En ingeniería mecánica o automotriz , un embrague de rueda libre o de sobremarcha es un dispositivo en una transmisión que desacopla el eje de transmisión del eje impulsado cuando el eje impulsado gira más rápido que el eje de transmisión. A veces, a una sobremarcha se la llama erróneamente rueda libre, pero por lo demás no está relacionada.
La condición de que el eje de transmisión gire más rápido que el eje de transmisión se da en la mayoría de las bicicletas cuando el ciclista deja de pedalear . En una bicicleta de piñón fijo , sin rueda libre, la rueda trasera impulsa los pedales.
Una situación análoga existe en un automóvil con transmisión manual que va cuesta abajo, o en cualquier situación en la que el conductor quita el pie del acelerador , cerrando el acelerador : las ruedas impulsan el motor, posiblemente a un RPM más alto. En un motor de dos tiempos , esto puede ser catastrófico, ya que muchos motores de dos tiempos dependen de una mezcla de combustible y aceite para la lubricación , la falta de combustible en el motor priva de aceite a los cilindros y los pistones pueden agarrotarse pronto, 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 principios del Saab 99 para una mejor eficiencia de combustible .
El dispositivo de rueda libre más simple consiste en dos discos con dientes de sierra y resortes que se presionan uno contra el otro con los lados dentados juntos, algo así como un trinquete . Al girar en una dirección, los dientes de sierra del disco de accionamiento se bloquean con los dientes del disco impulsado, lo que hace que giren a la misma velocidad. Si el disco de accionamiento disminuye su velocidad o deja de girar, los dientes del disco impulsado se deslizan sobre los dientes del disco de accionamiento 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, lo que hace que gire al unísono. Al girar más lentamente, o en la otra dirección, los rodillos de acero simplemente se deslizan dentro del cilindro.
Las bicicletas utilizan ruedas libres para permitir que el ciclista se desplace sin pedalear. Al girar la rueda o el cassette en la dirección que produce el sonido de clic, el trinquete se desliza fácilmente hacia arriba y sobre los bordes suavemente inclinados de los dientes. Este proceso a veces se conoce informalmente como "deslizamiento". En este escenario, el cassette gira independientemente de la rueda trasera. Cuando el ciclista deja de pedalear, el trinquete se desliza mientras la rueda continúa girando mientras el cassette se detiene, lo que produce el ruido de clic. En consecuencia, una bicicleta no se moverá en reversa si el ciclista pedalea hacia atrás. Cuando el cassette o la rueda gira en la dirección opuesta, el trinquete se engancha contra los bordes más inclinados de los dientes, creando un bloqueo. A medida que el ciclista pedalea hacia adelante, el cassette gira hacia adelante debido a la naturaleza inherente de los piñones , lo que hace que el trinquete se enganche contra la pendiente pronunciada de los dientes e impulse la rueda trasera en la dirección hacia adelante. Esto también explica por qué empujar la bicicleta hacia adelante hace que los pedales giren en la dirección hacia adelante.
La mayoría de las ruedas libres de bicicleta utilizan un tambor con dientes escalonados internos y dos o más trinquetes de acero endurecido accionados por resorte para transmitir la carga. Un mayor número de trinquetes ayuda a distribuir el desgaste y brinda mayor confiabilidad, aunque, a menos que el dispositivo esté fabricado con tolerancias que no se encuentran normalmente en los componentes de las bicicletas, rara vez se logra el acoplamiento simultáneo de más de dos trinquetes.
Por su naturaleza, un mecanismo de rueda libre actúa como un embrague automático , lo que permite cambiar de marcha en una caja de cambios manual , ya sea hacia una marcha superior o inferior, sin pisar el pedal del embrague, limitando el uso del embrague manual a arrancar desde parado o detenerse. El conductor puede conectar o desconectar la rueda libre de Saab empujando o tirando de una palanca, respectivamente. Esto bloquea o desbloquea el eje principal con el cubo de la rueda libre.
Una transmisión de rueda libre también produce un ahorro de combustible ligeramente mejor en motores con carburador (sin corte de combustible en el freno de motor) y menos desgaste en el embrague manual, pero genera un mayor desgaste en los frenos ya que ya no hay capacidad para realizar el frenado del motor . Esto puede hacer que las transmisiones de rueda libre sean peligrosas para su uso en camiones y automóviles que circulan por 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.
En los equipos agrícolas, el embrague de sobrerrevolucionado se utiliza normalmente en empacadoras de heno y otros equipos con una carga inercial elevada , en particular cuando se utiliza junto con un tractor sin una toma de fuerza activa (PTO). Sin una PTO activa, una carga inercial elevada puede hacer que el tractor siga avanzando incluso cuando se pisa el pedal del embrague, lo que crea una situación insegura. Al desconectar la carga de la PTO en estas condiciones, el embrague de sobrerrevolucionado mejora la seguridad. De manera similar, muchas cortadoras de césped de cilindro de empuje sin motor utilizan una rueda libre para impulsar las cuchillas: estas 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 se detiene.
Un conjunto de rueda libre también se usa ampliamente en los arrancadores de motor como una especie de dispositivo de protección. Los motores de arranque generalmente necesitan girar a 3000 RPM para que el motor gire. Cuando la llave se mantiene en la posición de arranque durante cualquier cantidad de tiempo después de que el motor haya arrancado, el motor de arranque no puede girar lo suficientemente rápido para seguir el ritmo del volante. Debido a la relación de transmisión extrema entre el engranaje de arranque y el volante (aproximadamente 15 o 20:1), haría girar la armadura del motor de arranque a velocidades peligrosamente altas, lo que causaría una explosión cuando la fuerza centrípeta que actúa sobre las bobinas de cobre enrolladas en la armadura ya no puede resistir la fuerza externa que actúa sobre ellas. En los arrancadores sin rueda libre o embrague de sobremarcha, esto sería un problema importante porque, con el volante girando a aproximadamente 1000 RPM al ralentí, el motor de arranque, si se acopla con el volante , se vería obligado a girar entre 15 000 y 20 000 RPM. Una vez que el motor ha girado y está funcionando, el embrague de rueda libre libera el motor de arranque del volante y evita que los engranajes se vuelvan a engranar (como en el caso de un giro accidental de la llave de encendido) mientras el motor está en marcha. En la actualidad, en muchas motocicletas con motor de arranque eléctrico se utiliza un embrague de rueda libre. Se utiliza como reemplazo del solenoide de arranque (o el antiguo accionamiento Bendix ) que se utiliza en la mayoría de los motores de arranque de automóviles porque reduce las necesidades eléctricas del sistema de arranque. [ cita requerida ]
Además de los usos automotrices enumerados anteriormente (es decir, en vehículos con motor de dos tiempos y los primeros Saab de cuatro tiempos), las ruedas libres se utilizaron en algunos automóviles convencionales de lujo o de gama alta (como Packard , Rover y Cord ) desde la década de 1930 hasta la de 1960. Algunos motores de la época también tendían a pasar aceite más allá de los anillos del pistón en condiciones con el 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 por salpicadura del cigüeñal de giro rápido provocaría que el aceite entrara en la cámara de combustión.
La rueda libre significaba que el motor volvía a su régimen de ralentí en el régimen de inercia, lo que reducía en gran medida el ruido tanto del motor como de la caja de cambios y reducía el consumo de aceite. Por lo general, el mecanismo se podía bloquear para proporcionar frenado del motor si era necesario. También se utilizó una rueda libre en el vehículo Land Rover original de 1948 a 1951. La rueda libre controlaba la transmisión desde la caja de cambios hasta el eje delantero , que se desacoplaba en el régimen de inercia. Esto permitió que el vehículo tuviera un sistema de tracción en las 4 ruedas permanente al evitar las fuerzas de "arranque" en la transmisión. Este sistema funcionaba, pero producía 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 de deslizamiento limitado ZF compuesto por dos ruedas libres, que enviaba toda la potencia del motor a las dos ruedas de giro más lento. [1]
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 soltaba el acelerador y el vehículo estaba en la marcha libre, la rueda libre se desacoplaba y el conductor podía cambiar de marcha sin usar el pedal del embrague. Esta característica apareció principalmente en los automóviles grandes y de lujo con embragues pesados y cajas de cambios sin sincronizadores , 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, detener y cambiar las marchas inferiores sin usar el embrague. Esta era una opción en los Citroën 2CV y sus derivados y, como su nombre lo indica, se comercializó como un beneficio para conducir en áreas urbanas congestionadas. De manera similar, 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 rueda libre en todas las marchas inferiores a la marcha seleccionada. Por ejemplo, si el selector de marchas de una transmisión de tres velocidades está etiquetado como 'drive' (3)-'super' (2)-'low' (1) y el conductor ha seleccionado 'super', la transmisión gira libremente si se engrana la primera marcha, pero no en la segunda o tercera; si está en 'drive' gira libremente en primera o segunda; finalmente, si está en baja, no gira libremente en ninguna marcha. Esto permite al conductor seleccionar un rango inferior para proporcionar frenado de motor a varias velocidades, por ejemplo, al descender una colina empinada.
Las unidades con 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 con sobremarcha sin utilizar el pedal de embrague convencional . La rueda libre bloquearía el eje saliente con el eje saliente en el breve período de transición entre el embrague cónico para el desacoplamiento del modo bloqueado y el embrague para el acoplamiento del modo con sobremarcha. [2]
En el estilo más antiguo de engranajes de cambio , donde el mecanismo de rueda libre está incluido en el conjunto de engranaje/piñón, el sistema se denomina rueda libre , mientras que el estilo más nuevo, en el que el mecanismo de rueda libre está en el buje, se denomina buje libre .
Las ruedas libres también se utilizan en los 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 de propulsión. Esto es especialmente importante en caso de fallo del motor, en el que una rueda libre en la transmisión principal permite que los sistemas del rotor principal y de cola sigan girando independientemente del sistema de propulsión. Esto permite un control continuo del vuelo y un aterrizaje en autorrotación .
En 1869, William Van Anden de Poughkeepsie, Nueva York, EE. UU. inventó la rueda libre para la bicicleta . [3] Su diseño colocó un dispositivo de trinquete en el cubo de la rueda delantera (la rueda motriz en los diseños de velocípedos de la época), que permitía al ciclista impulsarse hacia adelante sin pedalear constantemente. [4] Inicialmente, los entusiastas de la bicicleta rechazaron la idea de una rueda libre porque creían que complicaría las funciones mecánicas de la bicicleta. [5] Los entusiastas de la bicicleta creían que se suponía que la bicicleta debía permanecer lo más simple posible sin ningún mecanismo adicional, como la rueda libre. [6]
En el Reino Unido, J. White y G. Davies de Coventry Machinist Co. patentaron una rueda libre con rodillos en 1881 [7] 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 (que operaba como Whippet Cycle Syndicate ), que instalaron una rueda libre a partir del verano de 1894, en parte para ayudar al funcionamiento de su engranaje "Protean" de 2 velocidades.
En 1899, la rueda libre, generalmente combinada con el freno de contrapedal, se había adoptado ampliamente en la fabricación de bicicletas del Reino Unido y se ofrecían conversiones a las bicicletas existentes. [8] [9]
En 1899, el mismo sistema en los EE. UU. se conocía como " freno de montaña ", que permitía a los ciclistas frenar pedaleando hacia atrás e incluía el mecanismo de rueda libre. [10] A principios de siglo, los fabricantes de bicicletas en Europa y América incluyeron el mecanismo de rueda libre en la mayoría de sus bicicletas, pero ahora la rueda libre estaba incorporada en la rueda dentada trasera de una bicicleta a diferencia del diseño inicial de Van Anden. [11]
En 1924, la firma francesa Le Cyclo introdujo una bicicleta con cambio de marchas y una rueda libre de dos piñones, que permitía a los ciclistas subir cuestas con más 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 daba 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 después la empresa combinó la rueda libre de cuatro piñones con un plato triple, lo que le dio a la bicicleta doce marchas. [12]
En los años 1960 y 1970, los fabricantes japoneses introdujeron sus propias versiones del desviador. SunTour introdujo notablemente el diseño del desviador trasero en paralelogramo inclinado en 1964, que está inclinado para mantener la polea más cerca de cada piñón de la rueda libre a medida que cambia, lo que proporciona un cambio más suave y mejor 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. [13]