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El embrague del automóvil

El motor del automóvil, es una máquina térmica que no tiene arranque propio, por lo que una vez puesto en marcha, debe mantenerse girando hasta tanto termine su jornada de servicio, so pena de hacer trabajar en exceso, al sistema de arranque durante las constantes arrancadas y paradas del tráfico urbano.

Para poder cumplir con este propósito debe existir algún elemento que permita desconectar el motor del resto de la transmisión del vehículo durante las paradas. Este dispositivo se llama embrague, y está colocado entre el motor y la caja de cambios.

Contenido del artículo
Embragues de fricción
Embragues hidráulicos
Convertidor de par
Este embrague, debe hacer un acoplamiento gradual entre el motor y la transmisión durante la puesta en movimiento inicial del automóvil. En ese momento, el motor se mantiene girando a una velocidad moderada, y la transmisión que acopla con las ruedas está completamente detenida, el embrague debe entonces, encargarse de ir acelerando de manera gradual la transmisión (y con ella al automóvil), hasta sincronizarla con giro del motor.

En la práctica se utilizan tres tipos de embragues:
  1. Embragues de fricción accionados por el conductor.
  2. Embragues hidráulicos de desconexión automática.

  3. Convertidor de par.
Para algunos vehículos muy ligeros, como las motocicletas mas pequeñas y similares, se usan también embragues de fricción de accionamiento centrífugo automático, que no serán considerados.

Embragues de Fricción

Un esquema representativo de un embrague de fricción es como sigue:

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Figura 1. Embrague de fricción acoplado

La figura 1 a la izquierda se muestra de manera elemental, los principales componentes de un embrague de fricción acoplado.

Un disco (azul) está acoplado al eje de salida hacia la transmisión, este disco se mantiene apretado contra el volante del motor (verde) que es parte del eje de entrada, por unos resortes que empujan otro disco (azul claro), perteneciente a un cuerpo que está montado sobre el propio volante y gira con él.

De esta forma el disco de fricción (azul) está obligado a girar junto con el volante de entrada y ambos ejes, entrada y salida están acoplados.

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Figura 2. Embrague de fricción desacoplado

Unas palancas (negras), que pivotan en los puntos rojos, pueden levantar el disco opresor (figura 2), cuando son empujadas por el collar (rojo), liberando el disco de fricción y desconectando el embrague.

Así se permite que el volante de entrada gire y no arrastre el disco de fricción, ambos ejes están desacoplados.
 
Estas palancas están conectadas por un mecanismo adecuado al pedal del embrague del conductor.
El funcionamiento descrito de forma animada se vería como se muestra a continuación en la figura 3.


Embrague del automóvil

Figura 3. Esquema animado de un embrague
de fricción



Una vista de un embrague real seccionado se muestra en la figura 4.

El elemento señalado como diafragma en el dibujo corresponde a un plato de acero de forma especial y es a la vez el resorte de opresión y la palanca de desacople.
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Figura 4

Embragues Hidráulicos

Los embragues hidráulicos utilizan un fluido como elemento de comunicación entre los ejes de entrada y salida.

Si usted coloca dos ventiladores de paletas normales, como los que usamos en nuestras casas (figura 5), uno frente a otro a escasa distancia, y luego ponemos uno de ellos en funcionamiento, la corriente de aire que genera, hará girar el otro como si fuera "arrastrado". En este caso estamos transmitiendo el movimiento entre dos componentes mecánicos usando como conector a un fluido: el aire.

Al ventilador que bombea el aire se le llama bomba, y el que es arrastrado por la corriente, turbina.

En este mismo principio se basan los embragues hidráulicos, con las diferencias, de que el fluido es un aceite, el diseño de las paletas de bomba y turbina son especializados, y el proceso se realiza dentro de una carcasa cerrada donde el aceite no puede escapar del sistema, como sucede en el caso ilustrativo de los ventiladores, sino que recircula una y otra vez entre bomba y turbina (figura 6).

Para el embrague hidráulico del automóvil, la bomba, que forma parte de la carcasa del embrague, está acoplada al cigüeñal del motor y la turbina al eje de entrada de la caja de cambios.

Una característica importante de este embrague es que siempre la velocidad de la turbina será menor que la de la bomba, y esta diferencia se acentúa a medida que la carga en la turbina se hace mayor, a esta diferencia de velocidad se le llama patinaje.

El patinaje se convierte en ineficiencia mecánica, es decir, la energía entregada por la bomba al fluido no se recupera toda en la turbina, una parte se pierde en el acoplamiento y se convierte en calor en el aceite, por lo que la temperatura de este crece durante el funcionamiento, especialmente con grandes cargas.

Para evitar que la temperatura del aceite llegue a valores muy altos que afecten el sistema, este se hace circular por un medio que lo enfríe, que puede ser usando un radiador de aceite, o bien haciéndolo pasar por un conducto embebido dentro del agua del radiador del motor.
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Figura 5


Embrague hidráulico
Figura 6. Embrague hidráulico
simplificado.

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Gráfico 1. Comportamiento del par trasmitido con la turbina detenida.

En el gráfico 1 a la izquierda se muestra el comportamiento del torque trasmitido de acuerdo a la velocidad de giro de la bomba cuando la turbina está en reposo (100% de patinaje), lo que se produce cuando el automóvil está detenido y el freno accionado, puede apreciarse que para las bajas revoluciones de ralentí, el torque transmitido a la turbina está próximo a cero, por lo que se produce la desconexión entre la bomba y la turbina, o lo que es lo mismo entre el motor y la caja de cambios, luego; cuando se incrementa la velocidad de rotación del motor al acelerar, y con ella la de la bomba, este torque transmitido crece rápidamente para volverse asintótico a la linea de torque máximo, nuestro motor transmite fuerza motriz a la caja de cambios para convertirse en movimiento del automóvil.

Es entonces bien fácil darse cuenta que funciona como embrague solo de sacar el pie del acelerador y bajar a velocidad de ralentí, de esta forma se produce la desconexión entre caja y motor de manera automática.

En general puede decirse que el torque trasmitido será mayor a medida que es más grande la diferencia de velocidad de giro entre la bomba y la turbina, y se convierte en cero (no hay trasmisión) si ambas giran a la misma velocidad, de modo que como ya se ha dicho, nunca las velocidades de ambas serán iguales porque siempre será necesario una cierta cantidad de trasmisión para vencer la resistencia del camino. La excepción se produce cuando es el vehículo es el que arrastra el motor, por ejemplo, al bajar una cuesta.

Es muy común que para mejorar la eficiencia del embrague, este esté dotado de un embrague mecánico que se acciona de forma automática cuando la velocidad de giro de la bomba y la turbina están próximas, solidarizando como un solo cuerpo a ambas piezas y con ello eliminando el patinaje. Este embrague mecánico se desconecta, también automáticamente, cuando el motor baja a velocidades de giro cerca del ralentí para permitir la desconexión en el momento que hace falta.

Convertidor de par.

Ahora 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:
  1. 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.
  2. 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 7 pueden verse las partes principales de un convertidor de par real, esto es:
  1. Bomba.
  2. Estator.

  3. Turbina
Observe que el diámetro de la bomba y de la turbina son aproximadamente iguales, mientras que el del estator es bastante menor.

Note también que los álabes más 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 circular casi plana sin álabes.

En un convertidor de par, la bomba constituye la carcasa cerrada del dispositivo y en su interior se colocan, uno a continuación del otro y muy próximos, el estator y la turbina. De esta forma, el estator, que también tiene álabes, queda colocado en la zona de los álabes interiores de las otras dos piezas.

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 cierto giro en la misma dirección.

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:
  1. 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.
  2. 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.

  3. 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.
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Figura 7. Las tres partes básicas de
un convertidor de par real





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.

Convertidor de par
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.

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