Tork Converter: ¿Qué reemplaza al embrague en los automáticos?

El convertidor de par es un elemento hidrodinámico de transmisión de potencia que sustituye al embrague mecánico en la caja automática clásica y se ubica entre el motor y la caja de cambios; con el vehículo detenido transmite el par sin golpear al motor y en la salida multiplica el par producido por el motor 1,8:1 a 2,5:1 en una proporción, y en marcha establece una conexión mecánica sin pérdidas mediante el embrague de bloqueo. En resumen, realiza las tres funciones del embrague en un solo cuerpo: separar, unir suavemente y aumentar el par cuando es necesario.

¿Qué Sustituye al Embrague y por Qué No es un Embrague Total?

En la caja manual, el conductor establece y corta la conexión entre el motor y la caja con el pedal del embrague. En la automática, esta labor no la realiza un conductor, sino que piense en una bolsa cerrada atornillada al motor (montada sobre el volante o el flexplate): el fluido en su interior transmite el movimiento rotacional que recibe del motor al eje de entrada de la caja. Este conjunto permite que un vehículo con una marcha engranada pueda detenerse con el motor apagado; mientras el motor sigue funcionando, la caja queda libremente desacoplada.

¿Y por qué un fluido en lugar de un embrague seco? Porque el embrague mecánico, mientras hay contacto, o está totalmente bloqueado o patina - y al patinar, las pastillas se calientan y se desgastan. En el embrague fluido no existe un punto de contacto; el deslizamiento es el entorno natural de funcionamiento del diseño y, además, absorbe naturalmente las vibraciones del motor. Es más, un simple embrague fluido solo transmite el par reduciéndolo un poco. Lo que distingue al convertidor de par es que, gracias al estator intermedio, puede aumentar el par cuando las revoluciones de salida son bajas; es decir, es un elemento que se ve obligado a comportarse como un reductor adaptativo cuando la velocidad de giro es baja.

Aquí reside también el secreto de que la automática controlada por computadora pueda tomar decisiones independientes del pedal del conductor: el convertidor ofrece una ventana de deslizamiento controlada y segura, algo que el embrague no puede lograr; la caja de cambios nunca se enfrenta a un choque mecánico inesperado.

Bomba, Turbina y Estator: ¿Cómo se Multiplica el Par?

El convertidor tiene tres componentes rotatorios/no rotatorios. La bomba (impulsor) está conectada al motor y funciona como una bomba centrífuga: al girar, lanza el fluido hacia afuera y, creando vacío en el centro, atrae nuevo fluido. El fluido lanzado choca contra los álabes curvos de la turbina, cambia de dirección y, al girar la turbina, transmite la potencia al eje de entrada de la caja de cambios.

La verdadera inteligencia está oculta en el tercer elemento. El fluido que sale de la turbina se mueve en sentido contrario a la rotación del motor; en un simple acoplamiento de fluido, esa energía de retorno se convierte únicamente en calor. El estator, se sitúa entre la bomba y la turbina y, redirigiendo ese fluido, alimenta la bomba con un ángulo óptimo. Así se recupera la energía del fluido de retorno y el par de salida se suma al par producido por el motor. Hablando en términos de equilibrio mecánico: el fluido que sale de la turbina aplica al estator, y a través del estator al cuerpo al que está fijado, un par en sentido contrario; esta diferencia se refleja directamente en el lado de salida como una ganancia de par.

Dos detalles son críticos desde el punto de vista de la ingeniería. El primero es la geometría de los álabes: en la turbina y el estator se utilizan álabes inclinados y curvos, y pequeñas variaciones en la geometría cambian el rendimiento de manera significativa. El segundo es el tamaño: las ecuaciones de movimiento del convertidor se basan en la ecuación de turbomáquinas de Euler, que se remonta al siglo XVIII, y como las propiedades dependen de la quinta potencia del radio, la capacidad de par es teóricamente proporcional a la densidad del fluido, al cuadrado de las revoluciones y a la quinta potencia del diámetro. Aumentar un poco el diámetro aumenta la capacidad mucho más.

También es importante que el estator no quede inactivo: el estator está montado sobre un acoplamiento unidireccional . Durante el arranque y la aceleración el fluido lo empuja desde atrás y el estator permanece fijo; al pasar a la fase de acoplamiento la presión del fluido disminuye y el estator comienza a girar libremente; su giro en sentido contrario es impedido por el acoplamiento unidireccional.

Tres Fases de Funcionamiento: Stall, Aceleración y Acoplamiento

La forma más clara de leer el comportamiento del convertidor es mediante tres fases. En la fase de stall (parada) , la marcha está engranada, los frenos sujetan el vehículo, la turbina no gira pero la bomba gira con el motor; con suficiente potencia de entrada se obtiene aquí la multiplicación máxima de par y a esta relación se le llama relación de stall. En aplicaciones automotrices el valor típico es de 1,8:1-2,5:1; en convertidores especiales para fines industriales, navales y de servicio pesado esta relación llega hasta 5,0:1. El efecto total de multiplicación en el stall puede ser sorprendente: una relación de transmisión de 2,46:1 combinada con una relación de stall de 2,2:1 envía a las ruedas, en la parada total, un multiplicador total de 5,41:1; al pasar a la fase de acoplamiento este número cae a 2,73:1.

En la fase de aceleración , a medida que aumenta la carga, la diferencia de revoluciones entre la bomba y la turbina todavía es grande; hay multiplicación de par, pero por debajo del valor de stall. En esta región domina el flujo de vórtice del fluido que se arremolina desde la bomba al estator y de ahí a la turbina; este es el régimen en el que la multiplicación de par juega su máximo.

A la fase de acoplamiento (coupling) se entra cuando la turbina alcanza aproximadamente el 90% de las revoluciones de la bomba: mientras la bomba da 10 vueltas, la turbina da 9, es decir, un deslizamiento de aproximadamente 1,11:1 es típico. En este punto la multiplicación de par termina en la práctica; el movimiento en espiral del fluido da paso al flujo rotacional, en el que dos álabes giran juntos. deja el estator en giro libre. Existe una compensación clara entre el multiplicador de par y la eficiencia: los conversores con alta velocidad de stall funcionan de manera menos eficiente cerca de las revoluciones de embrague. Quien busca rendimiento debe elegir un multiplicador alto, y quien busca economía, un carácter con menor deslizamiento.

Embrague de bloqueo: el segundo embrague que elimina el deslizamiento

La transmisión por fluido no tiene nada sobrenatural: el deslizamiento significa directamente pérdida de eficiencia y calor. El embrague de bloqueo (lock-up clutch) del interior del conversor existe precisamente por eso. En marcha, bloquea mecánicamente la turbina directamente al impulsor, transmitiendo toda la potencia por vía mecánica; la pérdida por fluido y la generación de calor desaparecen, las revoluciones bajan ligeramente y se establece una línea de potencia más directa hacia las ruedas.

Su historia es interesante. Su primera aplicación automotriz se remonta a la transmisión Packard Ultramatic en 1949 : el vehículo se bloqueaba al alcanzar la velocidad de crucero y se desbloqueaba al acelerar o al frenar. En los años 50 también se vio en algunas transmisiones de Borg-Warner, pero luego se abandonó por su costo y complejidad. A mediados de los años 70, cuando las prioridades se desplazaron hacia la eficiencia del combustible, la idea regresó; Chrysler presentó su versión moderna en 1978. En la literatura técnica, el uso generalizado de los conversores de bloqueo en la era moderna a veces se data en 1981; la diferencia se debe a que la primera aplicación y la adopción masiva corresponden a períodos distintos.

El debate actual gira en torno a la calibración: activar el bloqueo lo antes posible ahorra combustible en la conducción urbana, pero significa renunciar a la ventaja del multiplicador de par del conversor. En los vehículos de calle de alto rendimiento, el bloqueo generalmente no se posiciona como un accesorio de economía, sino como el elemento que asegura la viabilidad de un conversor potente en el uso diario. A medida que aumenta el número de marchas, la carga de multiplicación del conversor disminuye, por lo que en los automáticos modernos de 6 a 10 velocidades el bloqueo temprano y frecuente se ha vuelto estándar; en cambio, en los automáticos tradicionales el conversor permanece deliberadamente desbloqueado durante la mayor parte de la conducción - en las CVT, en cambio, está casi siempre bloqueado por encima de aproximadamente 8 km/h, porque allí el trabajo del multiplicador de par ya pertenece a la variador.

Efecto en el carácter de conducción y modos de fallo conocidos

El conversor es el héroe silencioso que define el carácter del automático. Proporciona suavidad al entrar en acción el embrague de bloqueo; en las fases desbloqueadas, absorbe a través del fluido las sacudidas del motor y las vibraciones de torsión. Pero esta capacidad de amortiguación no es infinita: las vibraciones de torsión en la línea de transmisión son la principal limitación de ingeniería que restringe un bloqueo demasiado temprano. El comportamiento de stick-slip que aparece cuando el embrague de bloqueo se agarra de golpe en lugar de deslizarse, puede propagar las vibraciones por toda la línea de transmisión - ese es el evento que deteriora la percepción de confort del conductor.

La queja más frecuente es la vibración del conversor (shudder): generalmente ~64-72 km/h banda, cuando el embrague se bloquea se siente una sacudida breve. En caso de bloqueo parcial se produce cuando el embrague trabaja agarrando en lugar de patinando; la pastilla de embrague desgastada y el ATF sucio/degradado son las principales causas y, en la mayoría de los casos, renovar el aceite de la transmisión resuelve el problema. Que la queja desaparezca al pisar el acelerador o tocar el freno es una pista típica: cuando el convertidor se abre, la zona de patinaje desaparece. En la práctica, la causa raíz de la mayoría de las averías del convertidor de bloqueo ni siquiera es el convertidor en sí; surge en el cuerpo de válvulas, en los controles electrónicos o en el solenoide de activación.

También hay modos de avería más graves:

• Sobrecalentamiento: Los intentos de salir balanceando hacia adelante y hacia atrás en nieve o barro mantienen el convertidor mucho tiempo en régimen de stall; la geometría moderna de los álabes minimiza la velocidad del fluido a bajas revoluciones, reduciendo este riesgo pero sin eliminarlo.
• Bloqueo del embrague del estator: Cuando el estator deja de girar libremente, el convertidor trabaja con un rendimiento muy bajo en la fase de embrague; un aumento serio del consumo de combustible es el síntoma clásico.
• Las aplicaciones repentinas de potencia (por ejemplo, eventos como el arranque en neutral) pueden romper el embrague unidireccional. Las aplicaciones repentinas de potencia (por ejemplo, eventos como el arranque en neutral) pueden romper el embrague unidireccional.

Breve historia: ¿Cómo estableció el convertidor el automático?

El ascenso del convertidor de par en el automovilismo se aceleró tras la Segunda Guerra Mundial, con la Hydra-Matic experiencia en vehículos militares. 1948 con Buick Dynaflow los acoplamientos hidráulicos comenzaron a ser reemplazados por convertidores de par; el Dynaflow era un diseño ambicioso que basaba completamente la multiplicación de par en su única marcha en un convertidor de cinco elementos. Lo siguió el 1949 Packard Ultramatic y el 1950 Chevrolet Powerglide : en estas transmisiones de dos velocidades, el convertidor asumía en gran medida la labor de multiplicar el par.

En los años 50 se alcanzó el equilibrio: los automáticos de tres velocidades de BorgWarner y los basados en el tren epicicloidal compuesto Simpson, como el Chrysler TorqueFlite, convirtieron al convertidor en un componente imprescindible de las transmisiones automáticas. Los experimentos con convertidores de múltiples elementos (Buick Triple Turbine Dynaflow, Chevrolet Turboglide) fueron abandonados por su bajo rendimiento; su lugar lo ocuparon conjuntos de transmisión de tres velocidades más convertidor de tres elementos. Un detalle interesante de GM de la época era el estator de ángulo variable: al pisar bruscamente el acelerador cambiaba el ángulo de ataque del estator, renunciando a rendimiento a cambio de aumentar la multiplicación de par: un ancestro mecánico de la filosofía actual de calibración adaptativa.

Preguntas frecuentes

¿Cómo multiplica el par el convertidor de par?

El fluido que sale de la turbina fluye en sentido contrario al giro del motor; el estator redirige ese fluido hacia el sentido de giro de la bomba, recuperando su energía. Así, al eje de salida llega un par mayor que el que produce el motor; en el arranque esta diferencia está entre 1,8:1 y 2,5:1.

¿Por qué los automáticos tienen un convertidor de par en lugar de un embrague?

Porque el convertidor convierte el deslizamiento en un modo de funcionamiento, no en una falla: permite que el vehículo permanezca detenido con la marcha seleccionada, absorbe las vibraciones, multiplica el par y realiza estas tres funciones de forma continua y segura sin intervención del conductor. El embrague mecánico de la caja manual solo hace una de ellas: conectar y desconectar la unión.

¿A qué se parece la vibración del convertidor?

Es una sacudida breve parecida a un leve desequilibrio de las ruedas, pero que solo se siente en una banda de velocidad determinada (generalmente 64-72 km/h) y en el momento del acoplamiento. Se acentúa con acelerador ligero y, en su mayoría, desaparece al aumentar la presión del acelerador; puede corregirse con un cambio de aceite.

Resumen: las tres funciones del convertidor en una sola frase

En la caja automática clásica, el convertidor de par cumple la función de separación del embrague mediante el fluido, la de aumento de par mediante el estator y la exigencia de eficiencia mediante el embrague de bloqueo. Este mecanismo, que multiplica el par hasta 2 veces en condición de stall, vive con un 10% de deslizamiento en fase de embrague y reduce el deslizamiento a cero al bloquear, es el único componente que reúne la comodidad y la economía del automático en un mismo cuerpo.

Fuentes

• Torque converter - Wikipedia
• Torque Converters: The Backbone of Modern Automotive Technology - Gears Magazine
• Understanding Torque Converters - Hot Rod
• Torque converter torque multiplication - Engineering Stack Exchange
• Torque converter clutch - x-engineer.org
• The Evolution of Lock-Up Torque Converters - Motor State
• What is Torque Converter Shudder? - Roadrunner Converters
• The torque converter can of worms - Transmission Digest
• Aggressive Torque Converter Clutch Slip Control (Otanez 2009) - JSTOR