¿Qué son los acoplamientos hidráulicos y cómo funcionan en sistemas de energía fluida?

Introducción

Imagínese intentar poner en marcha una enome cinta transportadora industrial o la hélice de un barco golpeando un embrague mecánico. La sacudida repentina probablemente rompería los engranajes, dañaría el motor y crearía una experiencia incómoda para cualquiera que estuviera cerca. unquí es donde los acoplamientos hidráulicos, también conocidos como acoplamientos hidráulicos, proporcionan una solución elegante. En lugar de un contacto rígido de metal con metal, estos dispositivos inteligentes no utilizan nada más que líquido para transmitir energía de manera suave y eficiente de un eje giratorio a otro.

uncoplamientos hidráulicos se han utilizado durante más de un siglo y se originaron en el trabajo del ingeniero alemán Hermann Föttinger, quien patentó el concepto en 1905. Hoy en día, se encuentran en todas partes, desde la transmisión automática de su automóvil hasta maquinaria industrial masiva, sistemas de propulsión marina e incluso locomotoras diésel. Pero a pesar de su uso generalizado, muchas personas no comprenden del todo qué son ni cómo funcionan.

¿Qué es un acoplamiento hidráulico?

Definición y concepto central

A acoplamiento hidráulico —también llamado acoplamiento fluido or acoplamiento hidrodinámico —Es un dispositivo que transmite potencia mecánica giratoria de un eje a otro utilizando un líquido, generalmente aceite, como medio de transmisión. A diferencia de un embrague mecánico que usa placas de fricción o una caja de cambios que usa dientes entrelazados, un acoplamiento hidráulico tiene sin conexión mecánica directa entre los ejes de entrada y salida. En cambio, la potencia fluye a través de la energía cinética del fluido.

El término "acoplamiento hidráulico" en realidad puede referirse a dos categorías distintas de dispositivos, y es importante comprender esta distinción. Según Britannica, existen dos tipos principales de sistemas de transmisión de potencia hidráulica:

Este artículo se centra en acoplamientos de fluido hidrocinéticos , que se utilizan para la transmisión de potencia giratoria. Los sistemas hidrostáticos (bombas y motores hidráulicos) son una tecnología completamente diferente, a pesar de que también se les llama “hidráulicos”.

Los tres componentes principales

Un acoplamiento hidráulico simple consta de tres componentes principales, más el fluido hidráulico que llena la cámara de trabajo:

La Vivienda (Shell) – Esta es la carcasa exterior que contiene el fluido y las dos turbinas. Debe tener sellos herméticos al aceite alrededor de los ejes de transmisión para evitar fugas. La carcasa también sirve como conexión física entre el eje de entrada y el impulsor de la bomba.

La bomba (impulsor) – Este componente parecido a un ventilador está conectado directamente al eje de entrada, que proviene del motor primario (un motor eléctrico, un motor de combustión interna o una turbina de vapor). Cuando el motor primario gira, la bomba gira con él exactamente a la misma velocidad. La bomba contiene palas radiales (normalmente de 20 a 40) que empujan y dirigen el fluido.

La turbina (corredor) – Este segundo componente en forma de ventilador mira hacia la bomba y está conectado al eje de salida, que impulsa la carga (como un transportador, una bomba o una transmisión de vehículo). La turbina no está unida mecánicamente a la bomba; solo toca el fluido que le arroja la bomba.

Distinción de los convertidores de par

Vale la pena señalar que un acoplamiento hidráulico es no Lo mismo que un convertidor de par, aunque a menudo se confunden los dos. Un acoplamiento de fluido básico transmite el par sin multiplicarlo: el par de salida es igual al par de entrada (menos pérdidas menores). Un convertidor de par, por el contrario, incluye un componente adicional llamado estator que redirige el flujo de fluido para multiplicar el torque a bajas velocidades. En aplicaciones automotrices, los convertidores de par han reemplazado en gran medida a los acoplamientos hidráulicos simples desde finales de la década de 1940 porque proporcionan un mejor rendimiento a baja velocidad. Sin embargo, los acoplamientos hidráulicos siguen utilizándose ampliamente en entornos industriales donde no se requiere multiplicación de par.

¿Cómo funciona un acoplamiento hidráulico?

El principio de Föttinger

Todo acoplamiento hidráulico moderno funciona según lo que se conoce como principio de fottinger , lleva el nombre del ingeniero alemán que patentó el concepto por primera vez en 1905 . El principio es engañosamente simple: una bomba acelera el fluido hacia afuera y ese fluido en movimiento golpea una turbina, provocando que gire. Luego, el fluido regresa a la bomba para repetir el ciclo.

Piense en ello como dos ventiladores uno frente al otro dentro de una caja sellada llena de aceite. Si enciendes un ventilador (la bomba), sus aspas empujan el aceite. Ese aceite en movimiento luego golpea las aspas del segundo ventilador (la turbina), lo que hace que gire. El segundo ventilador no está conectado al primero mediante ningún vínculo sólido, sólo mediante el fluido en movimiento. Ésta es la esencia de la transmisión de potencia hidrodinámica.

Paso a paso: el ciclo de transmisión de potencia

Veamos exactamente lo que sucede dentro de un acoplamiento hidráulico durante el funcionamiento normal.

Paso 1: el motor principal hace girar la bomba

El motor o motor eléctrico hace girar el eje de entrada, que está conectado al impulsor de la bomba. A medida que la bomba gira, sus paletas radiales atrapan el fluido hidráulico (generalmente aceite) dentro de la carcasa del acoplamiento. Las palas están en ángulo para lanzar el líquido hacia afuera y tangencialmente, como una bomba centrífuga.

Paso 2: el fluido gana energía cinética

La bomba imparte al fluido tanto un movimiento lineal hacia afuera como un movimiento de rotación. A medida que el fluido se mueve desde el centro de la bomba hacia el borde exterior, gana una energía cinética significativa. Cuanto más rápido gira la bomba, más energía absorbe el fluido. La relación es proporcional al cuadrado de la velocidad de entrada: el par transmitido aumenta con el cuadrado de la velocidad de entrada, mientras que la potencia transmitida aumenta con el cubo de la velocidad de entrada.

Paso 3: el fluido golpea las palas de la turbina

El fluido energizado es dirigido por la forma de la bomba hacia la turbina (corredor). Debido a que la bomba y la turbina se enfrentan entre sí con un pequeño espacio entre ellas, el fluido atraviesa este espacio e impacta las palas de la turbina. La fuerza de este impacto transfiere momento angular del fluido a la turbina, haciendo que gire en el sentido misma dirección como la bomba.

Paso 4: el fluido regresa a la bomba

Después de ceder la mayor parte de su energía a la turbina, el fluido regresa hacia el centro del acoplamiento y vuelve a ingresar a la bomba. Esto crea una continua patrón de flujo toroidal —El fluido circula alrededor de un camino en forma de rosquilla (un toro) dentro del acoplamiento. Mientras la bomba siga girando, el fluido seguirá circulando y transmitiendo par.

Paso 5: se entrega torque a la carga

La turbina está conectada al eje de salida, que impulsa la carga. A medida que la turbina gira, hace girar el eje de salida, entregando potencia mecánica a cualquier máquina que esté conectada, ya sea una cinta transportadora, el impulsor de una bomba, la transmisión de un vehículo o la hélice de un barco.

La ruta del flujo de fluido (circulación toroidal)

El movimiento del fluido dentro de un acoplamiento hidráulico sigue una fascinante trayectoria toroidal (en forma de rosquilla). Esta moción tiene dos componentes:

• flujo circular – El fluido gira alrededor del eje de rotación, siguiendo la circunferencia del acoplamiento.
• flujo meridional – El fluido pasa de la bomba a la turbina y viceversa, creando un circuito de reciclaje.

Cuando los ejes de entrada y salida giran a la misma velocidad, no hay flujo neto de una turbina a la otra; el fluido simplemente gira en su lugar. Pero cuando hay un diferencia de velocidad Entre la bomba y la turbina (que siempre existe bajo carga), el fluido fluye vigorosamente desde la bomba a la turbina, transmitiendo el par.

Características operativas clave

Resbalón: la inevitable diferencia de velocidad

Una de las características más importantes de cualquier acoplamiento hidráulico es resbalón . El deslizamiento es la diferencia de velocidad de rotación entre el eje de entrada (bomba) y el eje de salida (turbina), expresada como porcentaje.

Un acoplamiento fluido no puede desarrollar un par de salida cuando las velocidades angulares de entrada y salida son idénticas . Esto significa que bajo carga, la turbina siempre debe girar un poco más lento que la bomba. En un acoplamiento hidráulico diseñado adecuadamente en condiciones de carga normales, la velocidad del eje impulsado es aproximadamente 3 por ciento menos que la velocidad del eje de transmisión. Para acoplamientos más pequeños, el deslizamiento puede oscilar entre el 1,5 % (unidades de potencia grandes) y el 6 % (unidades de potencia pequeñas).

¿Por qué es importante el deslizamiento? Porque el deslizamiento representa energía perdida. La potencia que no se transmite al eje de salida se disipa en forma de calor dentro del fluido debido a la fricción interna y la turbulencia. Esta es la razón por la que los acoplamientos de fluido no son 100 % eficientes; la eficiencia típica oscila entre el 95 % y el 98 %. La energía perdida calienta el fluido hidráulico, razón por la cual muchos acoplamientos de fluido requieren sistemas de enfriamiento o están diseñados para disipar el calor de manera efectiva.

Velocidad de pérdida

Otra característica crítica es la velocidad de pérdida . Esto se define como la velocidad más alta a la que la bomba puede girar cuando la turbina de salida está bloqueada (no puede moverse) y se aplica el par de entrada total. En condiciones de calado, toda la potencia del motor a esa velocidad se convierte en calor dentro del acoplamiento hidráulico. La operación prolongada en estado de calado puede dañar el acoplamiento, los sellos y el fluido.

La velocidad de pérdida es particularmente relevante en aplicaciones automotrices. Cuando está detenido en un semáforo con una transmisión automática en marcha, el convertidor de par (que evolucionó a partir del acoplamiento de fluido) está en una condición de calado parcial. El motor está en ralentí y el acoplamiento hidráulico está disipando una pequeña cantidad de energía en forma de calor.

Control de pala para velocidad variable

Una de las características más valiosas de los acoplamientos de fluidos industriales es la capacidad de variar la velocidad de salida sin cambiar la velocidad de entrada. Esto se logra usando un control de pala sistema.

Una pala es un tubo no giratorio que ingresa al acoplamiento giratorio a través de un cubo central. Al mover esta pala, ya sea girándola o extendiéndola, el operador puede extraer líquido de la cámara de trabajo y devolverlo a un depósito externo. Menos fluido en el acoplamiento significa menos transmisión de par y, por lo tanto, menor velocidad del eje de salida. Cuando se necesita más velocidad, el fluido se bombea nuevamente al acoplamiento.

Esto permite control de velocidad variable continuo de máquinas grandes como bombas de alimentación de calderas, ventiladores y transportadores. El motor eléctrico puede funcionar a una velocidad constante y eficiente mientras la velocidad de salida se ajusta suavemente según sea necesario.

Tipos de acoplamientos hidráulicos

Acoplamientos de llenado constante

El tipo más básico de acoplamiento hidráulico es el llenado constante acoplamiento. Como sugiere el nombre, estos acoplamientos contienen un volumen fijo de fluido que permanece en la cámara de trabajo en todo momento. Son simples, confiables y requieren un mantenimiento mínimo.

Los acoplamientos de llenado constante proporcionan:

• Aceleración suave y sin golpes
• Protección contra sobrecarga (si la carga se atasca, el acoplamiento se desliza en lugar de calar el motor)
• Amortiguación de vibraciones torsionales

Estos se encuentran comúnmente en aplicaciones industriales como transportadores, trituradoras, ventiladores y bombas. La serie Transfluid K es un ejemplo de acoplamiento de llenado constante, disponible para aplicaciones eléctricas y diésel.

Acoplamientos de retardo-relleno

A acoplamiento retardado-llenado (también conocido como acoplamiento de circuito paso a paso) agrega un depósito que contiene parte del fluido cuando el eje de salida está estacionario o gira lentamente. Esto reduce la resistencia al eje de entrada durante el arranque, lo que tiene dos beneficios:

• Menor consumo de combustible cuando el motor está en ralentí
• "Arrastramiento" reducido en aplicaciones automotrices (la tendencia de un vehículo a avanzar mientras está en marcha con el motor en ralentí)

Una vez que el eje de salida comienza a girar, la fuerza centrífuga expulsa el fluido del depósito y lo regresa a la cámara de trabajo principal, restaurando la capacidad total de transmisión de potencia.

Acoplamientos de llenado variable (controlados por pala)

Como se describió anteriormente, los acoplamientos de llenado variable utilizan un tubo de cuchara para controlar la cantidad de fluido en la cámara de trabajo mientras el acoplamiento está en funcionamiento. Esto permite un control continuo y continuo de la velocidad del equipo accionado. Se utilizan en aplicaciones que requieren velocidad de salida variable, como:

• Accionamientos para bombas de alimentación de calderas en centrales eléctricas
• Grandes unidades de ventilador y soplador
• Sistemas de propulsión marina
• Accionamientos para compresores centrífugos

Aplicaciones de acoplamientos hidráulicos

Maquinaria Industrial

Los acoplamientos de fluido se utilizan ampliamente en aplicaciones industriales que involucran potencia rotacional, especialmente donde hay arranques de alta inercia o carga cíclica constante. Los ejemplos comunes incluyen:

• Transportadores – El arranque suave evita daños a la correa y derrames de material.
• Trituradoras y trituradoras – Protege el motor si la trituradora se atasca en material irrompible
• Bombas centrífugas – Permite que el motor arranque sin carga y luego aumenta gradualmente la velocidad de la bomba.
• ventiladores y sopladores – Proporciona control de velocidad variable para ahorrar energía.
• Mezcladoras y despulpadoras – Absorbe cargas de impacto de materiales irregulares.

Propulsión marina

Los barcos y embarcaciones utilizan acoplamientos hidráulicos entre el motor diésel y el eje de la hélice. El acoplamiento hidráulico proporciona varios beneficios en este entorno exigente:

• Permite que el motor arranque y ralentí sin girar la hélice.
• Amortigua las vibraciones de torsión del motor.
• Proporciona un acoplamiento suave y sin golpes cuando se aplica energía.
• Protege la transmisión si la hélice choca contra escombros.

Transporte ferroviario

Las locomotoras diésel y las unidades múltiples diésel (DMU) utilizan con frecuencia acoplamientos hidráulicos como parte de sus sistemas de transmisión de potencia. Fabricantes como Voith fabrican turbotransmisiones que combinan acoplamientos hidráulicos y convertidores de par para aplicaciones ferroviarias. La empresa Self-Changing Gears fabricaba transmisiones semiautomáticas para British Rail que utilizaban acoplamientos hidráulicos.

Automotriz (Histórico)

En aplicaciones automotrices, la bomba generalmente está conectada al volante del motor (la carcasa del acoplamiento puede incluso ser parte del propio volante) y la turbina está conectada al eje de entrada de la transmisión. El comportamiento de un acoplamiento hidráulico se parece mucho al de un embrague mecánico que impulsa una transmisión manual: a medida que aumenta la velocidad del motor, el par se transfiere suavemente a la transmisión.

La aplicación automotriz más famosa fue la Volante fluido Daimler , utilizado junto con una caja de cambios preselectora Wilson. Daimler los utilizó en toda su gama de coches de lujo hasta que pasó a cajas de cambios automáticas con el Majestic de 1958. General Motors también utilizó un acoplamiento hidráulico en el hidramatico Transmisión, introducida en 1939 como la primera transmisión completamente automática en un automóvil producido en masa.

Hoy en día, el convertidor de par hidrodinámico ha reemplazado en gran medida el acoplamiento hidráulico simple en los automóviles de pasajeros porque los convertidores de par proporcionan multiplicación del par a bajas velocidades, mejorando la aceleración desde una parada.

Aviación

Los acoplamientos hidráulicos también se han utilizado en la aviación. El ejemplo más destacado fue en el Motor alternativo turbocompuesto Wright , utilizado en aviones como Lockheed Constellation y Douglas DC-7. Tres turbinas de recuperación de energía extrajeron aproximadamente el 20 por ciento de la energía (unos 500 caballos de fuerza) de los gases de escape del motor. Utilizando tres acoplamientos de fluido y engranajes, esta potencia de turbina de alta velocidad y bajo par se convirtió en una salida de baja velocidad y alto par para impulsar la hélice.

Beneficios y limitaciones

Beneficios de los acoplamientos hidráulicos

Limitaciones y consideraciones

Deslizamiento inherente – Un acoplamiento hidráulico no puede alcanzar el 100 % de eficiencia porque se requiere deslizamiento para la transmisión del par. Algo de energía siempre se pierde en forma de calor.

Generación de calor – En condiciones de pérdida o deslizamiento intenso, se genera una cantidad significativa de calor. Los acoplamientos grandes pueden requerir refrigeración externa.

Menor eficiencia que los acoplamientos rígidos – Debido a las pérdidas dinámicas de fluidos internas, las transmisiones hidrodinámicas tienden a tener una eficiencia de transmisión menor que las transmisiones acopladas rígidamente, como las transmisiones por correa o las cajas de cambios.

Mantenimiento de fluidos – El fluido hidráulico se degrada con el tiempo y debe reemplazarse periódicamente. La viscosidad del fluido afecta el rendimiento y el fluido incorrecto puede causar sobrecalentamiento.

No apto para sincronización de velocidad precisa – Si los ejes de entrada y salida deben girar exactamente a la misma velocidad, no se puede utilizar un acoplamiento hidráulico porque el deslizamiento es inherente a su funcionamiento.

Preguntas frecuentes (FAQ)

P1: ¿Cuál es la diferencia entre un acoplamiento hidráulico y un convertidor de par?

Un acoplamiento hidráulico básico transmite par sin multiplicación: el par de salida es igual al par de entrada (menos las pérdidas). Un convertidor de par incluye un componente adicional llamado estator que redirige el flujo de fluido, permitiendo que el par de salida sea multiplicado a bajas velocidades. Esto hace que los convertidores de par sean mejores para aplicaciones automotrices donde se necesita un par de arranque elevado.

P2: ¿Puede un acoplamiento hidráulico lograr una eficiencia del 100%?

No. Un acoplamiento hidráulico no puede desarrollar un par de salida cuando las velocidades de entrada y salida son idénticas, por lo que siempre se requiere algo de deslizamiento. En funcionamiento normal, la eficiencia suele ser del 95 al 98 %.

P3: ¿Qué tipo de fluido se utiliza en un acoplamiento hidráulico?

La mayoría de los acoplamientos hidráulicos utilizan fluidos de baja viscosidad, como aceites de motor multigrado o fluidos de transmisión automática (ATF). El aumento de la densidad del fluido aumenta el par que se puede transmitir a una velocidad de entrada determinada. Para aplicaciones donde el rendimiento debe permanecer estable ante cambios de temperatura, se prefiere un fluido con un índice de viscosidad alto. Algunos acoplamientos incluso están disponibles para funcionamiento con agua.

P4: ¿Cómo se controla la velocidad de un acoplamiento hidráulico?

En un acoplamiento de llenado variable (controlado por pala), un tubo de pala no giratorio elimina el fluido de la cámara de trabajo mientras el acoplamiento está en funcionamiento. Menos fluido significa menos transmisión de par y menor velocidad de salida. Al controlar la posición de la pala, la velocidad de salida se puede ajustar de forma continua desde cero hasta casi la velocidad de entrada.

P5: ¿Qué sucede si un acoplamiento hidráulico funciona en seco?

Si un acoplamiento hidráulico funciona sin suficiente líquido, no podrá transmitir el par requerido. Lo que es más crítico, el volumen limitado de fluido se sobrecalentará rápidamente, lo que a menudo causará daños a los sellos, los cojinetes y la carcasa.

P6: ¿Se siguen utilizando acoplamientos hidráulicos en los automóviles modernos?

Los acoplamientos hidráulicos simples han sido reemplazados en gran medida por convertidores de par en los turismos. Sin embargo, algunas transmisiones automáticas modernas todavía utilizan principios de acoplamiento de fluido y el término "acoplamiento de fluido" a veces se usa indistintamente con "convertidor de par" en una conversación informal.

P7: ¿Por qué se calienta mi acoplamiento hidráulico?

La generación de calor es normal porque la energía perdida por el deslizamiento se disipa en forma de calor. Sin embargo, el calor excesivo indica demasiado deslizamiento, lo que podría deberse a una sobrecarga, un nivel bajo de líquido, un tipo de líquido incorrecto o un mal funcionamiento del sistema de enfriamiento.

P8: ¿Cuánto dura un acoplamiento hidráulico?

Debido a que no hay contacto mecánico entre la bomba y la turbina, los acoplamientos hidráulicos son extremadamente duraderos. Los principales componentes de desgaste son los sellos y los cojinetes. Con un mantenimiento y cambios de fluido adecuados, los acoplamientos de fluido industriales pueden durar décadas.