Objetivos: Que los
alumnos/as, explique el funcionamiento del embrague hidráulico.
El cambio
automático es un sistema de transmisión que es capaz por si mismo de
seleccionar todas las marchas o relaciones sin la necesidad de la intervención
directa del conductor. El cambio de una relación a otra se produce en función
tanto de la velocidad del vehículo como del régimen de giro del motor, por lo
que el conductor no necesita ni de pedal de embrague ni de palanca de cambios.
El simple hecho de pisar el pedal del acelerador provoca el cambio de relación
conforme el motor varía de régimen de giro. El resultado que aprecia el
conductor es el de un cambio cómodo que no produce tirones y que le permite
prestar toda su atención al tráfico. Por lo tanto el cambio automático no sólo
proporciona más confort, sino que aporta al vehículo mayor seguridad activa.
Los elementos
fundamentales que componen la mayoría de los cambios automáticos actuales son:
- un convertidor
hidráulico de par que varía y ajusta de forma automática su par de salida,
al par que necesita la transmisión.
- un tren
epicicloidal o una combinación de ellos que establecen las distintas
relaciones del cambio.
- un mecanismo
de mando que selecciona automáticamente las relaciones de los trenes
epicicloidales. Este sistema de mando puede ser tanto mecánico como
hidráulico, electrónico o una combinación de ellos.
Antes de estudiar
el funcionamiento de la caja de cambios automática, hay que explicar de forma
individual, los elementos básicos que la forman.
EMBRAGUE HIDRÁULICO
El embrague
hidráulico que mas tarde evolucionara llamándose convertidor de par, actúa como
embrague automático entre el motor y la caja de cambios que, en estos casos,
suele ser automática o semiautomática. Dicho embrague permite que el motor gire
al ralentí (en vacío) y además transmite el par motor cuando el conductor
acelera.
Está fundado en la
transmisión de energía que una bomba centrífuga comunica a una turbina por
mediación de un líquido que generalmente es aceite mineral.
Constitución del
embrague hidráulico
Está constituido,
como puede verse en la figura inferior, por dos coronas giratorias (bomba y
turbina) que tienen forma de semitoroide geométrico y están provistas de unos
tabiques planos , llamados alabes. Una de ellas, llamada rotor conductor, va
unida al árbol motor por medio de tornillos y constituye la bomba centrífuga;
la otra, unida al primario de la caja de cambios con giro libre en el volante,
constituye la turbina o corona arrastrada.
Funcionamiento
Cuando el motor gira, el aceite contenido en la carcasa es impulsado por la
bomba, proyectándose por su periferia hacia la turbina, en cuyos alabes incide
paralelamente al eje. Dicho aceite es arrastrado por la propia rotación de la
bomba o rotor conductor, formándose así un torbellino tórico.
La energía cinética
del aceite que choca contra los alabes de la turbina, produce en ella una
fuerza que tiende a hacerla girar.
Cuando el motor
gira a ralentí, la energía cinética del aceite es pequeña y la fuerza
transmitida a la turbina es insuficiente para vencer el par resistente. En
estas condiciones, hay un resbalamiento total entre bomba y turbina con lo que
la turbina permanece inmóvil. El aceite resbala por los alabes de la turbina y
es devuelto desde el centro de ésta al centro de la bomba, en donde es
impulsado nuevamente a la periferia para seguir el ciclo.
A medida que
aumentan las revoluciones del motor, el torbellino de aceite se va haciendo más
consistente, incidiendo con más fuerza sobre los alabes de la turbina. Esta
acción vence al par resistente y hace girar la turbina, mientras se verifica un
resbalamiento de aceite entre bomba y turbina que supone el acoplamiento
progresivo del embrague.
Cuando el motor
gira rápidamente desarrollando su par máximo, el aceite es impulsado con gran
fuerza en la turbina y ésta es arrastrada a gran velocidad sin que exista
apenas resbalamiento entre ambas (éste suele ser de un 2 % aproximadamente con
par de transmisión máximo).
El par motor se
transmite íntegro a la transmisión de embrague, cualquiera que sea el par
resistente y, de esta forma, aunque se acelere rápidamente desde ralentí, el
movimiento del vehículo se produce progresivamente, existiendo un resbalamiento
que disminuye a medida que la fuerza cinética va venciendo al par resistente.
Al subir una
pendiente, la velocidad del vehículo disminuye por aumentar el par resistente,
pero el motor continúa desarrollando su par máximo a costa de un mayor
resbalamiento, con lo que se puede mantener más tiempo la directa sin peligro
de que el motor se cale.
Ventajas e
inconvenientes de los embragues hidráulicos
Este tipo de
embrague presenta el inconveniente de que no sirve para su acoplamiento a una
caja de cambios normal, es decir, de engranes paralelos; ya que aun funcionando
a ralentí, cuando el resbalamiento es máximo, la turbina está sometida a una
fuerza de empuje que, aunque no la haga girar por ser mayor el par resistente,
actúa sobre los dientes de los engranajes y no permite la maniobra del cambio
de velocidades.
Por esta razón este
embrague se utiliza en cajas de cambio automático. Para su acoplamiento a una
caja normal, habría que intercalar un embrague auxiliar de fricción que permita
desacoplar la caja de cambios en el momento del cambio.
Como contrapartida
de estos inconvenientes, la utilización del embrague hidráulico presenta las
siguientes ventajas:
- Ausencia de
desgaste.
- Duración
ilimitada, incluso mucho mayor que la vida útil del vehículo.
- Las
vibraciones por torsión en la transmisión están fuertemente amortiguadas,
cualidad muy importante para su utilización en los motores Diesel.
- Arranque muy
suave, debido a la progresividad en el deslizamiento.
- Bajo coste de
entretenimiento, no exigiendo más atención que el cambio periódico de
aceite cada 15 000 ó 20 000 km.
El convertidor de
par tiene un funcionamiento que se asemeja al de un embrague hidráulico pero
posee una diferencia fundamental, y es que el convertidor es capaz de aumentar
por sí sólo el par del motor y transmitirlo. En la figura inferior vemos el
principio de funcionamiento tanto del embrague hidráulico y del convertidor. En
a tenemos una rueda con unas cazoletas como si se tratara una rueda de noria de
las utilizadas para sacar agua de los pozos. Hacemos incidir un chorro de
aceite a presión sobre la cazoleta, esta es empujada moviendo la rueda. Vemos
que la fuerza de empuje no es grande ya que con un dedo de la mano paramos la
rueda. En b hemos añadido una placa deflectora entre el chorro de aceite y la
cazoleta: Ahora el chorro de aceite empuja la cazoleta pero en vez de perderse
rebota en la placa deflector que lo dirige otra vez contra la cazoleta por lo
que se refuerza el empuje del chorro contra la cazoleta. Vemos ahora que el
empuje del chorro sobre la cazoleta es mayor y necesitamos mas fuerza en la
mano para evitar que gire la rueda.
Tanto la bomba como
la turbina y el reactor tienen alabes curvados que se encargan de conducir el
aceite de forma adecuada.
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.
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 giro de turbina e impulsor se igualan, el reactor gira incluso
en su mismo sentido sin producirse ningún empuje adicional de forma que la transmisión
de par no se ve aumentada comportándose el convertidor como un embrague
hidráulico convencional. A esta situación se le llama "punto de
embrague"
La
ventaja fundamental del convertidor hidráulico de par sobre el embrague
hidráulico es que el primero permite, en situaciones donde se necesita mayor
tracción como subida de pendientes o arranques, el movimiento del reactor con
lo que el par transmitido se ve aumentado respecto al proporcionado por el
motor en caso de necesidad. Además el convertidor hidráulico amortigua a través
del aceite cualquier vibración del motor antes de que pase a cualquier parte de
la transmisión.
A pesar de ser el
convertidor hidráulico un transformador de par, no es posible su utilización de
forma directa sobre un vehículo ya que en determinadas circunstancias de bajos
regímenes de giro tendría un rendimiento muy bajo. Además no podría aumentar el
par más del triple. Todo esto obliga a equipar a los vehículos, además de con
un convertidor, con un mecanismo de engranajes planetarios que permitan un
cambio casi progresivo de par.
Engranaje
planetario: También llamado "engranaje epicicloidal", son
utilizados por las cajas de cambio automáticas. Estos engranajes están
accionados mediante sistemas de mando normalmente hidráulicos o electrónicos
que accionan frenos y embragues que controlan los movimientos de los distintos
elementos de los engranajes.
En el interior
(centro), el planeta gira en torno de un eje central.
Los satélites
engranan en el dentado del piñón central. Además los satélites pueden girar
tanto en torno de su propio eje como también en un circuito alrededor del piñón
central.
Los satélites se
alojan con sus ejes en el porta satélites
La corona engrana
con su dentado interior en los satélites y encierra todo el tren epicicloidal.
El eje central es también centro de giro para la corona.
Estos tres
componentes (planeta, satélites y corona) del tren epicicloidal pueden moverse
libremente sin transmitir movimiento alguno, pero si se bloquea uno de los
componentes, los restantes pueden girar, transmitiendose el movimiento con la
relación de transmisión resultante según la relación existente entre sus
piñones. Si se bloquean dos de los componentes, el conjunto queda bloqueado,
moviéndose todo el sistema a la velocidad de rotación recibida por el motor.
Las relaciones que
se pueden obtener en un tren epicicloidal dependen de si ante una entrada o
giro de uno de sus elementos existe otro que haga de reacción. En función de la
elección del elemento que hace de entrada o que hace de reacción se obtienen
cuatro relaciones distintas que se pueden identificar con tres posibles marchas
y una marcha invertida. El funcionamiento de un tren epicicloidal es el
siguiente:
- 1ª relación:
si el movimiento entra por el planetario y se frena la corona, los
satélites se ven arrastrados por su engrane con el planetario rodando por
el interior de la corona fija. Esto produce el movimiento del
portasatélites. El resultado es una desmultiplicación del giro de forma
que el portasatélites se mueve de forma mucho más lenta que el planetario
o entrada.
- 2ª relación:
si el movimiento entra por la corona y se frena el planetario, los
satélites se ven arrastrados rodando sobre el planetario por el movimiento
de la corona. El efecto es el movimiento del portasatélites con una
desmultiplicación menor que en el caso anterior.
- 3ª relación:
si el movimiento entra por el planetario y, la corona o el portasatélites
se hace solidario en su movimiento al planetario mediante un embrague
entonces todo el conjunto gira simultáneamente produciéndose una
transmisión directa girando todo el conjunto a la misma velocidad que el
motor.
- 4ª relación: si el movimiento entra por el planetario y se frena el portasatélites, se provoca el giro de los planetarios sobre su propio eje y a su vez estos producen el movimiento de la corona en sentido contrario, invirtiendose el sentido de giro y produciéndose una desmultiplicación grande.
Relación
|
Corona
|
Planeta
|
Portasatélites
|
Desmultiplicación
|
1ª
|
Fija
|
Salida
de fuerza
|
Impulsión
|
Grande
|
2ª
|
Salida
de fuerza
|
Fijo
|
Impulsión
|
Menor
|
3ª
|
Fija
|
Fijo
|
Salida
de fuerza
|
Sin
desmultiplicación
|
4ª
|
Impulsión
|
Salida
de fuerza
|
Fijo
|
Inversión
de giro
|
Invirtiendo
la entrada y la salida en las relaciones de desmultiplicación se obtendrían
relaciones de multiplicación.
Para poder combinar
tres o más velocidades se usan habitualmente combinaciones de engranajes
epicicloidales. Las cajas de cambio automáticas utilizan combinaciones de dos o
tres trenes epicicloidaidales que proporcionan tres o cuatro relaciones hacia
adelante y una hacia detrás. Como ejemplo tenemos la figura anterior.
Fallas del convertidor de par
