Embrague convertidor de par

Descripción general

La mayoría de las transmisiones automáticas utilizadas en vehículos de pasajeros tienen un Convertidor de par como dispositivo de acoplamiento. Las funciones principales del convertidor de par son: desacoplar el motor de la transmisión, cuando el vehículo está parado, y transmitir par a la transmisión cuando el motor aumenta la velocidad. El convertidor de par permite que el motor funcione en ralentí cuando el vehículo está parado aunque la transmisión tenga una marcha engranada. Como sugiere el nombre, el convertidor de par convierte (amplifica) el par de entrada del motor en un par de salida mayor. Esta característica particular del convertidor de par no es posible con un embrague, que puede transmitir el máximo par del motor y no más que eso.

Imagen: Transmisión automática
Crédito: ZF

El convertidor de par está montado entre el motor de combustión interna y la transmisión automática, en el mismo lugar donde estaría un embrague en el caso de una transmisión manual. Los principales componentes del convertidor de par son:

• el impulsor (también conocido como bomba)
• la turbina
• el estator (montado en un mecanismo unidireccional)
• el embrague de bloqueo

Imagen: Convertidor de par – vista despiezada

dónde:

1. cubierta frontal del convertidor de par
2. discos de friccion del embrague
3. disco de presión de embrague con amortiguador torsional
4. turbina
5. estator montado en un mecanismo unidireccional
6. carcasa del impulsor

El convertidor de par está lleno de líquido de transmisión automática (ATF), que es un tipo de aceite de transmisión. El impulsor está conectado al cigüeñal y la turbina está conectada (estriada) al eje de entrada de la transmisión. En la imagen siguiente puedes ver una sección detallada de un convertidor de par con sus componentes principales. El impulsor, el estator y la turbina tienen paletas curvas que hacen que el fluido fluya dentro del convertidor de par.

Imagen: Componentes principales de un convertidor de par
Crédito: ZF Sachs

dónde:

1. turbina
2. impulso
3. estator
4. amortiguador torsional
5. romper el forro
6. embrague de bloqueo

El cigüeñal hace girar el impulsor (1) y convierte la energía mecánica del cigüeñal en energía cinética poniendo el fluido en movimiento. Luego, el fluido golpea la turbina (1) y ocurre el proceso inverso, la energía cinética se convierte nuevamente en energía mecánica. El aumento del par se debe al estator (3), que desvía el flujo de fluido al entrar en la turbina.

Como puede ver, no existe una conexión directa (mecánica) entre el impulsor y la turbina. La potencia entre el motor y la transmisión se transfiere a través del fluido en movimiento. Debido a esto, la eficiencia del convertidor de par es relativamente baja, especialmente a bajas temperaturas y alta diferencia de velocidad (deslizamiento) entre el impulsor y la turbina.

El fluido es puesto en movimiento por las palas del impulsor, que lo dirigen a las palas del estator, que luego redirigen el fluido hacia las palas de la turbina. Cuando hay una gran diferencia de velocidad entre el impulsor y la turbina, el estator no gira, logrando la amplificación del par. Esta fase se llama fase del convertidor. El convertidor de par puede multiplicar el par del motor hasta 2,5 veces. Cuando la velocidad de la turbina se acerca a la velocidad del impulsor, el estator comienza a girar y el convertidor de par entra en el fase de embrague. En esta fase no se produce ninguna multiplicación del par motor.

El embrague de bloqueo (6), también conocido como embrague convertidor de par (TCC), tiene la función de conectar mecánicamente el impulsor con la turbina para limitar las pérdidas de potencia. Cuando la diferencia de velocidad entre el impulsor y la turbina no es demasiado grande, el embrague del convertidor de par se cierra y la conexión del motor a la transmisión es directa, sin que se produzcan pérdidas en el convertidor de par.

Para obtener más información sobre el convertidor de par, lea también el artículo Cómo funciona un convertidor de par.

Eficiencia

El convertidor de par funciona como un dispositivo de acoplamiento hidráulico. La potencia mecánica transmitida desde el motor de combustión interna se convierte en potencia hidráulica mediante el impulsor y nuevamente en potencia mecánica mediante la turbina. Todas estas conversiones de energía conllevan algunas pérdidas. Estas pérdidas se deben principalmente a la fricción dentro de las capas de fluido. La potencia perdida se disipa en forma de calor.

La eficiencia del convertidor de par depende de la relación de velocidad ν [-] entre el impulsor y la turbina. El relación de velocidad del convertidor de par se define como la relación entre la velocidad de salida (turbina) y la velocidad de entrada (impulsor):

dónde:
ω_t – velocidad angular de la turbina [rad/s]
ω_PAG – velocidad angular del impulsor (bomba) [rad/s]

Dado que la velocidad de la turbina siempre va por detrás de la velocidad del impulsor (bomba), la relación de velocidad es inferior a 1. Esto significa que hay fricción en el fluido de la transmisión, lo que provoca pérdidas de potencia. Cuanto menor sea la relación de velocidad, mayor será la fricción, mayores serán las pérdidas de potencia y menor será la eficiencia general del convertidor de par.

Imagen: Función de eficiencia del convertidor de par de la relación de velocidad
Crédito: [4]

En la imagen superior se puede ver la variación de la función de eficiencia del convertidor de par de la relación de velocidad (línea verde). La característica de eficiencia del convertidor de par tiene cuatro puntos distintivos de operación:

• S (punto de pérdida): en este punto la velocidad de la turbina es cero y el impulsor está girando; la eficiencia en el punto de calada es mínima, alrededor del 50%, lo que significa que la mitad de la potencia proveniente del motor se pierde por fricción y se disipa en forma de calor; En este punto, la conversión de par está en su valor más alto, lo que es beneficioso para las capacidades de arranque del vehículo.
• METRO (punto de máxima eficiencia): en este punto el convertidor de par alcanza su máxima eficiencia como convertidor de par, el fluido fluye sin pérdidas por impacto desde la rueda impulsora a la siguiente.
• C (punto de bloqueo): en este punto el estator comienza a girar con la turbina y no hay conversión de par posible; A partir de este momento, el convertidor de par se comporta como un embrague hidráulico, transfiriendo solo potencia del motor a la transmisión sin ninguna amplificación de par.
• F (punto de flujo libre): en este punto no hay carga en la turbina, la relación de velocidad es muy cercana a 1, lo que significa que la velocidad de la turbina coincide con la velocidad del impulsor; en este punto.

embrague de bloqueo

Durante la mayor parte del tiempo de funcionamiento del convertidor de par, nunca se logra la coincidencia de velocidad entre el impulsor y la turbina. A velocidad de crucero, el convertidor de par sólo puede transmitir alrededor del 85 % de la potencia del motor a la transmisión. Esto significa que se pierde mucha potencia en el convertidor de par, que se disipa en forma de calor. Para mejorar su eficiencia, los fabricantes agregaron un embrague de bloqueo al convertidor de par.

El embrague convertidor de par (TCC) bloquea mecánicamente el motor a la transmisión conectando el impulsor con la turbina a través de un embrague húmedo. De esta manera se elimina el deslizamiento del convertidor de par y se aumenta la eficiencia. Otra ventaja es que se reduce sustancialmente el calor disipado en el fluido de transmisión automática.

Hay varias formas de bloquear el embrague del convertidor de par. Estas diferencias son función del circuito hidráulico que controla el accionamiento del embrague.

Dependiendo del número de conductos (puertos) para controlar el flujo de aceite a través del embrague del convertidor de par, existen varios tipos de convertidores de par:

• Convertidores de par de dos pasos (2 pasos)
• convertidores de par de tres pasos (3 pasos)
• convertidores de par de cuatro pasos (4 pasos)

El tipo más común de convertidor de par es el convertidor de par de dos pasos. En este tipo, el embrague del convertidor de par se activa invirtiendo el flujo del líquido de transmisión automática (ATF) a través del convertidor.

Imagen: Embrague del convertidor de par (Toyota) – abierto Crédito: Toyota

Imagen: Embrague convertidor de par (Toyota) – cerrado Crédito: Toyota

En un sistema de actuación del embrague del convertidor de par de dos pasos (como en las imágenes arriba), el embrague de bloqueo está instalado en el cubo de la turbina, delante de la turbina. El resorte amortiguador absorbe las vibraciones de torsión durante el embrague para evitar la transferencia de impactos. El material de fricción aplicado sobre el pistón de bloqueo es el mismo tipo de material que el utilizado en los discos de embrague multidisco de la transmisión automática.

El acoplamiento y desacoplamiento del embrague de bloqueo depende de la dirección en la que el fluido ingresa al convertidor de par. El líquido de la transmisión automática puede ingresar por la parte delantera del embrague de bloqueo o entre el impulsor y la turbina, detrás del embrague. Al controlar la presión detrás y delante del embrague, controlamos el acoplamiento y desacoplamiento del embrague de bloqueo.

En algunas aplicaciones, el fluido de transmisión utilizado para controlar el embrague de bloqueo del convertidor de par también se utiliza para eliminar el calor del convertidor de par y transferirlo al sistema de refrigeración principal del motor a través del calor intercambiado en el radiador.

El control de la presión del aceite en el embrague de bloqueo se realiza a través de dos válvulas: la válvula de relé y la válvula de señal. En este tipo de disposición, la válvula de señal controla la presión en un lado de la válvula de relé, que controla la presión en el embrague de bloqueo. De forma predeterminada, ambas válvulas se mantienen en posición mediante resortes, lo que deja el embrague en la posición desembragada y el convertidor de par desbloqueado. Cuando se aplica una presión de línea más alta a la parte inferior de la válvula de señal, se mueve hacia arriba y conecta la presión de línea al extremo inferior de la válvula de relé. Esto hace que la válvula de relé se mueva hacia arriba y reconfigure el circuito de flujo de aceite de tal manera que se aplique presión a la parte posterior del embrague y lo active. Para desacoplar el embrague, se quita presión del extremo inferior de la válvula de señal y el circuito de aceite cambia al diseño inicial, que aplica la presión delante del embrague desengranándolo.

Imagen: Embrague del convertidor de par (solenoide) – abierto

Imagen: Embrague del convertidor de par (solenoide) – cerrado

Los convertidores de par modernos tienen control electrónico del funcionamiento del embrague. La presión en el embrague del convertidor de par se regula mediante una válvula reguladora principal pilotada por un solenoide (ver imágenes arriba).

Cuando se activa el solenoide, la presión de la línea que actúa en el lado derecho de la válvula reguladora es baja ya que el fluido se escapó hacia el drenaje. En este estado, la válvula reguladora se ubicará hacia la derecha y el aceite fluirá por la parte delantera del embrague, manteniéndolo abierto. Al apagar el solenoide, la presión aumenta en el lado derecho de la válvula reguladora, que se moverá hacia la izquierda. Esta operación reconfigurará el circuito de aceite de tal forma que el aceite fluirá por la parte trasera del embrague cerrándolo.

Cuando el embrague del convertidor de par está cerrado, el impulsor se vincula mecánicamente a la turbina y la potencia del motor se transfiere a la transmisión sin pérdidas en el convertidor de par.

Con el convertidor de par de tres pasosse utilizan dos conductos para el flujo de aceite de la transmisión (ATF) a través del convertidor de par y para el enfriamiento del embrague, mientras que el tercer conducto se utiliza de forma independiente para controlar el bloqueo y desbloqueo del embrague.

Imagen: Comparación de un convertidor de par de dos y tres pasos
Crédito: Schaeffler

La capacidad de par del embrague del convertidor depende de varias propiedades:

• el área del pistón donde se aplica la presión del aceite de la transmisión
• el radio efectivo del material de fricción
• el número de superficies de fricción
• el coeficiente de fricción del material de fricción y el acero.
• la presión real del aceite de la transmisión aplicada al pistón del embrague

Si bien las propiedades geométricas y materiales del embrague son fijas, la presión del aceite se puede ajustar para controlar la posición y, por tanto, el estado del embrague. El estado del embrague del convertidor de par puede ser:

• abierto
• cerrado (bloqueado)
• corrimiento

El estado del embrague depende de la posición de la válvula de mariposa (carga del motor) y de la velocidad del motor. En términos generales, a bajas revoluciones el embrague del convertidor de par está abierto, mientras que a altas revoluciones el embrague está cerrado. El embrague se mantiene en un estado de deslizamiento generalmente a velocidad y carga del motor media-baja.

Imagen: Rangos de funcionamiento de un embrague convertidor de par

En un convertidor de par ideal, la capacidad de par del embrague y su deslizamiento podrían regularse exclusivamente controlando la presión de aceite aplicada. Esto no es posible en un convertidor de par real debido a que existen varios factores de interferencia que complican el proceso de control del deslizamiento del embrague. Estos factores de interferencia son [1]:

1. caída de presión a través del material de fricción: en los convertidores de par de dos pasos, el material de fricción se utiliza para transmitir el par y también como componente de sellado en el diámetro exterior del pistón; para enfriar el embrague, a menudo se presiona un patrón de ranuras en el material de fricción; cuando el aceite de la transmisión fluye a través de las ranuras desde el lado de alta presión del pistón hacia el lado de baja presión, experimenta una caída de presión; la magnitud de esta caída de presión depende de la geometría de la ranura, la consistencia de las superficies de fricción, la temperatura y la velocidad de deslizamiento.
2. velocidad absoluta del sistema: después de que el aceite de transmisión haya pasado a través de las ranuras del material de fricción en un convertidor de dos pasos, debe ser transportado radialmente desde el diámetro exterior del convertidor hacia el interior, hacia el eje de entrada de la transmisión; dado que todo el sistema gira, las partículas de fluido están sometidas a fuerzas de Coriolis en su camino hacia el interior, lo que lleva a la formación de un flujo en espiral frente al eje de entrada de la transmisión; esto da como resultado una contrapresión que reduce la presión efectiva sobre el pistón.
3. variación de presión del sistema: las fluctuaciones en la presión de carga del convertidor afectan el lado de alta presión del pistón en un sistema de dos pasos y el lado de baja presión del pistón en un sistema de tres pasos.
4. velocidad diferencial (deslizamiento): en condiciones de apertura o deslizamiento, los sistemas de dos y tres pasos tienen componentes como el amortiguador, la turbina o la tapa a cada lado del pistón que giran a diferentes velocidades; Estos componentes dominan la velocidad de rotación media del ATF en cada lado del pistón, lo que da como resultado una fuerza centrífuga diferente, creando una presión relativa a través del pistón.

Los factores de interferencia 1 y 2 se pueden neutralizar en gran medida mediante un sistema de tres pasos. Los demás factores de interferencia también pueden mejorarse considerablemente en un sistema de tres pasos o compensarse mediante el software de calibración en la transmisión. Sin embargo, para poder compensar completamente todos los factores sin necesidad de software adicional, se necesita un principio diferente: el convertidor de par de cuatro pasos. Como sugiere el nombre, se trata de un sistema convertidor con cuatro conductos hidráulicos.

Imagen: Convertidor de par con cuatro conductos hidráulicos
Crédito: Schaeffler

Al igual que el sistema de tres pasajes, dos de los pasajes se utilizan para el flujo a través del convertidor y el tercer pasaje sirve para controlar el embrague. La característica única del convertidor de par de cuatro pasos es el cuarto paso adicional, que alimenta una cámara de compensación de presión. Esto da como resultado condiciones idénticas de velocidad del fluido en ambos lados del pistón. La fuerza centrífuga dinámica del ATF es idéntica en ambos lados del pistón porque los diámetros exteriores de las juntas de las cámaras de activación y compensación son iguales. Esto significa que la presión del pistón ahora es independiente de la velocidad de deslizamiento y, además, las cámaras de presión del embrague están protegidas de las variaciones de presión del sistema, es decir, de las fluctuaciones de la presión de sobrealimentación.

Con el convertidor de cuatro pasos, el embrague se puede controlar con mucha precisión, independientemente de las condiciones de funcionamiento. Schaeffler comenzó la producción en serie del sistema presentado en 2014 y actualmente está trabajando en
su implementación con otros clientes. Se completó un estudio de convertidores de par de dos, tres y cuatro pasos en producción para comparar la velocidad de deslizamiento durante la operación.

Imagen: Comparación de la velocidad de deslizamiento del embrague del convertidor de par
Crédito: Schaeffler

La comparación muestra que en esta aplicación específica de cuatro pasos el bloqueo El embrague se puede acoplar incluso en primera marcha. Además del ahorro en el consumo de combustible, esto también significa que el embrague de bloqueo puede ser accionado
utilizado como dispositivo de lanzamiento en línea con el toro del convertidor. Esto permite un diseño más pequeño y liviano del toroide. En marchas más altas, el convertidor de cuatro pasos puede funcionar a una velocidad de deslizamiento muy baja.
debido a su controlabilidad precisa. Como resultado, la compuerta se puede diseñar a menor escala, lo que permite un diseño del convertidor en su conjunto que ahorra más espacio.

Solenoide de embrague

Los convertidores de par modernos utilizan control electrohidráulico para el embrague de bloqueo. El circuito hidráulico que bloquea/desbloquea el embrague del convertidor de par se gestiona mediante válvulas hidráulicas. Las válvulas son accionadas directa o indirectamente por solenoides.

Un solenoide es un actuador eléctrico lineal. Cuando se energiza (se le suministra energía eléctrica), empuja o tira de una varilla que está conectada a la válvula hidráulica. Existen diferentes tipos de solenoides que se utilizan para el control del embrague del convertidor de par, pero el principio de funcionamiento es básicamente el mismo.

Imagen: Válvula de modulación de ancho de pulso del embrague del convertidor de par – GM	Imagen: Solenoide del embrague del convertidor de par con vista del conector
Imagen: Solenoide del embrague del convertidor de par y válvula con filtro de aceite	Imagen: Solenoide del embrague del convertidor de par

El solenoide tiene dos conectores eléctricos, un voltaje positivo (+) y uno de tierra (-). Suele recibir alimentación del sistema eléctrico de 12 V del vehículo y está controlado por el módulo de control de la transmisión (TCM).

Diagnóstico de embrague

En las transmisiones controladas electrónicamente, el funcionamiento del solenoide del embrague del convertidor de torsión es monitoreado por el módulo de control del tren motriz (PCM) o el módulo de control de la transmisión (TCM) y puede, aunque no siempre lo hará, establecer un código de diagnóstico de falla (DTC) si se produce una falla. presente.

El PCM/TCM no establecerá un DTC a menos que haya un problema con el circuito eléctrico que controla el solenoide del embrague del convertidor de torsión.

Imagen: Ejemplo esquemático del circuito del solenoide del embrague del convertidor de par

Usando una herramienta de escaneo podemos leer el DTC relacionado con el solenoide del embrague del convertidor de par. Los DTC más comunes son:

• P0740
• P0741
• P0742
• P0743
• P0744

Las siguientes tablas resumen la definición de cada DTC, su significado, posibles causas de falla y cuáles son los síntomas a nivel del vehículo.

Definición de OBD	Significado	Posibles Causas	Síntomas
P0740
Solenoide del embrague del convertidor de par (TCC): mal funcionamiento del circuito	Hay un problema con el circuito eléctrico del solenoide del embrague del convertidor de par. Esto significa que el módulo de control (PCM/TCM) no puede controlar adecuadamente el embrague, lo que significa que el embrague del convertidor de par está en un estado bloqueado permanente/intermitente, o en un estado abierto o patinando.	problemas con el solenoide en sí Problemas con el cableado del solenoide. Problemas con los conectores eléctricos del solenoide.	problemas con el cambio de marchas cambio de marcha brusco Cala el motor incapaz de mover el vehículo aumento del consumo de combustible sobrecalentamiento del aceite de la transmisión
P0741
Solenoide del embrague del convertidor de par (TCC): rendimiento/atascado	Hay un deslizamiento (diferencia de velocidad) entre el motor (impulsor) y el eje de entrada de la transmisión (turbina) cuando el embrague del convertidor de torsión está bloqueado. Esto significa que el embrague del convertidor de par no se bloquea correctamente o está en un estado abierto permanente.	convertidor de par dañado o roto El solenoide del embrague del convertidor de par no funciona correctamente Problemas con el circuito eléctrico del solenoide del embrague. Problemas con el módulo de control hidráulico de la transmisión (cuerpo de válvulas). Aceite de transmisión (ATF) sucio, contaminado o degradado	La luz de comprobar el motor está encendida. aumento del consumo de combustible
P0742
Solenoide del embrague del convertidor de par (TCC): atascado	El solenoide del embrague del convertidor de par siempre está energizado (pegado), lo que se traduce en que el convertidor de par siempre está bloqueado.	El solenoide del embrague del convertidor de par no funciona correctamente Problemas con el circuito eléctrico del solenoide del embrague. Problemas con el módulo de control hidráulico de la transmisión (cuerpo de válvulas). Aceite de transmisión (ATF) sucio, contaminado o degradado aceite de transmisión bajo (ATF)	problemas con el cambio de marchas cambio de marcha brusco Cala el motor incapaz de mover el vehículo
P0743
Solenoide del embrague convertidor de par (TCC): eléctrico	Hay un problema permanente con el circuito eléctrico del solenoide del embrague del convertidor de par.	Cableado y/o conectores dañados, quemados, en cortocircuito, desconectados o corroídos del solenoide. Solenoide del embrague del convertidor de par defectuoso PCM o TCM defectuoso	problemas con el cambio de marchas cambio de marcha brusco Cala el motor incapaz de mover el vehículo aumento del consumo de combustible sobrecalentamiento del aceite de la transmisión
P0744
Solenoide del embrague convertidor de par (TCC): circuito intermitente	Hay un problema intermitente con el circuito eléctrico del solenoide del embrague del convertidor de par. Un problema intermitente significa que el problema aparece y desaparece, es esporádico.	Cableado y/o conectores dañados, quemados, en cortocircuito, desconectados o corroídos del solenoide. Solenoide del embrague del convertidor de par defectuoso PCM o TCM defectuoso	cambios de marcha menos cómodos algo de sobrecalentamiento de la transmisión ligero aumento del consumo de combustible

Antes de comenzar cualquier diagnóstico, verifique que el sistema tenga energía. Luego, inspeccione y pruebe el circuito de tierra del solenoide. Si la alimentación y la tierra están bien, pruebe el solenoide con un óhmetro. Si la resistencia del solenoide está dentro de las especificaciones, retire el solenoide de la transmisión. Aplique energía y tierra al solenoide mientras intenta soplar aire a través del solenoide. Si el solenoide funciona correctamente, el problema probablemente esté en el propio convertidor de par. Si el solenoide no permite que fluya el aire, colóquelo en un recipiente limpio con líquido de transmisión automática y ciclelo eléctricamente para ver si puede eliminar cualquier bloqueo del solenoide. Si esto no funciona, deberá reemplazar el solenoide. [8].

Referencias