Un convertidor de par es un dispositivo, generalmente implementado como un tipo de acoplamiento de fluido , que transfiere potencia giratoria desde 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 el motor primario al tren de engranajes automático, que luego impulsa la carga. Por lo tanto, suele estar situado entre la placa flexible del motor y la transmisión. El dispositivo equivalente en una transmisión manual es el embrague mecánico .
Un convertidor de par sirve para aumentar el par transmitido cuando la velocidad de rotación de salida es baja. En la realización de acoplamiento de fluido, se utiliza un fluido, impulsado por las paletas de un impulsor de entrada y dirigido a través de las paletas de un estator fijo, para impulsar una turbina de salida de tal manera que el par en la salida aumenta cuando el eje de salida gira más lentamente que el eje de entrada, proporcionando así el equivalente a un engranaje de reducción adaptativo . Esta es una característica que va más allá de lo que proporciona un simple acoplamiento de fluido, que puede igualar la velocidad de rotación pero no multiplica el par. Los convertidores de par basados en acoplamientos de fluido también suelen incluir una función de bloqueo para acoplar rígidamente la entrada y la salida y evitar las pérdidas asociadas con la transmisión del par mediante el flujo de fluido cuando las condiciones de operación lo permiten.
Con diferencia, la forma más común de convertidor de par en transmisiones de automóviles es el dispositivo hidrodinámico descrito anteriormente. También existen sistemas hidrostáticos que se utilizan mucho en máquinas pequeñas como las excavadoras compactas .
También existen diseños mecánicos para convertidores de par, muchos de los cuales son similares a las transmisiones mecánicas continuamente variables o capaces de actuar también como tales. Entre ellos se encuentran el convertidor de par Constantinesco basado en péndulo , la transmisión por discos con 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 la turbomáquina 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 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 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 está interpuesto 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 debe evitar que el estator gire bajo cualquier condición, de ahí el término estator . En la práctica, sin embargo, el estator está montado sobre 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.
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, 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 que no cambiaba y, en condiciones normales, dependía únicamente del convertidor para multiplicar el par. El Dynaflow utilizó un convertidor de cinco elementos para producir el amplio rango de multiplicación de par necesario para propulsar un vehículo pesado.
Aunque no forman parte estrictamente del diseño clásico del convertidor de par, muchos convertidores automotrices incluyen un embrague de bloqueo para mejorar la eficiencia de la 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 el accionamiento fluido.
Un convertidor de par tiene tres etapas de operación:
La clave de la capacidad del convertidor de par para multiplicar el par reside en el estator. En el diseño clásico de acoplamiento de fluido , 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 estator redirigirá el fluido de retorno para que ayude a la rotación del impulsor, en lugar de impedirla. 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 contrarrotar mientras obliga al fluido a cambiar de dirección, un efecto que se evita mediante el embrague del estator unidireccional .
A diferencia de las palas radialmente rectas utilizadas en un acoplamiento de fluido simple, la turbina y el estator de un convertidor de par utilizan palas anguladas y curvas. La forma de las palas del estator es la que altera el recorrido del fluido, obligándolo a coincidir con la rotación del impulsor. La curva de adaptación de los álabes de la turbina ayuda a dirigir correctamente el fluido de retorno al estator para que éste pueda realizar su trabajo. La forma de las palas es importante ya que variaciones menores pueden provocar cambios significativos en el rendimiento del convertidor.
Durante las fases de calado 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, provocando que la presión sobre 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 soltará y el impulsor, la turbina y el estator girarán (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 provocará que el convertidor genere calor residual (disipado en muchas aplicaciones mediante refrigeración por agua). Este efecto, a menudo denominado pérdida de bombeo, será más pronunciado en condiciones de pérdida o cerca de ellas. En los diseños modernos, la geometría de las aspas minimiza la velocidad del aceite a bajas velocidades del impulsor, lo que permite que la turbina se detenga durante períodos prolongados con poco peligro de sobrecalentamiento (como cuando un vehículo con transmisión automática se detiene ante un semáforo o en una congestión del tráfico mientras todavía en marcha).
Un convertidor de par no puede alcanzar el 100 por ciento de eficiencia de acoplamiento. El clásico convertidor de par de tres elementos tiene una curva de eficiencia que se asemeja a ∩: eficiencia cero en 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 hidráulico de tamaño equivalente. Algunas pérdidas se deben a la presencia del estator (aunque gire como parte del conjunto), ya que siempre genera alguna turbulencia que absorbe energía. La mayor parte de la pérdida, sin embargo, es causada por las palas de la turbina curvas y en ángulo, que no absorben energía cinética de la masa fluida, 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, 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 de las palas del estator, y se genera sólo cuando el convertidor está en o cerca de la fase de operación de calado. 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 utilizados en Buick Dynaflow y Chevrolet Turboglide podrían producir más). Los convertidores especializados diseñados para sistemas de transmisión de energía industriales, ferroviarios o marinos pesados son capaces de realizar una multiplicación de hasta 5,0:1. En términos generales, existe un equilibrio entre la máxima multiplicación de par y la eficiencia: los convertidores con una relación de calado alta tienden a ser relativamente ineficientes en torno a la velocidad de acoplamiento, mientras que los convertidores con una relación de calado 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. Cambiar la geometría de las palas del estator y/o la turbina cambiará las características de par y pérdida, así como la eficiencia general de la unidad. Por ejemplo, las transmisiones automáticas de carreras de resistencia a menudo utilizan convertidores modificados para producir altas velocidades de pérdida para mejorar el par fuera de línea y entrar en la banda de potencia del motor más rápidamente. Los vehículos de carretera generalmente utilizan convertidores de par de pérdida baja 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 variarse 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 bruscamente 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 del par. Estos convertidores de elementos múltiples son más comunes en entornos industriales que en transmisiones de automóviles, pero también existían aplicaciones automotrices como la Triple Turbina Dynaflow de Buick y el Turboglide de Chevrolet . El Buick Dynaflow utilizó las características de multiplicación de par de su conjunto de engranajes planetarios junto con el convertidor de par para marchas bajas y pasó por alto la primera turbina, utilizando solo la segunda turbina a medida que aumentaba la velocidad del vehículo. La desventaja inevitable de esta disposición fue la baja eficiencia y, finalmente, estas transmisiones se suspendieron en favor de 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 por impulso dentro del convertidor de par reducen la eficiencia y generan calor residual. En las aplicaciones automotrices modernas, este problema comúnmente se evita mediante el uso de un embrague de bloqueo que une físicamente el impulsor y la turbina, convirtiendo efectivamente el convertidor en un acoplamiento puramente mecánico. El resultado es que no hay deslizamiento y prácticamente no hay 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 se desbloqueaba cuando se pisaba el acelerador para una aceleración rápida o cuando el vehículo desaceleraba. Esta característica también estuvo presente en algunas transmisiones Borg-Warner producidas durante la década de 1950. Cayó en desgracia en los años siguientes debido a su complejidad y coste adicionales. A finales de la década de 1970, los embragues de bloqueo comenzaron a reaparecer en respuesta a las demandas de una mayor 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 de par máximo 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 aumentar la resistencia, la confiabilidad y la economía de producción, la mayoría de las carcasas de 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, de carreras y 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 costuras y uniones 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 horno crea un radio pequeño en el punto donde una cuchilla se encuentra con un cubo o 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 provocar varios modos de fallo, algunos de ellos potencialmente peligrosos por naturaleza:
![{\displaystyle \tau =\sum \left[r\times {\frac {d}{dt}}\left(m\cdot v\right)\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3c44e201dd311dedd1992e3cf9931aaac57b4765)
