Transmisión turbo Voith

Las transmisiones turbo son sistemas de transmisión hidrodinámicos multietapa diseñados para vehículos ferroviarios con motores de combustión interna . La primera transmisión turbo fue desarrollada en 1932 por Voith en Heidenheim , Alemania . Desde entonces, las mejoras en las transmisiones turbo han evolucionado paralelamente a los avances en los motores diésel, y hoy en día esta combinación desempeña un papel fundamental a nivel mundial, solo superada por el uso de sistemas de propulsión eléctrica.

Las transmisiones turbo funcionan como un enlace hidrodinámico que convierte la energía mecánica de un motor en la energía cinética de un fluido, mediante un convertidor de par y un acoplamiento hidráulico , antes de generar la potencia rotatoria final. En este proceso, el fluido circula por los canales de las palas del rotor a altas velocidades de flujo y baja presión. Es aquí donde las transmisiones turbo se diferencian de las transmisiones hidrostáticas similares , que operan con bajas velocidades de flujo y alta presión según el principio de desplazamiento.

Las transmisiones turbo son conjuntos de transmisión hidrodinámica multietapa cuyo rendimiento se basa en el principio de dinámica de fluidos de Föttinger . Los convertidores de par, los acoplamientos hidráulicos y los retardadores hidrodinámicos opcionales son los componentes clave de estos conjuntos, que resultan ideales para vehículos ferroviarios motorizados.

La primera transmisión turbo de 1932 empleaba un diseño relativamente sencillo. Consistía en un convertidor de par para la fase de arranque y un acoplamiento hidráulico para la fase de marcha, ambos montados en un eje común. Una característica clave de esta transmisión turbo era el llenado y vaciado del circuito hidrodinámico, un principio que se utilizó por primera vez en las transmisiones marinas de Föttinger. Esto ofrecía las ventajas de arranques sin fricción, cambios de marcha sin fricción con tracción constante, rueda libre gracias al vaciado del circuito hidrodinámico y un funcionamiento más eficiente del acoplamiento hidráulico.

A diferencia de Föttinger, Voith utilizaba aceite de baja viscosidad en el circuito hidrodinámico de sus transmisiones turbo en lugar de agua. Además, en la década de 1930 se introdujeron otras mejoras: la incorporación de un engranaje de alta velocidad, una carcasa más compacta, una mayor compatibilidad con diferentes tipos de motores, la automatización del cambio de marchas y la refrigeración mediante un intercambiador de calor .

En la década de 1960, se introdujo el retardador hidrodinámico como tercera etapa, que complementaba el convertidor de par y el acoplamiento hidráulico. Todas estas mejoras de ingeniería tenían un objetivo común: aumentar continuamente el rendimiento de la transmisión sin comprometer la complejidad de su instalación ni su fiabilidad comprobada.

En 1969, se desarrolló la transmisión turbo T 211, de menor tamaño, como alternativa a las transmisiones hidromecánicas para autobuses. Esta transmisión se diseñó para automotores diésel de baja potencia, entre 200 y 300 hp (149 a 224 kW) . Al igual que la primera transmisión turbo, la T 211 utilizaba un convertidor acoplado, pero también incorporaba una marcha de alta velocidad para una mayor eficiencia. Además, se añadió un conjunto de engranajes de inversión y, opcionalmente, se podía instalar un retardador hidrodinámico. El convertidor tenía un diámetro de circuito hidrodinámico de 346 mm (13,6 pulgadas) , mientras que el acoplamiento hidráulico tenía un diámetro ligeramente menor, de 305 mm (12,0 pulgadas) . Gracias a su marcha de alta velocidad, el eje principal podía girar a una velocidad significativamente mayor, de 4170 rpm. Como resultado, la T 211 tenía potencia de reserva, lo que se reflejaba en sus componentes mecánicos reforzados (engranajes, cojinetes y ejes), así como en los controles de la transmisión. Sin embargo, al mismo tiempo, los diámetros del convertidor, el acoplamiento y el retardador permanecieron sin cambios. El caudal total dentro de los circuitos hidrodinámicos se incrementó para adaptarse a la mayor potencia nominal de 205 a 350 kW (275 a 469 hp) . A 350 kW (469 hp) , el eje principal giraba a poco menos de 5000 rpm, lo que resultaba en velocidades de rotación para el convertidor (vacío) de 74 m/s cuando el vehículo alcanzaba su velocidad máxima. Para garantizar una refrigeración adecuada del convertidor durante las operaciones de alta velocidad, se instaló una bomba de fluido hidrodinámico más potente, que suministraba 3,5 L/s de aceite a través del intercambiador de calor durante la fase de desplazamiento y 9,0 L/s durante la fase de frenado, con el rotor del retardador funcionando también como una bomba de circulación adicional. Vista desde el exterior, esta transmisión T 211 r se diferenciaba de su predecesora, la T 211 re.3 de 320 kW (429 hp) , solo ligeramente por la adición de una unidad de control electrónico integrada y un filtro de aire ampliado .             

También en 1978 apareció un nuevo tipo de caja de cambios hidráulica para trenes, la T320RZ + KB260 + HA

En 1995, se desarrolló un diseño de transmisión completamente nuevo, el VT 611/612, para trenes de alta velocidad con tecnología de inclinación utilizados por Deutsche Bahn ( Ferrocarriles Alemanes ). Este nuevo concepto de transmisión empleaba un diseño de convertidor-acoplamiento-acoplamiento con un retardador hidrodinámico T 312 bre integrado y tenía una potencia nominal de 650 kW. Para acortar la longitud total de la transmisión, se utilizó una construcción de doble eje sobre los engranajes de alta velocidad, similar al diseño utilizado en las unidades de inversión. La unidad de control electrónico también estaba integrada en la transmisión. Además, los cilindros de inversión de la transmisión se accionaban hidráulicamente, lo que eliminaba la necesidad de un suministro de aire comprimido a bordo. Cinco años después, se desarrolló la transmisión T 212 bre con una potencia nominal de 460 kW. Esta transmisión era similar en diseño, pero a diferencia de otras transmisiones grandes, la T 212 bre podía montarse directamente en el motor de accionamiento. Esto supuso una ventaja significativa, ya que dio como resultado una combinación motor-transmisión muy compacta para trenes de alta velocidad que podían alcanzar hasta 200 km/h. El T 212 bre tenía las mismas dimensiones de circuito hidrodinámico que el T 211 r, pero con la ventaja adicional de una mayor eficiencia de acoplamiento para trenes que operaban a tan solo el 50 % de su velocidad máxima. Para los trenes diésel de alta velocidad , esto era importante, puesto que permitía una mejora drástica en el consumo de combustible.

En 1999, se desarrolló una nueva transmisión de doble convertidor, la L 620 reU2, para locomotoras de alta velocidad de línea principal. La nueva L 620 reU2 estaba equipada con un convertidor de arranque, con un diámetro de 525 mm, y un convertidor de fase de traslación, con un diámetro de 434 mm. El diseño de la nueva L 620 reU2 se basó en su exitosa predecesora, la L 520 rzU2, que tenía una potencia nominal de 1400 kW. Sin embargo, esta nueva transmisión tenía una potencia nominal significativamente mayor, de 2700 kW, por lo que prácticamente todos sus componentes tuvieron que ser ampliados y reforzados. En la versión estándar de la transmisión, se montaron dos engranajes en el eje secundario en lugar de utilizar la rueda tensora que se encontraba en la anterior L 520 rzU2. Como resultado, la velocidad de salida del eje de transmisión podía ajustarse a los requisitos de potencia de la locomotora. El cojinete principal del eje de transmisión también se amplió a 550 mm. En general, esta nueva transmisión de alto rendimiento demostró claramente la enorme capacidad de los acoplamientos hidrodinámicos. Con una relación peso-potencia de tan solo 2,06 kg/kW, la nueva L 620 reU2 estableció un récord para transmisiones de locomotoras. En comparación, la transmisión similar L 520 rzU2 tenía una relación peso-potencia mucho mayor, de 2,4 kg/kW. Además, un retardador hidrodinámico de nuevo diseño, el KB 385, estaba disponible como componente opcional. En Vossloh , el fabricante de locomotoras con sede en Kiel, estas transmisiones se instalaron tanto en sus locomotoras de línea principal G1700 como G2000. Finalmente, el desarrollo más reciente es la transmisión LS 640 reU2, que se utilizará por primera vez en la locomotora Voith Maxima de 3600 kW. La LS 640 reU2 es una denominada transmisión turbo dividida que utiliza dos ejes de transmisión de la L 620 reU2 para accionar ambos bogies de una locomotora diésel de seis ejes.

Las condiciones de operación de los vehículos ferroviarios son factores clave para determinar los requisitos de potencia tanto de sus motores como de sus transmisiones. Estas condiciones de operación incluyen: la carga de arrastre para las locomotoras diésel , la capacidad de pasajeros para los automotores diésel , la topografía de la línea férrea y las condiciones climáticas cuando el vehículo opera fuera de Europa. Las condiciones de operación previstas forman parte de los requisitos técnicos del vehículo y determinan los siguientes puntos:

1. Velocidad máxima
2. Tasas de aceleración durante el arranque, considerando la resistencia por fricción de todos los conjuntos de ruedas motorizadas en trenes de varios vagones.
3. Tasas de aceleración durante el tránsito para evitar atascos en áreas metropolitanas donde también operan trenes predominantemente eléctricos.
4. Velocidad mínima que se puede mantener en largas distancias.
5. Requisitos de frenado dinámico al viajar a altas velocidades y/o en descensos prolongados debido a su funcionamiento económico.

La velocidad máxima, el peso del vehículo, la tasa de aceleración y la pendiente de la vía férrea influyen en las especificaciones de rendimiento del motor. Además, deben considerarse los requisitos de los sistemas auxiliares, como las unidades de aire acondicionado, los sistemas de refrigeración del motor, los compresores de freno y, en algunos casos, la necesidad de una fuente de alimentación independiente para el funcionamiento de los sistemas de aire acondicionado y calefacción de cada vagón. En este sentido, se puede elegir entre una variedad de motores diésel , desde motores V de gran tamaño para locomotoras hasta motores planos de seis cilindros bajo el piso para automotores, o incluso los compactos motores de doce cilindros que suelen utilizarse en vehículos utilitarios. Para la mayoría de los automotores modernos, la solución preferida es una combinación de motor y transmisión montada bajo el piso.

En las transmisiones turbo, el convertidor de par es claramente la pieza central de toda la estructura y, en las últimas décadas, sus continuas mejoras han sido las principales responsables de satisfacer las crecientes demandas de los vehículos diésel. En este caso, el objetivo de cada mejora ha sido lograr una mayor eficiencia y un mejor rendimiento de arranque, sin comprometer las dimensiones del convertidor de arranque ni la carga constante del convertidor de fase de traslación durante la transmisión. De los numerosos diseños de convertidores de par, el convertidor de una sola etapa con turbina de flujo centrífugo ha demostrado ser el mejor. Su construcción es relativamente sencilla y, gracias a la estabilidad radial de su turbina, el convertidor es idóneo para operaciones a altas revoluciones por minuto.

En la década de 1970, gracias a los avances en convertidores de par con características de tracción mejoradas (cercanas a la tracción de arranque), se diseñó una transmisión de dos convertidores para reemplazar la transmisión de tres convertidores utilizada anteriormente. Incluso hoy en día, los convertidores de par siguen mejorándose, aunque han alcanzado una etapa avanzada. La dinámica de fluidos computacional (CFD) moderna permite a los ingenieros obtener información detallada sobre los patrones de flujo dentro de una rueda de turbina giratoria. En este caso, el circuito lleno de aceite en el que gira la turbina se representa como una malla computarizada que muestra las características del flujo en cada intersección. Para cada uno de estos puntos, se puede calcular el volumen, la velocidad y la presión del flujo. Posteriormente, durante la fase de análisis, se puede visualizar un modelo tridimensional del patrón de flujo del circuito e identificar las perturbaciones del flujo que reducen la eficiencia del convertidor, tales como: remolinos, turbulencia superficial y flujos de fluido mal dirigidos a lo largo de la rueda de la turbina. Además, aparte de visualizar estas interrupciones del flujo, los ingenieros también pueden utilizar la dinámica de fluidos computacional (CFD) para calcular la pérdida resultante en la eficiencia del convertidor.

En definitiva, la relación entre los cambios en los patrones de flujo de un circuito convertidor y la eficiencia de un convertidor de par puede utilizarse para identificar posibles áreas de mejora. En gran medida, los valores predichos coinciden con las mediciones operativas reales, aunque se producen algunas diferencias debido al uso de simulaciones simplificadas que ahorran tiempo. Aun así, la dinámica de fluidos computacional (CFD) permite optimizar los convertidores existentes, así como desarrollar nuevos tipos de convertidores virtuales mediante ordenador. Posteriormente, la construcción de un prototipo y la verificación de los resultados de rendimiento reales concluyen la fase de desarrollo.

• Voith Turbo-Transmissions 1930–1985 , Volumen 1, Transmisiones de locomotoras, Wolfgang Petzold, Heidenheim, 2002
• Voith Turbo-Transmissions 1930–1985 , Volumen 2, Transmisiones de vagones, Wolfgang Petzold, Heidenheim, 2004
• Tecnología de accionamiento Voith: 100 años del principio de Föttinger , Springer-Verlag, ISBN 3-540-31154-8Berlín, 2005

• Lista de transmisiones Voith
• Voith Máxima

• Turbo Voith
• Una publicación en la Lista Mundial de Diésel
• Dinet.biz Repuestos alternativos para autobuses con caja de cambios Voith