Conversor de torque - Torque converter

Corte do conversor de torque ZF
Um modelo de corte de um conversor de torque

Um conversor de torque é um tipo de acoplamento de fluido que transfere a potência rotativa de um motor principal , como um motor de combustão interna , para uma carga acionada rotativa. Em um veículo com transmissão automática , o conversor de torque conecta a fonte de alimentação à carga. Ele geralmente está localizado entre a placa flexível do motor e a transmissão. O local equivalente em uma transmissão manual seria a embreagem mecânica .

A principal característica de um conversor de torque é sua capacidade de aumentar o torque quando a velocidade de rotação de saída é tão baixa que permite que o fluido que sai das aletas curvas da turbina seja desviado do estator enquanto ele está travado contra sua embreagem unidirecional , fornecendo assim o equivalente a uma engrenagem de redução . Este é um recurso além do simples acoplamento de fluido, que pode corresponder à velocidade de rotação, mas não multiplica o torque e, portanto, reduz a potência.

Sistemas hidráulicos

De longe, a forma mais comum de conversor de torque em transmissões automotivas é o dispositivo hidrocinético descrito neste artigo. Existem também sistemas hidrostáticos que são amplamente usados ​​em máquinas pequenas, como escavadeiras compactas .

Sistemas mecânicos

Também existem projetos mecânicos para transmissões continuamente variáveis e estes também têm a capacidade de multiplicar o torque. Eles incluem o conversor de torque Constantinesco baseado em pêndulo , a transmissão de acionamento por disco de engrenagens de fricção Lambert e o Variomatic com polias expansíveis e acionamento por correia.

Uso

Função

Teoria de Operação

As equações de movimento do conversor de torque são governadas pela equação da turbo-máquina do século XVIII de Leonhard Euler :

A equação se expande para incluir a quinta potência do raio; como resultado, as propriedades do conversor de torque são muito dependentes do tamanho do dispositivo.

Elementos conversores de torque

Um acoplamento de fluido é uma unidade de dois elementos que é incapaz de multiplicar o torque, enquanto um conversor de torque tem pelo menos um elemento extra - o estator - que altera as características da unidade durante os períodos de alto deslizamento, produzindo um aumento no torque de saída.

Em um conversor de torque, há pelo menos três elementos giratórios: o impulsor, que é acionado mecanicamente pelo motor principal ; a turbina, que aciona a carga ; e o estator, que é interposto entre o impulsor e a turbina para que possa alterar o fluxo de óleo que retorna da turbina para o impulsor. O design clássico do conversor de torque determina que o estator seja impedido de girar sob qualquer condição, daí o termo estator . Na prática, entretanto, o estator é montado em uma embreagem de avanço , o que evita que o estator gire em sentido contrário em relação ao motor principal, mas permite a rotação para a frente.

Modificações no projeto básico de três elementos foram incorporadas periodicamente, especialmente em aplicações onde uma multiplicação de torque maior que o normal é necessária. Mais comumente, eles assumiram a forma de múltiplas turbinas e estatores, cada conjunto sendo projetado para produzir diferentes quantidades de multiplicação de torque. Por exemplo, a transmissão automática Buick Dynaflow era um projeto sem mudanças e, em condições normais, dependia exclusivamente do conversor para multiplicar o torque. O Dynaflow usou um conversor de cinco elementos para produzir a ampla gama de multiplicação de torque necessária para impulsionar um veículo pesado.

Embora não seja estritamente parte do design clássico do conversor de torque, muitos conversores automotivos incluem uma embreagem de travamento para melhorar a eficiência da transmissão de potência de cruzeiro e reduzir o calor. A aplicação da embreagem trava a turbina ao rotor, fazendo com que toda a transmissão de força seja mecânica, eliminando assim as perdas associadas ao acionamento por fluido.

Fases operacionais

Um conversor de torque tem três estágios de operação:

  • Stall . O motor principal está aplicando energia ao impulsor, mas a turbina não pode girar. Por exemplo, em um automóvel, esse estágio de operação ocorreria quando o motorista colocasse a transmissão engatada, mas evitasse que o veículo se movesse continuando a aplicar os freios . No estol, o conversor de torque pode produzir multiplicação de torque máximo se energia de entrada suficiente for aplicada (a multiplicação resultante é chamada de relação de estol ). A fase de estol na verdade dura por um breve período quando a carga (por exemplo, o veículo) inicialmente começa a se mover, pois haverá uma diferença muito grande entre a velocidade da bomba e da turbina.
  • Aceleração . A carga está acelerando, mas ainda há uma diferença relativamente grande entre a velocidade do impulsor e da turbina. Sob essa condição, o conversor produzirá multiplicação de torque menor do que o que poderia ser alcançado em condições de estol. A quantidade de multiplicação dependerá da diferença real entre a velocidade da bomba e da turbina, bem como de vários outros fatores de projeto.
  • Acoplamento . A turbina atingiu aproximadamente 90 por cento da velocidade do impulsor. A multiplicação de torque essencialmente cessou e o conversor de torque está se comportando de maneira semelhante a um acoplamento de fluido simples. Em aplicações automotivas modernas , geralmente é nesta fase da operação que a embreagem de travamento é aplicada, um procedimento que tende a melhorar a eficiência do combustível .

A chave para a capacidade do conversor de torque de multiplicar o torque está no estator. No projeto de acoplamento de fluido clássico , os períodos de alto deslizamento fazem com que o fluxo de fluido que retorna da turbina para o impulsor se oponha à direção de rotação do impulsor, levando a uma perda significativa de eficiência e à geração de considerável desperdício de calor . Na mesma condição em um conversor de torque, o fluido de retorno será redirecionado pelo estator de forma que auxilie na rotação do rotor, ao invés de impedi-lo. O resultado é que grande parte da energia no fluido de retorno é recuperada e adicionada à energia aplicada ao impulsor pelo motor principal. Esta ação provoca um aumento substancial na massa do fluido sendo direcionado para a turbina, produzindo um aumento no torque de saída. Uma vez que o fluido de retorno está viajando inicialmente em uma direção oposta à rotação do impulsor, o estator tentará da mesma forma girar em sentido contrário à medida que força o fluido a mudar de direção, um efeito que é evitado pela embreagem do estator unidirecional .

Ao contrário das lâminas radialmente retas usadas em um acoplamento de fluido simples, a turbina e o estator de um conversor de torque usam lâminas angulares e curvas. O formato da lâmina do estator é o que altera a trajetória do fluido, obrigando-o a coincidir com a rotação do rotor. A curva de correspondência das pás da turbina ajuda a direcionar corretamente o fluido de retorno para o estator, para que este possa fazer seu trabalho. A forma das lâminas é importante, pois pequenas variações podem resultar em alterações significativas no desempenho do conversor.

Durante as fases de estol e aceleração, nas quais ocorre a multiplicação do torque, o estator permanece estacionário devido à ação de sua embreagem unidirecional. No entanto, conforme o conversor de torque se aproxima da fase de acoplamento, a energia e o volume do fluido que retorna da turbina diminuirão gradualmente, fazendo com que a pressão no estator diminua da mesma forma. Uma vez na fase de acoplamento, o fluido de retorno inverterá a direção e agora girará na direção do impulsor e da turbina, um efeito que tentará girar para frente o estator. Neste ponto, a embreagem do estator será liberada e o impulsor, a turbina e o estator irão todos (mais ou menos) girar como uma unidade.

Inevitavelmente, parte da energia cinética do fluido será perdida devido ao atrito e turbulência, fazendo com que o conversor gere calor residual (dissipado em muitas aplicações pelo resfriamento com água). Este efeito, muitas vezes referido como perda de bombeamento, será mais pronunciado em ou perto das condições de estol. Em projetos modernos, a geometria da lâmina minimiza a velocidade do óleo em baixas velocidades do rotor, o que permite que a turbina fique parada por longos períodos com pouco risco de superaquecimento (como quando um veículo com transmissão automática é parado em um sinal de trânsito ou congestionado enquanto ainda engrenado).

Eficiência e multiplicação de torque

Um conversor de torque não pode atingir 100 por cento de eficiência de acoplamento. O conversor de torque de três elementos clássico tem uma curva de eficiência que se assemelha a ∩: eficiência zero no estol, geralmente aumentando a eficiência durante a fase de aceleração e baixa eficiência na fase de acoplamento. A perda de eficiência quando o conversor entra na fase de acoplamento é resultado da turbulência e da interferência do fluxo de fluido gerada pelo estator e, como mencionado anteriormente, é comumente superada pela montagem do estator em uma embreagem unidirecional.

Mesmo com o benefício da embreagem de estator unidirecional, um conversor não pode atingir o mesmo nível de eficiência na fase de acoplamento que um acoplamento de fluido de tamanho equivalente. Alguma perda se deve à presença do estator (mesmo girando como parte da montagem), pois sempre gera alguma turbulência de absorção de energia. A maior parte da perda, no entanto, é causada pelas lâminas curvas e angulares da turbina, que não absorvem energia cinética da massa de fluido, bem como lâminas radialmente retas. Visto que a geometria da pá da turbina é um fator crucial na capacidade do conversor de multiplicar o torque, as compensações entre a multiplicação do torque e a eficiência do acoplamento são inevitáveis. Em aplicações automotivas, onde melhorias constantes na economia de combustível foram exigidas pelas forças de mercado e decretos do governo, o uso quase universal de uma embreagem de travamento ajudou a eliminar o conversor da equação de eficiência durante a operação de cruzeiro.

A quantidade máxima de multiplicação de torque produzida por um conversor é altamente dependente do tamanho e da geometria da turbina e das lâminas do estator, e é gerada apenas quando o conversor está na fase de paralisação ou próximo a ela. As relações típicas de multiplicação de torque de estol variam de 1,8: 1 a 2,5: 1 para a maioria das aplicações automotivas (embora os designs de vários elementos, como os usados ​​no Buick Dynaflow e no Chevrolet Turboglide, possam produzir mais). Conversores especializados projetados para sistemas de transmissão de energia industrial, ferroviária ou marítima pesada são capazes de multiplicação de 5,0: 1. De modo geral, há uma compensação entre a multiplicação de torque máximo e a eficiência - conversores de alta taxa de perda tendem a ser relativamente ineficientes abaixo da velocidade de acoplamento, enquanto conversores de baixa taxa de perda tendem a fornecer multiplicação de torque menos possível.

As características do conversor de torque devem ser cuidadosamente combinadas com a curva de torque da fonte de alimentação e a aplicação pretendida. Mudar a geometria da lâmina do estator e / ou turbina mudará as características do torque-stall, bem como a eficiência geral da unidade. Por exemplo, as transmissões automáticas de corrida de arrancada costumam usar conversores modificados para produzir altas velocidades de estol para melhorar o torque off-the-line e para entrar na faixa de potência do motor mais rapidamente. Os veículos rodoviários geralmente usam conversores de torque mais baixos para limitar a produção de calor e fornecer uma sensação mais firme às características do veículo.

Uma característica do projeto, uma vez encontrada em algumas transmissões automáticas da General Motors , era o estator de passo variável, no qual o ângulo de ataque das lâminas podia ser variado em resposta às mudanças na velocidade e carga do motor. O efeito disso foi variar a quantidade de multiplicação de torque produzida pelo conversor. No ângulo de ataque normal, o estator fez com que o conversor produzisse uma quantidade moderada de multiplicação, mas com um nível de eficiência mais alto. Se o driver abruptamente abrisse o acelerador, uma válvula mudaria o passo do estator para um ângulo de ataque diferente, aumentando a multiplicação do torque em detrimento da eficiência.

Alguns conversores de torque usam vários estatores e / ou várias turbinas para fornecer uma gama mais ampla de multiplicação de torque. Esses conversores de elementos múltiplos são mais comuns em ambientes industriais do que em transmissões automotivas, mas também existiam aplicações automotivas, como o Triple Turbine Dynaflow da Buick e o Turboglide da Chevrolet . O Buick Dynaflow utilizou as características de multiplicação de torque de sua engrenagem planetária em conjunto com o conversor de torque para marcha baixa e contornou a primeira turbina, usando apenas a segunda turbina conforme a velocidade do veículo aumentava. A desvantagem inevitável com esse arranjo era a baixa eficiência e, eventualmente, essas transmissões foram descontinuadas em favor de unidades de três velocidades mais eficientes com um conversor de torque convencional de três elementos. Também foi descoberto que a eficiência do conversor de torque é máxima em velocidades muito baixas.

Conversores de torque de travamento

Conforme descrito acima, as perdas de impulso dentro do conversor de torque reduzem a eficiência e geram calor residual. Em aplicações automotivas modernas, esse problema é comumente evitado pelo uso de uma embreagem de travamento que liga fisicamente o impulsor e a turbina, transformando efetivamente o conversor em um acoplamento puramente mecânico. O resultado é sem derrapagem e virtualmente sem perda de potência.

A primeira aplicação automotiva do princípio de travamento foi a transmissão Ultramatic da Packard , introduzida em 1949, que travava o conversor em velocidades de cruzeiro, destravando quando o acelerador era acionado para aceleração rápida ou quando o veículo diminuía a velocidade. Esse recurso também estava presente em algumas transmissões Borg-Warner produzidas durante os anos 1950. Ele caiu em desuso nos anos subsequentes devido à sua complexidade e custo extras. No final da década de 1970, as embreagens de travamento começaram a reaparecer em resposta às demandas por economia de combustível aprimorada e agora são quase universais em aplicações automotivas.

Modos de capacidade e falha

Tal como acontece com um acoplamento de fluido básico, a capacidade de torque teórica de um conversor é proporcional a , onde é a densidade de massa do fluido (kg / m 3 ), é a velocidade do impulsor ( rpm ) e é o diâmetro (m). Na prática, a capacidade máxima de torque é limitada pelas características mecânicas dos materiais usados ​​nos componentes do conversor, bem como pela capacidade do conversor de dissipar calor (geralmente por meio de resfriamento a água). Como um auxílio à resistência, confiabilidade e economia de produção, a maioria das caixas de conversão automotiva são de construção soldada. As unidades industriais geralmente são montadas com caixas aparafusadas, uma característica do projeto que facilita o processo de inspeção e reparo, mas aumenta o custo de produção do conversor.

Em conversores comerciais de alto desempenho, de corrida e de serviço pesado, a bomba e a turbina podem ser ainda mais fortalecidas por um processo chamado brasagem de forno , em que o latão fundido é puxado em costuras e juntas para produzir uma ligação mais forte entre as lâminas, cubos e anel anular ( s). Como o processo de brasagem do forno cria um pequeno raio no ponto onde uma lâmina encontra um cubo ou anel anular, uma diminuição teórica na turbulência ocorrerá, resultando em um aumento correspondente na eficiência.

Sobrecarregar um conversor pode resultar em vários modos de falha, alguns deles potencialmente perigosos por natureza:

  • Superaquecimento : Níveis elevados contínuos de deslizamento podem sobrecarregar a capacidade do conversor de dissipar o calor, resultando em danos às vedações de elastômero que retêm fluido dentro do conversor. Isso fará com que a unidade vaze e, eventualmente, pare de funcionar devido à falta de fluido.
  • Emperramento da embreagem do estator : Os elementos internos e externos da embreagem unidirecional do estator ficam permanentemente travados juntos, evitando assim que o estator gire durante a fase de acoplamento. Na maioria das vezes, a apreensão é precipitada por carga severa e subsequente distorção dos componentes da embreagem. Eventualmente, ocorre irritação nas partes de acasalamento, o que desencadeia a convulsão. Um conversor com uma embreagem de estator emperrada exibirá eficiência muito baixa durante a fase de acoplamento e, em um veículo motorizado, o consumo de combustível aumentará drasticamente. O superaquecimento do conversor sob tais condições geralmente ocorrerá se a operação contínua for tentada.
  • Quebra da embreagem do estator : Uma aplicação muito abrupta de energia pode causar carga de choque na embreagem do estator, resultando em quebra. Se isso ocorrer, o estator girará livremente no sentido oposto ao da bomba e quase nenhuma transmissão de força ocorrerá. Em um automóvel, o efeito é semelhante a um caso grave de derrapagem da transmissão e o veículo é quase incapaz de se mover por sua própria força.
  • Deformação e fragmentação da lâmina : Se submetidas a carregamento abrupto ou aquecimento excessivo do conversor, as lâminas da bomba e / ou turbina podem ser deformadas, separadas de seus cubos e / ou anéis anulares, ou podem se quebrar em fragmentos. No mínimo, tal falha resultará em uma perda significativa de eficiência, produzindo sintomas semelhantes (embora menos pronunciados) aos que acompanham a falha da embreagem do estator. Em casos extremos, ocorrerá a destruição catastrófica do conversor.
  • Balonismo : Operação prolongada sob carga excessiva, aplicação muito abrupta de carga ou operação de um conversor de torque em RPM muito alta pode fazer com que a forma do invólucro do conversor seja fisicamente distorcida devido à pressão interna e / ou estresse imposto pela inércia. Em condições extremas, o balonamento fará com que o invólucro do conversor se rompa, resultando na dispersão violenta de óleo quente e fragmentos de metal em uma ampla área.

Fabricantes

Atual

Passado

Veja também

Referências

  1. ^ Acoplamentos e conversores hidrodinâmicos . Automotive Handbook (3ª ed.). Robert Bosch . 1993. p. 539. ISBN 0-8376-0330-7.
  2. ^ "Espacenet - Documento original" . Worldwide.espacenet.com. 07/03/1933 . Página visitada em 21/07/2014 .
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  4. ^ [1]

links externos