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Un acoplamiento de fluido o acoplamiento hidráulico es un dispositivo hidrodinámico o "hidrocinético" que se utiliza para transmitir potencia mecánica rotatoria. [1] Se ha utilizado en transmisiones de automóviles como alternativa a un embrague mecánico . También tiene una amplia aplicación en transmisiones de máquinas industriales y marinas, donde el funcionamiento a velocidad variable y el arranque controlado sin carga de choque del sistema de transmisión de potencia son esenciales.
Los accionamientos hidrocinéticos, como éste, deben distinguirse de los accionamientos hidrostáticos , como las combinaciones de bombas y motores hidráulicos .
El acoplamiento hidráulico tiene su origen en el trabajo de Hermann Föttinger , quien fue el diseñador jefe de AG Vulcan Works en Stettin . [2] Sus patentes de 1905 cubrían tanto los acoplamientos hidráulicos como los convertidores de par .
El Dr. Gustav Bauer de Vulcan-Werke colaboró con el ingeniero inglés Harold Sinclair de Hydraulic Coupling Patents Limited para adaptar el acoplamiento Föttinger a la transmisión del vehículo en un intento de mitigar los sacudones que Sinclair había experimentado mientras viajaba en los autobuses de Londres durante la década de 1920 [2] Después de las discusiones de Sinclair con la London General Omnibus Company iniciadas en octubre de 1926, y las pruebas en un chasis de autobús de Associated Daimler, Percy Martin de Daimler decidió aplicar el principio a los automóviles privados del grupo Daimler. [3]
Durante 1930, la Daimler Company de Coventry, Inglaterra, comenzó a introducir un sistema de transmisión que utilizaba un acoplamiento de fluido y una caja de cambios automática Wilson para autobuses y sus automóviles insignia . En 1933, el sistema se utilizó en todos los nuevos vehículos Daimler, Lanchester y BSA producidos por el grupo, desde vehículos comerciales pesados hasta automóviles pequeños. Pronto se extendió a los vehículos militares de Daimler y en 1934 se incluyó en el Singer Eleven con la marca Fluidrive. Estos acoplamientos se describen como construidos bajo patentes de Vulcan-Sinclair y Daimler. [3]
En 1939, General Motors Corporation introdujo el sistema de transmisión Hydramatic , el primer sistema de transmisión automotriz totalmente automático instalado en un automóvil producido en masa. [2] El Hydramatic empleaba un acoplamiento de fluido.
Las primeras locomotoras diésel que utilizaban acoplamientos hidráulicos también se fabricaron en la década de 1930. [4]
Un acoplamiento de fluido consta de tres componentes, más el fluido hidráulico :
La turbina impulsora, conocida como "bomba" (o toro impulsor [a] ), gira gracias al motor primario , que suele ser un motor de combustión interna o un motor eléctrico . El movimiento del impulsor imparte al fluido un movimiento tanto lineal como rotatorio hacia afuera.
El fluido hidráulico es dirigido por la "bomba", cuya forma fuerza el flujo en la dirección de la "turbina de salida" (o toro impulsado [a] ). Aquí, cualquier diferencia en las velocidades angulares de la "etapa de entrada" y la "etapa de salida" da como resultado una fuerza neta sobre la "turbina de salida" que causa un par motor; por lo tanto, hace que gire en la misma dirección que la bomba.
El movimiento del fluido es efectivamente toroidal : viaja en una dirección por trayectorias que pueden visualizarse como si estuvieran en la superficie de un toro :
Una característica importante de un acoplamiento hidráulico es su velocidad de pérdida. La velocidad de pérdida se define como la velocidad más alta a la que la bomba puede girar cuando la turbina de salida está bloqueada y se aplica el par de entrada completo (a la velocidad de pérdida). En condiciones de pérdida, toda la potencia del motor a esa velocidad se disiparía en el acoplamiento hidráulico en forma de calor, lo que podría provocar daños.
Una modificación del acoplamiento de fluido simple es el acoplamiento de circuito escalonado que anteriormente era fabricado como "acoplamiento STC" por la empresa de ingeniería Fluidrive .
El acoplamiento STC contiene un depósito al que se dirige una parte del aceite, pero no todo, cuando el eje de salida se bloquea. Esto reduce la "resistencia" en el eje de entrada, lo que da como resultado un menor consumo de combustible en ralentí y una reducción de la tendencia del vehículo a "arrastrarse".
Cuando el eje de salida comienza a girar, el aceite es expulsado del depósito por la fuerza centrífuga y regresa al cuerpo principal del acoplamiento, de modo que se restablece la transmisión de potencia normal. [6]
Un acoplamiento de fluido no puede desarrollar un par de salida cuando las velocidades angulares de entrada y salida son idénticas. [7] Por lo tanto, un acoplamiento de fluido no puede lograr una eficiencia de transmisión de potencia del 100 por ciento. Debido al deslizamiento que se producirá en cualquier acoplamiento de fluido bajo carga, siempre se perderá algo de potencia en la fricción y la turbulencia del fluido, y se disipará como calor. Al igual que otros dispositivos fluidodinámicos, su eficiencia tiende a aumentar gradualmente con el aumento de escala, según se mide por el número de Reynolds .
Como un acoplamiento de fluido opera cinéticamente, se prefieren fluidos de baja viscosidad . [7] En términos generales, se utilizan aceites de motor multigrado o fluidos de transmisión automática . El aumento de la densidad del fluido aumenta la cantidad de torque que se puede transmitir a una velocidad de entrada determinada. [8] Sin embargo, los fluidos hidráulicos, al igual que otros fluidos, están sujetos a cambios de viscosidad con el cambio de temperatura. Esto conduce a un cambio en el rendimiento de la transmisión y, por lo tanto, cuando se deben mantener al mínimo los cambios no deseados en el rendimiento o la eficiencia, se debe utilizar un aceite de motor o un fluido de transmisión automática con un alto índice de viscosidad .
Los acoplamientos de fluido también pueden actuar como frenos hidrodinámicos , disipando la energía rotacional en forma de calor a través de fuerzas de fricción (tanto viscosas como de fluido/contenedor). Cuando se utiliza un acoplamiento de fluido para frenar, también se lo conoce como retardador . [5]
El correcto funcionamiento de un acoplamiento hidráulico depende de que esté correctamente lleno de fluido. Un acoplamiento con un nivel de fluido insuficiente no podrá transmitir todo el par y, además, el volumen limitado de fluido puede provocar un sobrecalentamiento, lo que a menudo provocará daños en las juntas.
Si un acoplamiento está diseñado deliberadamente para funcionar de manera segura cuando está sublleno, generalmente proporcionando un amplio depósito de fluido que no está acoplado con el impulsor, entonces el control de su nivel de llenado se puede utilizar para controlar el torque que puede transmitir y, en algunos casos, también para controlar la velocidad de una carga. [b]
El nivel de llenado se controla con una "cuchara", un tubo no giratorio que entra en el acoplamiento giratorio a través de un eje fijo central. Al mover esta cuchara, ya sea girándola o extendiéndola, recoge el fluido del acoplamiento y lo devuelve a un tanque de retención fuera del acoplamiento. El aceite se puede bombear de nuevo al acoplamiento cuando sea necesario, o algunos diseños utilizan una alimentación por gravedad: la acción de la cuchara es suficiente para elevar el fluido a este tanque de retención, impulsado por la rotación del acoplamiento.
El control de la cuchara se puede utilizar para un control continuo y de fácil manejo de la transmisión de pares muy grandes. La locomotora diésel Fell , una locomotora diésel experimental británica de ferrocarril de la década de 1950, utilizaba cuatro motores y cuatro acoplamientos, cada uno con control de la cuchara independiente, para acoplar cada motor a su vez. Se utiliza comúnmente para proporcionar variadores de velocidad . [9] [10]
Los acoplamientos de fluidos se utilizan en muchas aplicaciones industriales que involucran potencia rotacional, [11] [12] especialmente en accionamientos de máquinas que involucran arranques de alta inercia o carga cíclica constante.
Los acoplamientos hidráulicos se encuentran en algunas locomotoras diésel como parte del sistema de transmisión de potencia. Self-Changing Gears fabricó transmisiones semiautomáticas para British Rail, y Voith fabrica turbotransmisiones para unidades múltiples diésel que contienen varias combinaciones de acoplamientos hidráulicos y convertidores de par.
Los acoplamientos hidráulicos se utilizaron en una variedad de transmisiones semiautomáticas y automáticas tempranas . Desde fines de la década de 1940, el convertidor de par hidrodinámico ha reemplazado al acoplamiento hidráulico en aplicaciones automotrices .
En aplicaciones automotrices , la bomba normalmente está conectada al volante del motor ; de hecho, la carcasa del acoplamiento puede ser parte del volante propiamente dicho y, por lo tanto, es girada por el cigüeñal del motor . La turbina está conectada al eje de entrada de la transmisión . Mientras la transmisión está engranada, a medida que aumenta la velocidad del motor, el par se transfiere del motor al eje de entrada mediante el movimiento del fluido, lo que impulsa el vehículo. En este sentido, el comportamiento del acoplamiento de fluido se asemeja mucho al de un embrague mecánico que impulsa una transmisión manual .
Los volantes de inercia de fluido, a diferencia de los convertidores de par, son más conocidos por su uso en los automóviles Daimler junto con una caja de cambios con preselector Wilson . Daimler los utilizó en toda su gama de automóviles de lujo, hasta que cambió a cajas de cambios automáticas con el Majestic de 1958. Daimler y Alvis también eran conocidos por sus vehículos militares y blindados, algunos de los cuales también usaban la combinación de caja de cambios con preselector y volante de inercia de fluido.
El uso más destacado de los acoplamientos de fluido en aplicaciones aeronáuticas fue en los motores DB 601 , DB 603 y DB 605, donde se utilizó como embrague hidráulico controlado barométricamente para el compresor centrífugo y el motor alternativo turbocompuesto Wright , en el que tres turbinas de recuperación de potencia extraían aproximadamente el 20 por ciento de la energía o alrededor de 500 caballos de fuerza (370 kW) de los gases de escape del motor y luego, utilizando tres acoplamientos de fluido y engranajes, convertían la rotación de la turbina de alta velocidad y bajo par en una salida de baja velocidad y alto par para impulsar la hélice .
En términos generales, la capacidad de transmisión de potencia de un acoplamiento de fluido determinado está fuertemente relacionada con la velocidad de la bomba, una característica que generalmente funciona bien con aplicaciones donde la carga aplicada no fluctúa en gran medida. La capacidad de transmisión de par de cualquier acoplamiento hidrodinámico se puede describir mediante la expresión , donde es la densidad de masa del fluido (kg/m 3 ), es la velocidad del impulsor ( rpm ), y es el diámetro del impulsor ( m ). [13] En el caso de aplicaciones automotrices, donde la carga puede variar hasta extremos considerables, es solo una aproximación. La conducción con paradas y arranques tenderá a operar el acoplamiento en su rango menos eficiente, lo que provocará un efecto adverso en el ahorro de combustible .
Los acoplamientos hidráulicos son componentes relativamente sencillos de fabricar. Por ejemplo, las turbinas pueden ser de fundición de aluminio o de estampación de acero y la carcasa también puede ser de fundición o de acero estampado o forjado.
Los fabricantes de acoplamientos de fluidos industriales incluyen Voith , [14] Transfluid, [15] TwinDisc, [16] Siemens , [17] Parag, [18] Fluidomat, [19] Reuland Electric [20] y TRI Transmission and Bearing Corp. [21].
Esta no es una lista exhaustiva, pero pretende dar una idea del desarrollo de los acoplamientos de fluidos en el siglo XX.
