Una cremallera y piñón es un tipo de actuador lineal que comprende un engranaje circular (el piñón ) que engrana un engranaje lineal (la cremallera ). [1] Juntos, convierten entre movimiento rotacional y movimiento lineal: al girar el piñón, la cremallera se mueve en línea. Por el contrario, mover la cremallera linealmente hará que el piñón gire.
El mecanismo de piñón y cremallera se utiliza en los ferrocarriles de cremallera , donde el piñón montado en una locomotora o un vagón de ferrocarril se acopla a una cremallera generalmente colocada entre los rieles y ayuda a mover el tren en una pendiente pronunciada . También se utiliza en prensas de husillo y taladradoras , donde el piñón está conectado a una palanca y desplaza una cremallera vertical (el ariete ). En tuberías y otros sistemas de tuberías industriales, una cremallera desplazada por un actuador lineal hace girar un piñón para abrir o cerrar una válvula . Otras aplicaciones notables son salvaescaleras , compuertas de esclusas , portones eléctricos y el mecanismo de dirección mecánica de los automóviles.
El término "piñón y cremallera" también se puede utilizar cuando la cremallera no es recta sino arqueada (doblada), es decir, sólo una sección de un engranaje grande. [2]
Un solo piñón puede accionar simultáneamente dos cremalleras, paralelas pero opuestas; que siempre se desplazará la misma distancia, sólo que en direcciones opuestas. Por el contrario, aplicando fuerzas opuestas a las dos cremalleras se puede obtener un par puro en el piñón, sin ningún componente de fuerza. Este mecanismo de doble cremallera y piñón se puede utilizar, por ejemplo, con un par de actuadores neumáticos para operar una válvula con una tensión mínima. [3]
Se desconocen el momento y el lugar de la invención del mecanismo de piñón y cremallera, pero presumiblemente no fue mucho después de la invención de los engranajes. El carro que apunta al sur de China y el mecanismo de Antikythera son evidencia de que estos eran bien conocidos ya un par de siglos a.C.
En 1598, el diseñador de armas de fuego Zhao Shizhen desarrolló el arcabuz Xuanyuan (軒轅銃), que presentaba un mecanismo de cerrojo de cremallera y piñón derivado de un diseño de cerrojo turco [4]. El Wu Pei Chih (1621) describió más tarde los mosquetes turcos otomanos que usaban un cerrojo. Mecanismo de piñón y eje. [5] [6]
El uso de una cremallera variable (todavía usando un piñón normal) fue inventado por Arthur Ernest Bishop [7] en la década de 1970, para mejorar la respuesta del vehículo y la "sensación" de la dirección, especialmente a altas velocidades. También creó un proceso de forjado en prensa de bajo costo para fabricar las cremalleras, eliminando la necesidad de mecanizar los dientes de los engranajes.
Un piñón y cremallera tiene aproximadamente el mismo propósito que un engranaje helicoidal con una cremallera que reemplaza al engranaje, en el sentido de que ambos convierten el par en fuerza lineal. Sin embargo, la cremallera y el piñón generalmente proporcionan una velocidad lineal más alta, ya que una vuelta completa del piñón desplaza la cremallera en una cantidad igual al círculo primitivo del piñón , mientras que una rotación completa del tornillo sin fin solo desplaza la cremallera en un ancho de diente. Del mismo modo, un mecanismo de piñón y cremallera produce una fuerza lineal menor que un engranaje helicoidal, para el mismo par de entrada. Además, un par de piñón y cremallera se puede utilizar de forma opuesta, para convertir la fuerza lineal en par; mientras que un tornillo sin fin sólo se puede utilizar de una manera. [8]
Los dientes de un par de piñón y cremallera pueden ser rectos (paralelos al eje de rotación, como en un engranaje recto ) o helicoidales . En el piñón, el perfil de las superficies de los dientes de trabajo suele ser un arco de involuta , como en la mayoría de los engranajes. En cambio, en la estantería las superficies de trabajo correspondientes son planas. Se pueden interpretar como caras de dientes involutas de un engranaje con radio infinito. En ambas partes, los dientes normalmente se forman con una fresa de engranajes (una fresadora ). [1]
