convertidor de par

Las ecuaciones de movimiento del convertidor de par se rigen por la ecuación de la turbomáquina de Leonhard Euler del siglo XVIII :

${\displaystyle \tau =\sum \left[r\times {\frac {d}{dt}}\left(m\cdot v\right)\right]}$

La ecuación se expande para incluir la quinta potencia del radio; como resultado, las propiedades del convertidor de par dependen en gran medida del tamaño del dispositivo.

Existen formulaciones matemáticas para el convertidor de par disponibles de varios autores. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Hrovat derivó las ecuaciones de la bomba, la turbina, el estator y la conservación de la energía. Cuatro ecuaciones diferenciales de primer orden permiten definir el rendimiento del convertidor de par.

${\displaystyle I_{i}{\dot {\omega _{i}}}+\rho S_{i}{\dot {Q}}=-\rho (\omega _{i}R_{i}^{2}+R_{i}{\frac {Q}{A}}\tan {\alpha _{i}}-\omega _{\mathrm {s} }R_{\mathrm {s} }^{2}-R_{\mathrm {s} }{\frac {Q}{A}}\tan {\alpha _{\mathrm {s} }})Q+\tau _{i}}$

${\displaystyle I_{\mathrm {t} }{\dot {\omega _{\mathrm {t} }}}+\rho S_{\mathrm {t} }{\dot {Q}}=-\rho (\omega _{\mathrm {t} }R_{\mathrm {t} }^{2}+R_{\mathrm {t} }{\frac {Q}{A}}\tan {\alpha _{\mathrm {t} }}-\omega _{i}R_{i}^{2}-R_{i}{\frac {Q}{A}}\tan {\alpha _{i}})Q+\tau _{\mathrm {t} }}$

${\displaystyle I_{\mathrm {s} }{\dot {\omega _{\mathrm {s} }}}+\rho S_{\mathrm {s} }{\dot {Q}}=-\rho (\omega _{\mathrm {s} }R_{\mathrm {s} }^{2}+R_{\mathrm {s} }{\frac {Q}{A}}\tan {\alpha _{\mathrm {s} }}-\omega _{\mathrm {t} }R_{\mathrm {t} }^{2}-R_{\mathrm {t} }{\frac {Q}{A}}\tan {\alpha _{\mathrm {t} }})Q+\tau _{\mathrm {s} }}$

${\displaystyle \rho (S_{\mathrm {p} }{\dot {w_{\mathrm {p} }}}+S_{\mathrm {t} }{\dot {w_{\mathrm {t} }}}+S_{\mathrm {s} }{\dot {w_{\mathrm {s} }}})+\rho {\frac {L_{\mathrm {f} }}{A}}{\dot {Q}}=\rho (R_{\mathrm {p} }^{2}w_{\mathrm {p} }^{2}+R_{\mathrm {t} }^{2}w_{\mathrm {t} }^{2}+R_{\mathrm {s} }^{2}w_{\mathrm {s} }^{2}-R_{\mathrm {s} }^{2}w_{\mathrm {p} }w_{\mathrm {s} }-R_{\mathrm {p} }^{2}w_{\mathrm {t} }w_{\mathrm {p} }-R_{\mathrm {t} }^{2}w_{\mathrm {s} }w_{\mathrm {t} })+w_{\mathrm {p} }{\frac {Q}{A}}\rho (R_{\mathrm {p} }\tan {a_{\mathrm {p} }}-R_{\mathrm {s} }\tan {a_{\mathrm {s} }})+w_{\mathrm {t} }{\frac {Q}{A}}\rho (R_{\mathrm {t} }\tan {a_{\mathrm {t} }}-R_{\mathrm {p} }\tan {a_{\mathrm {p} }})+w_{\mathrm {s} }{\frac {Q}{A}}\rho (R_{\mathrm {s} }\tan {a_{\mathrm {s} }}-R_{\mathrm {t} }\tan {a_{\mathrm {t} }})-P_{L}}$

dónde

• ${\displaystyle \rho }$es densidad
• ${\displaystyle A}$es área de flujo
• ${\displaystyle R_{\mathrm {p} }}$es el radio de la bomba
• ${\displaystyle R_{\mathrm {t} }}$es el radio de la turbina
• ${\displaystyle R_{\mathrm {s} }}$es el radio del estator
• ${\displaystyle a_{\mathrm {p} }}$es el ángulo de salida de la bomba
• ${\displaystyle a_{\mathrm {t} }}$es el ángulo de salida de la turbina
• ${\displaystyle a_{\mathrm {s} }}$es el ángulo de salida del estator
• ${\displaystyle I}$es inercia
• ${\displaystyle L_{\mathrm {f} }}$es la longitud de inercia del fluido

Kotwicki proporciona una correlación más sencilla.

Un acoplamiento hidráulico es un accionamiento de dos elementos incapaz de multiplicar el par, mientras que un convertidor de par tiene al menos un elemento adicional —el estator— que altera las características del accionamiento durante períodos de alto deslizamiento , produciendo un aumento en el par de salida.

En un convertidor de par existen al menos tres elementos giratorios: el impulsor, accionado mecánicamente por el motor primario ; la turbina, que impulsa la carga ; y el estator, interpuesto entre el impulsor y la turbina para modificar el flujo de aceite que regresa de la turbina al impulsor. El diseño clásico del convertidor de par exige que el estator no gire bajo ninguna circunstancia, de ahí el término estator . Sin embargo, en la práctica, el estator se monta sobre un embrague de rueda libre , que impide su rotación en sentido contrario al motor primario, pero permite la rotación en sentido directo.

Periódicamente se han incorporado modificaciones al diseño básico de tres elementos, especialmente en aplicaciones donde se requiere una multiplicación de par superior a la normal. Por lo general, estas modificaciones han consistido en múltiples turbinas y estatores, cada conjunto diseñado para producir diferentes niveles de multiplicación de par. Por ejemplo, la transmisión automática Buick Dynaflow era de diseño fijo y, en condiciones normales, dependía exclusivamente del convertidor para multiplicar el par. La Dynaflow utilizaba un convertidor de cinco elementos para producir el amplio rango de multiplicación de par necesario para propulsar un vehículo pesado.

Aunque no forma parte estrictamente del diseño clásico de los convertidores de par, muchos convertidores automotrices incluyen un embrague de bloqueo para mejorar la eficiencia de la transmisión de potencia a velocidad de crucero y reducir el calor. La aplicación del embrague bloquea la turbina al impulsor, lo que hace que toda la transmisión de potencia sea mecánica, eliminando así las pérdidas asociadas con la transmisión hidráulica.

Un convertidor de par tiene tres etapas de funcionamiento:

• Bloqueo . El motor primario aplica potencia al impulsor, pero la turbina no puede girar. Por ejemplo, en un automóvil, esta etapa de operación ocurre cuando el conductor ha puesto la transmisión en marcha, pero impide que el vehículo se mueva al seguir aplicando los frenos . En el bloqueo, el convertidor de par puede producir la máxima multiplicación de par si se aplica suficiente potencia de entrada (la multiplicación resultante se denomina relación de bloqueo ). La fase de bloqueo dura un breve período cuando la carga (por ejemplo, el vehículo) comienza a moverse, ya que habrá una gran diferencia entre la velocidad de la bomba y la de la turbina.
• Aceleración . La carga se está acelerando, pero aún existe una diferencia relativamente grande entre la velocidad del impulsor y la de la turbina. En estas condiciones, el convertidor generará una multiplicación de par menor que la que se lograría en condiciones de pérdida de sustentación. La magnitud de la multiplicación dependerá de la diferencia real entre la velocidad de la bomba y la de la turbina, así como de otros factores de diseño.
• Acoplamiento . La turbina ha alcanzado aproximadamente el 90 por ciento de la velocidad del impulsor. La multiplicación del par prácticamente ha cesado y el convertidor de par se comporta de forma similar a un acoplamiento hidráulico simple. En las aplicaciones automotrices modernas , es generalmente en esta etapa de funcionamiento donde se aplica el embrague de bloqueo, un procedimiento que tiende a mejorar la eficiencia del combustible .

La clave de la capacidad del convertidor de par para multiplicar el par reside en el estator. En el diseño clásico de acoplamiento hidráulico , los periodos de alto deslizamiento provocan que el flujo de fluido que regresa de la turbina al impulsor se oponga a la dirección de rotación de este último, lo que conlleva una pérdida significativa de eficiencia y la generación de considerable calor residual . En las mismas condiciones, en un convertidor de par, el estator redirige el fluido de retorno para que, en lugar de impedir la rotación del impulsor, la facilite. Como resultado, gran parte de la energía del fluido de retorno se recupera y se suma a la energía aplicada al impulsor por el motor primario. Esta acción provoca un aumento sustancial en la masa de fluido que se dirige a la turbina, lo que produce un incremento en el par de salida. Dado que el fluido de retorno inicialmente se desplaza en dirección opuesta a la rotación del impulsor, el estator también intentará contrarrotar al forzar el cambio de dirección del fluido, un efecto que se evita mediante el embrague unidireccional del estator .

A diferencia de las palas radialmente rectas que se utilizan en un acoplamiento hidráulico convencional, la turbina y el estator de un convertidor de par emplean palas anguladas y curvas. La forma de las palas del estator modifica la trayectoria del fluido, obligándolo a coincidir con la rotación del impulsor. La curvatura correspondiente de las palas de la turbina ayuda a dirigir correctamente el fluido de retorno al estator para que este pueda cumplir su función. La forma de las palas es importante, ya que pequeñas variaciones pueden provocar cambios significativos en el rendimiento del convertidor.

Durante las fases de pérdida y aceleración, en las que se produce la multiplicación del par, el estator permanece inmóvil debido a la acción de su embrague unidireccional. Sin embargo, a medida que el convertidor de par se aproxima a la fase de acoplamiento, la energía y el volumen del fluido que regresa de la turbina disminuyen gradualmente, lo que provoca una disminución similar de la presión sobre el estator. Una vez en la fase de acoplamiento, el fluido que regresa invierte su dirección y ahora gira en la dirección del impulsor y la turbina, un efecto que intenta hacer girar el estator hacia adelante. En este punto, el embrague del estator se libera y el impulsor, la turbina y el estator giran (más o menos) como una sola unidad.

Inevitablemente, parte de la energía cinética del fluido se pierde debido a la fricción y la turbulencia, lo que provoca que el convertidor genere calor residual (que en muchas aplicaciones se disipa mediante refrigeración por agua). Este efecto, a menudo denominado pérdida por bombeo, será más pronunciado en condiciones de pérdida o cerca de ellas. En los diseños modernos, la geometría de las palas minimiza la velocidad del aceite a bajas velocidades del impulsor, lo que permite que la turbina permanezca en pérdida durante largos periodos con poco riesgo de sobrecalentamiento (como cuando un vehículo con transmisión automática se detiene en un semáforo o en un atasco mientras aún está en marcha).

Un convertidor de par no puede alcanzar una eficiencia de acoplamiento del 100 %. El convertidor de par clásico de tres elementos presenta una curva de eficiencia similar a una cruz: eficiencia cero en el punto de bloqueo, eficiencia que generalmente aumenta durante la fase de aceleración y baja eficiencia en la fase de acoplamiento. La pérdida de eficiencia al entrar el convertidor en la fase de acoplamiento se debe a la turbulencia y la interferencia del flujo de fluido generadas por el estator, y, como se mencionó anteriormente, se suele solucionar montando el estator en un embrague unidireccional.

Incluso con la ventaja del embrague estator unidireccional, un convertidor no puede alcanzar el mismo nivel de eficiencia en la fase de acoplamiento que un acoplamiento hidráulico de tamaño equivalente. Parte de la pérdida se debe a la presencia del estator (aunque gire como parte del conjunto), ya que siempre genera cierta turbulencia que absorbe potencia. Sin embargo, la mayor parte de la pérdida se debe a las palas de la turbina curvas y anguladas, que no absorben la energía cinética de la masa de fluido tan bien como las palas radialmente rectas. Dado que la geometría de las palas de la turbina es un factor crucial en la capacidad del convertidor para multiplicar el par, es inevitable que existan compensaciones entre la multiplicación del par y la eficiencia del acoplamiento. En aplicaciones automotrices, donde las fuerzas del mercado y las normativas gubernamentales han exigido mejoras constantes en el ahorro de combustible, el uso casi universal de un embrague de bloqueo ha contribuido a eliminar el convertidor de la ecuación de eficiencia durante la conducción a velocidad constante.

La máxima multiplicación de par que produce un convertidor depende en gran medida del tamaño y la geometría de las palas de la turbina y el estator, y se genera únicamente cuando el convertidor se encuentra en la fase de bloqueo o cerca de ella. Las relaciones típicas de multiplicación de par en bloqueo oscilan entre 1,8:1 y 2,5:1 para la mayoría de las aplicaciones automotrices. Los convertidores especializados diseñados para sistemas de transmisión de potencia industriales, ferroviarios o marinos pesados ​​pueden alcanzar una multiplicación de hasta 5,0:1. En general, existe una compensación entre la máxima multiplicación de par y la eficiencia : los convertidores con una alta relación de bloqueo tienden a ser relativamente ineficientes en torno a la velocidad de acoplamiento, mientras que los convertidores con una baja relación de bloqueo tienden a proporcionar una menor multiplicación de par posible.

Las características del convertidor de par deben ajustarse cuidadosamente a la curva de par de la fuente de alimentación y a la aplicación prevista. Modificar la geometría de las palas del estator o de la turbina alterará las características de par-calado, así como la eficiencia general de la unidad. Por ejemplo, las transmisiones automáticas de las carreras de aceleración suelen utilizar convertidores modificados para generar altas velocidades de calado, lo que mejora el par de arranque y permite alcanzar la banda de potencia del motor con mayor rapidez. Los vehículos de carretera generalmente utilizan convertidores de par con menor velocidad de calado para limitar la generación de calor y proporcionar una sensación de conducción más firme.

Una característica de diseño presente en algunas transmisiones automáticas de General Motors era el estator de paso variable, cuyo ángulo de ataque podía modificarse en función de los cambios en la velocidad y la carga del motor. Esto permitía variar la multiplicación del par motor producida por el convertidor. Con el ángulo de ataque normal, el estator generaba una multiplicación moderada, pero con mayor eficiencia. Si el conductor aceleraba bruscamente, una válvula modificaba el ángulo de ataque del estator, aumentando la multiplicación del par a expensas de la eficiencia.

Algunos convertidores de par utilizan múltiples estatores y/o turbinas para proporcionar un rango más amplio de multiplicación de par. Estos convertidores de múltiples elementos son más comunes en entornos industriales que en transmisiones automotrices, aunque también existieron aplicaciones automotrices como la Dynaflow de triple turbina de Buick y la Turboglide de Chevrolet . La Dynaflow de Buick aprovechaba las características de multiplicación de par de su conjunto de engranajes planetarios junto con el convertidor de par para la marcha baja y omitía la primera turbina, utilizando solo la segunda a medida que aumentaba la velocidad del vehículo. La desventaja inevitable de esta configuración era la baja eficiencia, y finalmente estas transmisiones se descontinuaron en favor de las unidades de tres velocidades más eficientes con un convertidor de par convencional de tres elementos. También se ha observado que la eficiencia del convertidor de par es máxima a velocidades muy bajas.

Como se describió anteriormente, las pérdidas por inducción dentro del convertidor de par reducen la eficiencia y generan calor residual. En las aplicaciones automotrices modernas, este problema se suele evitar mediante el uso de un embrague de bloqueo que conecta físicamente el impulsor y la turbina, transformando así el convertidor en un acoplamiento puramente mecánico. El resultado es la ausencia de deslizamiento y prácticamente ninguna pérdida de potencia.

La primera aplicación automotriz del principio de bloqueo fue la transmisión Ultramatic de Packard , introducida en 1949, que bloqueaba el convertidor a velocidades de crucero y lo desbloqueaba al pisar a fondo el acelerador para una aceleración rápida o al desacelerar el vehículo. Esta característica también estaba presente en algunas transmisiones Borg-Warner fabricadas durante la década de 1950. Cayó en desuso en años posteriores debido a su mayor complejidad y costo. A finales de la década de 1970, los embragues de bloqueo comenzaron a reaparecer en respuesta a la demanda de una mayor eficiencia de combustible, y ahora son prácticamente universales en aplicaciones automotrices.

Al igual que con un acoplamiento de fluido básico, la capacidad de par teórico de un convertidor es proporcional a${\displaystyle r\,N^{2}D^{5}}$, dónde${\displaystyle r}$es la densidad de masa del fluido (kg/m ³ ),${\displaystyle N}$es la velocidad del impulsor ( rpm ), y${\displaystyle D}$es el diámetro ( m ). ^{[ 3 ]} En la práctica, la capacidad máxima de par está limitada por las características mecánicas de los materiales utilizados en los componentes del convertidor, así como por la capacidad del convertidor para disipar el calor (a menudo mediante refrigeración por agua). Para contribuir a la resistencia, la fiabilidad y la economía de producción, la mayoría de las carcasas de convertidores automotrices son de construcción soldada. Las unidades industriales suelen ensamblarse con carcasas atornilladas, una característica de diseño que facilita el proceso de inspección y reparación, pero aumenta el costo de producción del convertidor.

En convertidores de alto rendimiento, de competición y comerciales de servicio pesado, la bomba y la turbina pueden reforzarse aún más mediante un proceso llamado soldadura fuerte en horno , en el que se introduce latón fundido en las uniones para producir una unión más fuerte entre los álabes, los bujes y los anillos anulares. Debido a que el proceso de soldadura fuerte en horno crea un radio pequeño en el punto donde un álabe se une a un buje o anillo anular, se producirá una disminución teórica de la turbulencia, lo que resultará en un aumento correspondiente de la eficiencia.

La sobrecarga de un convertidor puede provocar varios modos de fallo, algunos de ellos potencialmente peligrosos:

• Sobrecalentamiento : Un deslizamiento continuo y elevado puede sobrepasar la capacidad del convertidor para disipar el calor, dañando los sellos de elastómero que retienen el fluido en su interior. Un ejemplo claro en automóviles sería quedarse atascado en la nieve o el barro y tener que balancear el vehículo hacia adelante y hacia atrás para ganar impulso, alternando entre la marcha adelante y la marcha atrás con un uso intensivo. El fluido de la transmisión se sobrecalentará rápidamente, sin mencionar los impactos repetidos sobre el embrague del estator. Además, el sobrecalentamiento del fluido de la transmisión provoca una pérdida de viscosidad y daños en la transmisión. En raras ocasiones, este maltrato puede causar fugas en el convertidor de par y, finalmente, su mal funcionamiento por falta de fluido.
• Agarrotamiento del embrague del estator : Los elementos internos y externos del embrague unidireccional del estator se bloquean permanentemente, impidiendo así la rotación del estator durante la fase de acoplamiento. Generalmente, el agarrotamiento se produce por una carga excesiva y la consiguiente deformación de los componentes del embrague. Con el tiempo, se produce el desgaste por fricción de las piezas de acoplamiento, lo que desencadena el agarrotamiento. Un convertidor con el embrague del estator agarrotado presentará una eficiencia muy baja durante la fase de acoplamiento y, en un vehículo, el consumo de combustible aumentará drásticamente. En estas condiciones, el convertidor se sobrecalentará si se intenta continuar su funcionamiento.
• Rotura del embrague del estator : Una aplicación muy brusca de potencia, como al poner la transmisión en punto muerto y aumentar las RPM del motor antes de engranar una marcha (lo que comúnmente se denomina "arranque en punto muerto"), puede provocar una sobrecarga en el embrague del estator, causando su rotura. Si esto ocurre, el estator girará libremente en sentido contrario al de la bomba y prácticamente no se producirá transmisión de potencia. En un automóvil, el efecto es similar a un caso grave de deslizamiento de la transmisión y el vehículo queda prácticamente incapacitado para moverse por sí mismo.
• Deformación y fragmentación de las palas : Si se someten a una carga brusca o a un calentamiento excesivo, las palas de la bomba o de la turbina pueden deformarse, separarse de sus bujes o anillos anulares, o incluso romperse en fragmentos. Como mínimo, esta falla provocará una pérdida significativa de eficiencia, con síntomas similares (aunque menos pronunciados) a los de una falla en el embrague del estator. En casos extremos, se producirá la destrucción catastrófica del convertidor.
• Deformación por abombamiento : El funcionamiento prolongado bajo carga excesiva, la aplicación brusca de carga o el funcionamiento del convertidor de par a muy altas revoluciones por minuto pueden provocar que la carcasa del convertidor se deforme debido a la presión interna o a la inercia. En condiciones extremas, la deformación por abombamiento puede causar la rotura de la carcasa del convertidor, lo que resulta en la dispersión violenta de aceite caliente y fragmentos metálicos en una amplia zona.

• Aisin AW , utilizado en automóviles
• Transmisión Allison , utilizada en autobuses, contenedores de basura, bomberos, construcción, distribución, aplicaciones militares y especializadas.
• BorgWarner , utilizado en automóviles
• Exedy, utilizado en automóviles
• Isuzu , utilizado en automóviles
• Jatco , utilizado en automóviles
• LuK USA LLC fabrica convertidores de par para Ford, GM, Allison Transmission y Hyundai.
• Subaru , utilizado en automóviles
• Disco doble , utilizado en aplicaciones para vehículos, embarcaciones y yacimientos petrolíferos.
• Valeo fabrica convertidores de par para Ford, GM, Mazda y Subaru.
• Transmisiones turbo Voith , utilizadas en muchas locomotoras diésel y unidades múltiples diésel.
• ZF Friedrichshafen , automóviles , maquinaria forestal, popular en aplicaciones de autobuses urbanos.

• Lysholm-Smith, que lleva el nombre de su inventor, Alf Lysholm , ^{[ 4 ]} fue producido por Leyland Motors y utilizado en autobuses desde 1933 hasta 1939, así como en algunas unidades diésel múltiples Derby Lightweight de British Rail y de la Autoridad de Transporte del Ulster.
• Mekydro, ^{[ 5 ]} desarrollado por Maybach y fabricado en el Reino Unido por J. Stone & Co bajo licencia. Utilizado en las locomotoras Hymek Clase 35 de British Rail .
• Packard , utilizado en el sistema de transmisión automotriz Ultramatic
• Rolls-Royce (Twin Disc) , utilizado en algunas unidades múltiples diésel de British United Traction.
• Vickers-Coates ^{[ 6 ]}