Una transmisión continuamente variable ( CVT ) es una transmisión automatizada que puede cambiar a través de un rango continuo de relaciones de transmisión . Esto contrasta con otras transmisiones que proporcionan un número limitado de relaciones de transmisión en pasos fijos. La flexibilidad de una CVT con un control adecuado puede permitir que el motor funcione a una velocidad angular constante mientras el vehículo se mueve a velocidades variables.
Las CVT se utilizan en automóviles, tractores, vehículos side-by-side , motonetas, motos de nieve , bicicletas y equipos de movimiento de tierras . El tipo más común de CVT utiliza dos poleas conectadas por una correa o cadena ; sin embargo, en ocasiones también se han utilizado otros diseños.
El tipo más común de transmisión variable continua utiliza una correa trapezoidal que corre entre dos poleas de diámetro variable. [1] Las poleas constan de dos mitades en forma de cono que se mueven juntas y separadas. La correa trapezoidal corre entre estas dos mitades, por lo que el diámetro efectivo de la polea depende de la distancia entre las dos mitades de la polea. La sección transversal en forma de V de la correa hace que se desplace más arriba en una polea y más abajo en la otra; por lo tanto, la relación de transmisión se ajusta acercando las dos poleas de una polea y alejando las dos poleas de la otra polea. [2]
Como la distancia entre las poleas y la longitud de la correa no cambia, ambas poleas deben ajustarse simultáneamente (una más grande, la otra más pequeña) para mantener la cantidad adecuada de tensión en la correa. Las CVT simples que combinan una polea de transmisión centrífuga con una polea impulsada con resorte a menudo usan la tensión de la correa para efectuar los ajustes de conformidad en la polea impulsada. [2] La correa trapezoidal debe ser muy rígida en la dirección axial de la polea para hacer solo movimientos radiales cortos mientras se desliza dentro y fuera de las poleas.
El espesor radial de la correa es un compromiso entre la relación de transmisión máxima y el par motor. Las correas trapezoidales reforzadas con acero son suficientes para aplicaciones de masa baja y par motor bajo, como vehículos utilitarios y motos de nieve, pero las aplicaciones de masa y par motor más elevados, como los automóviles, requieren una cadena. Cada elemento de la cadena debe tener lados cónicos que se ajusten a la polea cuando la correa se desplaza por el radio más externo. A medida que la cadena se mueve hacia las poleas, el área de contacto se hace más pequeña. Como el área de contacto es proporcional al número de elementos, las correas de cadena requieren muchos elementos muy pequeños.
Un diseño accionado por correa ofrece una eficiencia de aproximadamente el 88% [3] , que, si bien es menor que la de una transmisión manual , se puede compensar permitiendo que el motor funcione a sus RPM más eficientes independientemente de la velocidad del vehículo. Cuando la potencia es más importante que la economía, la relación de la CVT se puede cambiar para permitir que el motor gire a las RPM a las que produce la mayor potencia.
En una transmisión variable continua basada en cadena, numerosos elementos de la cadena están dispuestos a lo largo de múltiples bandas de acero superpuestas unas sobre otras, cada una de las cuales es lo suficientemente delgada como para doblarse fácilmente . Cuando parte de la banda se envuelve alrededor de una polea, los lados de los elementos forman una superficie cónica. [4] [5] En la pila de bandas, cada banda corresponde a una relación de transmisión ligeramente diferente y, por lo tanto, las bandas se deslizan una sobre otra y necesitan lubricación suficiente . Se aplica una película adicional de lubricante a las poleas. La película debe ser lo suficientemente gruesa como para evitar el contacto directo entre la polea y la cadena, pero lo suficientemente delgada como para no desperdiciar potencia a medida que cada elemento de la cadena ingresa en ella. [ cita requerida ]
Algunas CVT transfieren potencia a la polea de salida a través de la tensión en la correa (una fuerza de "tracción"), mientras que otras utilizan la compresión de los elementos de la cadena (donde la polea de entrada "empuja" la correa, que a su vez empuja la polea de salida). [6] [7] [8]
Las transmisiones por cadena de variación infinita positiva (PIV) se distinguen por el hecho de que la cadena se entrelaza positivamente con las poleas cónicas. Esto se logra al tener una pila de muchas placas rectangulares pequeñas en cada eslabón de la cadena que pueden deslizarse independientemente de un lado a otro. Las placas pueden ser bastante delgadas, de alrededor de un milímetro de espesor. Las poleas cónicas tienen ranuras radiales. Una ranura en un lado de la polea se encuentra con una cresta en el otro lado y, por lo tanto, las placas deslizantes se empujan hacia adelante y hacia atrás para adaptarse al patrón, formando efectivamente dientes del paso correcto cuando se aprietan entre las poleas. Debido a las superficies entrelazadas, este tipo de transmisión puede transmitir un par significativo y, por lo tanto, se ha utilizado ampliamente en aplicaciones industriales. Sin embargo, la velocidad máxima es significativamente menor que la de otras CVT basadas en poleas. Las placas deslizantes se desgastarán lentamente con los años de uso. Por lo tanto, las placas se hacen más largas de lo necesario, lo que permite un mayor desgaste antes de que la cadena deba ser renovada o reemplazada. Se requiere lubricación constante y, por lo tanto, la carcasa generalmente está parcialmente llena de aceite. [9] [10]
Las CVT toroidales, como las que se utilizan en el Nissan Cedric (Y34) , [11] [12] y las que fabrica CVTCORP, [13] constan de una serie de discos y rodillos. Los discos se pueden imaginar como dos piezas casi cónicas dispuestas punto a punto, con los lados cóncavos de tal manera que las dos piezas podrían encajar en el orificio central de un toro . Un disco es la entrada y el otro es la salida. Entre los discos hay rodillos, que varían la relación y transfieren potencia de un lado al otro. Cuando los ejes de los rodillos son perpendiculares al eje de los discos, el diámetro efectivo es el mismo para los discos de entrada y los discos de salida, lo que da como resultado una relación de transmisión de 1:1. Para otras relaciones, los rodillos giran a lo largo de las superficies de los discos de modo que estén en contacto con los discos en puntos con diferentes diámetros, lo que da como resultado una relación de transmisión de algo diferente de 1:1. [14]
Una ventaja de una CVT toroidal es la capacidad de soportar cargas de torsión más altas que una CVT basada en poleas. [15] En algunos sistemas toroidales, la dirección del empuje se puede invertir dentro de la CVT, eliminando la necesidad de un dispositivo externo para proporcionar una marcha atrás. [16]
Una transmisión variable continua (CVT) con trinquete utiliza una serie de embragues unidireccionales o trinquetes que rectifican y suman solo el movimiento "hacia adelante". Las características de encendido y apagado de un trinquete típico significan que muchos de estos diseños no son de funcionamiento continuo (es decir, técnicamente no son una CVT), pero en la práctica, existen muchas similitudes en el funcionamiento, y una CVT con trinquete puede producir una velocidad de salida cero a partir de cualquier velocidad de entrada dada (como en una transmisión infinitamente variable). La relación de transmisión se ajusta cambiando la geometría del varillaje dentro de los elementos oscilantes de modo que se ajuste la velocidad máxima del varillaje sumada, incluso cuando la velocidad media del varillaje permanece constante.
Las CVT con trinquete pueden transferir un par considerable porque su fricción estática aumenta en relación con el rendimiento del par, por lo que el deslizamiento es imposible en sistemas diseñados adecuadamente. La eficiencia es generalmente alta porque la mayor parte de la fricción dinámica es causada por cambios muy leves de velocidad de transición del embrague. El inconveniente de las CVT con trinquete es la vibración causada por la transición sucesiva de velocidad necesaria para acelerar el elemento, que debe reemplazar al elemento de transmisión de potencia que funcionaba y desaceleraba anteriormente.
El principio de diseño se remonta a antes de la década de 1930, con el diseño original destinado a convertir el movimiento rotatorio en movimiento oscilante y nuevamente en movimiento rotatorio utilizando embragues de rodillos. [17] Este diseño sigue en producción a partir de 2017, para su uso con motores eléctricos de baja velocidad. [18] Un ejemplo prototipado como transmisión de bicicleta fue patentado en 1994. [19] El principio operativo para un diseño de CVT de trinquete, que utiliza un mecanismo de yugo escocés para convertir el movimiento rotatorio en movimiento oscilante y engranajes no circulares para lograr una relación uniforme de entrada a salida, fue patentado en 2014. [20]
Una transmisión CVT hidrostática utiliza una bomba de desplazamiento positivo impulsada por el motor para suministrar aceite bajo presión a uno o más motores hidráulicos , que generan el par que se aplica a las ruedas motrices del vehículo. El nombre "CVT hidrostática", que hace un uso incorrecto del término " hidrostático ", diferencia este tipo de transmisión de una que incorpora un multiplicador de par hidrodinámico ("convertidor de par") en su diseño.
En una transmisión variable continua hidrostática, la "relación de transmisión" efectiva entre el motor y la(s) rueda(s) motriz(es) es el resultado de una diferencia entre el desplazamiento de la bomba (expresado en pulgadas cúbicas o centímetros cúbicos por revolución) y el desplazamiento del motor. En un sistema cerrado, es decir, un sistema en el que toda la salida de la bomba se entrega al(los) motor(es), esta relación se da mediante la ecuación GR = Dm ÷ Dp , donde Dp es el desplazamiento efectivo de la bomba, Dm es el desplazamiento del motor y GR es la "relación de transmisión".
En una transmisión CVT hidrostática, la "relación de transmisión" efectiva varía al variar el desplazamiento efectivo de la bomba, lo que variará el volumen de aceite suministrado al motor o motores a una velocidad del motor (RPM) determinada. Hay varias formas de lograr esto, una de las cuales es desviar parte de la salida de la bomba al depósito a través de una válvula ajustable. Con este tipo de disposición, a medida que se desvía más aceite al abrir la válvula, se reduce el desplazamiento efectivo de la bomba y se suministra menos aceite al motor, lo que hace que gire más lentamente. Por el contrario, al cerrar la válvula se reducirá el volumen de aceite que se desvía, lo que aumenta el desplazamiento efectivo de la bomba y hace que el motor gire más rápidamente.
Otro método consiste en utilizar una bomba de desplazamiento variable . Cuando la bomba está configurada para un desplazamiento bajo, produce un volumen bajo de flujo de aceite, lo que hace que el motor o los motores hidráulicos giren más lentamente. A medida que aumenta el desplazamiento de la bomba, se produce un mayor volumen de flujo de aceite para cualquier RPM del motor, lo que hace que el motor o los motores giren más rápido.
Las ventajas de una CVT hidrostática incluyen:
Las desventajas de una CVT hidrostática incluyen:
Los usos de las CVT hidrostáticas incluyen cosechadoras de forraje , cosechadoras combinadas , cargadoras pequeñas de ruedas/orugas/de dirección deslizante , tractores de orugas y apisonadoras . Un ejemplo agrícola, producido por AGCO , divide la potencia entre la transferencia hidrostática y mecánica al eje de salida a través de un engranaje planetario en la dirección de avance del desplazamiento (en sentido inverso, la transferencia de potencia es completamente hidrostática). Esta disposición reduce la carga en la parte hidrostática de la transmisión cuando está en la dirección de avance al transmitir una parte significativa del par a través de engranajes fijos más eficientes. [21]
Una variante llamada Transeje Hidrostático Integrado (IHT) utiliza una sola carcasa para los elementos hidráulicos y los elementos reductores de engranajes y se utiliza en algunos minitractores y cortadoras de césped autopropulsadas .
La motocicleta cruiser Honda DN-01 2008-2010 utilizó una CVT hidrostática en forma de una bomba de pistones axiales de desplazamiento variable con un plato oscilante de ángulo variable .
Una transmisión CVT cónica varía la relación de transmisión moviendo una rueda o correa a lo largo del eje de uno o más rodillos cónicos. El tipo más simple de transmisión CVT cónica, la versión de cono único, utiliza una rueda que se mueve a lo largo de la pendiente del cono, lo que crea una variación entre los diámetros angosto y ancho del cono.
Algunos diseños de CVT de cono utilizan dos rodillos. [22] [23] En 1903, William Evans y Paul Knauf solicitaron una patente para una transmisión continuamente variable que utilizaba dos rodillos cónicos paralelos que apuntaban en direcciones opuestas y estaban conectados por correas que podían deslizarse a lo largo de los conos para variar la relación de transmisión. [24] [25] El contraeje de velocidad variable de Evans, producido en la década de 1920, es más simple: los dos rodillos están dispuestos con un pequeño espacio de ancho constante entre ellos, y la posición de un cordón de cuero que corre entre los rodillos determina la relación de transmisión. [26]
En una transmisión variable continua epicicloidal (también llamada transmisión variable continua planetaria), la relación de transmisión se modifica inclinando los ejes de los rodillos esféricos para proporcionar diferentes radios de contacto, que a su vez impulsan los discos de entrada y salida. Esto es similar en principio a las transmisiones variables continuas toroidales. Las versiones de producción incluyen la transmisión variable continua NuVinci . [27]
Varios vehículos eléctricos híbridos (como el Toyota Prius, el Nissan Altima, el Mitsubishi Outlander PHEV y el Ford Escape Hybrid ) utilizan transmisiones variables eléctricas (EVT, a veces eCVT) para controlar la contribución de potencia del motor eléctrico y del motor de combustión interna. Estas se diferencian de las CVT estándar en que están impulsadas por un motor eléctrico además del motor, y a menudo utilizan engranajes planetarios para combinar sus salidas en lugar de una correa utilizada en las CVT tradicionales. Un ejemplo notable es el Toyota Hybrid Synergy Drive .
Las transmisiones de disco de fricción se utilizaron en varios vehículos y locomotoras pequeñas construidas a principios del siglo XX, incluidos los automóviles Lambert y Metz . Utilizadas hoy en día en quitanieves , estas transmisiones consisten en un disco de salida que se mueve a lo largo de la superficie del disco de entrada sobre el que rueda. Cuando el disco de salida se ajusta a una posición igual a su propio radio, la relación de transmisión resultante es 1:1. La relación de transmisión se puede establecer al infinito (es decir, un disco de salida estacionario) moviendo el disco de salida al centro del disco de entrada. La dirección de salida también se puede invertir moviendo el disco de salida más allá del centro del disco de entrada. La transmisión en las primeras locomotoras Plymouth funcionaba de esta manera, mientras que en los tractores que usaban discos de fricción, el rango de velocidades de reversa era típicamente limitado. [28]
La transmisión CVT magnética, que aún se encuentra en desarrollo, transmite el par mediante un acoplamiento magnético sin contacto. [29] El diseño utiliza dos anillos de imanes permanentes con un anillo de piezas polares de acero entre ellos para crear un conjunto de engranajes planetarios mediante imanes. [30] Se afirma que produce una reducción del 3 al 5 por ciento en el consumo de combustible en comparación con un sistema mecánico. [30]
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Algunas CVT también pueden funcionar como una transmisión infinitamente variable (IVT) que ofrece una gama infinita de marchas bajas (por ejemplo, mover un vehículo hacia adelante a una velocidad infinitamente lenta). Algunas IVT evitan la conducción en reversa (donde el eje de salida puede girar libremente, como una transmisión automotriz en punto muerto) debido a que proporcionan un alto par de conducción en reversa. Otras IVT, como las de trinquete, permiten que el eje de salida gire libremente. Los tipos de CVT que pueden funcionar como IVT incluyen CVT epicicloidales, de disco de fricción y de trinquete.
En 1879, Milton Reeves inventó una transmisión CVT (en aquel entonces llamada transmisión de velocidad variable ) para su uso en aserraderos. En 1896, Reeves comenzó a instalar esta transmisión en sus automóviles [31] y la CVT de Reeves también fue utilizada por varios otros fabricantes.
La motocicleta Zenith Gradua 6HP de 1911 usaba una CVT Gradua basada en poleas . [32] [33] Un año después, se lanzó la Rudge-Whitworth Multigear con una CVT similar pero mejorada. Otros de los primeros automóviles que usaron una CVT fueron los pequeños ciclomotores de tres ruedas David de 1913-1923 fabricados en España, [34] el Clyno de 1923 fabricado en el Reino Unido y el Constantinesco Saloon de 1926 fabricado en el Reino Unido.
El primer automóvil de producción en masa que utilizó una CVT fue el DAF 600 de 1958 de los Países Bajos . [35] Su transmisión Variomatic se utilizó en varios vehículos construidos por DAF y Volvo hasta la década de 1980. [36]
En 1987, la ECVT , la primera CVT con correa de acero controlada electrónicamente, se introdujo como una transmisión opcional en el Subaru Justy , [37] [38] La producción se limitó a 500 unidades por mes debido a la limitada producción de Van Doorne. En junio de ese año, los suministros aumentaron a 3000 por mes, lo que llevó a Subaru a hacer que la CVT estuviera disponible en el automóvil kei Rex . [39] Subaru también ha suministrado sus CVT a otros fabricantes (por ejemplo, el Nissan Micra de 1992 y los Fiat Uno y Panda ). [40] También en 1987, se introdujeron el Ford Fiesta de segunda generación y el Fiat Uno de primera generación con CVT con correa de acero, que se denominan CTX y Unomatic en Ford y Fiat, respectivamente.
El Honda Civic de sexta generación de 1996 introdujo una CVT Honda Multi Matic (HMM) basada en poleas que incluía un embrague multidisco, no un convertidor de par , para evitar el ralentí lento . [41]
El uso de CVT se extendió en los años siguientes a modelos como el Nissan Cube de 1998 , el Rover 25 de 1999 y el Audi A6 de 1999. [42]
El Nissan Cedric (Y34) de 1999 utilizaba una transmisión variable continua (CVT) toroidal (a diferencia de los diseños basados en poleas utilizados por otros fabricantes) comercializada como Nissan Extroid , que incorporaba un convertidor de par. Luego, Nissan cambió de CVT toroidales a CVT basados en poleas en 2003. [43] Se afirma que la versión de la CVT utilizada con el motor VQ35DE en el Nissan Altima de cuarta generación es capaz de transmitir cargas de par más altas que otras CVT con correa. [44]
El Toyota Corolla 2019 (E210) está disponible con una transmisión CVT asistida por un "engranaje de lanzamiento" físico junto a la polea de la CVT. A velocidades de hasta 40 km/h (25 mph), el engranaje de lanzamiento se utiliza para aumentar la aceleración y reducir la tensión en la CVT. Por encima de esta velocidad, la transmisión cambia a la CVT. [45]
Los términos de marketing para las CVT incluyen "Lineartronic" ( Subaru ), "Xtronic" ( Jatco , Nissan , Renault ), INVECS-III ( Mitsubishi ), Multitronic ( Volkswagen , Audi ), "Autotronic" ( Mercedes-Benz ) y "IVT" ( Hyundai , Kia ).
En los Estados Unidos, los autos de carreras de ruedas abiertas de Fórmula 500 han usado CVT desde principios de la década de 1970. Las CVT fueron prohibidas en la Fórmula Uno en 1994 (junto con varios otros sistemas electrónicos y ayudas a la conducción) debido a las preocupaciones sobre los crecientes costos de investigación y desarrollo y el mantenimiento de un nivel específico de participación del conductor con los vehículos. [46]
Muchos vehículos pequeños, como motos de nieve , carros de golf y scooters , utilizan CVT, generalmente del tipo de polea. Las CVT en estos vehículos a menudo utilizan una correa de goma con una circunferencia fija que no se estira fabricada con diversos materiales altamente duraderos y flexibles, debido a que la simplicidad mecánica y la facilidad de uso superan su ineficiencia comparativa. Algunos scooters incluyen un embrague centrífugo , para ayudar cuando se mantiene en ralentí o se da marcha atrás manualmente. [47]
La motocicleta todoterreno automática Rokon RT340 TCR de 1974 estaba equipada con una transmisión variable continua (CVT) para motonieves. El primer vehículo todoterreno equipado con una CVT fue el Polaris Trail Boss en 1985. [ cita requerida ]
Las cosechadoras combinadas utilizaban transmisiones por correa variable desde la década de 1950. Muchos tractores pequeños y segadoras autopropulsadas para el hogar y el jardín utilizan transmisiones por correa variable continua con correa de goma sencillas. Las transmisiones por correa variable continua hidrostáticas son más comunes en las unidades más grandes. [ ejemplo necesario ] En las operaciones de siega o cosecha, la transmisión por correa variable continua permite ajustar la velocidad de avance del equipo independientemente de la velocidad del motor; esto permite al operador reducir o acelerar según sea necesario para adaptarse a las variaciones en el grosor del cultivo.
Las CVT hidrostáticas se utilizan en equipos agrícolas y de movimiento de tierras de tamaño pequeño a mediano. Dado que los motores de estas máquinas suelen funcionar a potencia constante (para proporcionar potencia hidráulica o para impulsar la maquinaria), las pérdidas de eficiencia mecánica se compensan con una mayor eficiencia operativa. Por ejemplo, en los equipos de movimiento de tierras, se reducen los tiempos de cambio de sentido de marcha adelante y atrás. La velocidad y la potencia de salida de la CVT se utilizan para controlar la velocidad de desplazamiento y, a veces, la dirección del equipo. En este último caso, la diferencia de velocidad necesaria para dirigir el equipo puede ser suministrada por CVT independientes, lo que permite realizar la dirección sin varios inconvenientes asociados con otros métodos de dirección deslizante (como pérdidas de frenado o pérdida de esfuerzo de tracción).
Los tractores de jardín Wheel Horse 875 y 1075 de 1965 fueron los primeros vehículos de este tipo equipados con una transmisión variable continua hidrostática. El diseño utilizaba una bomba de plato oscilante de desplazamiento variable y un motor hidráulico de engranajes de desplazamiento fijo combinados en un único paquete compacto. Las relaciones inversas se conseguían invirtiendo el flujo de la bomba a través del centrado excesivo del plato oscilante. La aceleración se limitaba y suavizaba mediante el uso de un acumulador de presión y válvulas de alivio ubicadas entre la bomba y el motor, para evitar los cambios repentinos de velocidad posibles con el acoplamiento hidráulico directo. Las versiones posteriores incluían motores de plato oscilante fijo y bombas de bola. [ cita requerida ]
El Fendt Vario 926 de 1996 fue el primer tractor de servicio pesado equipado con una transmisión IVT. No es lo mismo que una CVT hidrostática. Se han producido más de 100.000 tractores con esta transmisión. [48]
Las CVT se han utilizado en sistemas de generación de energía eléctrica de aeronaves desde la década de 1950. [ cita requerida ]
Las CVT con volante de inercia se utilizan [ cita requerida ] como regulador de velocidad entre un motor (por ejemplo, una turbina eólica) y el generador eléctrico . Cuando el motor produce suficiente potencia, el generador se conecta directamente a la CVT, que sirve para regular la velocidad del motor. Cuando la potencia de salida es demasiado baja, el generador se desconecta y la energía se almacena en el volante de inercia. Solo cuando la velocidad del volante de inercia es suficiente, la energía cinética se convierte en electricidad, de forma intermitente, a la velocidad requerida por el generador.
Algunas prensas taladradoras y fresadoras contienen un sistema CVT de transmisión por correa simple para controlar la velocidad del mandril , incluidos los modelos Jet J-A5816 y J-A5818. [49] En este sistema, el diámetro efectivo de solo las poleas del eje de salida es continuamente variable. La polea de entrada conectada al motor generalmente tiene un diámetro fijo (o, a veces, con pasos discretos para permitir una selección de rangos de velocidad). El operador ajusta la velocidad del taladro utilizando un volante que controla el ancho del espacio entre las mitades de la polea. Se implementa una polea tensora en la transmisión por correa para absorber o liberar la holgura de la correa a medida que se modifica la velocidad.
Los cabrestantes y polipastos también son una aplicación de las CVT, especialmente para aquellos que adaptan la relación de transmisión al par resistente.
Las bicicletas con transmisión CVT han tenido un éxito comercial limitado; un ejemplo proporcionaba una gama de cambios equivalente a una palanca de cambios de ocho velocidades. [50] La transmisión corta de la bicicleta ayudaba al andar cuesta arriba, pero se observó que la CVT aumentaba significativamente el peso de la bicicleta. [51]
El auge de la bicicleta eléctrica ha traído una reevaluación de la CVT como una mejor solución para una configuración óptima del tren de transmisión en comparación con los sistemas de engranajes aplicados históricamente en bicicletas impulsadas por humanos. [52] [53] El funcionamiento manos libres y continuo sin escalones combinado con un bajo mantenimiento hacen de la CVT una solución atractiva para el uso en bicicletas eléctricas urbanas y por parte de viajeros . [54] Las ejecuciones disponibles comercialmente de CVT de bicicletas eléctricas incluyen ratioX y e2 Drives.
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