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, side-by-side , scooters, 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 varios otros diseños.
El tipo más común de CVT 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 pasa 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 separando 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 (una más grande y la otra más pequeña) simultáneamente para mantener la cantidad adecuada de tensión en la correa. Las CVT simples que combinan una polea impulsora centrífuga con una polea conducida accionada por resorte a menudo utilizan la tensión de la correa para afectar los ajustes de conformación en la polea conducida. [2] La correa trapezoidal debe ser muy rígida en la dirección axial de la polea para realizar 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. Las correas trapezoidales reforzadas con acero son suficientes para aplicaciones de baja masa y bajo torque, como vehículos utilitarios y motos de nieve, pero aplicaciones de mayor masa y torque, como los automóviles, requieren una cadena. Cada elemento de la cadena debe tener lados cónicos que se ajusten a la polea cuando la correa corre en el radio más externo. A medida que la cadena avanza 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 aproximadamente un 88% de eficiencia, [3] que, si bien es menor que la de una transmisión manual , puede compensarse 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 CVT basada en cadena, numerosos elementos de cadena están dispuestos a lo largo de múltiples bandas de acero superpuestas una sobre otra, cada una de las cuales es lo suficientemente delgada como para doblarse fácilmente . Cuando parte de la correa se enrolla 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 suficiente lubricación . Se aplica una película adicional de lubricante a las poleas. La película debe ser lo suficientemente gruesa para evitar el contacto directo entre la polea y la cadena, pero lo suficientemente delgada como para no desperdiciar energía cuando cada elemento de la cadena ingresa. [ cita necesaria ]
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 positivamente infinitamente variables (PIV) se distinguen porque 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, por lo que las placas deslizantes se empujan hacia adelante y hacia atrás para ajustarse al patrón, formando efectivamente dientes con el paso correcto cuando se aprietan entre las poleas. Debido a las superficies entrelazadas, este tipo de accionamiento 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 el paso de 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 sea necesario restaurar o reemplazar la cadena. Se requiere una lubricación constante, por lo que la carcasa suele estar parcialmente llena de aceite. [9] [10]
Las CVT toroidales, como las utilizadas en el Nissan Cedric (Y34) , [11] [12] y las fabricadas por CVTCORP, [13] constan de una serie de discos y rodillos. Los discos pueden representarse como dos partes casi cónicas dispuestas punto a punto, con los lados abombados de manera que las dos partes puedan encajar en el orificio central de un toroide . 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 para que estén en contacto con los discos en puntos con diferentes diámetros, lo que da como resultado una relación de transmisión distinta de 1:1. [14]
Una ventaja de una CVT toroidal es la capacidad de soportar cargas de torque 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. [dieciséis]
Una CVT con trinquete utiliza una serie de embragues unidireccionales o trinquetes que rectifican y suman sólo el movimiento "hacia adelante". Las características de encendido y apagado de un trinquete típico significan que muchos de estos diseños no tienen un funcionamiento continuo (es decir, técnicamente no son una CVT), pero en la práctica hay muchas similitudes en el funcionamiento y una CVT con trinquete es capaz de producir una salida cero. velocidad desde cualquier velocidad de entrada dada (según 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 promedio del varillaje permanece constante.
Las CVT con trinquete pueden transferir un par sustancial porque su fricción estática en realidad 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 en la velocidad del embrague de transición. El inconveniente de las CVT con trinquete es la vibración causada por la transición sucesiva en la velocidad requerida para acelerar el elemento, que debe reemplazar al elemento de transmisión de potencia que operaba y desaceleraba anteriormente.
El principio de diseño se remonta a antes de la década de 1930, y el diseño original pretendía convertir el movimiento giratorio en movimiento oscilante y nuevamente en movimiento giratorio mediante embragues de rodillos. [17] Este diseño permanece en producción a partir de 2017, para su uso con motores eléctricos de baja velocidad. [18] Un ejemplo prototipo como transmisión de bicicleta fue patentado en 1994. [19] El principio operativo para un diseño CVT de trinquete, que utiliza un mecanismo de yugo escocés para convertir el movimiento giratorio en movimiento oscilante y engranajes no circulares para lograr una entrada y salida uniforme. ratio, fue patentado en 2014. [20]
Una CVT hidrostática utiliza una bomba de desplazamiento positivo impulsada por el motor para suministrar aceite bajo presión a uno o más motores hidráulicos , creando este último el par que se aplica a las ruedas motrices del vehículo. La denominación “CVT hidrostática”, que hace un mal uso del término “ hidrostática ”, diferencia este tipo de transmisión de aquella que incorpora en su diseño un multiplicador de par hidrodinámico (“convertidor de par”).
En una CVT hidrostática, la "relación de transmisión" efectiva entre el motor y las ruedas motrices 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 potencia de la bomba se entrega al motor(es), esta relación viene dada por la ecuación GR = Dm ÷ Dp , donde Dp es el desplazamiento efectivo de la bomba, Dm es el el desplazamiento del motor y GR es la "relación de transmisión".
En una CVT hidrostática, la "relación de transmisión" efectiva varía variando el desplazamiento efectivo de la bomba, lo que variará el volumen de aceite entregado a los 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 de regreso al depósito a través de una válvula ajustable. Con tal disposición, a medida que se desvía más aceite al abrir la válvula, se reduce el desplazamiento efectivo de la bomba y se entrega menos aceite al motor, lo que hace que gire más lentamente. Por el contrario, cerrar la válvula reducirá el volumen de aceite que se desvía, lo que aumentará el desplazamiento efectivo de la bomba y hará que el motor gire más rápidamente.
Otro método es emplear 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 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 determinada del motor, lo que hace que el motor gire 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 , cargadoras pequeñas de ruedas/orugas/minicargadoras , tractores de orugas y apisonadoras . Un ejemplo agrícola, producido por AGCO , divide la potencia entre transferencia hidrostática y mecánica al eje de salida a través de un engranaje planetario en la dirección de avance (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 dirección de avance al transmitir una parte significativa del par a través de engranajes fijos más eficientes. [21]
Una variante llamada transmisión hidrostática integrada (IHT) utiliza una única carcasa tanto para los elementos hidráulicos como para los elementos reductores de engranajes, y se utiliza en algunos minitractores y cortadoras de césped con operador a bordo .
La motocicleta de crucero Honda DN-01 2008-2010 utilizó una CVT hidrostática en forma de bomba de pistones axiales de desplazamiento variable con un plato cíclico de ángulo variable .
Una 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 CVT de cono, la versión de un solo cono, utiliza una rueda que se mueve a lo largo de la pendiente del cono, creando una variación entre los diámetros estrecho 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 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 una cuerda de cuero que corre entre los rodillos determina la transmisión. relación. [26]
En una CVT epicíclica (también llamada CVT planetaria), la relación de transmisión se cambia 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 CVT toroidales. Las versiones de producción incluyen NuVinci CVT . [27]
Las transmisiones de disco de fricción se utilizaron en varios vehículos y pequeñas locomotoras 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 través 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 en 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 de las primeras locomotoras Plymouth funcionaba de esta manera, mientras que en los tractores que usaban discos de fricción, el rango de velocidades de marcha atrás solía ser limitado. [28]
Aún en desarrollo, la CVT magnética transmite 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 utilizando 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). Algunos IVT evitan la marcha atrás (donde el eje de salida puede girar libremente, como una transmisión de automóvil en punto muerto) debido a que proporcionan un alto par de marcha atrás. Otros IVT, como los de trinquete, permiten que el eje de salida gire libremente. Los tipos de CVT que pueden funcionar como IVT incluyen CVT epicíclicos, de disco de fricción y de trinquete.
En 1879, Milton Reeves inventó una CVT (entonces llamada transmisión de velocidad variable ) para su uso en aserraderos. En 1896, Reeves comenzó a instalar esta transmisión en sus automóviles, [31] y varios otros fabricantes también utilizaron la Reeves CVT.
La motocicleta Zenith Gradua 6HP de 1911 utilizaba una Gradua CVT basada en poleas . [32] [33] Un año después, se lanzó el Rudge-Whitworth Multigear con una CVT similar pero mejorada. Otros primeros automóviles que utilizaron una CVT fueron los pequeños ciclomotores de tres ruedas David de 1913-1923 construidos en España, el Clyno de 1923 construido en el Reino Unido y el Constantinesco Saloon de 1926 construido 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 fabricados 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 producción limitada de Van Doorne. En junio de ese año, la oferta aumentó a 3.000 por mes, lo que llevó a Subaru a ofrecer la CVT en el automóvil Rex kei . [39] Subaru también ha suministrado sus CVT a otros fabricantes (por ejemplo, el Nissan Micra de 1992 y el Fiat Uno y Panda ). [40] También en 1987, el Ford Fiesta de segunda generación y el Fiat Uno de primera generación se introdujeron 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 . [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 utilizó una CVT toroidal, a diferencia de los diseños basados en poleas utilizados por otros fabricantes, comercializado como Nissan Extroid , que incorporaba un convertidor de par. Luego, Nissan cambió de CVT toroidales a CVT basadas 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 torque más altas que otras CVT de correa. [44]
El Toyota Corolla (E210) 2019 está disponible con una CVT asistida por un "engranaje de lanzamiento" físico junto a la polea 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 CVT. [45]
Varios vehículos eléctricos híbridos , como el Toyota Prius, Nissan Altima, Mitsubishi Outlander PHEV y Ford Escape Hybrid , utilizan transmisiones variables eléctricas (EVT) para controlar la contribución de potencia del motor eléctrico y del motor de combustión interna. Se diferencian de las CVT estándar en que, además del motor, funcionan con un motor eléctrico.
Los términos de marketing para CVT incluyen "Lineartronic" ( Subaru ), "Xtronic" ( Jatco , Nissan , Renault ), INVECS-III ( Mitsubishi ), Multitronic ( Volkswagen , Audi ), "Autotronic" ( Mercedes-Benz ) y "IVT" ( Hyundai , Kia ).
En Estados Unidos, los coches de carreras de Fórmula 500 con ruedas abiertas han utilizado CVT desde principios de los años 1970. Las CVT fueron prohibidas en la Fórmula Uno en 1994 (junto con varios otros sistemas electrónicos y ayudas a la conducción) debido a preocupaciones sobre el aumento de los 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 , carritos de golf y scooters , utilizan CVT, generalmente del tipo de polea. Las CVT de estos vehículos suelen utilizar una correa de goma con una circunferencia fija que no se estira, fabricada con diversos materiales muy duraderos y flexibles, debido a que la simplicidad mecánica y la facilidad de uso superan su comparativa ineficiencia. Algunos scooters incluyen un embrague centrífugo , para ayudar al ralentí o dar marcha atrás manualmente al scooter. [47]
La motocicleta todoterreno Rokon RT340 TCR Automatic de 1974 estaba equipada con una CVT para motos de nieve. El primer ATV equipado con una CVT fue el Polaris Trail Boss en 1985. [ cita necesaria ]
Ya en los años cincuenta las cosechadoras utilizaban transmisiones por correas variables. Muchos tractores pequeños y cortacéspedes autopropulsados para el hogar y el jardín utilizan CVT con correa de goma simple. Las CVT hidrostáticas son más comunes en las unidades más grandes. [ ejemplo necesario ] En operaciones de corte o cosecha, la CVT permite ajustar la velocidad de avance del equipo independientemente de la velocidad del motor; esto permite al operador reducir la velocidad o acelerar según sea necesario para adaptarse a las variaciones en el espesor del cultivo.
Las CVT hidrostáticas se utilizan en equipos agrícolas y de movimiento de tierras de tamaño pequeño y mediano. Dado que los motores de estas máquinas normalmente funcionan con una potencia de salida constante (para proporcionar energía hidráulica o para impulsar maquinaria), las pérdidas en la eficiencia mecánica se compensan con una mayor eficiencia operativa. Por ejemplo, en equipos de movimiento de tierras, los tiempos de lanzadera hacia adelante y hacia atrás se reducen. 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 el último caso, el diferencial de velocidad requerido para dirigir el equipo puede ser suministrado por CVT independientes, lo que permite que la dirección se realice 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 CVT hidrostática. El diseño utilizó una bomba de plato cíclico de desplazamiento variable y un motor hidráulico de engranajes de desplazamiento fijo combinados en un solo paquete compacto. Las relaciones inversas se lograron invirtiendo el flujo de la bomba mediante el centrado excesivo del plato cíclico. La aceleración se limitó y suavizó mediante el uso de acumuladores de presión y válvulas de alivio ubicadas entre la bomba y el motor, para evitar los cambios bruscos de velocidad posibles con el acoplamiento hidráulico directo. Las versiones posteriores incluyeron motores de plato cíclico fijo y bombas de bolas. [ cita necesaria ]
El Fendt Vario 926 de 1996 fue el primer tractor pesado equipado con una transmisión IVT. No es lo mismo que una CVT hidrostática. Se han fabricado más de 100.000 tractores con esta transmisión. [48]
Las CVT se han utilizado en sistemas de generación de energía eléctrica de aviones desde la década de 1950. [ cita necesaria ]
Las CVT con volantes se utilizan [ cita necesaria ] 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. Sólo cuando la velocidad del volante es suficiente, la energía cinética se convierte en electricidad, de forma intermitente, a la velocidad requerida por el generador.
Algunas 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 sólo de las poleas del eje de salida es continuamente variable. La polea de entrada conectada al motor suele tener un diámetro fijo (o, a veces, con pasos discretos para permitir una selección de rangos de velocidad). El operador ajusta la velocidad del taladro mediante el uso de 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 tensar 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 aquellas que adaptan la relación de transmisión al par resistente.
Las bicicletas con cambios CVT han tenido un éxito comercial limitado; un ejemplo proporciona una gama de cambios equivalente a una palanca de cambios de ocho velocidades. [50] El cambio corto de la bicicleta ayudó al andar en bicicleta cuesta arriba, pero se observó que la CVT aumentaba significativamente el peso de la bicicleta. [51]
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