Los pistones impulsan la manivela principal del motor para que gire. Al ralentí, gira alrededor de 900 rpm. A velocidad puede ser de hasta 7.500 rpm. No es aconsejable (o posible) simplemente conectar un juego de ruedas al final de la manivela porque la velocidad es demasiado alta y demasiado variable, y el motor debería detenerse cada vez que el vehículo se detuviera. En cambio, las revoluciones de la manivela deben reducirse a una velocidad utilizable. Esto se conoce como engranaje hacia abajo: el proceso mecánico de usar engranajes entrelazados para reducir el número de revoluciones de algo que está girando.
En este caso, estamos hablando de engranajes que significan ‘rueda dentada’ en oposición a los engranajes como en ‘mi automóvil tiene 5 engranajes’. Un engranaje (o engranaje o rueda dentada) en su forma más básica es un objeto circular plano que tiene dientes cortados en el borde. El tipo más básico de engranaje se llama engranaje recto, y tiene dientes de corte recto, donde el ángulo de los dientes es paralelo al eje del engranaje. Los engranajes más anchos y los que se cortan para una malla más suave a menudo se cortan con los dientes en ángulo, y estos se llaman engranajes helicoidales. Debido al ángulo de corte, los dientes de engranajes helicoidales tienen un acoplamiento mucho más gradual entre sí y, como tales, operan de manera mucho más suave y silenciosa que los engranajes rectos. Las cajas de cambios para automóviles y motocicletas casi siempre usan engranajes helicoidales por este motivo. Un efecto secundario de los engranajes helicoidales es que si los dientes se cortan en el ángulo correcto (45 grados), un par de engranajes se pueden unir perpendicularmente entre sí. Este es un método útil para cambiar la dirección de movimiento o empuje en un sistema mecánico. Otro método sería usar engranajes cónicos.
El número de dientes cortados en el borde de un engranaje determina su escalar en relación con otros engranajes en un sistema mecánico. Por ejemplo, si un engranaje de 20 dientes se engrana junto con un engranaje de 10 dientes, luego se gira para una rotación, hará que el engranaje de 10 dientes gire dos veces. Las relaciones de engranaje se calculan dividiendo el número de dientes en el engranaje de salida por el número de dientes en el engranaje de entrada. Entonces, la relación de transmisión aquí es salida / entrada, 10/20 = 1/2 = 1: 2. Las relaciones de transmisión a menudo se simplifican para representar la cantidad de veces que la marcha de salida tiene que girar una vez. En este ejemplo, 1: 2 es 0.5: 1 – “punto cinco a uno”. Lo que significa que el engranaje de entrada tiene que girar media revolución para conducir el engranaje de salida una vez. Esto se conoce como prepararse.
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El engranaje hacia abajo es exactamente el mismo, solo que el engranaje de entrada es ahora el que tiene el menor número de dientes. En este caso, conducir el engranaje de 10 dientes como el engranaje de entrada nos da una salida / entrada de 20/10 = 2/1 = 2: 1 – “dos a uno”. Lo que significa que el engranaje de entrada tiene que girar dos veces para conducir el engranaje de salida una vez.
Al engranar muchos engranajes de diferentes tamaños, es posible crear un sistema mecánico para aumentar o disminuir el número de rotaciones muy rápidamente. Como último ejemplo, imagine un engranaje de entrada con 10 dientes, un engranaje secundario con 20 dientes y un engranaje final con 30 dientes. Desde el engranaje de entrada al engranaje secundario, la relación es 20/10 = 2: 1. Desde la segunda marcha hasta la marcha final, la relación es 30/20 = 1.5: 1. La relación de transmisión total para este sistema es (2 * 1.5): 1 o 3: 1. es decir. para girar el engranaje de salida una vez, el engranaje de entrada tiene que girar tres veces.
Esto también muestra claramente un cálculo de acceso directo que pierde la relación de transmisión media; en última instancia, lo que se necesita es la relación de entrada a salida. En este ejemplo, la salida final es 30 y la entrada original es 10. 30/10 = 3/1 = 3: 1.
Las colecciones de engranajes helicoidales en una caja de engranajes son el proceso mediante el cual la velocidad de la manivela del motor se reduce a la velocidad final del eje de salida desde la caja de engranajes. La siguiente tabla muestra algunos ejemplos de relaciones de transmisión para una caja de cambios manual de 5 velocidades:
Es importante tener en cuenta que en casi todos los vehículos también hay un engranaje de reducción final. Esto también se llama transmisión final, reducción del eje trasero o reducción del engranaje del eje delantero. Normalmente se realiza en el diferencial con un engranaje de piñón pequeño y un engranaje de anillo grande (consulte la sección sobre diferenciales más abajo en la página). En el ejemplo anterior, la reducción final del eje de salida de la caja de engranajes a los ejes de transmisión que salen del diferencial a las ruedas es 4.444: 1. En la quinta marcha, a 3000 rpm, el eje de salida de la caja de engranajes gira a 4065 rpm. Esto pasa por una reducción de 4.444: 1 en el diferencial para dar una rotación del eje de la rueda motriz de 914 rpm. Para un automóvil de pasajeros típico de 4 puertas, suponga una combinación de rueda y llanta de 205 / 55R16 que da una circunferencia de 1.985m o 6.512 pies (vea la Biblia sobre ruedas y llantas). Cada minuto, la rueda gira 914 veces, lo que significa que mueve el automóvil (914 x 6.512 pies) = 5951 pies a lo largo del suelo, o 1.127 millas. En una hora, eso es (60 minutos x 1.127 millas) = 67.62. En otras palabras, conociendo las proporciones de la caja de cambios y los tamaños de los neumáticos, es posible calcular que a 3000 rpm, este automóvil estará haciendo 67 mph en la quinta marcha.