Acoplamiento de fluidos

Una característica importante de un acoplamiento hidráulico es su velocidad de pérdida. Esta velocidad se define como la velocidad máxima a la que puede girar la bomba cuando la turbina de salida está bloqueada y se aplica el par de entrada máximo (a la velocidad de pérdida). En condiciones de pérdida, toda la potencia del motor a esa velocidad se disiparía en el acoplamiento hidráulico en forma de calor, lo que podría provocar daños.

Una modificación del acoplamiento hidráulico simple es el acoplamiento de circuito escalonado, que anteriormente era fabricado como el "acoplamiento STC" por la empresa Fluidrive Engineering Company.

El acoplamiento STC contiene un depósito al que se dirige parte del aceite cuando el eje de salida se bloquea. Esto reduce la resistencia en el eje de entrada, lo que se traduce en un menor consumo de combustible al ralentí y una menor tendencia del vehículo a avanzar lentamente.

Cuando el eje de salida comienza a girar, el aceite es expulsado del depósito por la fuerza centrífuga y regresa al cuerpo principal del acoplamiento, restableciéndose así la transmisión normal de potencia. ^{[ 6 ]}

Un acoplamiento hidráulico no puede generar par de salida cuando las velocidades angulares de entrada y salida son idénticas. ^{[ 7 ]} Por lo tanto, un acoplamiento hidráulico no puede alcanzar una eficiencia de transmisión de potencia del 100 %. Debido al deslizamiento que se produce en cualquier acoplamiento hidráulico bajo carga, siempre se pierde algo de potencia por fricción y turbulencia del fluido, y se disipa en forma de calor. Al igual que otros dispositivos de dinámica de fluidos, su eficiencia tiende a aumentar gradualmente con el aumento de la escala, medida por el número de Reynolds .

Dado que un acoplamiento hidráulico funciona cinéticamente, se prefieren los fluidos de baja viscosidad . ^{[ 7 ]} Generalmente, se utilizan aceites de motor multigrado o fluidos para transmisiones automáticas . El aumento de la densidad del fluido incrementa el par que se puede transmitir a una velocidad de entrada determinada. ^{[ 8 ]} Sin embargo, los fluidos hidráulicos, al igual que otros fluidos, están sujetos a cambios de viscosidad con la temperatura. Esto conlleva un cambio en el rendimiento de la transmisión, por lo que, cuando se debe minimizar cualquier cambio indeseado en el rendimiento o la eficiencia, se debe utilizar un aceite de motor o un fluido para transmisiones automáticas con un índice de viscosidad alto .

Los acoplamientos hidráulicos también pueden funcionar como frenos hidrodinámicos , disipando la energía rotacional en forma de calor mediante fuerzas de fricción (tanto viscosas como entre el fluido y el recipiente). Cuando un acoplamiento hidráulico se utiliza para frenar, también se le conoce como retardador . ^{[ 5 ]}

El correcto funcionamiento de un acoplamiento hidráulico depende de que esté correctamente lleno de fluido. Un acoplamiento con poco fluido no podrá transmitir el par máximo, y el volumen limitado de fluido también puede provocar un sobrecalentamiento, lo que a menudo daña las juntas.

Si un acoplamiento está diseñado deliberadamente para funcionar de forma segura cuando está insuficientemente lleno, generalmente proporcionando un depósito de fluido amplio que no está acoplado al impulsor, entonces el control de su nivel de llenado puede utilizarse para controlar el par que puede transmitir y, en algunos casos, también para controlar la velocidad de una carga. ^{[ b ]}

El control del nivel de llenado se realiza mediante una "cuchara", un tubo fijo que se conecta al acoplamiento giratorio a través de un cubo central fijo. Al mover esta cuchara, ya sea girándola o extendiéndola, recoge el fluido del acoplamiento y lo devuelve a un depósito externo. El aceite puede bombearse de nuevo al acoplamiento cuando sea necesario, o bien, algunos diseños utilizan la alimentación por gravedad: la acción de la cuchara es suficiente para elevar el fluido al depósito, impulsada por la rotación del acoplamiento.

El control de acoplamiento puede utilizarse para un control sencillo y continuo de la transmisión de pares muy elevados. La locomotora diésel Fell , una locomotora diésel experimental británica de la década de 1950, utilizaba cuatro motores y cuatro acoplamientos, cada uno con control de acoplamiento independiente, para engranar cada motor por turno. Se utiliza habitualmente para proporcionar accionamientos de velocidad variable . ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Los acoplamientos de fluidos se utilizan en muchas aplicaciones industriales que implican potencia rotacional, ^{[ 11 ] [ 12 ]} especialmente en accionamientos de máquinas que implican arranques de alta inercia o carga cíclica constante.

En algunas locomotoras diésel se encuentran acoplamientos hidráulicos como parte del sistema de transmisión de potencia. Self-Changing Gears fabricaba transmisiones semiautomáticas para British Rail, y Voith fabrica turbotransmisiones para unidades múltiples diésel que contienen diversas combinaciones de acoplamientos hidráulicos y convertidores de par.

Los acoplamientos hidráulicos se utilizaban en diversas transmisiones semiautomáticas y automáticas de la época . Desde finales de la década de 1940, el convertidor de par hidrodinámico ha sustituido al acoplamiento hidráulico en las aplicaciones automotrices .

En aplicaciones automotrices , la bomba suele estar conectada al volante del motor ; de hecho, la carcasa del acoplamiento puede formar parte del propio volante y, por lo tanto, es accionada por el cigüeñal del motor . La turbina está conectada al eje de entrada de la transmisión . Mientras la transmisión está engranada, a medida que aumenta la velocidad del motor, el par motor se transfiere al eje de entrada mediante el movimiento del fluido, impulsando así el vehículo. En este sentido, el comportamiento del acoplamiento hidráulico se asemeja mucho al de un embrague mecánico en una transmisión manual .

Los volantes hidráulicos, a diferencia de los convertidores de par, son conocidos principalmente por su uso en los automóviles Daimler junto con una caja de cambios preselectora Wilson . Daimler los utilizó en toda su gama de automóviles de lujo, hasta que adoptó las cajas de cambios automáticas con el Majestic de 1958. Tanto Daimler como Alvis también fueron conocidos por sus vehículos militares y blindados, algunos de los cuales también utilizaban la combinación de caja de cambios preselectora y volante hidráulico.

El uso más destacado de los acoplamientos hidráulicos en aplicaciones aeronáuticas se dio en los motores DB 601 , DB 603 y DB 605, donde se utilizó como embrague hidráulico controlado barométricamente para el compresor centrífugo y el motor alternativo turbocompuesto Wright , en el que tres turbinas de recuperación de potencia extraían aproximadamente el 20 por ciento de la energía o unos 500 caballos de fuerza (370 kW) de los gases de escape del motor y luego, utilizando tres acoplamientos hidráulicos y engranajes, convertían la rotación de la turbina de baja torsión y alta velocidad en una salida de baja velocidad y alto par para impulsar la hélice .