Proiectarea Cutiei de Viteze

Cap.4 Proiectarea cutiei de viteze

4.1 Schema de organizare a cutiei de viteze

Schema de organizare generală a transmisie automobilului este specificată prin temă, unde forma sa este 4×2 totul-față, iar prezentarea generală a grupului propulsor (motor-transmisie) se regăsește în figura 4.1.

Fig.4.1 Schema generală a grupului motor-transmisie

Pentru că este vorba despre o formă de organizare a grupului motor-transmisie totul-față, cutia de viteze va fi alcătuită din doi arbori ( primar (P) și secundar (S) ). Arborele primar (P) este cel care preia momentul motor prin intermediul ambreiajului, iar arborele secundar (S) are proprietatea de a transmite momentele, specifice fiecărei trepte din cutia de viteze, ansamblului diferențial.

Schema cinematică a cutiei de viteze se adoptă conform figuri 4.2, unde se regăsesc treptele 1…5 și treapta de mers înapoi.

Fig.4.2 Schema de organizare a cutiei de viteze

În tabelul 4.1 este prezentat modul de cuplare al roților dințate pentru a obține diferite trepte de viteze.

Un alt lucru important o reprezintă schema de acționare a fiecărei trepte din cutia de viteze, în figura 4.3 este prezentată schema adoptată, ea este cea mai des întâlnită în construcția de automobile.

Fig.4.3 Organizarea schimbătorului de viteze

4.2 Elementele constructive ale cutiei de viteze

4.2.1 Arborii

Arborele din cutia de viteze reprezintă elementul principal de susținere al angrenajelor (roți dințate) și a elementelor de cuplare (sincronizatoare). Lungimea lor este determinată de soluția constructivă aleasă,numărul de trepte, dimensiunilor elementelor de cuplare și de felul etanșărilor. La proiectarea trebuie să se țină cont de existența dilatărilor termice pentru ca jocurile sau prestrângerile din lagăre să fie optime la regimul normal de lucru. (Preda)

Arborele primar (P) din cutia de viteze cu angrenaje cu axe fixe este arborele condus pe care este montat ambreiajul. Partea dinspre motor este sprijinit direct în volant pe un lagăr de alunecare sau de rostogolire ce nu preia forțe axiale. (preda).

Arborele secunda (S) are de obicei complexitatea cea mai mare, acesta trebuie să fie suficient de rigid și îngrijit prelucrat deoarece pe el se montează elementele de cuplare și roțile dințate libere. Roțile dințate se sprijină pe arbore direct sau prin intermediul unor rulmenți cu ace. Elementele de cuplare sun montate pe arborele secundar și devin solidare cu acesta prin intermediul unor caneluri care pot avea profil drept sau în evolventă, figura 4.4.

Figura.4.4 Tipuri de caneluri utilizate la arborii cutiilor de viteze.

a – caneluri cu flancuri plan radiale;

b – caneluri cu flancuri plan paralele;

c – caneluri cu flancuri plane în stea;

d – caneluri cu flancuri evolventice;

Canelurile cu flancuri evolventice pot transmite cupluri, la aceleiași dimensiuni, mult mai mari față de cele radiale, paralele sau în stea.

Capetele arborilor care ies din carcasă, sunt etanșate cu manșete de rotație, pâslă, inele de etanșare sau canale labirint.

Arborii cutiilor de viteze sunt executați din oțeluri aliate cu conținut mediu de carbon (41MoC11, 40C10, 50VC11 – STAS791) cu o duritate medie după călire 56…60 HRC.(preda)

4.2.2 Angrenajele

Angrenajele cutiilor de viteze sunt supuse unor condiții grele de funcționare (eforturi mari la viteze periferice ridicate) și trebuie să aibă în același timp gabarit și greutate reduse. (preda). De asemenea trebuie să prezinte siguranță în funcționare, să aibă durabilitate ridicată (peste 200000 km), să funcționeze silențios, iar este cerințe sunt cel mai bine îndeplinite de către danturile în evolventă. (preda)

Roțile dințate pentru cutiile de viteze cu axe fixe sunt în general executate cu dantură înclinată, dantura dreaptă se folosește rar, mai mult pentru treapta de mers înapoi.(preda)

Materialele utilizate la realizarea roțile dințate sunt dintre cele mai bune, cu o mare rezistență la oboseală, care permit presiunii de contact si viteze periferice ridicate, asigurând în același timp o prelucrare ușoară și un tratament termic simplu (preda).

Materialele utilizate sunt: 17CNMo6, 18MC10, 21TMC12, 13CN15;

Deoarece forma constructivă a cutiei de viteze adoptată prevede roți dințate de tip monobloc, atât pentru arborele primar cât si pentru arborele secunda, se va adopta un singur material pentru executarea arborilor și roților dințate.

4.2.3 Mecanisme de cuplare a treptelor

În construcția cutiilor de viteze pentru automobile există mai multe posibilități de cuplare a treptelor. În figura 4.5 sunt prezentate câteva modalități de cuplare a treptelor.

Figura.4.5 Modalități de cuplare a treptelor din cutia de viteze.

a – cuplarea cu roată baladoare;

b, c, d, e – cuplare cu mufe simple de cuplare,cu dantura mufei de cuplare interioară, exterioară și frontală;

g – cuplare cu ambreiaj;

Soluția constructivă (fig.4.5.d) are răspândirea cea mai mare, această metodă fiind cea mai compactă.

Se va adopta pentru calculul de proiectare modelul de sincronizatoare cu inele de blocare, figura 4.6.

Figura.4.6 Sincronizatorul dublu cu inele de blocare

1 – roată dințată de angrenare;

2 – coroana dințată;

3 – rulmentul cu ace;

4 – inelul sincronizator interior;

5 – inel intermediar;

6 – inel sincronizator exterior;

7 – butuc manșon de cuplare sau corpul sincronizatorului;

8 – manșon sau mufă de cuplare;

9 –elementele de blocare a manșonului pe poziția neutră;

4.3 Calculul roților dințate

Angrenajele cutiilor de viteze sunt supuse unor condiții grele de funcționare (eforturi mari la viteze specifice ridicate) și trebuie să aibă în același timp gabarit și greutate cât mai reduse. De asemenea trebuie să prezinte siguranță în funcționare , să aibă durabilitate ridicată, să funcționeze silențios, fiind cât mai puțin pretențioase la abaterile de execuție si montaj. Toate aceste condiții sunt cel mai bine îndeplinite de dantura în evolventă.

În general roțile dințate utilizate la cutiile de viteze cu arbori cu axe fixe au dantură înclinată. Dantura dreaptă se folosește rar, pentru treapta de mers înapoi si mai rar pentru treapta întâi.

În cele ce urmează se vor realiza calcule ale angrenajelor cu roți dințate din cutia de viteze cu dantură înclinată.

Materiale utilizate la realizarea roților dințate sunt dintre cele mai bune, cu o mare rezistență la oboseală, care permit presiuni de contact și viteze periferice ridicate, asigurând în același timp o prelucrabilitate ușoară și un tratament termic simplu.

4.3.1 Distanța dintre axe

O mărime definitorie pentru cutia de viteze o reprezintă distanța reală dintre axe (aw). Considerând schema de organizare de ansamblu din figura 4.2 a unei cutii de viteze cu 2 arbori, distanța reală dintre axele arborilor primar și secundar se poate determina cu relația 4.1, aceasta fiind dependentă de momentul maxim primit de arborele primar:

unde:

– Mmax – este momentul maxim dezvoltat de motorul cu ardere internă în [daN]

Din stas xxx se adoptă valoarea distanței reale dintre axele arborilor aw=71 [mm]

Pentru corectitudinea valorii obținute cu relația 4.1, valoarea distantei reale dintre axele arborilor cutiei de viteze se va corela cu graficul din fig 4.5

Fig.4.5 Distanta dintre axe arborilor

Se poate observa că valoarea obținută cu relația 4.1 se regăsește pe graficul din figura 4.5

4.3.2 Determinarea modulului

În primă fază se va realiza calculul pentru obținerea momentului de torsiune (Ms) de la arborele secundar:

unde:

Mmax – este momentul maxim dezvoltat de motor în [Nm];

icv1 – este raportul de transmitere din prima treaptă;

ηcv – randamentul cutiei de viteze adoptat în capitolul 3;

Pentru determinarea modulului roților dințate (mm), se utilizează relația 4.3, iar rezultatul obținut se va corela cu monograma din figura 4.6 .

Rezultatul obținut cu relația 4.6 se va standardiza conform STAS XX , mm=2,5

Figura.4.6 Modulul normal

În monograma din figura 4.6 se poate observa că valoarea modulul determinat prin calcul, iar apoi standardizat, se regăsește între limitele impuse de literatura de specialitate.

4.3.3 Determinarea numerelor de dinți

La determinarea numărului de dinți trebuie să fie îndeplinite condițiile:

– alegerea diametrelor pentru pinioane să fie cât mai mici (număr minim de dinți) pentru a obține un schimbător de viteze cât mai compact.

– să se obțină valori ale rapoartelor reale cât mai apropiate, dar nu mai mici, față de cele obținute din capitolul de etajare.

Unghiul de înclinare (β) a danturii:

Unghiurile (β) de înclinare ale danturilor roților dințate se recomandă pentru cutiile de viteze pentru automobile să se încadreze între valorile 20ᵒ…35ᵒ. Pentru treptele inferioare se recomandă ca unghiul de înclinare (β) să se încadreze între valori 10ᵒ…20ᵒ , deoarece acestea asigură valori mai mari ale modulului frontal (mt), deci reprezintă o rezistenta la încovoiere sporită la suprasarcini în aceste trepte. Valorile adoptate pentru unghiul de înclinare sunt date în tabelul 42

Determinarea numărului de dinți:

Pentru roțile dințate ele cutiilor de viteze cu doi arbori, se utilizează următoarea relație de calcul pentru determinarea numerelor de dinți de pe arborele primar:

Pentru roțile dințate de pe arborele secundar se utilizează relația:

unde:

aw – reprezintă distanța reală dintre axele arborilor în [mm]

βk – este unghiul de înclinare profilului dintelui din treapta k de viteze în [grade]

mm – este modulul normal în [mm]

icv,k – raportul de transmitere din treapta k de viteze

Pentru treapta I din cutia de viteze, numărul dinților al roților dințate de pe arborele primar, respectiv secundar sunt:

– roata dințată de pe arborele primar

– roata dințată de pe arborele secundar

Literatura de specialitate recomandă ca numărul de dinți pentru roata dințată din prima treaptă de pe arborele primar să fie cat mai mic astfel încât sa se realizeze un gabarit al cutiei de viteze cât mai redus, numărul minim tehnologic al unei roți dințate este de 13 dinți.

Raportul real de transmitere:

Este necesară recalcularea rapoartelor de transmitere, deoarece din calcul nu se obțin valori întregi ale numerelor de dinți ele roților dințate aflate în angrenaje și necesită o rotunjire a valorilor.

Recalcularea unghiului de înclinare (β) a danturii

În tabelul 4.3 sunt specificate calculele pentru subcapitolul 4.2.3

4.3.4 Calculul elementelor geometrice

În vederea realizării calcului elementelor geometrice ale roților dințate sa întocmit tabelul de calcul (4.4) conform STAS 915-80

Tab. Calculul elementelor geometrice

Toate calculele sunt realizate cu ajutorul programului de calcul Mathcad-MathConnex, iar in figura 4.7 se regăsește forma de scriere in Mathcad, restul blocurilor de calcul, Mathcad-MathConnex se regăsesc in anexa XX .

Fig.4.7. a

Fig.4.7. b

Rezultatele obținute pentru calculul elementelor geometrice ele roților dințate sunt centralizate in tabelul XX.