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Un convertidor de par es un tipo de acoplamiento de fluido que transfiere la potencia giratoria de un motor primario , como un motor de combustión interna , a una carga impulsada giratoria. En un vehículo con transmisión automática , el convertidor de par conecta la fuente de alimentación a la carga. Por lo general, se encuentra entre la placa flexible del motor y la transmisión. La ubicación equivalente en una transmisión manual sería el embrague mecánico .
La característica principal de un convertidor de par es su capacidad para aumentar el par cuando la velocidad de rotación de salida es tan baja que permite que el fluido que sale de las paletas curvas de la turbina se desvíe del estator mientras está bloqueado contra su embrague unidireccional. , proporcionando así el equivalente a un engranaje reductor . Esta es una característica más allá de la del acoplamiento de fluido simple, que puede igualar la velocidad de rotación pero no multiplica el par, por lo que reduce la potencia.
Con mucho, la forma más común de convertidor de par en las transmisiones de automóviles es el dispositivo hidrocinético descrito en este artículo. También existen sistemas hidrostáticos que se utilizan ampliamente en máquinas pequeñas como excavadoras compactas .
También hay diseños mecánicos para transmisiones continuamente variables y estos también tienen la capacidad de multiplicar el par. Incluyen el convertidor de par Constantinesco basado en péndulo , la transmisión de impulsión por disco de engranajes de fricción Lambert y el Variomatic con poleas expansivas y transmisión por correa.
Las ecuaciones de movimiento del convertidor de par se rigen por la ecuación de turbomáquinas del siglo XVIII de Leonhard Euler :
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.
Un acoplamiento de fluido es una transmisión de dos elementos que es incapaz de multiplicar el par, mientras que un convertidor de par tiene al menos un elemento adicional, el estator, que altera las características de la transmisión durante períodos de alto deslizamiento, produciendo un aumento en el par de salida.
En un convertidor de par hay al menos tres elementos giratorios: el impulsor, que es impulsado mecánicamente por el motor primario ; la turbina, que impulsa la carga ; y el estator, que se interpone entre el impulsor y la turbina para que pueda alterar el flujo de aceite que regresa de la turbina al impulsor. El diseño clásico del convertidor de par dicta que se evite que el estator gire bajo cualquier condición, de ahí el término estator . En la práctica, sin embargo, el estator está montado en un embrague de rueda libre, que evita que el estator gire en sentido contrario con respecto al motor primario, pero permite la rotación hacia adelante.
Se han incorporado periódicamente modificaciones al diseño básico de tres elementos, especialmente en aplicaciones en las que se requiere una multiplicación de par superior a la normal. Más comúnmente, estos han tomado la forma de múltiples turbinas y estatores, cada conjunto está diseñado para producir diferentes cantidades de multiplicación de par. Por ejemplo, la transmisión automática Buick Dynaflow tenía un diseño sin cambios y, en condiciones normales, dependía únicamente del convertidor para multiplicar el par. El Dynaflow utilizó un convertidor de cinco elementos para producir la amplia gama de multiplicación de par necesaria para propulsar un vehículo pesado.
Aunque no es estrictamente parte del diseño clásico del convertidor de par, muchos convertidores automotrices incluyen un embrague de bloqueo para mejorar la eficiencia de transmisión de potencia 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 por fluido.
Un convertidor de par tiene tres etapas de funcionamiento:
La clave de la capacidad del convertidor de par para multiplicar el par se encuentra en el estator. En el diseño clásico de acoplamiento de fluidos , los períodos de alto deslizamiento hacen que el flujo de fluido que regresa de la turbina al impulsor se oponga a la dirección de rotación del impulsor, lo que lleva a una pérdida significativa de eficiencia y a la generación de un calor residual considerable.. En la misma condición en un convertidor de par, el fluido de retorno será redirigido por el estator para que ayude a la rotación del impulsor, en lugar de impedirlo. El resultado es que gran parte de la energía del fluido de retorno se recupera y se suma a la energía que el motor primario aplica al impulsor. Esta acción provoca un aumento sustancial en la masa de fluido que se dirige a la turbina, produciendo un aumento en el par de salida. Dado que el fluido de retorno viaja inicialmente en una dirección opuesta a la rotación del impulsor, el estator también intentará girar en sentido contrario al forzar al fluido a cambiar de dirección, un efecto que se evita mediante el embrague del estator unidireccional .
A diferencia de las palas radialmente rectas que se utilizan en un acoplamiento de fluido simple, la turbina y el estator de un convertidor de par utilizan palas en ángulo y curvas. La forma de la pala del estator es lo que altera la trayectoria del fluido, obligándolo a coincidir con la rotación del impulsor. La curva coincidente de las palas de la turbina ayuda a dirigir correctamente el fluido de retorno al estator para que este último pueda hacer su trabajo. La forma de las palas es importante, ya que las variaciones menores 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 estacionario debido a la acción de su embrague unidireccional. Sin embargo, a medida que el convertidor de par se acerca a la fase de acoplamiento, la energía y el volumen del fluido que regresa de la turbina disminuirán gradualmente, haciendo que la presión en el estator también disminuya. Una vez en la fase de acoplamiento, el fluido de retorno invertirá la dirección y ahora girará en la dirección del impulsor y la turbina, un efecto que intentará hacer girar el estator hacia adelante. En este punto, el embrague del estator se liberará y el impulsor, la turbina y el estator girarán todos (más o menos) como una unidad.
Inevitablemente, parte de la energía cinética del fluido se perderá debido a la fricción y la turbulencia, lo que hará que el convertidor genere calor residual (disipado en muchas aplicaciones por enfriamiento por agua). Este efecto, a menudo denominado pérdida de bombeo, será más pronunciado en o cerca de las condiciones de pérdida. En los diseños modernos, la geometría de la pala minimiza la velocidad del aceite a bajas velocidades del impulsor, lo que permite que la turbina se detenga durante largos períodos con poco peligro de sobrecalentamiento (como cuando un vehículo con transmisión automática se detiene en un semáforo o en una congestión del tráfico mientras todavía en marcha).
Un convertidor de par no puede lograr una eficiencia de acoplamiento del 100 por ciento. El convertidor de par clásico de tres elementos tiene una curva de eficiencia que se asemeja a ∩: eficiencia cero en la parada, generalmente aumentando la eficiencia durante la fase de aceleración y baja eficiencia en la fase de acoplamiento. La pérdida de eficiencia cuando el convertidor entra en la fase de acoplamiento es el resultado de la turbulencia y la interferencia del flujo de fluido generada por el estator y, como se mencionó anteriormente, comúnmente se supera montando el estator en un embrague unidireccional.
Incluso con el beneficio del embrague de estator unidireccional, un convertidor no puede alcanzar el mismo nivel de eficiencia en la fase de acoplamiento que un acoplamiento de fluido de tamaño equivalente. Algunas pérdidas se deben a la presencia del estator (aunque esté girando como parte del conjunto), ya que siempre genera alguna turbulencia de absorción de potencia. La mayor parte de la pérdida, sin embargo, es causada por las palas de la turbina curvas y en ángulo, que no absorben la energía cinética de la masa de fluido, así como las palas radialmente rectas. Dado que la geometría de la pala de la turbina es un factor crucial en la capacidad del convertidor para multiplicar el par, las compensaciones entre la multiplicación del par y la eficiencia del acoplamiento son inevitables. En aplicaciones automotrices, donde las fuerzas del mercado y los edictos gubernamentales han exigido mejoras constantes en la economía de combustible,el uso casi universal de un embrague de bloqueo ha ayudado a eliminar el convertidor de la ecuación de eficiencia durante la operación de crucero.
La cantidad máxima de multiplicación de par producida por un convertidor depende en gran medida del tamaño y la geometría de la turbina y las palas del estator, y se genera solo cuando el convertidor está en la fase de bloqueo de funcionamiento o cerca de ella. Las relaciones típicas de multiplicación del par de parada varían de 1.8: 1 a 2.5: 1 para la mayoría de las aplicaciones automotrices (aunque los diseños de elementos múltiples como los usados en Buick Dynaflow y Chevrolet Turboglidepodría producir más). Los convertidores especializados diseñados para sistemas de transmisión de energía industriales, ferroviarios o marinos pesados son capaces de multiplicar hasta 5.0: 1. En términos generales, existe una compensación entre la multiplicación de par máxima y la eficiencia: los convertidores de relación de bloqueo alta tienden a ser relativamente ineficientes por debajo de la velocidad de acoplamiento, mientras que los convertidores de relación de bloqueo baja tienden a proporcionar una menor multiplicación de par posible.
Las características del convertidor de par deben adaptarse cuidadosamente a la curva de par de la fuente de energía y la aplicación prevista. El cambio de la geometría de las palas del estator y / o la turbina cambiará las características de pérdida de par, así como la eficiencia general de la unidad. Por ejemplo, las transmisiones automáticas de carreras de resistencia a menudo usan convertidores modificados para producir altas velocidades de pérdida para mejorar el par fuera de línea y para entrar en la banda de potencia del motor más rápidamente. Los vehículos de carretera generalmente utilizan convertidores de par de parada más bajos para limitar la producción de calor y proporcionar una sensación más firme a las características del vehículo.
Una característica de diseño que alguna vez se encontró en algunas transmisiones automáticas de General Motors fue el estator de paso variable, en el que el ángulo de ataque de las palas podía variar en respuesta a los cambios en la velocidad y la carga del motor. El efecto de esto fue variar la cantidad de multiplicación de par producida por el convertidor. En el ángulo de ataque normal, el estator hizo que el convertidor produjera una cantidad moderada de multiplicación pero con un mayor nivel de eficiencia. Si el conductor abría abruptamente el acelerador, una válvula cambiaría el paso del estator a un ángulo de ataque diferente, aumentando la multiplicación del par a expensas de la eficiencia.
Algunos convertidores de par utilizan múltiples estatores y / o múltiples turbinas para proporcionar un rango más amplio de multiplicación de par. Tales convertidores de elementos múltiples son más comunes en entornos industriales que en las transmisiones de automóviles, pero las aplicaciones de automoción como Buick 's Turbina Triple Dynaflow y Chevrolet ' s Turboglidetambién existía. El Buick Dynaflow utilizó las características de multiplicación de par de su conjunto de engranajes planetarios junto con el convertidor de par para marcha baja y pasó por alto la primera turbina, utilizando solo la segunda turbina a medida que aumentaba la velocidad del vehículo. El compromiso inevitable con esta disposición fue la baja eficiencia y, finalmente, estas transmisiones se interrumpieron en favor de las unidades de tres velocidades más eficientes con un convertidor de par convencional de tres elementos. También se encuentra que la eficiencia del convertidor de par es máxima a velocidades muy bajas.
Como se describió anteriormente, las pérdidas de impulso dentro del convertidor de par reducen la eficiencia y generan calor residual. En las aplicaciones automotrices modernas, este problema se evita comúnmente mediante el uso de un embrague de bloqueo que une físicamente el impulsor y la turbina, cambiando efectivamente el convertidor en un acoplamiento puramente mecánico. El resultado es que no hay deslizamientos y prácticamente no hay pérdida de energía.
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 se desbloqueaba cuando se pisaba el acelerador para una aceleración rápida o cuando el vehículo desaceleraba. Esta característica también estuvo presente en algunas transmisiones de Borg-Warner producidas durante la década de 1950. Cayó en desgracia en los años siguientes debido a su complejidad y costo adicionales. A fines de la década de 1970, los embragues de bloqueo comenzaron a reaparecer en respuesta a las demandas de una mejor economía de combustible, y ahora son casi universales en aplicaciones automotrices.
Al igual que con un acoplamiento de fluido básico, la capacidad de par teórica de un convertidor es proporcional a , donde es la densidad de masa del fluido (kg / m 3 ), es la velocidad del impulsor ( rpm ) y es el diámetro (m). [1] 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). Como ayuda para la resistencia, la fiabilidad y la economía de producción, la mayoría de las carcasas de los convertidores de automóviles son de construcción soldada. Las unidades industriales generalmente se ensamblan 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 comerciales de alto rendimiento, carreras y servicio pesado, la bomba y la turbina pueden fortalecerse aún más mediante un proceso llamado soldadura fuerte en horno , en el que el latón fundido se introduce en las costuras y juntas para producir una unión más fuerte entre las palas, los cubos y el anillo anular ( s). Debido a que el proceso de soldadura fuerte en el horno crea un pequeño radio en el punto donde una pala se encuentra con un cubo o un anillo anular, se producirá una disminución teórica de la turbulencia, lo que dará como resultado un aumento correspondiente en la eficiencia.
La sobrecarga de un convertidor puede resultar en varios modos de falla, algunos de ellos potencialmente peligrosos por naturaleza:
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