóviles porque reduce las necesidades eléctricas del sistema de arranque.
Transmisiones de vehículos
Además de los usos automotrices enumerados anteriormente (es decir, en vehículos de dos tiempos y primeros Saabs de cuatro tiempos), los freewheels se utilizaron en algunos coches convencionales de lujo o de alto mercado (como Packard, Rover y Cord) de los años 1930 a los años 60. Algunos motores del período también tendían a pasar el aceite por encima de los anillos del pistón bajo condiciones con un acelerador cerrado y alta velocidad del motor, cuando el ligero vacío en la cámara de combustión combinado con alta presión de aceite y un alto grado de lubricación de salpicaduras del crankshaft de giro rápido conduciría a la obtención de aceite en la cámara de combustión.
La rueda libre significaba que el motor volvía a su velocidad de ralentí en régimen de inercia, reduciendo así en gran medida el ruido tanto del motor como de la caja de cambios y reduciendo el consumo de aceite. Por lo general, el mecanismo se puede bloquear para proporcionar frenado con motor si es necesario. También se utilizó una rueda libre en el vehículo Land Rover original de 1948 a 1951. La rueda libre controlaba la tracción desde la caja de cambios hasta el eje delantero, que se desacoplaba al frenar. Esto permitió que el vehículo tuviera un sistema de tracción permanente en las 4 ruedas evitando el movimiento de 'wind-up' fuerzas en la transmisión. Este sistema funcionó, pero produjo un manejo impredecible, especialmente en condiciones resbaladizas o al remolcar, y fue reemplazado por un sistema 4WD seleccionable convencional.
Durante la Segunda Guerra Mundial, los vehículos militares Volkswagen producidos por KdF (Kübelwagen, Schwimmwagen) estaban equipados con un sistema de diferencial autoblocante ZF compuesto por dos ruedas libres, que enviaba toda la potencia del motor al sistema de giro más lento del las dos ruedas.
Otros fabricantes de automóviles instalaron una rueda libre entre el motor y la caja de cambios como una forma de embrague automático. Una vez que el conductor soltó el acelerador y el vehículo estaba en marcha adelantada, la rueda libre se desacopló y el conductor pudo cambiar de marcha sin usar el pedal del embrague. Esta característica aparecía principalmente en coches grandes y de lujo con embragues pesados y cajas de cambios sin sincronizador, ya que la rueda libre permitía un cambio más suave y silencioso. Citroën combinó una rueda libre y un embrague centrífugo para crear el llamado 'TraffiClutch', que permitía al conductor arrancar, parar y cambiar de marcha sin utilizar el embrague. Era una opción en los Citroën 2CV y sus derivados y, como su nombre indica, se comercializaba como una ventaja para circular por zonas urbanas congestionadas. Del mismo modo, el Saab 93 estaba disponible con un embrague Saxomat opcional.
Un uso común de los mecanismos de rueda libre es en las transmisiones automáticas. Por ejemplo, las transmisiones hidráulicas tradicionales de General Motors, como la Turbo-Hydramatic 400, proporcionan marcha libre en todas las marchas inferiores a la seleccionada. Por ejemplo, si el selector de marchas en una transmisión de tres velocidades tiene la etiqueta 'drive'(3)-'super'(2)-'low'(1) y el conductor ha seleccionado 'super', la transmisión gira libremente si la primera marcha está engranada, pero no en segunda o tercera marcha; si en 'conducir' gira libremente en primera o segunda; finalmente, si está en baja, no gira libremente en ninguna marcha. Esto permite al conductor seleccionar un rango más bajo para proporcionar frenado con motor a varias velocidades, por ejemplo al descender una colina empinada.
Las unidades de sobremarcha fabricadas por Laycock de Normanville utilizaban una rueda libre para facilitar un cambio de marcha suave entre el modo bloqueado (1:1) y el modo de sobremarcha sin el uso del pedal de embrague convencional. La rueda libre bloquearía el eje saliente al eje saliente en el breve período de transición entre el embrague cónico para desacoplar el modo bloqueado y el embrague para activar el modo de sobremarcha.
Bicicletas
En el estilo antiguo de bicicleta, donde el mecanismo de rueda libre está incluido en el conjunto de engranaje/piñón, el sistema se llama rueda libre, mientras que el estilo más nuevo, en el que el mecanismo de rueda libre está en el hub, se llama freehub.
Helicópteros
Las ruedas libres también se utilizan en helicópteros. Así como las ruedas de una bicicleta deben poder girar más rápido que los pedales, las palas de un helicóptero deben poder girar más rápido que sus motores. Esto es especialmente importante en caso de una falla del motor donde una rueda libre en la transmisión principal permite que los sistemas del rotor principal y de cola continúen girando independientemente del sistema de transmisión. Esto proporciona un control de vuelo continuo y un aterrizaje con autorrotación.
Historia
En 1869, William Van Anden de Poughkeepsie, Nueva York, EE. UU., inventó la rueda libre para bicicleta. Su diseño colocaba un dispositivo de trinquete en el cubo de la rueda delantera (la rueda motriz en los diseños de velocípedos de la época), lo que permitía al ciclista impulsarse hacia adelante sin pedalear constantemente. Inicialmente, los entusiastas de la bicicleta rechazaron la idea de una rueda libre porque creían que complicaría las funciones mecánicas de la bicicleta. Los entusiastas de la bicicleta creían que la bicicleta debía ser lo más sencilla posible sin mecanismos adicionales, como la rueda libre.
En el Reino Unido, J. White y G. Davies de Coventry Machinist Co. patentaron una rueda libre con ruedas en 1881 y la instalaron en el triciclo Chelseymore, pero los pioneros en instalar la rueda libre en la bicicleta de seguridad fueron Linley y Biggs Ltd. (comercializando como Whippet Cycle Syndicate) que instaló una rueda libre desde el verano de 1894, en parte para ayudar al funcionamiento de su bicicleta 'Protean' engranaje.
En 1899, en la fabricación de bicicletas del Reino Unido se adoptó ampliamente la rueda libre, generalmente combinada con el freno de contrapedal, y se ofrecieron conversiones a las bicicletas existentes.
En 1899 el mismo sistema en los EE.UU. fue conocido como el “ freno de cacao”, que permite a los pilotos frenar pedaleando hacia atrás e incluyó el mecanismo de freewheel. A finales del siglo, los fabricantes de bicicletas dentro de Europa y América incluyeron el mecanismo de freewheel en la mayoría de sus bicicletas, pero ahora el freewheel se incorporó en la rueda trasera de una bicicleta a diferencia del diseño inicial de Van Anden.
En 1924, la empresa francesa Le Cyclo presentó una bicicleta con cambio de marchas y una rueda libre de dos piñones, que permitía a los ciclistas subir cuestas con mayor facilidad. A finales de la década de 1920, Le Cyclo comenzó a utilizar desviadores delanteros y traseros en combinación con un plato doble, lo que le dio a la bicicleta el doble de marchas. A principios de la década de 1930, Le Cyclo inventó una rueda libre de cuatro piñones y, varios años más tarde, la empresa combinó la rueda libre de cuatro piñones con un plato triple, dando a la bicicleta doce marchas.
En las décadas de 1960 y 1970, los fabricantes japoneses introdujeron sus propias versiones del desviador. SunTour introdujo en particular el diseño del desviador trasero de paralelogramo inclinado en 1964, que está inclinado para mantener la polea más cerca de cada diente de la rueda libre a medida que cambia, proporcionando cambios más suaves y mejores que sus equivalentes europeos. Esta versión del desviador se convirtió en el estándar cuando la patente de SunTour expiró en la década de 1980 y sigue siendo el modelo para los diseños actuales.