Automatic A

Aplicaci6n de la hidraulica a los vehiculos de transporte terrestre Aplicaci6n de la hidraulica a los vehiculos de trans porte terrestre INTRODUCCION La hidrau lica esta aplicada a difcrentcs si stemas de los vch icu los, tanto fcrrovia rios como de earretera . Dado que en cl pr csente curso los actuadorcs (bombas 0 cil indros) son an al izad os con profusi on en otras clascs, en la prcscnt c no s ccntrarc mos en la ap licacion de la hidrau lica en los sistemas qu e ac tuan sa bre el movim icnto de avance de los vehiculos, es decir, la trac ci on y el frcnado . Entre los dispositi vos hidraulicos que sc ap lican al sistema de traccion , para tran smit ir cl par mot or a las rucdas son: • Embragues hidraulicos • C onv crtido rcs de par • Difcrcnciales viscosos Entc los dispositi vos hidraulicos que se apliean al sistema de frc nado, dcstacan : • Frcnos h idrauli cos 0 retarders Los text os y parte de las figuras han sido ex tra idos de los libros : " lngcnicr ia del Autornovil. Sist emas y comportamicnto d inamico", Autores : Luque, P.:A. Mantaras. D.; Vera, C. Editorial: Th om son (2004) " Fcrroca rrilcs" . Auto rcs : A. Mantaras. D.; Luque, P.): Alvarez, D.: Luque. P. Editoria l: nivc rsidad de Ovi edo (2 003 )

EMBRAGUE HIDRAuLiCO En la mayor parte de los vchicu los de turi sm o sc crnplcan cmbrag ucs dc (riccio n para pc rmitir acoplar y dcsacoplar el motor a la cadcna de trans m ision (Figura I) .

1'1a1< I de presion, d 1<1 f l :lgJlll\

Figura 1

\

cnrcnxa

Despiece del conjunto embrague de fricci6n y volante de inercia

Los cmbragues (It friccion pr esentan a lg unos inco nve nientes . de ent re los que SI.:: pucden

desta car: bru squedad en el acoplamicnto. m ida s y desgastes. sobrema n ra cuando el par a

transmit ir I.'S irn po rta ute. Est:1S imperfecciones favorecicrou e l desarrollo de a rm s t ipos de

Aplicaci6n de la hidrautica a los vehiculos de transporte terrestre cmb rague , de entre los que cabc dc stacar los hidraulicos, que carecen de cstos dcfcctos, pu cs para la tran smision del mov imiento utilizan un fluido, con las vcntajas que conllcva : Ausencia de de sgaste en dcslizamicnto. Duracion ca si ilimitada. c) Las vibracioncs de tors ion cstan fucrtcmcntc amortiguadas, 10 cual cs importantc para los motorcs Diesel. d) Acoplarnicnto suave, incluso en acclcraci on . e ) Ac cionarnicnto mu y facil y automatico. El co che no ini cia el mo vimi ento si cl motor g ira en ralcnti. a) b)

Entre s us principales incon veni cntes sc encucntra su mcnor rcndimicnto y cl calcntarnicnto que padccc n dcbido a csta perdida de rend irniento.

Componentes de un embrague hidraulico EI cmbraguc hidrauli co esta cornpucsto por dos piczas cnfrcntadas entre si, impulsor 0 bomba y turbina. Ambas piczas tiencn la forma de un scmitoroidc di vidido por unos tabiques lIamados alabcs. Todo c lio csta cnccrrado en una carcasa esta nca rcll cna de accitc qucdando separadas la bomba y la turhina por un pcqu efio cspacio, de tal modo que en ningun memento sc produce contacto entre e lias . La bomba cs a rrastrada por cl motor estancia normalrncnte solidaria a la carcasa, micntras que la tu rbina gira lihre dentro de la carcasa, cstando unida al pr imario de la caja dc carnb ios . EI numcro de alabcs del impulsor su ck scr ligcramcnt c inferior al de la turbina , eon objcto de cvitar las vibracioncs en el cmbragu c que sc produccn cuando hay co inc idc nc ia del num cro de alabes de ambos. Estc fcn omcno cs deb ido a una int crrupcion del movirnicnto del liquido. pa ra una dctcrminada difercncia de giro de bomba y turbina. En otros casos, y para cvitar estc mism o dcfcct o. sc disponen los alabcs simetricnrne ntc.

lrn pul sor

Figura 2

Imp u lso r

Turb ina

Turbina

Cornponentes de un embr agu e htdraullco (dos modelos diferentes de turbinal y flujo de aceit e

Principio de funcionamiento del embrague hidraulico La transrnision del mo vimicnto desde la parte conductora (la bomba) a Ia conclucida (la turbina) se logra par medio del movirnicnto del ac eite . Cuando cl motor comicnza a girar, la bomba imprimc cnergia al accite hacicndo que cstc se ponga en movirnicnto. Estc mo vimi ento del aceite sc pu edc dividir en dos :

2

Aplicaci6n de la bidraulica a los vehiculos de transporte terrestre

•

Un movrrmcnto circunfercncial, en la dircccion de giro de la bomba. Este cs el movimi cnto que ticne cl liquido cn In dircccion de giro de la bomba por el hccho de encontrarse alojado entre los alabcs de los dos elementos, bomba y turbina. Un movimicnto vorticial. Debido a la fuerza ccntrifuga cjcrcida par el giro de In bornba, el accitc cs bornbcado de un micmbro a otro del cmbrague, dando lugar a estc movimicnto (figura 3).

La combinacion del movirnicnto circunfercncial con cl vorticial ongina eI dcsplazamiento continuo del accitc siguiendo una tray cctoria cspiral giratoria . En el proccso de transrnision entre la bomba y la turbina, desdc el inic io de la transmision hasta que se alcanza el acoplamicnto, se pueden distinguir "a rias hlSCS. Cuando el automovil csta dctcnido con el motor ell rnarcha. la bomba se Il1UCVC con cl motor. perc la turbina sc encucntra parada. En cstas condiciones los movimicntos vorticial y circunfcrcncial son como se cxplican a continuacion: EI movimicnto vorticial del accitc se cfectua a travcs de los alabcs de la turbina sin apcnas resistcnc ia. • EI movimicnto circunfcrencial sc vc perjudicado por el hccho de que la turbina csta inmovil .

r.lovimienlo v ortlc ia I

Figura 3

Movimiento de giro y vorticial en

Bom b a

Figura 4

un embrague hidraulico

Turhin n

Principio de funcionamiento de un embrague hlcraulico

Es, por tanto, una fasc en la que la componentc circunfcrcncial del movimicnto cs mucho mellor que la vorticial , dando como rcsultado una mala incid encia del liquido sa bre los alabcs de la turhina . En efccto, cl vector final del fluido, con cI que cntra en los abbes de la turbina, cs la compon ente del cheque del movirnicnto vorticial y circunfercncial del fluido, que son perpcndiculares, AI ser la componente vorticial rnucho mayor, la componcntc rcsultantc con cl

3

Aplicaci6n de la hidraulica a los vehiculos de transporie terrestre movimicnto giratorio sc cncucntra mucho mas cercana de la componentc vorticial , con 10 que la incidcnc ia sabre los alabcs de la turbina no cs buena para poncrla en marcha, A pcsar de cso, si . 10 suficicnte como para cmpczar a arrastrarla. De todas formas , el dcsli zarnicnto inicial sera considerable, hasta que la turbina cmpiccc a ganar vclocidad y con ella la componcntc circunfercncial del liquido, can 10 que cl choque contra los alabcs de la turbina sera cada vez m:15 perpendicular. Dc estc modo se ira incrcmcntando la componente circunfercncial del movimicnto del aceite y con ella disminuyendo la eomponcnte vorticial. Cuando sc "ega al rendimiento maximo del embraguc, punto de cmbragado, la rnasa de accite y su impulse corrcspondcn casi par eompleto al movirnicnto giratorio. En esc momenta el ernpujc producido par el impacto sobre los alabes sc haec mas cficaz, siendo casi dirccto. De todas formas , aun a rendimicnto maximo es ncccsario que cxista un eierto dcslizamicnto entre bomba y turbina para podcr transmitir potencia . Estc es dcbido a que , para que se produzca cl acoplamicnto, cs nccesario que haya circulacion de accitc a travcs de los rnicmbros (mo vimiento vorticial), mantenicndo en movirnicnto los dos clemente Ilenos de accitc. EI paso del cstado de dcslizamiento al de acoplamicnto total tienc lugar con rapidez. En csta situacion la turbina cs arrastrada a una velocidad inferior a la de la bomba, par el rozamicnto fluido entre cl accite situado ell eada UIlO de los miembros.

Evaluaci6n del comportamiento de un embrague hidrauiico Para evaluar el comporta micnto de un cmbraguc hidraulico sc utilizan tres factorcs: la rclacion de vclocidadcs. el dcsl izarnicnto y cl rcndimicnto. Las cxprc sioncs SOil 1:Is siguicntcs: Rclacion de vclocidadc

Dcsli zarnicnto : c':ic%'l =: .

Rcndimicnto: 'I =:

(li b - (rJ, X {t I l.

100

IF If ~

Ell las cxprcsioncs antcriorcs: Jr: .II ~~ : son las potencies en bornba y turbina. rcspccti vamcnte

(rI,.(rJ/. : las vclocidadcs de rotacion de bomba y turbina, rcspcctivarnentc La curva ca ractcristica experi menta l del rcndim iento de un cmbrague hidrodinarnico se repre. cnta en la figura 5. En un cmbrague hidr odina mico cl par transmitido cs maximo cua ndo la rclaci on de velocidades cs e .ro, cs dccir, para dcsli zamicnto maximo , En tal instantc sc ticnc cl rendimicnto mas bajo, memento de iniciar sc cl rnovimiento de la turbina . A mcdida que disminuyc el dcslizam iento aumcnta el rcndimicnto de la transmision. hasta un cicrto valor. proximo a cera, desde cl cual dcscicnde . EI funcionarnicnto optimo del crnbraguc, 0 de maximo rcndirniento, se obtienc para un dcslizamicnto del orden del 3l Xl t n; = 0,97).

4

Aplicaci6n de la hidraulica a los veh iculos de trans porte terrestre

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Figura 5 Curva cara cter isti ca de rendimie nto de un emb rague rudrcdin amico

CONVERTIDOR HIDRAuLICO DE PAR El convertidor de par es un c1emento colocad o al principi o de la cadcna de transm ision, ju sto a cont inuacio n del cig ucfial. Su forma constru ctiva y principio de funcionami cnto sc asc mcjan al de un crnbrag uc hidrodi nam ico , actuando como tal cuando cl vchiculo ha de iniciar el rn ovirn icnto pa rticndo de rcposo. La difcrcncia con rcspccto al cmbraguc cstriba en la propicdad del convcrtidor dc incrcmc ntar cI par motor.

Bomba Fi gura 6

Reactor

Turbina

Esquema de un convertidor de par. f1 uj o de aceite y componentes

Ell los vc h icu los de tu ris rn d co m crudor de 1':11" S~ vmp lca cunndo e S!I: disp me de C:1.i:1 (It: C:l l11b lO S automa nca. :Il 111 que 5 11 usn no sc cxucndc J toclos 10 \ ehicu lo ca ll este upo de tra usnus ion Dcbrdo a Ia propiedad que prcsc nta de muluplicar cI par motor. su lI SO junto ca n un em hragu e ca n\ cueiona l e. frecuente en \ chiculos industrialcs pesados . Escnc ialme nt e. las parks que COil tilll: e n u u co nvertidor (fi g ura <' ) so n la turbina. el impulsor 0 b mba :- cl reactor 0 cstator . C OIll O pucd c comprobrusc. la difcrcncia con cl ernbrague hidrodina mico es b presencia del reactor. 5\1 mision cs rccoger el aceite a la salida de 1<1 turbina y dark una oricutac ion adecuada para que incida convenientcmentc en los ala bes del impulsor (bomba). Al entrar el liquido en cste con una inclinacion adccuada. sc rcstituye una pa rte de la energin no gastada en la turbine. 0 10 que es igual, se avuda a que gin: el impu lsor. 10 que consutuyc un au mento del pa r motor. AI contrario de los embragucs hidrauli cos. en los que las palas del impulsor y la turbina son rectus. en los com crtidores hidraulicos las palas de b turbina. del reactor v. en a lgunos diseiios. las de b. bomba. disponen de unos deterrninados angulos til: helice. A los alabes ell: la bo mba 5 1..'

5

Aplicaci6n de la hidraulica a los vehiculos de transporte terrestre les da una forma curva para aumentar la aceleracion y la cnergia del acc itc que 10 abandona , micntras la curvarura de los alabcs de la turbina csta disciiada para absorber la mayor cantidad de energ ia posiblc del aceitc en movimiento que la atraviesa, reducicndo las perdidas por el cambio repentino de la dircccion del accitc entre la bomba y la turbina. Tanto en cI impu lsor como en la turbina las palas cstan unidas a la carcasa por uno de sus lateralcs, mientras que par el otro se fijan a un anillo (figura 6), que forma dos coronas circularcs. La bomba 0 impulsor se une al ciguefial a travcs de la carcasa, micntras que la turbina cnlaza con eI primario de la caja de vclocidadcs , pudicndo girar librcmente dentro de la careasa. EI reactor esta montado sabre el carter de la caja de eambios a traves de una rucda libre. EI convcrtidor csta lIeno de accitc, rcnovandosc continuamcntc con objcto de evacuar cI calor gcncrado \.:11 el proeeso de transmision,

Principio de funcionamiento

EI funcionamiento es similar aJ dcscrito para cI cmbrague hidraulico . Cuando la bomba del con vertidor es accionada par cl motor, el accitc cs impulsado del interior al exterior. transformando la cncrgia rnccanica en cncrgia hidraulica, dando lugar a los dos movimientos descritos anter iormente. Una vcz que cl accitc sale de la bornba, el flujo cs conducido hacia la turbina impactando contra los alabes de csta. Si cl vchiculo esta detenido. la turbina tambicn 10 csta y corncnzara a moversc cuando In cncrgia que proporciona la bornba al fluido, que sera funcion del giro del motor, sea suficicntc. Micntras no sc produce mo vimicnto la cncrgia se disipa en forma de calor. La multiplicacion del par sc consiguc por la redircccion del flujo que sale de la turbina. Esto sc produce ell cl cstator, haciendo que cl flujo que vuclvc de la turbina a la bornba impactc en la parte po sterior de sus alabcs. contribuycndo al giro de la misma y multipl icando cl par de ent rada . Dicha multiplicacion sc mantien e micntras la vclocidad de la turbina sea inferior a la de la bornba; al igualarsc am bas , cl flujo que sale de la turbina impacta ell la p:1I1e posterior de los alabcs del reactor. Cuando csto succdc cl mecanisme de rucda libre libcra al reactor, que cmpicza a girar COil la bomba y la turbina. comportandosc d mecanisme como lIll cmbraguc hidraulico y alcanzando su rcndimicnto maximo . De no cxistir cl cmbraguc de rueda libre, cuando sc llcgasc a csta fasc cl reactor interfcriria en el flujo, producicndo un cfecto de pcrd idas. La suma de los dos pares . d ccd ido por el motor a la bomba y cI cedido por cl reactor a In misma. cs igual al par cedido par la turbina a In caja de cambios . La muhiplicacion maxima de par se produce cuaudo mayor cs la d ifcrcncia de vcloc idadcs entre la bomba y la turbina, llcgando a ser de 3: I . Esta multiplicacion de par va disminuycndo a rncdida que sc igualan las vc locidadcs cle la bornba y de la turbina. Tu rb ina

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Figura 7

Fases de funcionam iento del convertidor

6

Estntor

Gira

Aplicaci6n de la hidraulica a los vehiculos de transporte terrestre En la figura 7 sc rnucstran las difcrcntcs HISl:S de fuucionarnicnto del reactor. En cI dctallc de la izquierda, la difcrcncia de velocidad entre el impulsor y la turbina cs grande. con 10 que la incidcncia del flujo de accite sobre el reactor cs irnportantc, 10 que suponc una ayuda maxima para cl irnpulsor, sicndo el par transmitido superior en tres veces al par motor. El dctallc del centro de la figura mucstra una incidcncia media del flujo de accitc sobre cl reactor consecucncia de una rncnor difcrcncia de vclocidad entre impulsor y turbina, con [0 que ]a cncrgia rccuperada disminuye. mantenicndose, sin embargo, el par transmitido en un valor superior al par motor. Cuando la incidencia del flujo de accitc cs tal que la vena rcsulta paralcla a los alabcs del reactor (dctalle de la izquicrda) cstc no nctua ya y cl par transmitido cs scnsiblcmcntc igual al par motor. Esto oeurre cuando se igualan scnsiblcrncntc las vclocidadcs del impulsor y la turbina . Una peor incidencia en el reactor supone que estc sea arrastrado en el misrno sentido de giro que el irnpulsor y la turbina, con 10 que rcsulta que en cstas condiciones el par transmitido cs ligcramcnte inferior at par motor.

Estudio te6rico de un convertidor de par Para analizar cl rnovimicnto del flu ido entre las palas de los trcs elementos que constitu ycn cl convcrtidor cs ncccsario eonsiderar 141 vclocidad absoluta del fluido y combinarla can la de las palas para cncontrar 1..1 vclocidad rclativa entre ambos . Cuando sc discfia la forma de los abbes se ticnc especial cuidado en conscguir que tcngan una direccion que absorba, sin cheques cxccsivos. las vclocida dcs rclativas del fluido . En la Figura R se muestran las vclocidadcs del fluido en una dctcrminada condicion de funcionamicnto. La vc loc idad \\" cs In vclocidad absoluta del accitc que rcgrcsa a bomba a trav cs del reactor y V" h la vc locidad rclativa entre cl fluido y el alabc. Esta vclocidad cs el rcsultado de rcstar 1a absoluta mcnos la vclocidad de giro de 1..1 bornba . Como sc obscrva. ticnc un angulo de incidcncia que coincide practicamcntc con el del propio alabc en esa condicion de funcionarn icnto. Si la componcntc vo rt ic ia l de la vclocidad fucsc superior. d fluido incidiria en In parte post er ior. AI pasar entre los abbes de la bomba. cl fluido aumcnta su cncrgia cinctica. abandonando los alabcs con una vclocidad absoluta \'.'h, que ticnc una componcntc de vcl ocidad circunfcrcncial superior a 101 que tenia el fluido a SlI entrada.

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Vb

Vt

Figura 8

Velocidades y direcciones del fluido en unas condiciones dadas del convertidor

Al salir de los alabes de la turbina, la vclocidad absoluta pasa a ser V.,:, disminu ycndo la componcntc circunfercncial y, por tanto, la cncrgia cinctica, Esta pcrdida de cncrgia se convicrtc en un par en cl eje de la turb ina, Como sc dcsprcndc de la figura 8, cl angulo de la vclocidad de

7

Aplicaci6n de la hidraulica a los vehiculos de transporte terrestre salida dcp endc de forma importantc de la vc loc ida d de rotacion de la turb ina, V,. Cuando cs suficicntemcntc grande esc angulo, can rcspccto al de la figura , se hace negati ve incid icndo por la pnrtc posterior del alabc del esiator, hacienda que cstc gire. Para anal izar cI cornportamicnto de un convcrtidor de par se considcran los siguientes coeficicntcs :

Rclacion de vclocidadcs :

(0

I}

.'

=- ' IlJ

b

,If ,

Relacion de par: 'I I ' -- ­ Al

h

IV

Rcndimicnto: '7 = -IV' = 'I,• ·'1r b

Factor de ca pacidad : K = ~

" .If

EI factor de capacidad rcpresenta la rclacion entre cl par (Al) y la vclocidad de rotacion (11) en rcvolucioncs por minuto de un convcrtidor. Pucdc cstar cxprcsado para In bornba 0 para la turbina.

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Figura 9

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Curvas caracteristlcas de un conv er1idor hidrodinarnico de par

Las curvas caract cristicas de un con vcrt idor. mcdidas cxpcrirn cntalm cntc . sc pu cdcn vc r en la figura 9. En elias sc pucdcn distin guir varias zonas de funcionami cnto. punta de a rranque (rclac ion de vclocidadcs igual a cera). punto de funcionamicnto opt imo (rc ndimicnto maximo). punta de acoplami cntc (rclacion de par igua l a la unidad) y punto ell.' sincronismo (rclacion de v .locidadcs igual a I) . Com o sc obsc rva e n la figu ra . cl rcn di m icnto crcc c CO li la rcla cion de vclocidadcs hasta 11I1 punt a en cl que dccrccc, volvicndo a incr cmcntarsc wando sc alcan za cl punto de acoplamicnto. En (;SC punto sc produce cl desbloqu co elel reactor. girando e ll cl mismo scnt ido que la bomba y la turbina , COil 10 que cI con vcrt idor funcionara C0 l110 un cmbraguc.

Aplicaci6n de la hidraulica a los veh iculos de transporte terrestre III

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Revoluciones

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Potencia max .. motor

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Velocidad Fil:llr.l III. "' lfll crnn y caracteristica s de IIn:J tran sm is ion hid r.iuli ca l'o:rh aplicada "I fcrrocarr il

DIFERENCIAL CON BLOQUEO VISCOACOPLADOR Tien en una cstruct ura parccida a los d ifcr cncialcs de discos de friccion . En cstc caso. los discos no rozan un os can los otros bajo una presion inicial , sino que cstan scpa rados c inrncrsos en liquido v iscoso (silicona) . Los discos solidarios a la caja difcrcncial ticncn una scric de agujcros circulates. rnicntras que los qu e van montados so lida rios a los palicrcs ticncn ranuras rad ialcs en toda su supcrficic. Todos van montados de forma altcrn ativa y distanciados par 1I110S an illos scpa radorcs . La tran srni sion del par, en cl acoplamicmo viscose, csta basada en Ia tran smi sion de fucrzas de corte en fluid os . Si dos superficies, como scria cl caso de los do s dis cos. tiencn un movirnicnto relati ve cn un flu ida . se produce una tens ion de corte en el fluido que llcna cl cspacio entre las sup crfici zs. EI liquido urilizado cs de silicona. que pcrrnitc ap rovechar las propicdadcs de variac ion de la visc osidad. al aumcntar la temp eratura y pr ovocar asi un csfucrzo de compresion ent re los discos cuando par friccion aum cnta la temperatura . L ·.7

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Figura 11

Viscoacopl ad or

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