Instituto Tecnológico de Tijuana

Ingeniería Electromecánica

Resumen.- Transmisiones hidráulicas, Acoplamientos hidrodinámicos,

Convertidores de par.

Profesor Ing. Raymundo A. Aguas Gómez

Sistemas y máquinas de fluidos

Méndez Ceseña Edgar Adrián (11210243)

Tijuana Baja California, México

22 de noviembre del 20131

Transmisiones hidráulicas.

El desarrollo de este tipo de transmisiones hidráulicas de potencia comienza a principios del siglo XX, concretamente gracias a la patente presentada por un ingeniero eléctrico llamado Hermann Föttinger en 1905. Föttinger, como empleado del astillero Stettiner Vulkan trató de combinar en la industria de la construcción naval el funcionamiento a gran velocidad de las, por entonces emergentes turbinas de vapor, con el lento funcionamiento de los propulsores de los barcos. La turbina de vapor, más potente y ocupando menos espacio, mejoraba significativamente la eficiencia en comparación con el motor de vapor directamente acoplado que se utilizaba hasta entonces.

Realmente la cuestión de Föttinger consistió en resolver dos problemas, el primero fue la conversión de par y velocidad entre la máquina conductora y la máquina conducida y el segundo consistió en encontrar la forma de implementar un sistema eficaz que permitiera el giro del propulsor en ambos sentidos para permitir que el barco se desplazara tanto hacia atrás como hacia adelante. Rápidamente descartó la posibilidad de emplear un reductor de velocidad puesto que los engranajes de la época no resistían grandes esfuerzos. Otro de los primeros intentos fue utilizar la conversión eléctrica indirecta mediante un transformador diferencial de rotación. Sin embargo, el considerable volumen y masa del equipo de alta tensión que era necesario meter a bordo hacía que esta solución se descartase como opción. De forma sistemática, los estudios teóricos de resolución de problemas llevaron a Föttinger al uso de la hidrodinámica, desarrollando el convertidor hidrodinámico de par (convertidor Föttinger), una verdadera proeza de la ingeniería que le proporcionó un método extremadamente eficiente para transmitir potencia entre máquina conductora y conducida. Como reconocimiento a sus pioneros trabajos en el campo de la hidrodinámica, a Föttinger le ofrecieron el puesto de profesor de Mecánica de Fluidos en la Universidad Técnica de Danzig en 1909, y en la Universidad Técnica de Berlín en 1924.

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Principio

La transmisión de potencia entre máquina conductora y conducida se produce predominantemente de acuerdo con el principio de operación directo, por ejemplo a través de ejes, acoplamientos mecánicos o reductores. En contraste, la transmisión hidrodinámica de potencia se produce en base a un principio de operación de modo indirecto, es decir, la rueda primaria (bomba) transforma la energía mecánica en energía cinética en forma de caudal de un fluido interno. Este fluido con su alta energía fluye de forma centrífuga desde la rueda primaria hasta la rueda secundaria (turbina) donde se produce de nuevo una conversión de energía cinética en energía mecánica. La potencia es transmitida desde la bomba hasta la turbina sin que se produzca contacto alguno entre ambos elementos y por tanto sin desgaste y evitando la transmisión de vibraciones entre el eje conductor y conducido. Únicamente están sometidos a desgaste los necesarios elementos constructivos como rodamientos, retenes, etc.

Todos los equipos hidrodinámicos constan de ambas partes primaria y secundaria, es decir, una bomba centrifuga y una turbina. El par resulta del cambio de dirección que experimenta el flujo por la rotación del fluido en las respectivas ruedas de paletas primaria y secundaria. Estas ruedas de paletas (bomba impulsora y turbina) están dispuestas en una carcasa cerrada de modo que el fluido interno fluya a través de ambas ruedas una y otra vez. Únicamente el fluido interno produce la transmisión de potencia y la velocidad de la turbina, conectada siempre a la máquina conducida, cambiará de acuerdo a la carga producida en su eje.

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TRANSMISION HIDRAULICA

Transmiten energía del motor (del tractor o maquina) a elementos de maquinas. La energía se transporta por aceite mineral circulando por tuberías.

Muchas ventajas respecto de las mecánicas: facilidad de manejo ; precisión en el control, control tb. hidráulico o eléctrico; seguridad (no hay cadenas, ni poleas, engranajes...), fiabilidad; ausencia de inercia (cambios instantáneos de sentido o de dirección); las tuberías se adaptan a cualquier forma, distancia, etc. en la maquina.

Algún inconveniente: menor rendimiento, suciedad, especialización técnica.

Elementos Principales. Bombas Motores Válvulas Acumuladores Cilindros

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TRANSMISION HIDRAULICAAPROVECHAN LA POTENCIA

HIDRAULICA QUE TRANSMITE UN LIQUIDO

TRANSMISION HIDRODINAMICA

Trabajan con líquidos a alta velocidad pero con presiones relativamente bajas

TRANSMISION HIDROSTATICA

Trabajan con líquidos a baja velocidad pero con presiones grandes.

CONVERTIDOR DE PAR

TRANSMISION PLANETARIA

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Potencia.

)/().()()(

).( 33

smQPapstmV

PaptW

N

Las unidades más utilizadas son l/min y bar:1 l/min = 10 -3 m3 / 60 s1 bar = 10 5 Pa (N/m2)

Bombas y Motores.

Bombas: Transforman energía mecánica en hidráulica Motores: Transforman energía hidráulica en mecánica Su constitución interna es la misma, su diferencia es solo funcional

Cilindrada, caudal, velocidad y potencia.

Cilindrada: c , en cm3 / rev Caudal: Q = c . n (l/min) (de salida, en las bombas) Velocidad de giro: n = Q/c (min -1) en los motores Potencia: N = Q . p (kW) Las bombas solo impulsan aceite,

NO CREAN PRESION; la crean los motores o cilindros sobre el aceite del circuito.

Paletas.

Rotor cilíndrico, paletas radiales, carcasa elíptica, dos volúmenes impulsados por vuelta por paletados zonas de aspiración y dos de impulsión.

El aceite (interno) impulsa las paletas hacia la pared de la carcasa.

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Pistones. Pistones, giran en un rotor, sobre placa inclinada: el superior, en aspiración, al

cabo de 180º, en impulsión. El caudal es la suma de los caudales de cada pistón; cuanto mayor sea su número, mas regularidad en el caudal.

El caudal puede ser variable, variando la inclinación de la placa.

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Válvulas reguladoras de caudal

• El caudal del circuito se regula por la bomba (c y n), pero si c es fijo, y hay que regular la vel. de un cilindro o la vel. de giro de un motor, es necesaria una Vrc.

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Cilindros.

De simple efecto

De doble efecto y simple vástago

De doble efecto y doble vástago

Telescópicos9

Convierten potencia hidráulica en movimiento rectilíneo Pueden ser de simple o de doble efecto De simple o de doble vástago

Acumuladores.

a) Reserva de aceite para demanadas máximasb) Reducción de discontinuidades en el caudal y en la presión del circuitoc) Compensar variaciones de volumen debidas a la dilatación

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Tuberías.

Flexibles =‘Latiguillos’ Constitución interna de las tuberías flexibles para aceite de dos trenzados

metálicos Rígidas, ‘tubos’ , empleados solamente entre puntos fijos. Llevan ‘racores’ en sus extremos, y ‘roscas’ para su montaje a los elementos del

circuito.

Acoplamientos hidrodinámicos.

Un acoplador hidrodinámico (también llamado acoplamiento hidráulico, acople hidráulico o turbo acoplador) es un elemento de transmisión de potencia que basa su funcionamiento en el Principio de Föttinger escrito por Hermann Föttinger (1877-1945).

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De acuerdo con ese principio, una determinada potencia puede ser transmitida de un eje rotante (eje de entrada o eje motor) a otro eje (eje de salida) a través de dos ruedas alabeadas y un fluido de transmisión.

Una idea del acoplamientos hidráulico es el de un ventilador en funcionamiento enfrente de otro, la impulsión del aire hará gira el otro ventilador.

Acoplamientos hidrodinámicos

El acoplamiento hidráulico se distingue por la presencia de un cárter que se llena con aceite especial, dentro del cual hay un rotor solidario del árbol que es móvil y rige la rotación del mecanismo.

Elementos que lo constituyen los acoplamientos hidrodinámicos:

Turbina interna (bomba) montada en el eje motriz.

Turbina externa montada en el eje conducido.

Carcasa fijada a la turbina externa y que comprime la junta.

Un Impulsor o BombaEs un dispositivo cuyo funcionamiento consiste en transmitir una cierta energía cinética aun fluido, impulsándolo a través de un volumen y con una determinada velocidad.

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Una Turbina es un dispositivo cuyo funcionamiento consiste en recibir un fluido en movimiento y transformar la energía cinética del fluido en energía mecánica de rotación.

¿Cómo funcionan los acoplamientos hidrodinámicos?

Las dos turbinas actúan como una bomba centrífuga y una turbina hidráulica. Al conectar una máquina motriz (motor eléctrico o diésel) a la turbina interna, la energía cinética se transmite al aceite en el interior del acoplamiento, y el aceite, por fuerza centrífuga, se desplaza hacia el exterior del circuito atravesando la turbina con un movimiento centrípeto.

De este modo, la turbina externa absorbe la energía cinética generando un par siempre igual al par suministrado a la entrada. Al no existir ninguna unión mecánica entre las turbinas, el desgaste es prácticamente inexistente.

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El rendimiento sólo depende de la diferencia de velocidad (deslizamiento) entre la bomba y la turbina. El deslizamiento es esencial a efectos de funcionamiento del acoplamiento. Por tanto, no existirá trasmisión de par sin deslizamiento.

En condiciones de carga nominal el deslizamiento puede variar del 1,5%(grandes potencias) al 6% (pequeñas potencias).

Una transmisión hidráulica sujeta a pérdidas (aproximadamente un 3% de pérdidas en velocidad si la cantidad de fluido de transmisión es la adecuada).Lo que el principio de Föttinger dice es que el par se mantiene constante en ambos ejes, de forma que las pérdidas de velocidad equivalen a pérdidas de potencia.

Los acoplamientos hidrodinámicos siguen las leyes de toda máquina centrífuga:

1) El par transmitido es proporcional al cuadrado de la velocidad de entrada.

2) La potencia transmitida es proporcional al cubo de la velocidad de entrada y a la quinta potencia del diámetro externo de las turbinas.

Convertidor Par.

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

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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 toroidal (como un "donuts"), 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 el impulsor y la turbina (es decir, motor y cambio), giran solidarios, arrastrados por el aceite.

Esquema de funcionamiento

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El funcionamiento del convertidor de par se puede asemejar al funcionamiento de dos ventiladores enfrentados uno del otro. El primero se encuentra conectado y encendido, mientras que el otro apagado, el movimiento y la fuerza del aire que golpea las aspas del ventilador apagado hacen que este empiece a impulsarse e intentar mantener la velocidad hasta llegar al punto de igualar la velocidad del otro ventilador.

Funcionamiento Real

El convertidor se acciona al impulsar el aceite del cárter hacia el impulsor y de este el aceite va hacia las aspas internas de la turbina (rodete conducido), girando en el mismo sentido que el impulsor.

Cuando el aceite sale del impulsor reacciona contra los aspas del estator aumentando la fuerza de giro (par - motor), cuando el aceite choca con la parte frontal de las aspas, antes de que la velocidad sea la misma del impulsor; cuando la velocidad de la turbina se va igualando a la del impulsor la fuerza o par- motor va disminuyendo, mientras que el estator permanece fijo debido al cojinete de un solo sentido que le impide girar en sentido contrario a los rodetes.

Cuando las velocidades del impulsor 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.

Partes.

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Al elemento conductor se le llama impulsor o bomba, porque es el que recibe el movimiento del motor, al que está unido, e impulsa el aceite contra el conducido. El elemento conducido se llama turbina, y va acoplada a la caja de cambios.

Pero 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, dentro del estator se encuentra un cojinete de un solo sentido, lo que permite que este solo gire en un determinado sentido.

Está montado sobre un mecanismo de rueda libre que le permite desplazarse libremente cuando los elementos del convertidor giran a una velocidad aproximadamente igual.

Partes que forman realmente un convertidor de par que funciona como tal, son las siguientes:

a)Impulsorb)Turbinac)Estator

d)Carcasa giratoriae)Soporte

f) Eje de salida

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