El piñón libre, también conocido por su nombre inglés freewheel, es un mecanismo ampliamente extendido que permite que un eje se mueva libremente cuando éste gira a más revoluciones que el mecanismo que le proporciona el movimiento. Este mecanismo se suele encontrar en máquinas en las que el eje que se mueve alcanza una gran inercia y termina moviéndose más rápido que el motor que lo impulsa. Veamos cómo funciona el mecanismo del piñón libre y trinquete.
Los piñones libres se usan sobre todo en las siguientes máquinas:
- Bicicletas: en la rueda trasera de las bicicletas podemos encontrar un mecanismo que permite le girar a mayor velocidad que la corona de los piñones. De este modo la rueda puede girar aunque los pedales estén parados. En las bicicletas eléctricas, un mecanismo protege el motor si le rueda o los pedales giran más rápido que el motor.
- Motor de arranque: en los motores de combustión, el motor de arranque ataca al cigüeñal con una relación de 20:1. En cuanto el motor arranca éste comienza a girar aproximadamente a 1.000 RPM, lo que significa que el cigüeñal movería el motor de arranque a 20.000 RPM, destrozando el motor. Por ello el motor de arranque mueve el diferencial con un piñón libre, que engrana cuando el motor de arranque mueve el cigüeñal pero que gira libremente cuando el motor arranca.
- Maquinaria agrícola: se encuentran piñones libres en multitud de máquinas que giran a gran velocidad, como en cosechadoras, desbrozadoras o corta-césped. En estos últimos se suelen encontrar como sistema de protección cuando el motor se detiene, permitiendo que las cuchillas giren con la inercia y se detengan poco a poco, evitando que fuercen el motor o frenados en seco que pueden producir que las cuchillas reboten y giren en sentido contrario.
- Helicópteros: el motor de los helicópteros mueve los rotores mediante mecanismos de piñón libre. Por ello cuando el motor se detiene las aspas siguen girando durante un tiempo debido a la inercia. Esto protege el motor cuando se para y como medida de seguridad, permitiendo en caso de fallo del motor que las aspas continúen girando por efecto de la autorrotación.
El mecanismo del piñón libre se basa en un mecanismo mucho más sencillo: el trinquete.
Este mecanismo permite el giro de un eje en un sentido y lo bloquea en el sentido contrario. Este mecanismo es muy antiguo, ya utilizado en el Imperio Romano, en donde se usaba en grúas y máquinas de asedio. Generalmente se usa en elementos como:
- Grúas, elevadores y cabestrantes: permite enrollar el cable que eleva la carga sin que el peso de ésta pueda tirar del cable y desenrollar el carrete.
- Gatos mecánicos: con un sistema similar al anterior, permite elevar un peso sin miedo a que el peso vuelva a caer.
- Tornos de entrada: permite que la gente pase por el torno pero no pueda salir por él.
- Cañas de pescar: nos permite recoger sedal sin que el pez pueda desenrollarlo.
- Llaves de carraca: permite girar la llave en ambos sentidos, transmitiendo el giro en un sentido. Normalmente son reversibles, de forma que podemos seleccionar si transmitimos el giro en un sentido o en otro.
- Relojes mecánicos: entre los engranajes de los relojes se pueden encontrar multitud de trinquetes, como el que permite dar cuerda al reloj sin que el eje unido al resorte gire libremente o los que impiden que las manecillas puedan girar en sentido contrario.
El principio mecánico del trinquete es muy sencillo. El eje está unido a una rueda con dientes inclinados especialmente diseñados (también llamados dientes de trinquete). Una palanca en forma de cuña, llamada uñeta o gatillo, se traba con los dientes cuando la rueda gira hacia la palanca, enganchándose entre los dientes e impidiendo el giro. Cuando la rueda gira en sentido contrario los planos inclinados de los dientes levantan la palanca y el giro se produce normalmente. Para que la palanca esté siempre en contacto con los dientes, ésta suele ir acompañada de un muelle que la empuja contra la rueda. Este movimiento de la palanca con cada diente produce ese repiqueteo tan característico de las máquinas con trinquetes.
A continuación podéis ver un trinquete hecho con piezas de LEGO. Hemos usado una pieza no muy común para hacer de rueda de trinquete, aunque se puede usar cualquier rueda dentada convencional. Podemos ver en la imagen cómo se trabaría la rueda con la palanca en caso de girar en un sentido y cómo los dientes levantarían la palanca en sentido contrario. La goma sirve para que siempre esté la palanca en contacto con los dientes.
Si combinamos el mecanismo del trinquete con una rueda y permitimos que el trinquete gire al final obtenemos un piñón libre. De este modo, el trinquete se traba con la rueda y provoca que esta gire, mientras que si la rueda gira más rápido, el trinquete permite ese movimiento. Existen varios tipos de piñón libre. En la siguiente imagen podemos ver uno muy sencillo, en donde el eje posee la palanca del trinquete que presiona contra el interior dentado de una rueda que lo rodea. En caso de que la rueda exterior gire a la izquierda, el movimiento se transmite al eje, mientras que si el eje gira libremente hacia la izquierda si la rueda está parada.
Nosotros hemos creado un piñón libre con piezas de LEGO, en el que una rueda exterior posee dos trinquetes en contacto con una rueda dentada fija al eje. De este modo, cuando la rueda exterior gira los trinquetes “enganchan” la rueda interior y el eje gira, mientras que si el eje gira más rápido los trinquetes se liberan. Los trinquetes tienen unos contrapesos que les permiten estar siempre en contacto con la rueda interior gracias a la gravedad (o a la fuerza centrífuga si es mayor).
Y por último, a continuación podéis ver un vídeo con el funcionamiento de un trinquete conectado a las ruedas de un vehículo, que le impide caer hacia atrás en una cuesta, y de otro vehículo con piñón libre, que le permite subir una cuesta a la velocidad del motor e ir más rápido al bajar la cuesta.