Un sistema de piñón y cremallera es un tipo de actuador lineal que consta de un engranaje circular (el piñón ) que se acopla a un engranaje lineal (la cremallera ). [1] Juntos, convierten el movimiento rotatorio en movimiento lineal: al girar el piñón, la cremallera se mueve en línea recta. Por el contrario, al mover la cremallera linealmente, el piñón gira.
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 normalmente colocada entre los raíles, y ayuda a mover el tren por una pendiente pronunciada . También se utiliza en prensas de husillo y taladros de columna , 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 . Los salvaescaleras , las compuertas de esclusas , las puertas eléctricas y el mecanismo de dirección mecánica de los vagones son otras aplicaciones notables.
El término "cremallera y piñón" también puede utilizarse 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; las cuales siempre se desplazarán la misma distancia, sólo que en direcciones opuestas. Por el contrario, al aplicar 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 un mínimo esfuerzo. [3]
Se desconoce el momento y el lugar de la invención del mecanismo de cremallera y piñón, pero se supone que no fue mucho después de la invención de los engranajes. El carro que apunta hacia el sur de China y el mecanismo de Antikythera son evidencia de que estos eran bien conocidos ya un par de siglos antes de Cristo . [ cita requerida ]
En 1598, el diseñador de armas de fuego Zhao Shizhen desarrolló el arcabuz Xuanyuan (軒轅銃), que presentaba un mecanismo de mecha de piñón y cremallera derivado de un diseño de mecha de la Turquía otomana . [4] El Wu Pei Chih (1621) describió posteriormente los mosquetes de la Turquía otomana que utilizaban un mecanismo de piñón y cremallera. [5] [6]
El uso de una cremallera variable (que todavía utiliza un piñón normal) fue inventado por Arthur Ernest Bishop [7] en la década de 1970, con el fin de 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 mecanismo de cremallera y piñón tiene aproximadamente el mismo propósito que un engranaje helicoidal con una cremallera en lugar del engranaje, ya que ambos convierten el par en fuerza lineal. Sin embargo, el mecanismo de cremallera y piñón generalmente proporciona una velocidad lineal más alta, ya que una vuelta completa del piñón desplaza la cremallera en una cantidad igual al círculo de paso del piñón , mientras que una rotación completa del tornillo sin fin solo desplaza la cremallera en un ancho de diente. Por la misma razón, un mecanismo de cremallera y piñón produce una fuerza lineal menor que un engranaje helicoidal, para el mismo par de entrada. Además, un par de cremallera y piñón se puede utilizar de manera opuesta, para convertir la fuerza lineal en par, mientras que un mecanismo de tornillo sin fin se puede utilizar solo de una manera. [8]
Los dientes de un par de cremallera y piñón pueden ser rectos (paralelos al eje de rotación, como en un engranaje recto ) o helicoidales . En el piñón, el perfil de las superficies de trabajo de los dientes suele ser un arco de evolvente , como en la mayoría de los engranajes. En la cremallera, por otro lado, las superficies de trabajo coincidentes son planas. Se pueden interpretar como caras de dientes evolventes para un engranaje con radio infinito. En ambas partes, los dientes se forman típicamente con una fresa para engranajes (una fresa madre ). [1]
