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Un acoplamiento de fluido o acoplamiento hidráulico es un dispositivo hidrodinámico o "hidrocinético" que se utiliza para transmitir potencia mecánica giratoria. [1] Se ha utilizado en transmisiones de automóviles como alternativa al embrague mecánico . También tiene una amplia aplicación en accionamientos de máquinas marinas e industriales, donde es esencial el funcionamiento de velocidad variable y el arranque controlado sin cargas de choque del sistema de transmisión de potencia.
Los accionamientos hidrocinéticos como éste deben distinguirse de los accionamientos hidrostáticos , como las combinaciones de bomba hidráulica y motor .
El acoplamiento hidráulico proviene del trabajo de Hermann Föttinger , quien fue el diseñador jefe de AG Vulcan Works en Stettin . [2] Sus patentes de 1905 cubrían tanto acoplamientos hidráulicos como 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 de vehículos en un intento de mitigar las sacudidas que Sinclair había experimentado mientras viajaba en autobuses de Londres durante la década de 1920 [ 2] Tras las conversaciones con la London General Omnibus Company que comenzaron 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 coches privados del grupo Daimler. [3]
Durante 1930, la Compañía Daimler de Coventry, Inglaterra, comenzó a introducir un sistema de transmisión que utilizaba un acoplamiento hidráulico y una caja de cambios autocambiante Wilson para autobuses y sus automóviles insignia . En 1933, el sistema se utilizaba en todos los vehículos nuevos Daimler, Lanchester y BSA producidos por el grupo, desde vehículos comerciales pesados hasta coches pequeños. Pronto se extendió a los vehículos militares de Daimler y en 1934 apareció en el Singer Eleven con la marca Fluidrive. Estos acoplamientos se describen como construidos según las patentes de Vulcan-Sinclair y Daimler. [3]
En 1939, General Motors Corporation introdujo el sistema Hydramatic , el primer sistema de transmisión automotriz completamente automático instalado en un automóvil producido en serie. [2] El Hydramatic empleó un acoplamiento de fluido.
En los años 30 también se fabricaron las primeras locomotoras diésel con acoplamientos hidráulicos. [4]
Un acoplamiento hidráulico consta de tres componentes, más el fluido hidráulico :
La turbina impulsora, conocida como "bomba" (o toro impulsor [a] ), es girada por el motor primario , que suele ser un motor de combustión interna o un motor eléctrico . El movimiento del impulsor imparte al fluido un movimiento lineal y rotacional 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 conducido [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 provoca un par; provocando así que gire en la misma dirección que la bomba.
El movimiento del fluido es efectivamente toroidal : viaja en una dirección en trayectorias que pueden visualizarse como si estuvieran en la superficie de un toroide :
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 total (a la velocidad de pérdida). En condiciones de calado, toda la potencia del motor a esa velocidad se disiparía en el acoplamiento hidráulico en forma de calor, lo que posiblemente provocaría daños.
Una modificación del acoplamiento de fluido simple es el acoplamiento de circuito escalonado que anteriormente era fabricado como "acoplamiento STC" por Fluidrive Engineering Company.
El acoplamiento STC contiene un depósito hacia el cual gravita parte, pero no todo, el aceite cuando el eje de salida se cala. Esto reduce la "resistencia" en el eje de entrada, lo que resulta en un menor consumo de combustible al ralentí y una reducción en la tendencia del vehículo a "arrastrarse".
Cuando el eje de salida comienza a girar, el aceite sale del depósito mediante la fuerza centrífuga y regresa al cuerpo principal del acoplamiento, de modo que se restablece la transmisión normal de potencia. [6]
Un acoplamiento hidráulico no puede desarrollar un par de salida cuando las velocidades angulares de entrada y salida son idénticas. [7] Por lo tanto, un acoplamiento hidráulico 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 debido a la fricción y turbulencia del fluido, y se disipará en forma de calor. Al igual que otros dispositivos de dinámica de fluidos, su eficiencia tiende a aumentar gradualmente al aumentar la escala, medida por el número de Reynolds .
Como un acoplamiento de fluido funciona cinéticamente, se prefieren los fluidos de baja viscosidad . [7] Generalmente se utilizan aceites de motor multigrado o fluidos de transmisión automática . El aumento de la densidad del fluido aumenta la cantidad de par 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 cambios no deseados en el rendimiento/eficiencia, se debe utilizar un aceite de motor o fluido de transmisión automática con un alto índice de viscosidad .
Los acoplamientos de fluido también pueden actuar como frenos hidrodinámicos , disipando la energía de rotación en forma de calor a través de fuerzas de fricción (tanto viscosas como de fluido/contenedor). Cuando se utiliza un acoplamiento hidráulico para frenar, también se le conoce como retardador . [5]
El correcto funcionamiento de un acoplamiento hidráulico depende de que esté correctamente lleno de fluido. Un acoplamiento insuficientemente lleno no podrá transmitir todo el par y también es probable que el volumen limitado de fluido se sobrecaliente, a menudo dañando los sellos.
Si un acoplamiento está diseñado deliberadamente para funcionar de manera segura cuando no está lleno, generalmente proporcionando un amplio depósito de fluido que no está acoplado al impulsor, entonces se puede usar el control de su nivel de llenado para controlar el torque que puede transmitir y, en algunos casos, para controlar también la velocidad de una carga. [b]
El control del nivel de llenado se realiza con una "cuchara", un tubo no giratorio que ingresa al acoplamiento giratorio a través de un cubo central fijo. Al mover esta pala, ya sea girándola o extendiéndola, recoge fluido del acoplamiento y lo devuelve a un tanque de retención fuera del acoplamiento. El aceite se puede bombear nuevamente al acoplamiento cuando sea necesario, o algunos diseños utilizan una alimentación por gravedad: la acción de la pala es suficiente para elevar el fluido a este tanque de retención, impulsado por la rotación del acoplamiento.
El control Scoop se puede utilizar para un control continuo y fácil de gestionar de la transmisión de pares muy grandes. La locomotora diésel Fell , una locomotora ferroviaria diésel experimental británica de la década de 1950, utilizaba cuatro motores y cuatro acoplamientos, cada uno con control de pala independiente, para activar cada motor por turno. Se utiliza comúnmente para proporcionar unidades de velocidad variable . [9] [10]
Los acoplamientos de fluido se utilizan en muchas aplicaciones industriales que implican potencia rotacional, [11] [12] especialmente en accionamientos de máquinas que implican arranques de alta inercia o cargas cíclicas constantes.
Los acoplamientos hidráulicos se encuentran en algunas locomotoras diésel como parte del sistema de transmisión de potencia. Self-Changing Gears fabricaba transmisiones semiautomáticas para British Rail, y Voith fabrica turbotransmisiones para unidades múltiples diésel que contienen varias combinaciones de acoplamientos de fluido y convertidores de par.
Los acoplamientos de fluido se utilizaron en una variedad de las primeras transmisiones semiautomáticas y automáticas . Desde finales de la década de 1940, el convertidor de par hidrodinámico ha reemplazado al acoplamiento hidráulico en aplicaciones automotrices .
En aplicaciones automotrices , la bomba generalmente está conectada al volante del motor ; de hecho, el recinto del acoplamiento puede ser parte del volante propiamente dicho y, por lo tanto, el cigüeñal del motor lo hace girar . 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 hidráulico se parece mucho al de un embrague mecánico que acciona una transmisión manual .
Los volantes fluidos, a diferencia de los convertidores de par, son más conocidos por su uso en los automóviles Daimler junto con una caja de cambios preselectora Wilson . Daimler los utilizó en toda su gama de coches de lujo, hasta que pasó a cajas de cambios automáticas con el Majestic de 1958 . Daimler y Alvis también eran conocidos por sus vehículos militares y vehículos blindados, algunos de los cuales también utilizaban la combinación de caja de cambios preselectora y volante fluido.
El uso más destacado de los acoplamientos hidráulicos 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 recuperadores de potencia. Las turbinas extrajeron 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, convirtieron la rotación de la turbina de alta velocidad y bajo torque en una salida de baja velocidad y alto torque para accionar 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 sólo 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 la economía de combustible .
Los acoplamientos hidráulicos son componentes relativamente sencillos de producir. Por ejemplo, las turbinas pueden ser piezas de fundición de aluminio o acero estampado y la carcasa también puede ser de fundición o de acero estampado o forjado.
Los fabricantes de acoplamientos de fluido 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 hidráulicos en el siglo XX.
