Cremallera y piñón

Un mecanismo de cremallera y piñón es un tipo de actuador lineal que consta de un engranaje circular (el piñón ) que engrana con un engranaje lineal (la cremallera ). ^{[ 1 ]} Juntos, permiten la conversión entre movimiento rotacional y movimiento lineal: al girar el piñón, la cremallera se desplaza en línea recta. Por el contrario, al mover la cremallera linealmente, el piñón gira.

El mecanismo de cremallera y piñón se utiliza en ferrocarriles de cremallera , donde el piñón montado en una locomotora o vagón engrana con una cremallera, generalmente ubicada entre los rieles, y ayuda a mover el tren por pendientes pronunciadas . También se utiliza en prensas de husillo y taladros , donde el piñón está conectado a una palanca y desplaza una cremallera vertical (el émbolo ). 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 puertas de acceso , las puertas eléctricas y el mecanismo de dirección mecánica de los automóviles son otras aplicaciones destacadas.

El término "cremallera y piñón" también puede utilizarse cuando la cremallera no es recta sino arqueada (doblada), es decir, solo 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, pero 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 puede utilizarse, por ejemplo, con un par de actuadores neumáticos para accionar una válvula con un esfuerzo mínimo. ^{[ 3 ]}

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  Elevador de compuertas de esclusa en un canal
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  Puerta eléctrica
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  Mecanismo de dirección del automóvil
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  Juego de ruedas para ferrocarril de cremallera
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  Juego de ruedas y freno del funicular
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  Actuador de válvula neumática de doble cremallera

El cranequin era un dispositivo de cremallera y piñón utilizado en el siglo XV para tensar la cuerda de una ballesta. ^{[ 4 ]}

En 1598, el diseñador de armas de fuego Zhao Shizhen desarrolló el arcabuz Xuanyuan (軒轅銃), que presentaba un mecanismo de llave de mecha de cremallera y piñón derivado de un diseño de llave de mecha turco otomano . ^{[ 5 ]} El Wu Pei Chih (1621) describió posteriormente los mosquetes turcos otomanos que utilizaban un mecanismo de cremallera y piñón. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

El uso de una cremallera variable (que aún utiliza un piñón normal) fue inventado por Arthur Ernest Bishop ^{[ 8 ]} 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 por prensado de bajo costo para fabricar las cremalleras, eliminando la necesidad de mecanizar los dientes de los engranajes.

Un mecanismo de cremallera y piñón tiene prácticamente la misma función que un engranaje helicoidal con una cremallera en lugar del tornillo sin fin, ya que ambos convierten el par motor en fuerza lineal. Sin embargo, el mecanismo de cremallera y piñón generalmente proporciona una mayor velocidad lineal, puesto que una vuelta completa del piñón desplaza la cremallera una cantidad igual al diámetro primitivo del piñón , mientras que una rotación completa del tornillo sin fin solo desplaza la cremallera el ancho de un diente. Del mismo modo, un mecanismo de cremallera y piñón produce una fuerza lineal menor que un engranaje helicoidal para el mismo par motor. Además, un par de cremallera y piñón puede utilizarse en sentido inverso, para convertir la fuerza lineal en par motor; mientras que un engranaje helicoidal solo puede utilizarse de una manera. ^{[ 9 ]}

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, en cambio, las superficies de trabajo correspondientes son planas. Se pueden interpretar como caras de dientes de evolvente para un engranaje de radio infinito. En ambas partes, los dientes se forman típicamente con una fresa de engranajes (un fresado ). ^{[ 1 ]}