Convertidor de par.

En los automóviles resulta indispensable colocar un dispositivo de desconexión llamado embrague entre el motor y la caja de velocidades, a fin de poder detener el vehículo sin parar el motor, esta desconexión se puede hacer por dos vías básicas: utilizando un embrague mecánico accionado por el conductor, o bien utilizando un embrague hidráulico de funcionamiento automático.

En la práctica se usan dos tipos de embragues accionados hidráulicamente:

El acoplamiento o embrague hidráulico.
El convertidor de par.

En este artículo nos concentraremos en el convertidor de par y partimos del hecho de que ya usted ha leído y comprendido el embrague hidráulico.
Probablemente el convertidor de par es la parte del automóvil menos conocida por la persona común como usted o como yo, por lo menos en su funcionamiento, debido principalmente a que es muy segura, libre de mantenimiento y rara vez necesita de atención, digamos que es de esos elementos del automóvil que se ponen en él en la planta de montaje, y resultan de por vida.
En el convertidor de par el principio de trabajo es análogo al del embrague hidráulico ya descrito, pero hay varias diferencias importantes, a saber:

En lugar de tener dos piezas interiores, bomba y turbina, tiene tres, se agrega una pieza intermedia entre ambas conocida como estator que modifica las características de interacción entre bomba y turbina en la zona del trabajo con patinaje grande.
El par que entra al embrague y se aplica a la bomba, para el caso del embrague hidráulico siempre será ligeramente menor en la turbina de salida (patinaje), mientras que en el convertidor de par resulta aumentado, y puede dar un torque de salida en la turbina bastante mayor, a expensas de su velocidad de giro.

Primero la construcción.

En la figura 1 pueden verse las partes principales de un convertidor de par real, observe que el diámetro de la bomba y de la turbina son iguales, mientras que el del estator es bastante menor.
Note también que los álabes mas externos de la bomba son radiales o casi radiales, al igual que en el embrague hidráulico, mientras que los de la la turbina son de perfil curvo e inclinado. Sin embargo puede ver también que ambas piezas tiene otro juego de álabes mas interiores que se diferencian notablemente. Ambos juegos de álabes están separados por una superficie casi plana sin álabes.
Las tres piezas se colocan dentro del convertidor de par una a continuación de la otra y muy próximas, de esta forma, el estator, que también tiene álabes, queda colocado en la zona de los álabes interiores de las otras dos piezas que son oquedades.
De esta construcción se deduce que los álabes exteriores interactúan unos de frente a los otros mientras que la interacción de los álabes interiores se hace a través del estator.
En esta última cualidad es que radica la capacidad de amplificar el par que tiene el convertidor.
El diseño clásico del convertidor de par predice que el estator no puede girar bajo ninguna condición, de ahí el término de estator, pero en la práctica, sin embargo, el estator está montado sobre un mecanismo de rueda libre (como el de las ruedas traseras de las bicicletas), lo que impide que pueda girar en dirección contraria al movimiento de la bomba, pero permite el giro en la misma dirección.

Figura 1. Las tres partes básicas de
un convertidor de par real

Como funciona.

En un convertidor, como hemos visto arriba hay un mínimo de tres elementos rotativos: la bomba, que es accionada mecánicamente por el movimiento de entrada, la turbina, que impulsa la carga, y el estator, que se interpone entre la bomba y la turbina, y que altera la dirección del flujo de aceite de retorno a los álabes de la bomba.
En el trabajo del convertidor de par se pueden diferenciar tres etapas:

Arranque: es el momento en que se aprieta el acelerador y el motor hace girar la bomba con bastante potencia, pero la turbina está en reposo porque el automóvil está detenido y su inercia se opone al movimiento. Durante esta etapa se produce la mayor amplificación del torque. El fluido que llena el convertidor no gira, es solo bombeado a la turbina para hacerla girar y retorna con gran velocidad.
Aceleración: el automóvil va ganado en velocidad, pero todavía hay una diferencia relativamente grande de velocidad de giro entre la bomba y la turbina. Bajo esta condición, el convertidor produce una alta amplificación del par, pero menor que en las condiciones de arranque. El índice de multiplicación dependerá de la diferencia real entre las velocidades de giro de ambas piezas, así como otros factores de diseño.
Acoplamiento: la turbina ha acelerado y gira a una velocidad muy próxima a la de la bomba. La amplificación del par casi es inexistente y el convertidor de par se está comportando de una manera similar a un embrague hidráulico.

Como ya se ha dicho la clave para que el par sea amplificado radica en el estator.
En el clásico embrague hidráulico, durante los períodos de alto patinaje, es decir cuando las velocidades de giro de la bomba y la turbina son muy diferentes, el flujo del fluido que regresan de la turbina a la bomba lo hace en una dirección que no es la de los álabes de esta última, por lo que de cierto modo obliga a la bomba a cambiar su dirección y dirigirlo de nuevo a la turbina para trasmitir el par, claro está que este efecto conlleva a una pérdida significativa de la eficiencia y una generación de calor residual considerable.
En las mismas condiciones, en un convertidor de par, el líquido que regresa de la turbina por los álabes interiores será redirigido por el estator de modo que entrará a los álabes interiores de la bomba en una dirección muy próxima al perfil de los álabes de esta (Figura 2), así una buena parte de la energía del fluido de retorno se recupera y se añade a la energía que aplica a la bomba. Esta acción provoca un aumento sustancial de la masa de fluido que se dirige a la turbina, produciendo un aumento en el par de salida.
Debido a que el líquido que retorna, desde la salida de la turbina, viaja en dirección opuesta a la rotación de la bomba, tratará de hacer girar el estator en ese sentido, cosa que se impide por el mecanismo de rueda libre, y por tanto, la curvatura de los álabes del estator desviarán el aceite en la dirección correcta a favor del giro de la bomba.

Figura 2. Flujo del aceite dentro del
convertidor de par.

En el convertidor de par, a diferencia de los álabes colocados radialmente en un embrague hidráulico normal, tanto la turbina como el estator tienen álabes en ángulo y curvos. La forma de los álabes del estator es lo que altera la trayectoria del fluido, y lo obliga a coincidir con la rotación de la bomba. La curvatura de los álabes de la turbina ayuda a dirigir correctamente el líquido de regreso al estator por lo que este último puede hacer su trabajo. La forma de los álabes es importante ya que pequeñas variaciones pueden resultar en cambios significativos en el desempeño del convertidor.
Durante el arranque y la etapa de aceleración, en las que se produce la amplificación del par, el estator permanece estacionario debido a la acción de su embrague unidireccional y porque recibe flujo de la turbina que lo tiende a hacer girar en contra de la bomba. Sin embargo, cuando el convertidor de par se aproxima a la fase de acoplamiento, la energía y el volumen del líquido que regresan de la turbina disminuirá gradualmente, todo el sistema girará como parte del torbellino rotatorio de fluido, el mecanismo de rueda libre se libera y las tres piezas giran en la misma dirección de la bomba como un conjunto.
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.
Lo mas común es que los convertidores de par utilizados en los automóviles tengan un rango de amplificación del par que oscila entre 1.8 a 2.5, durante el arranque, y en general hay un compromiso entre eficiencia y amplificación del par de forma que a mayor amplificación es menor la eficiencia.