ITESI
Sistemas y Maquinas de Fluidos
Profesor: Nicolás Ortega Miranda
Alumnos: Jorge Martínez Magdaleno
Edgar Iván Solis Fuentes
Carrera: Ing. Electromecánica
Ensayo: Transmisiones Hidráulicas.
Irapuato, Guanajuato Abril 2017
Introducción.
Las transmisiones hidráulicas son utilizadas para transferir el movimiento a distancias largas o a sitios de difícil acceso, utilizando bombas accionadas por motores eléctricos, válvulas, motores hidráulicos, mangueras y un fluido a presión que en el caso de la maquinaria es, normalmente, un aceite sintético.
Está basada en que el líquido que circula por el interior del embrague hidráulico produce una cantidad de movimiento, la cual produce un par que es más grande cuanto mayor sea la velocidad del líquido.
Existen dos tipos de Transmisión Hidráulica:
La Transmisión Hidráulica Hidrodinámica se basa en el aprovechamiento de la Energía Cinética del aceite, es decir la Energía originada por el estado de movimiento representada por su caudal. Constituye una transmisión compleja y costosa.
La Transmisión Hidráulica Hidrostática se basa en el aprovechamiento de la Energía Potencial del aceite, ó sea la energía que posee en potencia por su estado de reposo. Es el tipo de transmisión más simple y más difundida, sobre todo por su bajo costo. Se basa en el "Principio de Pascal".
5. Transmisiones Hidráulicas.
5.1 Clasificación de las Transmisiones Hidráulicas.
Existen diferentes clasificaciones para las transmisiones hidráulicas dentro de ellas se encuentran:
Según el movimiento del órgano ejecutor
Rotatorio
Rectilínea
Giratoria
Según la fuente de energía
Bomba
Acumulador
Magistral
Por la circulación del líquido
Abierto
Cerrado
Por la posibilidad de regulación
Regulables
No regulables
5.2 Selección y Aplicación de Acoplamientos Hidrodinámicos.
La Transmisión Hidráulica Hidrodinámica se basa en el aprovechamiento de la Energía Cinética del aceite, es decir la Energía originada por el estado de movimiento representada por su caudal. Constituye una transmisión compleja y costosa.
Un acoplamiento de fluido es un dispositivo hidrodinámico utilizado para transmitir potencia mecánica giratoria. Se ha utilizado en las transmisiones de automóviles como una alternativa a un embrague mecánico. También tiene una amplia aplicación en unidades de máquinas marinas e industriales, en los que es esencial el funcionamiento a velocidad variable y/o controlada por la puesta en marcha sin carga de choque del sistema de transmisión de potencia.
El fluido hidráulico se dirige por la "bomba" cuya forma se obliga a que el flujo en la dirección de la 'turbina de salida'. Aquí, cualquier diferencia en las velocidades angulares de 'etapa de entrada' y resultado 'etapa de salida' en una fuerza neta sobre el 'turbina de salida' causando un par de torsión, lo que causa que gire en la misma dirección que la de la bomba.
El movimiento del fluido es efectivamente toroidal que se desplaza en una dirección en los caminos que pueden ser visualizadas como en la superficie de un toro:
Si hay una diferencia entre la entrada y la salida de velocidades angulares de movimiento tiene un componente que es circular
Si las etapas de entrada y salida tienen velocidades angulares idénticas no hay fuerza centrípeta red - y el movimiento del fluido es circular y coaxial con el eje de rotación, no hay flujo de fluido de una turbina a la otra.
La velocidad de calado.
Una característica importante de un acoplamiento de fluido es su velocidad de pérdida. La velocidad de pérdida se define como la velocidad máxima a la que la bomba puede girar cuando la turbina de salida está bloqueado y se aplica potencia máxima de entrada. Bajo condiciones de calado toda la potencia del motor se disiparía en el acoplamiento de fluido en forma de calor, que puede dar lugar a daños.
Paso circuito de acoplamiento.
Una modificación a la simple acoplamiento de fluido es el acoplamiento-circuito de paso que anteriormente se fabrica como el "acoplamiento STC" por la empresa de ingeniería Fluidrive.
El acoplamiento STC contiene un depósito a la que algunos, pero no todos, de la aceite gravita cuando se ha detenido el eje de salida. Esto reduce el "arrastre" en el eje de entrada, lo que resulta en la reducción del consumo de combustible al ralentí y una reducción en la tendencia del vehículo a "arrastrarse".
Cuando el eje de salida empieza a girar, el aceite es lanzado fuera del depósito por la fuerza centrífuga, y vuelve al cuerpo principal del acoplamiento, de manera que se restablece la transmisión de energía normal.
Deslizarse.
Un acoplamiento de fluido no puede desarrollar par de salida cuando las velocidades angulares de entrada y salida son idénticos. Por lo tanto un acoplamiento de fluido no puede alcanzar el 100 por ciento de eficiencia de transmisión de potencia. Debido al deslizamiento que se producirá en cualquier acoplamiento de fluido bajo carga, algo de energía siempre se perderá en la fricción del fluido y la turbulencia, y se disipa en forma de calor.
La mejor eficiencia de un acoplamiento de fluido puede alcanzar es 94 por ciento, que es por cada 100 revoluciones de entrada, habrá 94 revoluciones de salida. Al igual que otros dispositivos dinámicos de fluidos, su eficacia tiende a aumentar gradualmente con el aumento de escala, tal como se mide por el número de Reynolds.
El fluido hidráulico.
Como un acoplamiento de fluido opera cinéticamente, se prefieren fluidos de baja viscosidad. Se utilizan aceites de motor. En términos generales, multigrado o fluidos de transmisión automática. Aumento de la densidad del fluido aumenta la cantidad de par que puede ser transmitido a una velocidad de entrada dada.
Hidrodinámica de frenado.
Acoplamientos de fluido también puede actuar como frenos hidrodinámicos, disipando energía de rotación en forma de calor a través de fuerzas de fricción. Cuando un acoplamiento de fluido se utiliza para el frenado que también se conoce como un retardador.
Aplicaciones.
Industrial.- Acoplamientos de fluido se utilizan en muchas aplicaciones industriales que implica potencia de rotación, especialmente en las unidades de máquina que implican arranques de alta inercia o carga cíclica constante.
Transporte ferroviario.- Acoplamiento hidrodinámico se encuentran en algunas locomotoras diésel como parte del sistema de transmisión de potencia. Engranajes auto transformación hicieron transmisiones semiautomáticas para la British Rail, y Voith fabricación turbo transmisiones de vagones y unidades múltiples diésel que contienen diversas combinaciones de acoplamientos hidráulicos y convertidores de par.
Automotor.- Acoplamientos de fluido se utiliza en una variedad de primeras transmisiones semi-automáticas y transmisiones automáticas. Desde finales de la década de 1940, el convertidor de par hidrodinámico ha sustituido el acoplamiento de fluido en aplicaciones de automoción. En aplicaciones de automoción, la bomba normalmente se conecta al volante de inercia del motor-de hecho, la carcasa del acoplamiento puede ser parte de la rueda volante adecuado, y por lo tanto es girado por el cigüeñal del motor. La turbina está conectada al eje de entrada de la transmisión. Mientras que la transmisión está en marcha, como velocidad del motor aumenta el par se transfiere desde el motor hasta el eje de entrada por el movimiento del fluido, propulsar el vehículo. En este sentido, el comportamiento del acoplamiento de fluido se parece mucho a la de un embrague mecánico conducir una transmisión manual. Volantes fluidos, a diferencia de los convertidores de par, son mejor conocidos por su uso en automóviles Daimler junto con una caja de cambios preselector Wilson. Daimler utiliza estos a través de su gama de coches de lujo, hasta el cambio a cajas de cambio automáticas con el 1958 Majestic. Daimler y Alvis fueron también conocida por sus vehículos militares y vehículos blindados, algunos de los cuales también se utiliza la combinación de la caja de cambios de pre-selección y el líquido del volante.
Aviación.- El uso más importante de los acoplamientos de fluido en aplicaciones aeronáuticas era en el motor alternativo de turbo-compuesto Wright, en el que tres turbinas de recuperación de energía extrajeron aproximadamente el 20 por ciento de la energía o alrededor de 500 caballos de fuerza de los gases de escape del motor y, a continuación, el uso de tres acoplamientos y fluido engranaje, convertida bajo par de giro de la turbina de alta velocidad a la salida, de alto par a baja velocidad para accionar la hélice.
Cálculos.- En términos generales, la capacidad de transmisión de potencia de un acoplamiento de fluido dado está fuertemente relacionada con velocidad de la bomba, una característica que generalmente funciona bien con aplicaciones en las que la carga aplicada no fluctúa en gran medida. La capacidad de transmisión de par motor de cualquier acoplamiento hidrodinámico puede ser descrita por la expresión, donde es la densidad de masa del fluido, es la velocidad del impulsor, y es el diámetro del impulsor. En el caso de aplicaciones de automoción, donde la carga puede variar a considerables extremos, es sólo una aproximación. Parar y ir conducción tenderá a operar el acoplamiento en su gama menos eficiente, provocando un efecto adverso en la economía de combustible.
Fabricar.- Acoplamientos hidrodinámicos son componentes relativamente simples de producir. Por ejemplo, las turbinas pueden ser piezas de fundición de aluminio o de acero estampado, y la caja también puede ser una pieza de fundición o de acero estampadas o forjada.
5.3 Selección y Aplicación de Convertidores de Par.
El convertidor de par o el convertido de Föttinger, por su creador, es un mecanismo que se utiliza en los cambios automáticos en sustitución del embrague, y realiza la conexión entre la caja de cambios y el motor. En este sistema no existe una unión mecánica entre el cigüeñal y el eje primario de cambio, sino que se aprovecha la fuerza centrífuga que actúa sobre un fluido (aceite) situado en el interior del convertidor.
Consta de tres elementos que forman un anillo cerrado en forma de toroide, en cuyo interior está el aceite. Una de las partes es el impulsor o bomba, unido al motor, con forma de disco y unas acanaladuras interiores en forma de aspa para dirigir el aceite. La turbina tiene una forma similar y va unida al cambio de marchas.
En el interior está el reactor o estator, también acoplado al cambio. Cuando el automóvil está parado, las dos mitades principales del convertidor giran independientes. Pero al empezar a acelerar, la corriente de aceite se hace cada vez más fuerte, hasta el punto de que la bomba y la turbina (es decir, motor y cambio), giran solidarios, arrastrados por el aceite.
Un convertidor de par es un acoplamiento fluido más un estator. Al igual que el acoplamiento fluido, el convertidor de par acopla al motor con la transmisión, y transmite la potencia necesaria para mover la máquina. Los componentes básicos del convertidor de par son un impelente, la turbina, el estator y el eje de salida. A diferencia del acoplamiento fluido, el convertidor de par puede también multiplicar par desde el motor, lo que incrementa el par a la transmisión. El convertidor de par utiliza un estator que redirige el fluido de regreso al impelente en la dirección de giro. La fuerza del aceite desde el estator incrementa la cantidad de par transferido desde el impelente a la turbina y hace que el par se multiplique.
Componentes del Convertidor de Par.
En las partes que conforman un convertidor de par, se destacan cuatro componentes que interactúan entre si y que producen la conexión y acoplamiento del motor de combustión interna y la transmisión de un equipo, que son:
La Bomba
La Turbina
El Estator
Figura 1.- Presenta Bomba, Estator y Turbina.
Bomba.- También conocido como impelente. Este elemento tiene paletas que se encargan de impulsar el aceite a la turbina. Se considera el elemento conductor, debido a que es el que recibe el movimiento del motor, al que está unido, e impulsa el aceite contra él. La bomba está fijada al volante del motor y la turbina está fijada al eje de entrada de la transmisión. Cuando se arranca el motor, la bomba comienza a girar y empuja el aceite desde su centro hacia el borde exterior.
Turbina.- El elemento conducido se llama turbina, y va acoplada a la caja de cambios. La bomba dirige aceite presurizado contra la turbina para hacerla girar. La turbina está conectada a una flecha, para transferirle potencia a la transmisión. Tiene como misión recibir el aceite enviado por la bomba. La turbina gira en conjunto con el eje de salida ya que estos están unidos en un mismo eje.
Estator.- El convertidor de par incluye un tercer elemento que viene a mejorar las condiciones de funcionamiento en la circulación del aceite, se trata del estator. Tiene como misión redirigir el aceite ocupado por la turbina y entregarlo a la bomba, este cambia de dirección el flujo de aceite lo que permite aumentar el impulso del aceite.
Dentro del estator se encuentra un cojinete de un solo sentido, lo que permite que este solo gire en un determinado sentido. El estator se usa para redirigir el flujo de la turbina de regreso hacia la parte de la bomba, para completar el flujo de aceite. Está montado sobre un mecanismo de rueda libre que le permite desplazarse libremente cuando los elementos del convertidor giran a una velocidad aproximadamente igual.
Función Principal:
Absorber cargas de choque
Evita que el motor se sobrecargue y llegue a calarse, permitiendo el funcionamiento a la vez del sistema hidráulico.
Proporciona las multiplicaciones de par automáticamente para hacer frente a la carga, sin tener que cambiar de velocidad dentro de unos límites.
Se elimina la necesidad de embrague.
La carga de trabajo va tomándose de forma gradual.
Se precisan menos cambios de velocidad.
Funcionamiento.
Al girar la bomba accionada directamente por el movimiento del cigüeñal, el aceite se impulsa desde la rueda de bomba hasta la rueda turbina. A la salida de ésta el aceite tropieza con los alabes del reactor que tienen una curvatura opuesta a los de las ruedas de bomba y turbina. Esta corriente de aceite empuja al reactor en un giro de sentido contrario al de la bomba y la turbina. Como el reactor no puede realizar ese giro ya que está retenido por la rueda libre, el aceite se frena y el empuje se transmite a través del aceite sobre la bomba. De esta forma mientras exista diferencia de velocidad de giro entre la bomba y la turbina el momento de giro (par) será mayor en la turbina que en la bomba. El par cedido por la turbina será pues la suma del transmitido por la bomba a través del aceite y del par adicional que se produce por reacción desde el reactor sobre la bomba y que a su vez es transmitido de nuevo sobre la turbina. Cuanto mayor sea la diferencia de giro entre turbina y bomba mayor será la diferencia de par entre la entrada y la salida del convertidor, llegando a ser a la salida hasta tres veces superior.
Conforme disminuye la diferencia de velocidad va disminuyendo la desviación de la corriente de aceite y por lo tanto el empuje adicional sobre la turbina con lo que la relación de par entre salida y entrada va disminuyendo progresivamente.
Cuando las velocidades de la bomba y la turbina son iguales termina la reacción sobre el estator y éste gira en el mismo sentido que los rodetes, por el motivo que el aceite choca con la parte interna de las aspas, funcionando el conjunto como un embrague hidráulico y con una relación de velocidad y par de 1:1: es decir, el eje conducido unido a la turbina gira a igual velocidad y con la misma fuerza que el eje motor.
Figura 2.- Muestra el Funcionamiento del Convertidor de Par.
Ventajas del Convertidor de Par.
Multiplicación del torque.- En los momentos previos al encastrado completo, los convertidores de torque actúan como una especie de transmisión continuamente variable. Esta multiplicación del torque significa que un vehículo equipado así puede acelerar más rápida y suavemente que uno con embrague.
Efecto Volante.- Debido a que los convertidores de torque son muy pesados, tienden a actuar como una especie de volante inercial. Este efecto volante significa que los vehículos con ellos tienen una regulación más constante y un funcionamiento más suave que los autos con embrague.
Desliz Infinito.- Hasta un punto, un convertidor de torque puede deslizarse casi indefinidamente sin dañarse. Esto se compara agudamente con la tendencia de la transmisión manual a quemar embragues si se permite que se deslicen demasiado.
Tanque de Fluido.- Los convertidores de torque pueden contener varios cuartos de fluido de transmisión y pueden ayudar a disminuir el sobrecalentamiento de la transmisión dando una fuente de fluido frío cuando es necesario.
Desventajas del Convertidor de Par.
Desafortunadamente, una parte de la energía cinética del fluido se perderá debido a la fricción y la turbulencia, lo que causa que en el convertidor se genere calor residual, y hace que la eficiencia nunca será del 100%. Este efecto, a menudo referido como pérdidas por bombeo, será más pronunciado cerca de condiciones de arranque. En los diseños modernos, la geometría de las aspas minimiza las pérdidas, lo que permite que la turbina se pueda quedar bloqueada durante largos períodos con poco peligro de sobrecalentamiento.
De todas formas, al igual que en los embragues hidráulicos, el convertidor de par necesitará de un sistema de enfriamiento del aceite para evitar que la temperatura llegue a valores peligrosos para el fluido y el sistema.
Conclusiones.
Para extender con buenos rendimientos el campo de funcionamiento del convertidor de par a un intervalo más amplio de relaciones de velocidad es necesario fraccionar el sistema de palas del estator, del rotor y de la bomba, obteniendo de ese modo convertidores de varias fases.
Si se trabaja considerando sus características, el convertidor de par se emplea eficazmente.
Para el correcto funcionamiento del sistema es necesario seleccionar correctamente el tipo de transmisión y así poder tener un mejor rendimiento.
La transmisión hidrodinámica trabaja con líquidos a alta velocidad pero con presiones relativamente bajas y la transmisión hidrostática trabaja con líquidos a baja velocidad pero con presiones grandes.
Referencias.
Maquinas Hidráulicas, la transmisión hidráulica, https://sites.google.com/site/358maquinas/transmision-hidraulica
Sistemas y Maquinas de Fluidos, Unidad V Transmisiones Hidráulicas, http://sistemasymaquinasdefluidos.blogspot.mx/2013/12/unidad-v-transmisiones-hidraulicas.html
