¿Qué es el convertidor de par? Relación con los engranajes planetarios

En 1905, Hermann Föttinger patentó la base del sistema de convertidor de par, que se sirve de la hidrodinámica para actuar como embrague hidráulico al conectar la transmisión del par proveniente del motor con la caja de cambios, así como de cambio continuo de velocidades.

Ello permite ajustar el par de salida al que necesita la transmisión y, además, hace posible que el motor gire en vacío al ralentí pero también que transmita el par motor cuando el conductor pisa el acelerador.

Cómo funciona un convertidor de par

Su principio básico es el de la transmisión de energía entre una bomba centrífuga y una turbina con el líquido de transmisión como catalizador de la misma. Un buen ejemplo de su funcionamiento sería el de dos ventiladores enfrentados uno contra el otro.

El primero está conectado a la red y proyecta aire hacia el otro ventilador, que comienza a girar al recibir dicho flujo en movimiento a pesar de estar desenchufado, sincronizándose ambos.

Componentes de un convertidor de par

El convertidor de par tiene cuatro componentes principales que permiten este tipo de intercambio:

Bomba: también llamada caja de transmisión, este elemento gira unido al cigüeñal del motor y se pone en funcionamiento al arrancar el mismo. Cuenta con álabes o paletas curvadas que lanzan el líquido de transmisión por su periferia hacia la turbina.

Turbina: el líquido lanzado por los álabes de la bomba llegan a los que también tiene la turbina, que está conectada a la transmisión. Estas paletas -también curvadas- reciben el líquido en dirección contraria a su sentido de giro para poder propiciar su movimiento.

El líquido es impulsado de nuevo hacia la bomba por la parte central de la turbina a la que ha sido dirigido por la curvatura de los álabes o paletas.

Este vídeo explica el funcionamiento básico de un convertidor de par.

Estátor: este componente, también llamado reactor, permite cambiar la dirección del líquido en dirección a la bomba para reducir las pérdidas de energía y aumentar así la eficiencia del convertidor de par. Para ello se sirve de un cojinete que permite su giro en un único sentido (el del motor), forzando así el cambio de giro del líquido de transmisión.

Embrague de anulación: este elemento se hizo habitual en los cambios automáticos modernos, ya que tiene la capacidad de anular el convertidor de par cuando se hace necesario a través de su control por parte de la centralita electrónica o ECU.

Se acopla a la bomba y, cuando se produce la entrada del par motor, el líquido lo presiona contra la misma produciendo una propulsión rígida sin resbalamiento que se asemeja al de un embrague convencional.

Todos estos elementos se encuentran en el interior de una carcasa estanca bañada en líquido de transmisión, generalmente aceite mineral.

Funcionamiento del convertidor de par

Cuando el conductor arranca el motor, la bomba comienza a girar a baja velocidad, proyectando el líquido hacia la turbina. Pero la energía hidráulica generada por dicha proyección es escasa, por lo que la turbina permanece inmóvil, permitiendo que el motor gire al ralentí sin que se produzca movimiento del vehículo.

Cuando el conductor pisa el acelerador, la bomba incrementa su velocidad de giro e impulsa el líquido de transmisión con mayor fuerza, generando mayor energía hidráulica, lo que a su vez genera la suficiente energía cinética para mover la turbina. Es decir, suficiente fuerza como para iniciar el giro de la misma.

Entonces, la turbina impulsa el líquido hacia el estátor, que cambia el sentido de giro del líquido para adecuarlo al de la bomba (que es el mismo que el del motor). El par cedido por la turbina será la suma del transmitido por la bomba a través del líquido y del par adicional que se produce desde el estátor sobre la bomba y que a su vez es transmitido de nuevo sobre la turbina.

Cuanto mayor sea la diferencia de giro entre turbina y bomba (deslizamiento), mayor será la diferencia de par entre la entrada y la salida del convertidor, llegando a ser a la salida hasta tres veces superior.

Cuando las velocidades de giro se van igualando, la desviación de la corriente del líquido de transmisión se reduce, así como el empuje adicional sobre la turbina. De ese modo, la relación de par entre la salida y la entrada va disminuyendo y el estátor llega incluso a girar en su mismo sentido, lo que permite que desaparezca el empuje adicional y no se produzca incremento adicional de par motor.

En ese momento, el convertidor de par comienza a comportarse como un embrague hidráulico convencional. La velocidad de rotación de la bomba y la turbina se unifican con un resbalamiento aproximado de apenas un 2%.

Aunque el conductor acelere bruscamente desde el ralentí, el vehículo comienza a moverse de manera progresiva al disminuir paulatinamente el deslizamiento o resbalamiento (diferencia entre velocidad de giro de la bomba y la turbina).

Ventajas e inconvenientes del convertidor de par

• Desgaste inexistente y, por tanto, mayor duración que la del vehículo.
• Vibraciones por torsión muy amortiguadas.
• Arranque progresivo a consecuencia de la paulatina reducción del deslizamiento.
• Bajo mantenimiento (sólo cambio de líquido cada 20.000 km aproximadamente).
• Aumento de par en pendientes o situaciones de necesidad de tracción.
• No puede acoplarse a una caja de cambios manual.
• Mayor consumo debido a la pérdida de energía por deslizamiento.
• Más caro.

Engranajes planetarios

El convertidor de par no puede utilizarse de forma directa sobre un vehículo al ofrecer un rendimiento muy bajo a bajo régimen, además de no poder aumentar el par más allá del triple. A consecuencia de ello, se introducen los engranajes planetarios que permiten un cambio de par muy progresivo.

Denominados también engranajes epicicloidales, se accionan a través de sistemas hidráulicos o electrónicos que controlan unos frenos y embragues que, a su vez, dirigen el movimiento de los engranajes.

En el centro, un engranaje «planeta» o «solar» gira en torno a su eje. A su vez, los engranajes «satélite» o «planetarios» (alojados en el portasatélites) conectan con el planeta, girando alrededor de sus respectivos ejes y en el circuito formado alrededor del planeta o piñón central. El portasatélites gira de manera que inicia la rotación de los satélites engranados en la corona, así como de todo el sistema epicicloidal.

Así funcionan los engranajes planetarios

Cuando se bloquea uno de estos elementos, el resto sigue girando y el movimiento se transmite en función de la relación de transmisión seleccionada. En el caso de que se bloqueen dos componentes del sistema, este queda bloqueado en su conjunto y la velocidad de rotación percibida por el motor es la misma que la del sistema.

Las relaciones de cambio que se pueden obtener en un tren epicicloidal dependen de si ante el giro de uno de sus elementos existe otro que reaccione. En función de la elección del elemento que hace de entrada o que hace de reacción se obtienen cuatro relaciones distintas que se pueden identificar con tres posibles marchas y una marcha invertida.

Para poder combinar tres o más velocidades se usan habitualmente combinaciones de engranajes epicicloidales. Las cajas de cambio automáticas utilizan combinaciones de dos o tres trenes epicicloidales que proporcionan tres o cuatro relaciones hacia adelante y una hacia detrás.