¿Qué son las ruedas libres?

En este post descubriremos la historia y evolución de las ruedas libres, sus ventajas y aplicaciones en el sector automovilístico.

¿Qué son las ruedas libres? 

Hoy en día, la mayor parte de nuestro contacto con las unidades de rueda libre se produce cuando sacamos nuestras bicicletas a dar un paseo. Pedaleamos para acelerar la bicicleta y luego nos relajamos mientras la bicicleta se desliza. Esto se nota especialmente al descender por una pendiente larga y moderada. La velocidad de las ruedas y la gravedad mantienen la bicicleta en movimiento constante mientras nosotros, los ciclistas, nos sentamos y disfrutamos del paisaje. Realmente no hay responsabilidad en este ejercicio, especialmente si nuestra bicicleta tiene frenos manuales. El agarre de las manijas del freno tira de un cable que trae dos almohadillas de fricción contra la llanta de la rueda, lo que reduce la velocidad y finalmente detiene la bicicleta. El frenado se realiza de forma totalmente independiente de la fuente de alimentación: los pedales.

De hecho, el buje de rueda libre se desarrolló para uso en bicicletas, pero a principios de la década de 1930 se adaptó para uso en automóviles. La mayoría de los fabricantes de automóviles que buscan algo para hacer que su automóvil suene mejor, más brillante y para atraer a más personas en un mercado muy competitivo, agregaron un sistema de rueda libre a la transmisión del automóvil. Las ruedas libres  fueron utilizadas como una medida económica. El coche sería más eficiente en el consumo de combustible si el motor pudiera estar en "ralentí" mientras se mantiene la velocidad en carretera. Pero uno de los inconvenientes era que un automóvil de 1000 o 2000 kilogramos tenía mucha más inercia que una bicicleta de 30 kilos. Las velocidades eran generalmente mayores, y estos factores hacían más difícil que los frenos solos detuvieran el automóvil sin sufrir daños. Pero los fabricantes de automóviles no mencionaron la desventaja de la rueda libre. Era otra característica que los fabricantes podían agregar a sus máquinas para hacerlas más atractivas para el cliente.

Sin embargo, antes de adentrarnos mucho más en el tema, aclaremos un concepto erróneo. Rueda libre no es sinónimo de 'Sobremarcha'. Una unidad de sobremarcha contendrá un sistema de rueda libre, pero una unidad básica de rueda libre no es y no constituye rueda libre. Básicamente, una unidad de sobremarcha permite que el eje de transmisión (y luego la parte trasera y las ruedas traseras) giren más rápido que las revoluciones del cigüeñal. Debido a la relación de transmisión más baja de la sobremarcha, el automóvil produce menos torque, pero una velocidad de crucero más económica. Una serie de engranajes reduce la relación de revoluciones del motor al eje de transmisión a menos de 1:1. Con la sobremarcha activada, las ruedas traseras pueden girar más rápido que las revoluciones producidas por el motor, lo que brinda una mejor economía de par bajo. Sin embargo, el sistema de sobremarcha es lo suficientemente sofisticado como para que, cuando las condiciones de la carretera lo exijan, para subir colinas, pasar velocidad o velocidades de carretera más bajas (generalmente por debajo de 40 mph), el cambio de marcha dentro de la unidad de transmisión/sobremarcha es prácticamente instantáneo, cambiando de (casi) marcha libre a una relación que permita que la velocidad del motor coincida más con la del eje de transmisión.

Pero volvamos a la libertad. Mientras que la sobremarcha selecciona una marcha de relación más baja cuando es adecuada, el conductor debe activar o desactivar manualmente la marcha libre. Al activar la rueda libre, esencialmente el motor se desconecta mecánicamente de las ruedas traseras para que la velocidad de la carretera, las revoluciones de las ruedas traseras, determinen la velocidad del automóvil, no las revoluciones del motor. A velocidades más bajas, velocidades en las que las revoluciones del motor igualan o superan la rotación del eje de transmisión, un "bloqueo" mecánico mantiene el motor/eje de transmisión en contacto entre sí. Pero a medida que las ruedas traseras/el eje de transmisión alcanzan velocidades en las que las velocidades de rotación del eje de transmisión superan las del motor, la unidad de rueda libre desconecta los dos componentes y permite que el automóvil se desplace por inercia. Ahora aquí está el problema. Normalmente, el motor, cuando la velocidad del eje de transmisión excede la velocidad del cigüeñal, ejerce un efecto de arrastre sobre la transmisión de potencia, reduciendo la velocidad del eje de transmisión (a través de una relación predeterminada de engranajes: 2.ª marcha, 3.ª marcha) hasta la velocidad del motor. A medida que el motor se ralentiza aún más, al subir colinas o cuando se reduce el combustible al carburador, las ruedas traseras lo siguen. El arrastre del motor ayuda a reducir la velocidad de avance del automóvil, ayudando a los frenos.

Pero con la rueda libre activada, es esencialmente como conducir con el embrague presionado. La velocidad del motor y la velocidad de la rueda trasera se vuelven independientes entre sí. Esto ocurre a una velocidad mínima, por lo que generalmente la marcha alta (tercera o cuarta) es la única involucrada, pero también podría ocurrir razonablemente en segunda, si se pueden obtener velocidades adecuadas con la relación de transmisión de segunda. Cuando la velocidad de la rueda trasera excede la velocidad de rotación del cigüeñal y el motor/eje de transmisión están 'desconectados', el automóvil se desboca. Son las ruedas traseras las que determinan la velocidad del coche, no el motor. El único control que tiene ahora el conductor es con los frenos y con la dirección. La dirección generalmente no tiene nada que ver con la velocidad de avance, a menos que el conductor conduzca el automóvil cuesta arriba.

Los frenos, especialmente en nuestros autos más antiguos, fueron suficientes. Normalmente hacían un trabajo razonablemente bueno al reducir la velocidad y detener el automóvil. Pero cuando se exponen a situaciones extremadamente exigentes, como un automóvil de 2000 kilos que se precipita cuesta abajo en marcha libre, los frenos funcionan más allá de sus capacidades previstas normalmente. El resultado puede ser un sobrecalentamiento o incluso un incendio. Recuerde, quitar el pie del acelerador no reducirá la velocidad del automóvil cuando esté en marcha libre; el motor está 'desconectado'. Es mejor que esperes que 1) el camino cuesta abajo tome un giro ascendente, 2) no haya curvas cerradas delante de ti, 3) condiciones especiales, como un automóvil que se aproxima. 

Ventajas de las ruedas libres

De acuerdo, eso es lo malo de la rueda libre. ¿Cuáles son las ventajas? (Este será un párrafo mucho más corto.) Economía de combustible. Muy bien, tal vez mínimamente menos desgaste en el motor. Y la capacidad de cambiar de marcha sin pisar el embrague. Pero la rueda libre solo se activa cuando el eje de transmisión gira más rápido que el motor, en una carretera cuesta abajo. ¿Con qué frecuencia ocurre eso? El ahorro de combustible y la reducción del desgaste del motor se producen en marcha libre porque el motor se pone en ralentí mientras desciende por la colina. (Teóricamente, la rueda libre también ayudará en carreteras planas donde es posible deslizarse por inercia. Pero sin inercia, el automóvil disminuirá la velocidad y se necesitará más gasolina y 1:00 p. m. adicionales para que vuelva a la velocidad de "deslizamiento").

¿El control reducido fue el mayor problema con la rueda libre y el aumento de la economía de combustible? Bueno, no hay nada que destacar. Después de finales de la década de 1930, la rueda libre se convirtió en una nota al pie de página en la historia del automóvil. Y fue casi al mismo tiempo que la sobremarcha se hizo popular y en no muchos años, casi una parte estándar de la transmisión automotriz.

Al darle más gasolina al automóvil, aumentando las rpm del motor, una vez que la velocidad del motor coincidiera con la velocidad del eje de transmisión, la rueda libre se desconectaría. Pero, a menos que se bloqueara la marcha libre, cuando la velocidad de la rueda trasera excediera nuevamente la velocidad del eje de entrada, volvería al modo de marcha libre.

¿Cómo funciona la rueda libre?

La analogía visual más simple es un trinquete; un engranaje de diente de sierra trabajando contra un trinquete. Si puedes imaginar que cuando el engranaje de diente de sierra gira lo suficientemente rápido, el trinquete se bloquea eliminando los atributos de desaceleración o detención, esa es una unidad de rueda libre.

Se utilizaron varios sistemas diferentes para accionar una unidad de rueda libre, pero en esencia todos eran muy similares: un sistema de embrague de volteo desacoplaba el eje impulsor (del motor/transmisión) del eje accionado (eje impulsor o eje propulsor).

En la mayoría de los casos, un manguito exterior, engranado internamente, estaría equipado con una leva interior. Los rodamientos de rodillos mantenidos en su lugar entre los dientes de la leva interior se engancharían con el manguito exterior conectando el manguito y la leva, y por lo tanto conectando el motor/transmisión con el eje de transmisión/ruedas traseras. A medida que la velocidad de la rueda trasera aumentaba hasta el punto en que las revoluciones del eje de transmisión excedían la velocidad de las revoluciones del eje de entrada, los rodamientos de rodillos se desenganchaban del manguito exterior, lo que permitía que la leva interior girara libremente. A medida que disminuía la velocidad de la rueda trasera/eje de transmisión, los rodillos se volvían a acoplar con el manguito exterior.

Otras aplicaciones de las ruedas libres

La rueda libre se utilizó tanto en nuestros autos más antiguos (mediados de la década de 1920) como en los más nuevos: el acoplamiento del motor de arranque. En la mayoría de los automóviles, el engranaje Bendix del motor de arranque es un ejemplo de un embrague de sobrepaso o engranaje de rueda libre.

Cuando el interruptor de arranque se activa por primera vez, la electricidad fluye hacia el motor de arranque y el motor comienza a girar. Un engranaje en el extremo del eje central del motor de arranque se lanza, a través de la fuerza centrífuga, hasta un punto donde el engranaje se traba en el eje y se acopla con el volante. El par del motor de arranque hace girar el engranaje, que a su vez hace girar el volante. Cuando el motor arranca, el engranaje debe desconectarse del volante o destruirá rápidamente el motor de arranque. El engranaje entra en un modo de rueda libre en el que se desacopla del eje del motor de arranque y se le permite girar libremente y, al mismo tiempo, se libera del volante. ¡Eso es todo! Rueda libre en acción.

Rueda libre en acción

Ocasionalmente, el engranaje Bendix se atasca y no se acopla. El zumbido constante que escucha es el motor de arranque impulsado por las revoluciones del volante. Aunque no llega energía eléctrica al motor de arranque, el motor está girando, impulsado por el engranaje bloqueado que aún está acoplado con el volante. Esta condición es causada con mayor frecuencia por dos fallas. Primero, y más general, es un diente (o dientes) defectuosos en el engranaje Bendix, o con menos frecuencia en la corona del volante. El diente malo (dientes) sostienen el engranaje Bendix en contacto con el volante. La extracción del motor de arranque y el examen del engranaje Bendix a menudo indicarán el problema del diente o los dientes. Si encuentras un diente defectuoso en el engranaje Bendix, se requiere un examen cuidadoso del volante diente por diente. A veces se puede hacer a través del orificio de montaje del motor de arranque. Otras veces, la eliminación de una cubierta de examen expondrá una sección más grande de la corona del volante. Si la corona está dañada, requiere reemplazo. 

Finalmente, Studebaker usó un conjunto de embrague superior para sus motores de arranque a mediados de la década de 1920. El motor de arranque enganchó una caja de engranajes ubicada en la parte delantera del motor de arranque que aumentó enormemente el par del motor de arranque. Ese tren de engranajes enganchó una cadena (con una rueda dentada) y la cadena hizo girar la parte delantera del cigüeñal en lugar del volante en la parte trasera. En el extremo del motor de la cadena había una segunda rueda dentada, parte de un conjunto de embrague. A medida que el motor de arranque impulsaba el conjunto de cadena/rueda dentada, el embrague engranaba con una serie de tres trinquetes. Cuando el motor arrancaba, los trinquetes se soltaban y desacoplaban el embrague. Simple pero efectivo, y otro ejemplo del principio de libre circulación puesto en práctica.