Convertidor de Torque Basico

Capacitacin CMCC001-02 Suc. Coquimbo 08/01/2006

MATERAL DEL ESTUDIANTE

CONVERTIDOR DE TORQUE BASICO

TREN DE FUERZA


INTRODUCCIN

Esta gua ha sido preparada para mostrarle al Tcnico de Servicio la operacin bsica de un Convertidor de Torque Convencional, para ello se describe en primer lugar la operacin bsica de un Acoplamiento por Fluido, luego el funcionamiento de un Convertidor de Torque y al final un circuito hidrulico bsico de un Convertidor de Torque. Esta gua debe ser utilizado solo como material de apoyo a la instruccin realizada en la sala de clases o como material de auto instruccin y en ningn caso pretende reemplazar al Manual de Servicio del equipo. NOTA: Todos los valores mostrados en esta gua son solo referenciales, para realizar cualquier prueba o ajuste en los componentes aqu mostrados refirase al Manual de Servicio del equipo.

OBJETIVOS

El objetivo de esta gua es entregar al Tcnico de Servicio conocimientos de los principios bsicos de operacin y funcionamiento de Convertidores de Torque Convencionales para ayudarle a entender la teora y razonamiento que existe detrs de cada prueba y diagnostico de falla que se encuentra en el Manual de Servicio. Con estos conocimientos, cada paso del procedimiento de pruebas y diagnostico de falla ser mas significativo y es posible que el Tcnico de Servicio reconozca la causa del malfuncionamiento antes de completar o incluso al comienzo de un largo procedimiento de pruebas y diagnostico de falla, esto le permitir ahorrar tiempo, disminuir los tiempos de detencin de los equipos, bajar los costos del cliente y aumentar sus satisfaccin con nuestro Servicio.


SEGURIDAD

ATENCIONHay que tener cuidado de que los fluidos estn contenidos durante los procedimientos de inspeccin, mantenimiento, prueba, ajuste y reparacin de la mquina. Est preparado para recoger el fluido en recipientes adecuados antes de abrir cualquier compartimiento o desarmar cualquier componente que contenga fluidos.

Consulte la Publicacin Especial, NENG2500, "Gua de herramientas y productos de taller Caterpillar", para obtener informacin sobre las herramientas y los artculos adecuados para recoger y contener fluidos en las mquinas Caterpillar .

Evace todos los fluidos segn las regulaciones y ordenanzas locales.

Recuerde que los fluidos deben ser eliminados de acuerdo a las disposiciones vigentes que existan en el lugar donde realice el trabajo, para ello realice las consultas que le permitan realizar esta tarea bajo las normas establecidas

ATENCION

El movimiento repentino de la mquina puede causar lesiones graves e incluso mortales.

El movimiento repentino de la mquina o la liberacin de la presin del aire o del aceite pueden causar lesiones al personal que se encuentre en la mquina o en sus alrededores.

Para evitar posibles lesiones, realice el procedimiento indicado en la seccin de Pruebas y Ajustes, "Informacin general" antes de probar o ajustar cualquier sistema hidrulico o de aire.

Dependiendo del equipo en el que este trabajando, existen reas en las que se reduce el espacio al mover los implementos, esto puede causar lesiones graves o la muerte por atrapamiento entre las partes y componentes del equipo.

ATENCION

No utilice las manos para comprobar si hay fugas. Una fuga muy pequea (del tamao de la punta de un alfiler) puede producir un chorro de aceite a alta velocidad que sea casi invisible, a menos que est muy cerca de la manguera. Este aceite puede penetrar la piel y causar lesiones. Use un trozo de cartn o de papel para encontrar fugaspequeas.

Nunca utilice sus manos para verificar si existen fugas en las lneas o componentes del sistema, los fluidos a alta presin pueden penetrar en la piel causando lesiones graves.


TREN DE FUERZA BASICO

CONVERTIDORES DE TORQUE

Este modulo del Curso Tren de Fuerza Bsico le mostrara los conceptos bsicos y la operacin de un Acoplamiento Hidrulico y de un Convertidor de Torque usado en una servotransmision.

En esta ilustracin podemos ver los componentes principales del Tren de Fuerza de un cargador, estos son: 9 El Motor Diesel 9 El Convertidor de Torque 9 La transmisin 9 La caja de transferencia de salida 9 Eje delantero 9 Eje trasero Estos ltimos estn formados por los diferenciales y los mandos finales. La servotransmison es en realidad la combinacin de dos tipos de transmisin, una transmisin planetaria de velocidades y los engranajes de la caja de transferencia.


En esta ilustracin en el lado derecho, esta el Convertidor de Torque, en el centro esta la transmisin planetaria y en el lado izquierdo esta la caja de transferencia. El Convertidor de Torque multiplica el torque que va a la transmisin, proporciona un mando fluido y automticamente aumenta el torque o efecto de torsin generado por el motor. La transmisin planetaria proporciona mando de avance y retroceso y un numero de velocidades.

El Convertidor de Torque es un tipo de acoplamiento hidrulico usado para transmitir potencia desde un motor (elctrico o mecnico) a una unidad de mando. No existe una conexin mecnica directa entre el motor y la unidad de mando.....no hay embrague en el volante, solo el mecanismo de mando fluido. Hay dos tipos de mecanismos fluidos usados para transmitir potencia: 9 El Acoplamiento Fluido 9 Convertidor de Torque Ambos son dispositivos de mando por fluido que usan la energa de un fluido en movimiento para transmitir potencia.

Estas herramientas; la biela, la llave y la barretilla, son palancas, las palancas generan Torque, una palanca tiene uno o dos brazos y durante su trabajo pivotean sobre un punto llamado Fulcro o punto de apoyo. Si la palanca esta apoyada en su Fulcro como es el caso de la biela y la llave, y una fuerza es aplicada al brazo de la palanca esto har girar el Fulcro.


Tirara o empujar (aplicar una fuerza) provocara en el otro extremo de la llave que el perno se tuerza (gire). El esfuerza de torsin es TORQUE.

Antes de aprender como trabaja el Convertidor de Torque, vamos a aprender porque usamos este termino. Cual es la ventaja del mando con convertidor de torque sobre el mando directo.

Primero el Convertidor de Torque absorbe las cargas de choque tales como las que se producen cuando un Tractor empuja a una Mototrailla cuando esta cargando. Otras cargas de choque y vibraciones tambin son amortiguadas.


Tambin el Convertidor de Torque mantiene el motor funcionando cuando una velocidad esta enganchada y la maquina esta detenida. Cuando la maquina esta trabajando permite que el motor mantenga RPM para el sistema hidrulico.

Cuando el tractor esta trabajando el Convertidor de Torque automticamente proporciona la multiplicacin de torque necesario para equilibrar la carga puesta por el operador sin la necesidad de reducir la velocidad en la transmisin. En la medida que el tractor empuja baja su velocidad y el torque (fuerza de empuje) es mayor.

Como trabaja un acoplamiento fluido? Si nosotros tenemos dos ventiladores elctricos cara a cara y los ponemos muy cerca uno frente al otro y hacemos funcionar uno de ellos, el otro ventilador tambin comenzara a girar. El segundo ventilador girara por la energa del movimiento del aire del ventilador que esta funcionando. En este ejemplo el aire es el fluido. Ya que los dos ventiladores no estn tan cerca y no estn encerrados, este acoplamiento por fluido no es muy eficiente.


Por supuesto, nosotros sabemos que la energa de un liquido en movimiento es mas grande que la del aire en movimiento. Debido a que un liquido pesa mas que el aire, transmite mas fuerza cuando esta en movimiento. Para hacer mas eficiente el acoplamiento fluido, el aceite es usado como fluido, los alabes son montados muy cerca unos de otros y adems estan encerrados en una caja.

Este es un tipo de acoplamiento fluido. Note la forma de una cmara de neumtico o de una rosquilla. NOTA: En realidad esta foto es de un conjunto retardador de una mototrailla de la serie 600. Este conjunto proporciona accin de frenado al equipo en lugar de transmitir potencia, pero en su operacin es un acoplamiento por fluido de igual forma.

Al tomar las partes separadas del acoplamiento por fluido, nosotros podemos ver un numero de alabes radiales rectos que se extienden desde el interior al exterior de cada una de las partes. Los alabes en el lado derecho son parte de la caja. Esta parte es llamada la bomba o impelente. Los alabes en el lado izquierdo son parte de la turbina.


Cuando nosotros quitamos la turbina desde la caja, podemos ver mas de cerca que por detrs es como la mitad de una cmara de neumtico o una rosquilla.

Cuando la turbina del lado izquierdo es cortada a lo largo de su eje, se vera como la ilustracin de la derecha. Deber reconocer esta forma en los siguientes esquemas de acoplamientos fluidos.

Esta esquema representa un acoplamiento fluido. La bomba o impelente es mostrada en rojo. El eje del impelente esta conectado al volante del motor. La turbina es mostrada en azul. El eje de salida de la turbina se conecta a la unidad de mando. La caja es mostrada en verde.


Cuando el motor es arrancado, el impelente comienza a girar. Como el impelente gira, este mueve el aceite desde el centro hacia el borde exterior. La forma del impelente y la fuerza centrifuga mueven el aceite hacia fuera hacia el interior de la turbina.

El aceite golpea los alabes de la turbina. La energa del aceite en movimiento es absorbida por la turbina y la turbina comienza a girar.

En la medida que el aceite golpea a la turbina, disminuye su velocidad y fluye al interior de esta para volver a entrar en el impelente. Cuando el aceite sale de la turbina, esta fluyendo en direccin opuesta al flujo del aceite en el impelente y tiende a oponerse al giro del impelente. NOTA: La flecha amarilla grande representa un aumento en la velocidad y energa en la medida que se mueve a travs del impelente. La flecha pequea representa el aceite perdiendo velocidad y perdiendo energa en la turbina.


Ahora nosotros veremos el flujo del aceite en mas detalle. Bsicamente hay dos tipos de flujos de aceite en un acoplamiento fluido: Flujo rotacional (flecha roja) y flujo torbellino (flecha amarilla)

El flujo rotacional ocurre cuando el aceite se esta trasladando con el impelente y la turbina en direccin de la rotacin de estos elementos. El impelente y la turbina deben estar trasladndose a una velocidad muy similar, como cuando la maquina es puesta en neutral o cuando esta rodando con muy poca carga o sin carga. El aceite es lanzado hacia a fuera por la fuerza centrifuga tanto en el impelente como en la turbina (flechas amarillas). El aceite simplemente fluye con la turbina y el impelente (flechas rojas). Cuando nosotros tenemos flujo rotacional, hay un mnimo de patinaje o diferencia de velocidad rotacional entre el impelente y la turbina. El torque en la salida de la turbina es el mismo que en la entrada del impelente. Es decir no hay aumento de torque.


El flujo de torbellino ocurre cuando el aceite se esta trasladando hacia a fuera del impelente, entrando en la turbina, cruzando la turbina y entrando de vuelta al impelente. El impelente esta girando con el motor; la turbina esta trabada o sujeta estacionaria (stall) por una carga. El movimiento del aceite en la direccin de rotacin con el impelente es limitado por el aceite trasladndose a la turbina donde golpea a los alabes de esta. El camino del flujo de aceite puede verse como un espiral, una bobina de alambre imaginaria. Cuando nosotros tenemos flujo de torbellino, hay mximo patinaje entre el impelente y la turbina. El torque en la salida es mas grande cuando la turbina esta trabada o es sujetada (stall) por la carga.

Bajo condiciones de operacin normal, el aceite en el acoplamiento fluido combina ambos flujos rotacional y torbellino. El camino imaginario del flujo es como una bobina de alambre la que se suelta o llega a estar muy apretada dependiendo de la cantidad o grado de patinaje entre el impelente y la turbina.


Para resumir, un acoplamiento fluido transmite torque desde la fuente de potencia a una unidad de mando. Este consiste de un impelente y una turbina, cada una tiene alabes radiales, planos y rectos. En la medida que el impelente gira, el aceite fluye hacia su borde exterior y atraviesa hasta los alabes de la turbina. La energa del aceite en movimiento hace girar a la turbina. El aceite retorna al centro de la turbina para volver a ingresas al impelente y repetir el ciclo.

ENTRADA SALIDA=

En un acoplamiento fluido el torque de entrada es igual al torque de salida. La relacin es uno a uno.

Este es el Convertidor de Torque de un tractor D-8. Despus tu aprenders que este convertidor esta equipado con un divisor de torque, pero por ahora solo discutiremos la seccin del Convertidor de Torque. Este convertidor a sido cortado para permitir ver sus partes internas. La caja gira con el motor diesel. El engranaje de la izquierda engrana con el volante del motor. El eje de salida esta en la derecha.


El Convertidor de Torque gira en sentido antihorario. En esta vista nosotros vemos el impelente (rojo), la turbina (azul), y el estator (verde).

Mirando mas de cerca, vemos que el impelente, la turbina y el estator tiene alabes curvos. Recuerde, un acoplamiento fluido tiene alabes radiales, rectos y planos.

En este corte seccional del Convertidor de Torque se muestra:

1. La caja rotatoria 2. Los alabes del impelente 3. La turbina 4. El estator


La caja rotatoria y el impelente (rojo) giran con el motor, la turbina (azul) gira con el eje de salida y el estator (verde) esta fijo, sujetado estacionario por la caja del Convertidor de Torque. El aceite fluye hacia arriba por la rotacin del impelente, alrededor de toda la parte interior de la caja y pasa hacia abajo a la turbina. Desde la turbina, el aceite es redirigido por el estator de vuelta al impelente.

En este esquema, el Convertidor de Torque esta en corte, el impelente esta en rojo, la turbina esta en azul y el estator y la caja estn en verde. El Convertidor de Torque es un acoplamiento fluido con un estator (reactor estacionario) agregado para multiplicar el torque. El estator es sujetado a la caja. El impelente y la turbina giran alrededor de este. Recuerde que, el acoplamiento fluido no tiene estator y cuando el aceite golpea la turbina y es direccionado de vuelta al impelente, va en direccin opuesta a la rotacin de este. Este aceite aun en movimiento tiene energa, pero esta energa se opone o acta en contra del impelente. Agregando un estator a nuestro acoplamiento fluido bsico, ponemos esta energa desperdiciada a trabajar. Como el aceite golpea a la turbina y es direccionado en sentido opuesto al impelente, el estator redirige el aceite dentro del impelente haciendo que la energa sobrante se sume a la salida del impelente. Esto aumenta o multiplica el torque de entrada. As, tenemos un Convertidor de Torque (aumentador de torque)


Como en el acoplamiento fluido, el impelente del Convertidor de Torque gira con el motor, empuja el aceite hacia fuera y lo enva en la direccin de su rotacin, golpeando los alabes de la turbina.

La energa del aceite desde el impelente gira la turbina. Despus de golpear la turbina el aceite fluye hacia a dentro de esta. Cuando el aceite sale de la turbina, se esta moviendo en direccin opuesta a la rotacin del impelente. El estator causa que el aceite cambie de direccin, agregando esta energa al flujo del aceite en el impelente. Esto multiplica el torque.

En esta ilustracin la secuencia a travs de las secciones del Convertidor de Torque es:

1. Impelente 2. Turbina 3. Estator, aceite saliendo de la turbina. 4. Estator, aceite redirigido para entrar al

impelente. Tambin se muestra la seccin en corte, para referencia, del Convertidor de Torque. Los nmeros (en ambos lados izquierda y derecha) indican la secuencia de flujo del aceite. Cuando el impelente gira, el aceite es bombeado por el impelente (1), golpea los alabes de la turbina (2). La energa del aceite en movimiento es transmitida a la turbina en forma de torque, haciendo girar la turbina. El aceite es


direccionado por la turbina (2) y sale de esta en direccin opuesta al flujo del aceite que viene del impelente. Esto podra actuar en contra del impelente, pero el estator (3) redirige el aceite desde la turbina (2). El aceite, redirigido por el estator (4), entra al impelente en la misma direccin de la rotacin del impelente sumndose al aceite de salida del impelente, aumentando el torque.

Siguiendo las flechas amarillas, vemos el flujo del aceite empujado hacia fuera del impelente alrededor de la parte interna de la caja hacia la turbina. Este flujo a travs de la turbina esta transmisitiendo torque al eje de salida.

Cuando el aceite sale de la turbina este golpea al estator, el que lo redirige en el mismo sentido de rotacin del impelente. El flujo es guiado hacia arriba para volver a entrar en el impelente.


Este ciclo es repetido una y otra vez.

ENTRADA

SALIDA=REACCION

+

En el Convertidor de Torque, el torque de entrada mas la reaccin en el estator es igual al torque de salida. El torque de salida es mas grande que el torque de entrada. Nuevamente, la multiplicacin del torque es el resultado del estator redirigiendo el aceite desde la turbina dentro del impelente. La energa de este aceite agregado al aceite que esta entrando en el impelente aumentan el torque.

Varias unidades multiplicadoras de torque se combinan con transmisiones planetarias para formar las Servotransmisiones (Power Shift) de acuerdo a las diferentes aplicaciones y tipos de trabajos. Los cargadores, por ejemplo, trabajan en ciclos cortos y rpidos. Ellos excavan, retroceden y giran, descargan y vuelven atrs y nuevamente enfrentan la pila de carguio. Ellos no se mueven lejos, pero se mueven rpido, ciclando un numero de veces por minuto.


Todas las servotransmisiones en los cargadores consisten de; un Convertidor de Torque (rojo) acoplado a la transmisin planetaria (amarilla). Con este arreglo el operador puede enfrentar la pila de material sin que el motor se detenga (stall). Ya que el motor no se detiene, la potencia es mantenida y esta disponible para el sistema hidraulico.

Esta transmisin tiene cuatro velocidades de avance y tres de retroceso ( la cuarta velocidad es bloqueada en retroceso). El operador selecciona la velocidad y la direccin con la palanca selectora, la que pocisiona la vlvula hidrulica para seleccionar los embragues en la transmisin para la velocidad y direccin seleccionados.

En esta ilustracin en el lado izquierdo, cubierto con la tapa, esta el Convertidor de Torque, en el centro esta la transmisin planetaria y en el lado derecho esta la caja de transferencia.


Esta es una vista en corte del Convertidor de Torque. Se muestra en rojo el flange de entrada, la caja rotatoria y el impelente. Se muestra en azul la turbina y el eje de salida. El estator y el portador del estator se muestran en verde. La potencia desde el motor diesel es transmitida a travs del flange de entrada. La caja rotatoria y el impelente rotan con el volante del motor a la misma velocidad. Como el impelente rota, este enva el aceite a la turbina la cual gira haciendo girar el eje de salida. El aceite es redirigido al impelente por el estator. El estator es sujetado estacionario por el portador a la caja del Convertidor de Torque. La potencia del motor es transmitida a travs de la turbina al eje de salida en forma de torque. El Convertidor de Torque proporciona multiplicacin de torque a la transmisin para todas las velocidades y en ambas direcciones. Comparado con una transmisin de mando directo, proporciona un amplio rango de operacin dentro de cada velocidad de la transmisin. Tambin, el Convertidor de Torque equipara las cargas, proporcionando una relacin de velocidad y torque variables sin cambiar de velocidad de la transmisin. Cuando la carga llega a ser mas pesada, el torque aumenta. Cuando la carga es mas ligera, el torque diminuye.

El aceite para la operacin del Convertidor de Torque es suministrado por la bomba de la transmisin o por una bomba exclusiva del Convertidor de Torque. La lumbrera de entrada del aceite esta sobre el eje de salida. La lumbrera de salida de aceite esta debajo del eje de salida. El aceite debe ser mantenido bajo presin dentro del Convertidor de Torque para minimizar la Cavitacion. La Cavitacion reduce la eficiencia del Convertidor de Torque (Cavitacion, es la formacin de burbujas de vapor de aceite alrededor de los alabes)


Este es un esquema simplificado del circuito de aceite del Convertidor de Torque. Adems de ser un medio para transmitir potencia, el aceite es necesario para reducir la Cavitacin, transferir el calor y lubricar los componentes del Convertidor de Torque. El circuito de aceite del Convertidor de Torque usualmente esta combinado con el circuito de aceite de la transmisin. Un circuito tpico de aceite del Convertidor de Torque consiste de:

1. Vlvula de control hidrulico (entrada del Convertidor)

2. Vlvula de alivio de salida 3. Convertidor de Torque 4. Orificio 5. Enfriador de aceite 6. Carter de aceite 7. Mallas magnticas 8. Bomba de aceite 9. Filtro de aceite

Estos son los componentes bsicos de un circuito de aceite de un Convertidor de Torque.

CONVERTIDOR DE TORQUE

VALVULA DE ALIVIO DE SALIDA

VALVULA DE ALIVIO DE ENTRADA

La vlvula de alivio de entrada del Convertidor de Torque controla la presin mxima del aceite que fluye al Convertidor de Torque. El aceite viene a travs del filtro hidrulico del Convertidor de Torque. La vlvula de alivio de entrada asegura que la presin mxima del aceite que entra al Convertidor de Torque no exceda los 930 35 kPa (135 5 lb/pulg2). La vlvula de alivio de salida controla la presin interna del convertidor, esta presin no debe exceder los 345 15 kPa (50 2 lb/pulg2). Parte del aceite que sale de la vlvula de alivio de salida va al mando de la bomba para la lubricacin.


Este es un esquema completo del circuito de aceite de un Convertidor de Torque y transmisin. En el se puede ver: 9 La bomba 9 El filtro de carga de la transmisin y el

Convertidor de Torque 9 La vlvula de entrada del Convertidor de

Torque 9 La vlvula de control de la transmisin 9 El Convertidor de Torque 9 La vlvula de salida del Convertidor de Torque 9 El enfriador de aceite de la transmisin y

Convertidor de Torque

El impelente del acoplamiento fluido gira con el motor. El aceite desde el impelente golpea la turbina. La turbina y el eje de salida transmiten torque a la transmisin.

ENTRADA SALIDA=

El torque de entrada es igual al torque de salida en un acoplamiento fluido. El torque no aumenta.


Mirando nuevamente nuestro Convertidor de Torque en corte, vemos la caja rotatoria, el impelente, la turbina, el estator y el eje de salida. Los alabes del impelente, la turbina y el estator son curvos. Nuestra caja gira en sentido antihorario.

Al mirar nuestra vista en corte, podemos ver los pasajes de aceite en el Convertidor de Torque formados por:

1. Caja rotatoria 2. Impelente 3. Turbina 4. Estator

Recuerde, el aceite fluye hacia arriba desde el impelente, alrededor de la parte interior de la caja rotatoria dentro de la turbina, desde la turbina a travs del estator para redirigir el flujo dentro del impelente.

Similarmente, con nuestro esquema del Convertidor de Torque, podemos ver que el eje de entrada y el impelente giran, el aceite es puesto en movimiento, golpea la turbina y gira el eje de salida. El estator redirige el aceite que sale de la turbina y esta energa restante se suma al flujo de aceite a travs del impelente. Esto multiplica el torque. El Convertidor de Torque automticamente ajusta el torque de salida a la carga y permite al motor a operar a una velocidad mas efectiva.


ENTRADA

SALIDA=REACCION

+

Un Convertidor de Torque aumenta el torque. El torque de entrada mas la reaccin es igual al torque de salida.

En resumen, el Convertidor de Torque conecta al motor con la transmisin, su objetivo principal es transferir la fuerza hidrulicamente desde el motor a la transmisin. El Convertidor de Torque utiliza aceite para transmitir la fuerza desde el motor a la transmisin. Cuando la maquina esta trabajando contra una carga, el Convertidor de Torque puede multiplicar la fuerza del motor hacia la transmisin.

Caractreristicas Multiplica el torque desde el

motor al tren de fuerza. Acopla automaticamente el

motor a la transmision. Amortigua golpes de las

cargas en el tren de fuerza.

Ventajas Proporciona salida de torque

incrementada cuando trabaja contra una carga.

Permite cambios sobre la marcha.

Proporciona vida util mas prolongada al tren de fuerza


MATERAL DEL ESTUDIANTECONVERTIDOR DE TORQUE BASICO

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Convertidor de Torque Basico