Proiectarea Cutiei de Viteze Pentru Un Autoturism cu 5 Locuri Si Viteza Maxima de 140 Km

Politehnica

Proiectarea Cutiei de Viteze Pentru Un Autoturism cu 5 Locuri Si Viteza Maxima de 140 Km

Byadmin ianuarie 1, 2024

Proiectarea cutiei de viteze pentru un autoturism cu 5 locuri si viteza maximă de 140 km/h.

CUPRINS

Introducere

Capitolul I: Prezentarea noțiunilor generale

1.1.Rolul cutiilor de viteze

1.2.Clasificarea cutiilor de viteze

1.3.Cutii de viteze mecanice în trepte cu arbori cu axe fixe

1.4. Soluții constructive de cuplare a treptelor

1.5. Tipuri constructive de cutii de viteze mecanice în trepte cu arbori cu axe fixe

1.6. Sistemul de actionare a cutiilor de viteze mecanice in trepte cu arbori cu axe fixe

1.7. Dispozitivul de fixare a treptelor

1.8. Carterul cutiei de viteze

1.9. Concepte tehnologice

1.10. Ventilația carterului

1.11. Etanșarea carterului cutiei de viteze

1.12.Ungerea cutiei de viteze

1.13. Materiele utilizate la construcția cutiilor de viteze

Capitolul II : Caracteristica exterioară a motoarelor cu combustie internă

2.1 Caracteristica de turație exterioară

2.2. Studiul comparativ al autovehiculelor similare cu cel din tema de proiect

2.3. Determinarea raportului de transmitere al transmisiei principale

2.4 Etajarea treptelor cutiei de viteze

Capitolul III:Calculul cutiei de viteze

3.1. Alegerea schemei de organizare a cutiei de viteze

3.2.Calculul roțiilor dințate

3.3.Greutatea cutiei de viteze

3.4. Determinarea numărului de dinți în cazul unei cutii de viteze cu roți cu dinți înclinați

Capitolul IV:Calculul angrenajului

4.1. Date tehnice

4.2.Parametrii de bază ai angrenajului

4.3.Calculul danturii la încovoiere

4.4.Calculul la presiunea de contact

Capitolul V:Calculul arborilor cutiei de viteze

5.1.Determinarea schemei de încărcare a arborilor

5.2. Calculul arborilor la încovoiere și torsiune

5.3. Alegerea rulmenților

Capitolul VI:Defecțiuni ale cutiei de viteze

6.1. Defecțiuni generate de concepția constructivă

6.2. Defecțiuni generate de concepția tehnologică și de execuție

6.3. Defecțiuni cauzate de uzare

6.4. Defecțiuni cauzate de deformații și șocuri

6.5. Defecțiuni cauzate de mediul ambiant

6.6. Defecțiuni provocate de factorul uman

Bibiliografie

Anexe

Introducere

Automobilul este prezent în toate ramurile de activitate. Datorită vitezei și independenței pe care o permit, sunt cele mai bune mijloace de transport persoane și marfă. De-al lungul timpului automobilul a cucerit un loc însemnat în viața de zi cu zi a oamenilor, fiind astăzi un lucru foarte important, aproape de nelipsit.

Pentru punerea automobilului în mișcare, există diferite posibilități având în vedere că s-au inventat diferite motoare în acest scop. Așadar, un automobil poate fi dotat de motor cu ardere internă cu piston, de motor electric, de curent continuu, de motor cu turbină cu gaze, de motor cu abur și multe altele.

Dintre toate acestea motorul cu ardere internă a reușit să cucerească complet domeniul automobilelor, având multe avantaje: puterea specifică foarte mare pe unitate de greutate, puterea specifică foarte mare pe unitate de volum, consum specific de combustibil redus, construcție simplă și robustă și posibilitatea de a utiliza la fabricație materiale relativ simple și ieftine. Specificul acestor motoare cu ardere internă este că puterea maximă este dezvoltată la o turație foarte ridicată. Dacă ne gândim la pornirea automobilului, ne dăm seama ca acesta necesită o putere ridicată nu numai la viteze mari ci și la viteze mici si medii, la fel și în cazul cuplulului de antrenare a roților motoare, care trebuie mărit peste cuplul motorului ceea ce nu se poate realiza decât prin reducerea turației acestuia.

În consecința, putem spune că automobilele cu motor cu ardere internă au nevoie de un ansamblu care să permită schimbarea turației roților motoare în comparație cu turația motorului. Astfel ne dăm seama de faptul, ceea ce puțin știu, că fără existența unui ansamblu momentul maxim al motorului transmis direct roților motoare nu ar fi destul de mare ca să putem porni. Acest ansamblu format din roți dințate și arbori, care reduc turația după necesități, mărind în același timp cuplul transmis, se numește cutia de viteze. Cutia de viteze asigură ca turația motorului să fie transmisă roților, să putem manevra automobilul înapoi și să rezolvăm toate problemele ridicate de circulația pe diferite drumuri.

În această lucrare voi prezenta rolul, clasifiacarea, părțile componente, tipuri constructive de cutii de viteze, proiectarea angrenajului și arborelor, și materialele utilizate la construcția cutiilor de viteze, respectiv defectele care pot apărea în exploatare.

Capitolul I

Prezentarea noțiunilor generale

1.1. Rolul cutiilor de viteze

Așa cum am prezentat în introducere, automobilul necesită puteri mari și la viteze mici, care însă nu pot fi asigurate de motor datorită valorii relativ ridicate a turației minime stabile de funcționare a acestuia.

Așadar, automobilul este înzestrat cu cutie de viteză care permite schimbarea turației și momentul roților motoare în timpul mersului și asigura utilizarea integrală a puterii motorului la toate regimurile de funcționare.

Astfel cutia de viteze, îndeplinește funcția unui variator de cuplu și turație în transmisia autovehiculului, asigurând totodată posibilitatea mersului înapoi și funcționarea motorului la regim de mers încet, în gol, atunci când automobilul stă.

Din această cauză, automobilele prevăzute cu motoare cu ardere internă sunt înzestrate cu o cutie de viteze având rolul:

să permită modificarea forței de tracțiune în funcție de variația rezistențelor la înaintare;

să permită deplasarea automobilului cu viteze reduse ce nu pot fi asigurate de către motorul cu ardere internă, care are turația minimă stabilă relativ mare;

să permită mersul înapoi al automobilului fără a inversa sensul de rotație al motorului;

să realizeze întreruperea îndelungată a legăturii dintre motor și restul transmisiei, în cazul în care automobilul stă, cu motorul în funcțiune.

Cutiile de viteze trebuie să îndeplinească următoarele condiții:

să asigure automobilului cele mai bune calități dinamice și economice la o caracteristică exterioară dată a motorului;

acționare simplă și comodă;

funcționare silențioasă;

construcție simplă;

randament ridicat;

siguranță în funcționare;

fiabilitate ridicată;

greutate mică;

gabarit redus;

întreținere ușoară.

1.2. Clasificarea cutiilor de viteze

Cutiile de viteze utilizate la autovehicule se clasifică după modul de variație a raportului de transmitere și după modul de schimbare a treptelor de viteză.

După modul de variație a raportului de transmitere, cutiile de viteze pot fi:

în trepte (cu etaje) la care variația raportului de transmitere este discontinuă;

continue sau progresive, care asigură între anumite limite o variație continuă a raportului de transmitere;

combinate, care reprezintă o asociere între o cutie de viteze progresivă și una în trepte.

Cutiile de viteze în trepte se clasifică în funcție de poziția axelor arborilor și după numărul treptelor pentru mersul înainte.

După poziția axelor arborilor, în timpul funcționării, cutiile de viteze în trepte pot fi:

cu axe fixe (simple), la care arborii au axa geometrică fixă;

planetare, la care axele arborilor execută o mișcare de revoluție în jurul unui ax central.

După numărul treptelor de viteză, cutiile de viteze pot fi cu trei, patru, cinci sau mai multe trepte.

Cutiile de viteze fără trepte se clasifică după principiul de transformare a momentului în:

mecanice, de tipul cu fricțiune și cu impulsuri;

hidraulice, de tipul hidrodinamice sau hidrostatice;

electrice.

Cutiile de viteze combinate reprezintă în general o asociere între un hidrotransformator și o cutie de viteze în trepte, de obicei planetară.

După modul de schimbare a treptelor de viteză, cutiile de viteze pot fi:

cu acționare directă, la care schimbarea treptelor se face în general manual sau cu ajutorul unui servomecanism.;

cu acționare semiautomată, la care numărul de operații necesare la trecerea în treapta următoare se reduce (stabilirea treptei de viteză se face de către conducător, dar schimbarea se efectuează de către un servomecanism);

cu acționare automată, la care schimbarea treptelor se face în mod automat, în funcție de condițiile de mers, asigurând automobilului regimul optim de mișcare în ce privește calitățile dinamice sau economice.

1.3.Cutii de viteze mecanice în trepte cu arbori cu axe fixe

În prezent, cele mai răspândite la automobile sunt cutiile de viteze cu variația în trepte a raportului de transmitere, cu arbori cu axe fixe și cu acționare mecanică. Aceste cutii de viteze permit obținerea variației raportului de transmitere în limitele necesare pentru o construcție nu prea complicată, cu un randament ridicat și la un cost scăzut.

Părțile componente ale unei cutii de viteze sunt următoarele (fig 1.1.):

mecanismul reductor (cutia de viteze propriu-zisă) (1) ;

sistemul de acționare (2) ;

dispozitivul de fixare a treptelor (3) ;

dispozitivul de zăvorâre a treptelor (4) .

Fig.1.1. Mecanismul reductor ( 1-volantă , 2-placă de presiune , 3-arbore cotit , 4-tijă de acționare ambreiaj , 5- rulment de presiune , 6-pârghie )

Mecanismul reductor constituie partea principală a cutiei de viteze și servește la modificarea raportului de transmitere, respectiv a momentului motor. Se compune din doi sau trei arbori pe care se află montate mai multe perechi de roți dințate (cu ajutorul cărora se transmite mișcarea între arbori) și dintr-un carter. Dispozitivul de fixare nu permite trecerea dintr-o treaptă în alta sau în poziția neutră, decât la intervenția conducătorului, iar dispozitivul de zăvorâre nu permite cuplarea simultană a mai multor trepte.

Fig.1.2. Arborele de intrare al cutiei de viteze

Fig.1.3. Arborele de ieșire al cutiei de viteze

1.4. Soluții constructive de cuplare a treptelor

Cuplarea treptelor la cutiile de viteze se poate obține prin roți dințate cu deplasare axială, prin roți dințate cu angrenare permanentă și mufe de cuplare.

Cuplarea treptelor cu roți dințate cu angrenare permanentă și mufe de cuplare poate fi:

cu mufe de cuplare simple;

cu mufe de cuplare cu dispozitiv de sincronizare (sincronizatoare);

cu mufe de cuplare cu dispozitiv tip roată liberă.

1.4.1.Cuplarea treptelor prin roți dințate cu deplasare axială

Cuplarea treptelor prin roți dințate cu deplasare axială prezintă, din cauza vitezelor tangențiale diferite ale roților ce urmează să angreneze, următoarele dezavantaje:

uzură rapidă a dinților roților pe partea frontală și degradarea prematură;

zgomot și șocuri de cuplare;

dificultăți pentru conducător la schimbarea treptelor de viteze;

Soluția de cuplare a treptelor prin roți dințate cu deplasare axială se utilizează la treptele inferioare ale cutiilor de viteze de la autocamioane precum și pentru obținerea treptei de mers înapoi, datorită simplității și a costului redus.(Fig.1.4.)

Fig.1.4. .Cuplarea treptelor prin roți dințate cu deplasare axială

1.4.2.Cuplarea treptelor cu sincronizatoare

Sincronizatoarele sunt mecanisme cu ajutorul cărora se realizează egalizarea vitezelor unghiulare ale ers, asigurând automobilului regimul optim de mișcare în ce privește calitățile dinamice sau economice.

1.3.Cutii de viteze mecanice în trepte cu arbori cu axe fixe

În prezent, cele mai răspândite la automobile sunt cutiile de viteze cu variația în trepte a raportului de transmitere, cu arbori cu axe fixe și cu acționare mecanică. Aceste cutii de viteze permit obținerea variației raportului de transmitere în limitele necesare pentru o construcție nu prea complicată, cu un randament ridicat și la un cost scăzut.

Părțile componente ale unei cutii de viteze sunt următoarele (fig 1.1.):

mecanismul reductor (cutia de viteze propriu-zisă) (1) ;

sistemul de acționare (2) ;

dispozitivul de fixare a treptelor (3) ;

dispozitivul de zăvorâre a treptelor (4) .

Fig.1.1. Mecanismul reductor ( 1-volantă , 2-placă de presiune , 3-arbore cotit , 4-tijă de acționare ambreiaj , 5- rulment de presiune , 6-pârghie )

Mecanismul reductor constituie partea principală a cutiei de viteze și servește la modificarea raportului de transmitere, respectiv a momentului motor. Se compune din doi sau trei arbori pe care se află montate mai multe perechi de roți dințate (cu ajutorul cărora se transmite mișcarea între arbori) și dintr-un carter. Dispozitivul de fixare nu permite trecerea dintr-o treaptă în alta sau în poziția neutră, decât la intervenția conducătorului, iar dispozitivul de zăvorâre nu permite cuplarea simultană a mai multor trepte.

Fig.1.2. Arborele de intrare al cutiei de viteze

Fig.1.3. Arborele de ieșire al cutiei de viteze

1.4. Soluții constructive de cuplare a treptelor

Cuplarea treptelor la cutiile de viteze se poate obține prin roți dințate cu deplasare axială, prin roți dințate cu angrenare permanentă și mufe de cuplare.

Cuplarea treptelor cu roți dințate cu angrenare permanentă și mufe de cuplare poate fi:

cu mufe de cuplare simple;

cu mufe de cuplare cu dispozitiv de sincronizare (sincronizatoare);

cu mufe de cuplare cu dispozitiv tip roată liberă.

1.4.1.Cuplarea treptelor prin roți dințate cu deplasare axială

Cuplarea treptelor prin roți dințate cu deplasare axială prezintă, din cauza vitezelor tangențiale diferite ale roților ce urmează să angreneze, următoarele dezavantaje:

uzură rapidă a dinților roților pe partea frontală și degradarea prematură;

zgomot și șocuri de cuplare;

dificultăți pentru conducător la schimbarea treptelor de viteze;

Soluția de cuplare a treptelor prin roți dințate cu deplasare axială se utilizează la treptele inferioare ale cutiilor de viteze de la autocamioane precum și pentru obținerea treptei de mers înapoi, datorită simplității și a costului redus.(Fig.1.4.)

Fig.1.4. .Cuplarea treptelor prin roți dințate cu deplasare axială

1.4.2.Cuplarea treptelor cu sincronizatoare

Sincronizatoarele sunt mecanisme cu ajutorul cărora se realizează egalizarea vitezelor unghiulare ale arborelui și roții dințate înainte de solidarizarea la rotație a lor, permițând o schimbare rapidă și fără șoc a treptelor, indiferent de îndemânarea conducătorului.

Clasificarea sincronizatoarelor se face după forma suprafețelor de frecare și după principiul de funcționare.

După forma suprafețelor de frecare sincronizatoarele pot fi:

sincronizatoare cu conuri;

sincronizatoare cu discuri .

După principiul de funcționare sincronizatoarele pot fi:

sincronizatoare cu presiune constantă sau simple;

sincronizatoare cu inerție sau cu blocare.

Sincronizatorul conic cu inerție cu dantura de blocare este prezentat în Fig.1.4.2.

Fig.1.4.2. Sincronizator cu blocare cu con exterior (1-roată dințată, 2-inel sincron, 3-arc, 4-elemente de blocare, 5-butuc, 6-manșon)

Fig.1.4.3. Sistemul de blocare al sincronului (4-elemente de blocare, 5-butuc, 6-manșon)

Procesul de cuplare a treptelor cu sincronizatorul cu interție cuprinde trei etape, începând din momentul realizării contactului dintre suprafețele de frecare.

În prima etapă sub acțiunea momentului de frecare, se produce egalarea completă a vitezelor unghiulare ale arborelui și roții dințate a treptei care se cuplează.

În etapa a doua se produce deblocarea sincronizatorului prin revenirea pieselor dispozitivului de blocare în poziția inițială față de coroana dințată culisantă.

În etapa a treia are loc realizarea angrenării dintre dantura coroanei și dantura de cuplare a roții dințate corespunzătoare treptei dorite, realizându-se cuplarea propriu-zisă.

Fig.1.4.4. Inel sincron cu frânare triplă

1.5. Tipuri constructive de cutii de viteze mecanice în trepte cu arbori cu axe fixe

Cutiile de viteze cu arbori ficși se construiesc cu trei, patru, cinci sau șase trepte de viteze, considerate suficiente pentru a asigura calități dinamice economice corespunzătoare automobilelor cu destinație obișnuită. Cutiile de viteze cu arbori cu axe fixe pot avea doi sau trei arbori.

Fig.1.5.1. Cutie de viteze pentru autoturisme organizate după soluția clasică

Fig.1.5.2. Cutie de viteze pentru motoare așezate longitudinal

1.6. Sistemul de actionare a cutiilor de viteze mecanice in trepte cu arbori cu axe fixe

Sistemul de acționare a cutiei de viteze servește la cuplarea și decuplarea treptelor de viteze. Alegerea treptei de viteze, respectiv a raportului de transmitere, pentru diferite condiții de deplasare se poate face printr-un sistem manual, semiautomat sau automat.

Oricare ar fi tipul sistemului de acționare, acesta trebuie să îndeplinească următoarele condtiții:

construcție simplă;

siguranță în funcționare;

cost scăzut;

efort minim din partea conducătorului;

întreținere ușoară.

Fig.1.6.1. Mecanismul de acționare

1.7. Dispozitivul de fixare a treptelor

Dispozitivul de fixare a treptelor are rolul de a menține cutia de viteze într-o anumită treaptă, sau la punctul mort, atât timp cât nu intervine conducătorul auto. Rezultă, deci, că acest dispozitiv elimină posibilitatea decuplării sau cuplării de la sine a treptelor.

1.8. Carterul cutiei de viteze:

Carterul mecanismului cutiei de viteze reunește elementele ansamblului cutiei de viteze și le menține în poziția de funcționare; protejează organele interne de mediul exterior și conservă uleiul necesar ungerii și răcirii elementelor aflate în mișcare relativă; permite fixarea ansamblului transmisiei pe carterul motorului în cazul grupului motopropulsor compact; în cazul transmisiilor organizate după soluția totul față, înglobează mecanismele centrale ale punții motoare: transmisia principală și diferențialul.

Carterul cutiei de viteze trebuie să îndeplinească următoarele cerințe: să fie rigid și ușor, etanș, dar bine ventilat pentru a evita suprapresiunea internă la creșterea temperaturii în funcționare, puțin mai zgomotos prin evitarea amplificării vibrațiilor provenite de la angrenaje și de motor, să evacueze rapid căldura în timpul funcționării.

1.9. Concepte tehnologice:

Concepția carterului cutiei de viteze se face ținând seama de: satisfacerea rolului funcțional; tipul de organizare a echipamentului motopropulsor și poziția cutiei (longitudinală, transversală); seria de fabricație; posibilitățile tehnologice; derivatele opționale ale cutiei de bază (4×2 față, spate sau integrală). Deși carterul poate satisface poate diferite cerințe de fabricare, el poate fi necorespunzător din punct de vedere al zgomotului în funcționare. Aceasta se datorează în general vibrațiilor emise de angrenaje, vibrații care pot fi amplificate prin efectul de “membrană” al unora dintre părțile laterale ale carterului. Diminuarea zgomotului se face printr-o nervurare corespunzătoare a pereților ansamblului. În stare de proiect, carterul cutiei de viteze nu satisface decât rolurile principale enumerate. Tehnologia adoptată de constructor poate să-i confere în plus un raport de calitate/preț optim.

Complexitatea, forma și aspectul pieselor variază în funcție de: materialele utilizate (aluminiu sau fontă) procedeul de turnare a semifabricatelor.

Alegerea materialului depinde atât de aspecte funcționale – încărcare, zgomot, cât și de aspecte tehnologice – producția zilnică, procedeul de turnare și tehnologia de uzinare disponibilă etc. De regulă, în construcția unui carter al cutiei de viteze, datorită dificultăților de obținere a calităților suprafețelor la uzinare cu aceeași viteză de așchiere și modificării diferențiate a formei și dimensiunilor la creșterea temperaturii, se utilizează un singur tip de material.

Carterele cutiilor de viteze ale autoturismelor și autoutilitarelor ușoare se toarnă din aliaje de aluminiu. Compoziția chimică depinde de procedeul de turnare.

Astfel se utilizează aliajul:

– AS10U4 la turnarea sub presiune a pieselor de serie mare;

– AS9U4 la turnarea statică în cochilă metalică a pieselor de serie medie;

– AS5U3 la turnarea în formă de nisip a pieselor prototip și serie foarte mică.

1.10. Ventilația carterului:

Frecările dintre elementele aflate în mișcare relativă sporesc temperatura internă, ceea ce determină dilatarea aerului și creșterea presiunii; la valori mari creșterea presiunii poate deforma garniturile de etanșare, provocând pierderi de ulei. Temperatura poate urca până la și poate atinge chiar (la nivelul suprafețelor de frecare ale sincronizatoarelor).

Pentru a evita scurgerile de ulei, cutiile de viteze sunt echipate cu o supapă de aerisire, ce permite ieșirea sau intrarea aerului, dar oprește trecerea particulelor solide sau lichide. Amplasarea supapei se face în partea superioară a carterului, într-o zonă în care aceasta este protejată de stropii de ulei.

1.11. Etanșarea carterului cutiei de viteze

La asamblarea elementelor ce constituie cutia de viteze există două tipuri de etanșări:

etanșări între elementele statice (ce formează carterul cutiei de viteze);

etanșări între elementele cu mișcare relativă (arbori, axe și carter).

Tipul de etanșare între elementele statice depind de abaterile admise între componentele ansamblului.

În cazul preciziei mari necesare (ex.: semicartere) se utilizează o pastă de elastomer, ce formează un filtru etanș între microneregularitățile suprafețelor frezate aflate în contact.

În cazul etanșării capace/carter se utilizează garnituri din:

hârtie (ex.: carter ambreiaj/carter cutie de viteze la DACIA 1310);

elastomer de formă toroidală (ex.: capac treapta a V-a/carter cutie de viteze la DACIA Nova);

mastic de etanșare în cazul unor capace din tablă ambutisată.

Când este necesară etanșarea arborilor de transmisie intrare – ieșire sau a axelor de comandă se apelează la manșetele de etanșare cilindrice cu una sau cu două margini de etanșare.

Materialele utilizate în construcția acestora sunt dependente de regimul termic maxim al ansamblului cutiei de viteze:

nitril (900C);

poliacrilat () etc.

1.12.Ungerea cutiei de viteze

Ungerea componentelor cutiei de viteze este necesară pentru diminuarea pierderilor de energie prin frecare și a uzurii componentelor cutiei de viteze și pentru evacuarea căldurii. Modul în care se realizează ungerea în cutiile de viteze este dependent de poziția cutiei de viteze în raport cu motorul.

Ungerea mixtă, sub presiune-barbotare, se folosește în cazul cutiei de viteze montată sub motor, când ungerea este asigurată de uleiul motor și se efectuează mixt prin presiune și barbotare.

Ungerea prin barbotare se folosește în cazul cutiei de viteze independentă de motor, situația majorității automobilelor, când nu dispune de o pompă de ulei.

Pentru asigurarea ungerii, roțile dințate ale arborelui (arborilor) inferior sunt parțial imersate în ulei, asigurând în acest fel ungerea danturii aflate în contact. Centrifugarea uleiului provoacă o pulverizare a acestuia asupra tuturor organelor interne și proiectarea unei cantități pe pereții carterului. Acest contact cu carterul contribuie în mare parte la răcirea uleiului.

În plus, centrifugarea antrenează o circulație de ulei din centru către periferia pinioanelor. Pentru a valorifica acest fenomen, un alezaj practicat în interiorul arborilor permite aspirarea uleiului prin centrul arborelui, realizând astfel ungerea alezajelor roților libere.

Ungerea părților frontale ale pinioanelor libere se face frecvent prin practicarea unui canal circular excentric pe fața opusă mecanismului de cuplare, canal care asigură o circulație de ulei satisfăcătoare.

Nivelul uleiului în baia de ulei a cutiei de viteze este controlat frecvent prin poziționarea bușonului de umplere pe unul din pereții laterali la o înălțime precis determinată de constructor prin teste complexe.

La partea inferioară a carcasei se găsește un bușon de golire, care este prevăzut de cele mai multe ori cu un magnet ce colectează particulele metalice.

1.13. Materiele utilizate la construcția cutiilor de viteze

Roțile dințate se execută din oțeluri aliate. Pentru mărirea duratei de funcționare, roțile dințate sunt supuse unui tratament termochimic (cementare sau cianurare), urmat de tratamentul termic corespunzător. În cazul roților dințate care se cementează, se utilizează oțelurile aliate de tipul 15 CO 8,18 MC 10, 18 MoCN 13X, 21 MoMc 12X, 13 CN 30 X, 21 TMC 12 sau 28 TMC 12 (STAS 791-66). Pentru roțile dințate care se cianurează se folosesc, în general, oțelurile aliate cu Cr-Ni-Mo.

Arborii cutiei de viteze sunt executați, în general, din oțeluri aliate. Pentru arborii executați dintr-o bucată cu roțile dințate, se recomandă același material ca și roțile dințate, iar pentru ceilalți arbori, oțeluri aliate cu un conținut mediu de carbon, de tipul: 41 MoC 11X, 10,50 VC 11 etc.

Carterul cutiei de viteze este executat, de obicei, din fontă cenușie, nealiată de rezistență medie. Pentru reducerea greutății se utilizează și cartere din aliaje de aluminiu.

Capitolul II

Caracteristica exterioară a motoarelor cu combustie internă

2.1 Caracteristica de turație exterioară

În cazul în care sursa energetică a autovehiculului este un motor cu ardere internă cu piston, parametrii funcționali ai acestuia influențează în mod evident și parametrii dinamici ai autovehiculului.

Se numește caracteristică de turație a unui motor diagrama ce reprezintă curbele de variație ale puterii efective ’’Pe’’, momentului motor efectiv ’’Me’’, consumului orar de combustibil ’’Ch’’ și consumului specific efectiv de combustibil ’’ce’’, în funcție de turație, la o anumită sarcină constantă.

Determinarea exactă a caracteristicii de turație se poate face numai experimental după metode și în condiții standardizate.

Pe baza rezultatelor experimentale s-au creat modele matematice de trasare a caracteristicilor de turație exterioară utilizând parametrii generali ai motorului, indicați de constructor și de diverse relații matematice empirice.

În funcție de valoarea sarcinii motorului se definesc mai multe tipuri de caracteristici de turație și anume:

caracteristica de turație exterioară – reprezintă variația puterii maxime absolute a motorului la toată gama de turații, dezvoltată la sarcină totală și în condiții de reglaje optime ale motorului. Sarcina totală este atunci când obturatorul carburatorului este complet deschis sau cremaliera pompei de injecție este în poziția corespunzătoare debitului maxim. Reglajele optime se referă în principal la avansul, la declanșarea scânteii electrice sau la începerea injecției și la regimul termic al motorului;

caracteristica de turație la sarcină totală – se determină la sarcină totală, însă fără a mai fi necesare reglajele optime ale motorului;

caracteristica de turație la sarcini parțiale – se determină cu obturatorul carburatorului parțial deschis, sau cremaliera pompei de injecție într-o poziție intermediară;

caracteristica de turație la sarcină nulă sau caracteristica de mers în gol – corespunde poziției de mers în gol a obturatorului carburatorului sau cremalierei pompei de injecție. În acest caz se trasează numai variația consumului orar de combustibil în funcție de turație deoarece Pe = 0, Me = 0 și ce infinit.

Parametrii de funcționare ai motorului cu ardere internă cu piston sunt exprimați cu ajutorul caracteristicii de turație exterioară.

Prin caracteristica de turație exterioară, sau pe scurt caracteristica exterioară, se înțelege funcția de dependență a momentului motor și a puterii motorului față de viteza unghiulară de rotație a arborelui cotit la admisiune totală, reglajele motorului și temperatura de funcționare fiind cele optime.

Pentru motoarele a căror caracteristică nu este determinată experimental cum este cazul când se proiectează un motor nou, se folosește o exprimare analitică a caracteristici exterioare de forma:

P=P(n) (2.1.1)

M=M(n) (2.1.2)

2.2. Studiul comparativ al autovehiculelor similare cu cel din tema de proiect

Pentru realizarea proiectului este util să se studieze principalele caracteristici constructive ale unor modele similare. Cu ajutorul modelelor similare alese se pot observa elementele comune ale acestor autovehicule și valorile anumitor parametri, constituind o bază de plecare pentru proiectarea cutiei de viteze din tema de proiect.

Tabelul.2.2.1.Studiul Comparativ al autovehiculelor similar cu cel din tema de proiect

Pe baza studiului caracteristicilor autovehiculelor similare cu cel din tema de proiect se aleg următoarele date inițiale necesare calculelor ulterioare:

tipul motorului;

tipul cutiei de viteze;

valoarea coeficientului aerodinamic k;

valoarea ariei secțiunii transversale a autovehiculului: A = E x H (2.3)

tipul anvelopelor;

randamentul total al transmisiei autovehiculului.

Zona de funcționare a motorului sau se numește zona de funcționare stabilă sau de stabilitate, deoarece odată cu creșterea sarcinii și scăderea turației, momentul motor produs crește și se echilibrează momentele rezistente suplimentare.

Mărimea zonei de stabilitate este caracterizată prin coeficientul de elasticitate:

Variația momentului motor în zona de stabilitate este caracterizată prin coeficientul de adaptabilitate:

Turațiile, maxime și respectiv minime se calculează cu relațiile:

Valorile coeficienților depind de coeficienții de elasticitate și de adaptabilitate ai motorului și se obțin cu relațiile:

Puterea se calculează cu relația:

Momentul la putere maximă se calculează cu relația:

Curba momentului motor se aproximează cu o parabolă, iar formula cu care se poate determina este:

Cu ajutorul acestor formule se obține variația momentului și a puterii în funcție de

turația motorului.

Figura.2.2.1 Diagrama moment, putere, în funcție de turație

Tabelul.2.2.2.Variația puterii și a momentului în funcție de turația motorului

2.3. Determinarea raportului de transmitere al transmisiei principale

Pentru determinarea raportului de transmitere al transmisiei principale se utilizează ecuația de bilanț al puterii la roțile motoare ale autovehicului pentru ultima treaptă a cutiei de viteze (notată în acest caz cu k) a cărei formă generală este:

Pr = Prul + Pp + Pa + Pd, [kW] (2.3.1)

unde: Pr – puterea la roțile motoare (primită de la motor);

Prul – puterea necesară învingerii rezistenței la rulare;

Pp – puterea necesară învingerii rezistenței la urcarea pantei;

Pa – puterea necesară învingerii rezistenței aerului;

Pd – puterea necesară învingerii rezistenței la accelerare (demarare)

La deplasarea cu viteză constantă, mai mică decât viteza maximă posibil a fi dezvoltată în treapta respectivă, nu este utilizată întreaga putere de care dispune motorul, el funcționând la o sarcină parțială. Diferența de la punctul d la punctul e reprezintă „rezerva de putere” de care dispune motorul și care poate fi utilizată fie pentru accelerarea autovehiculului fie pentru învingerea amplificării unei alte rezistențe (de exemplu pentru urcarea unei pante mai accentuate). În această situație, este comandată trecerea la funcționarea motorului la o sarcină mai mare, până la sarcina totală, dacă este necesar.

Punctul f, de intersectare a curbei puterii la roată cu curba rezistențelor la înaintare reprezintă regimul la care puterea motorului este utilizată în întregime pentru învingerea rezistențelor la rulare, la pantă și a aerului, nemairămânând disponibilă putere pentru accelerare. Deci, punctul f corespunde vitezei maxime ce poate fi dezvoltată pe drumul respectiv în treapta de viteze utilizată.

Întrucât viteza maximă indicată de constructor se referă la deplasarea autovehicului pe drum orizontal în ultima treaptă a cutiei de viteze, rezultă că atât puterea necesară învingerii rezistenței la urcarea pantei, cât și puterea necesară învingerii rezistenței la accelerare vor fi nule.

În acest caz, bilanțul de puteri devine:

Pr = Prul + Pa [kW] (2.3.2)

unde : [kW] (2.3.3)

Pa= [kW] (2.3.4)

V= 0.377* [m/s] (2.3.5)

Conform studiului modelelor similare de autovehicule, pentru ultima treaptă a cutiei de viteze se adoptă valoarea raportului de transmitere icvk astfel:

icvk = 0,85 în cazul cutiilor cu doi arbori,

sau icvk = 1, în cazul cutiilor cu trei arbori.

Se aleg în continuare trei valori ale raportului de transmitere al transmisiei principale io, situate în intervalul rezultat prin studiul modelelor similare de autovehicule. Acestea trebuie să fie numere raționale deoarece sunt rezultatul raportului dintre numerele de dinți ai unor roți dințate. Pentru fiecare dintre aceste valori ale lui io se determină bilanțul de puteri la roată utilizând relațiile de mai sus. Rezultatele se centralizează în patru tabele de forma următoare:

Tabelul.2.3.1 Parametrii bilanțului puterilor pentru io = 4,1

Tab.2.3.2 Parametrii bilanțului puterilor pentru io = 4,3

Tab.2.3.3.Parametrii bilanțului puterilor pentru io = 4.5

Utilizând datele din tabelele 2.3.1, 2.3.2,si 2.3.3 se trasează o diagramă de bilanț a puterilor, Fig. 2.3.1, cu ajutorul căreia se fac interpretări comparative asupra caracteristicilor dinamice ale autovehiculelor, pentru cele patru cazuri considerate.

Valoarea raportului de transmitere al transmisiei principale influențează într-o măsură importantă caracteristicile dinamice ale autovehiculului, drept pentru care, pentru definitivarea lui se va proceda la o analiză a diagramei obținute. Dacă se constată că se poate alege o altă valoare pentru io, se va reface calculele și se va trasa o nouă curbă a puterii la roată corespunzătoare acesteia.

Se alege valoare lui i0 cea mai convenabilă, a stfel încât să se atingă viteza maximă impusă prin temă și să se obține o rezervă de putere suficientă pentru demaraj, fără a se depăși turația maximă admisă a motorului.

Fig. 2.3.1 – Bilanțul puterilor pentru diverse valori ale io

2.4 Etajarea treptelor cutiei de viteze

Etajarea cutiei de viteze se compune din următoarele etape :

determinarea raportului de transmitere al treptei întâi a cutiei de viteze;

determinarea rației de etajare;

stabilirea numărului de etaje;

calculul rapoartelor de transmitere pentru celelalte trepte de viteze.

Raportul de transmitere a treptei întâi se calculează din condiția ca autovehiculul să poată urca panta maximă impusă ca performanță prin tema de proiect sau recomandată de bibliografia de specialitate, pe baze statistice.

Fiind vorba de panta maximă, aceasta va fi urcată la turația motorului corespunzătoare momentului maxim. Neglijând rezistența aerului datorită vitezei mici și constante de deplasare raportul de transmitere al treptei întâi va fi:

icv1= 0.377* =3,527 (2.4.1)

unde: nM – turația corespunzătoare momentului maxim al motorului cu ardere internă

vcr1 – viteza critică a autovehiculului în trepta întâi (corespunzătoare nM)

vcr1 = =27,87 (2.4.2)

Ga – greutatea totală a autovehiculului

ψmax = f * cosαmax + sinαmax (2.4.3)

f – coeficientul rezistenței la rulare (0,20…0,25)

Pentru autovehiculele cu o singură punte motoare αmax = 17o…19o

Pentru autovehiculele cu mai multe punți motoare αmax = 28o…32o

În cazul în care se realizează și proiectarea de ansamblu a autovehiculului, valoarea icv1 se verifică cu condiția ca forța de tracțiune maximă să nu depășească valoarea aderenței roților motoare pe pantă.

FR ≤ Gm*φ (2.4.4)

unde: FR – forța de tracțiune la roțile motoare

Gm – greutatea pe puntea motoare în timpul urcării pantei

φ – coeficient de aderență (0,5…0,6)

O etapă importantă a proiectării cutiei de viteze pentru autovehicule o reprezintă determinarea rapoartelor de transmitere ale acesteia astfel încât calitațile constructive și funcționale ale autovehiculului să corespundă cerințelor impuse pentru exploatare.

La autovehiculele cu motoare cu ardere internă, din condiția ca motorul să funcționeze pe caracteristica exterioară în domeniul de stabilitate, rezultă că etajarea treptelor de viteze trebuie să fie făcută după o progresie geometrică cu rația:

r = = 0,7 (2.4.5)

unde: nM<n”<n’

Alegând valorile n”>≈ nM și n’< ≈nP se calculează valoarea rației de etajare a cutiei de viteze.

Cunoscând raportul de transmitere al treptei întâi și rația de etajare se calculează rapoartele de transmitere teoretice ale cutiei de viteze astfel:

icv2 = icv1/r, icv3 = icv2/r, icv4 = icvk-1/r = (2.4.6)

Valoarea icvk calculată astfel trebuie să fie aproximativ egală și mai mică decât cea adoptată în relația (2.3.5).

În cazul cutiilor cu doi arbori icvk calculat se majorează la valoarea adoptată în relația (2.3.5) pentru a nu se modifica performanțele dinamice stabilite privind viteza maximă.

Verificarea etajării cutiei de viteze se realizează prin construirea ”Diagramei fierăstrău”. Aceasta reprezintă variația vitezelor autovehiculului în funcție de turația arborelui cotit, pentru fiecare din treptele cutiei de viteze.

Datorită faptului că vitezele corespunzătoare sfârșitului demarării în fiecare treaptă sunt mai mari decât vitezele în treptele imediat superioare, se pot compensa pierderile de viteză ce apar în timpul schimbării treptelor. Dacă această condiție nu este îndeplinită atunci trebuie majorat numărul de trepte ale cutiei de viteze.

Tab.2.4.1. Variația vitezelor autovehiculului în funcție de turația arborelui cotit

Figura.2.4.1.Diagrama Fierăstrău

Capitolul III

Calculul cutiei de viteze

Cutiile de viteze actuale s-au diferențiat atât ca principiu de funcționare cât și ca mod de deservire. Din acest punct de vedere trebuie să se facă distincție între agregatul de lucru ca transformator de cuplu și dispozitivul sau sistemul de acționare prin care se alege regimul optim de funcționare al cutiei de viteze.

Calculul cutiei de viteze cuprinde:

alegerea schemei de organizare

calculul roților dințate

determinarea greutății

calculul arborilor

calculul pentru alegerea rulmenților.

3.1. Alegerea schemei de organizare a cutiei de viteze

Alegerea schemei de organizare se face pe baza rezultatelor obținute la calculul de tracțiune în cadrul căruia s-a efectuat etajarea cutiei de viteze. Cunoscându-se numărul de trepte, trebuie aleasă soluția de cuplare pentru fiecare treaptă, ținând seama de tipul automobilului pentru care se proiectează cutia de viteze. În prezent, sunt răspândite la autocamioane și autobuze cutiile de viteze care utilizează pentru treptele inferioare soluția cu roți dințate cu deplasre axială sau cu roți dințate permanent angrenate și mufe de cuplare, iar pentru treptele superioare soluția de cuplare a treptelor cu mufe de cuplare sau cu sincronizoare. La autoturismele moderne, după cum s-a arătat, se utilizează soluția cu sincronizatoare la toate treptele pentru mersul înainte.

În schema de organizare a cutiei de viteze (Figura. 3.1), la alegerea poziției roților dințate față la lagărele arborilor, este necesar să se adopte inițial, prin comparație cu realizări similare existente, următoarele elemente: lățimea roților dințate b, lățimea sincronizatoarelor , lățimea lagărelor B, distanțele dintre roțile dințate și jocul dintre roțile dințate j.

3.2.Calculul roțiilor dințate

3.2.1.Roțile dințate

Roțile dințate utilizate la cutiile de viteze au dantură înclinată, cu profil în evolventă. Roțile dințate cu dinți drepți sunt simple și ieftine dar funcționează zgomotos și se uzează rapid. Utilizarea lor este limitată de realizarea treptei de mers înapoi, când se folosesc angrenaje decuplabile cu roți baladoare.

Dantura înclinată se folosește întotdeauna când roțile dințate sunt în angrenare permanentă. Față de cele cu dinți drepți sunt mai rezistente, permit micșorarea distanței între axe, funcționează uniform și cu zgomot redus. Ca dezavantaje utilizarea danturii înclinate determină apariția forțelor axiale cu necesitatea preluării lor, iar în utilizarea angrenajelor permanente determină apariția reducerea randamentului, prin frecările suplimentare dintre roți și arbore, și lungimea cutiei, prin introducerea elementelor de cuplare. Unghiul de înclinare are valori cuprinse între 20…300, crescătoare de la prima spre ultima treaptă de viteză.

Profilul utilizat pentru dantură este profilul în evolventă, deoarece asigură sporirea capacității portante a danturii, permite corectarea danturii și realizează funcționarea fără zgomot. Toate angrenajele cutiei de viteze sunt corectate pe înălțime prin deplasarea profilului sculei în raport cu cercul de divizare al roții. În acest caz, înălțimea totală a dintelui rămâne neschimbată, schimbându-se numai raportul între înălțimea capului și a piciorului dintelui. În cazul angrenajului, deplasarea pozitivă a sculei se aplică roții dințate de diametru mai mic. În raport cu deplasarea normală, la care linia mediană a înălțimii profilului sculei este tangentă la cercul de divizare al roții, la dantura corectată scula este depărtată cu distanța m de cercul de divizare, spre exterior.

Coeficientul m, care exprimă raportul dintre deplasarea radială a liniei mediane a sculei și modulul danturii, se numește coeficient de deplasare specifică. Prin deplasare specifică pozitivă, la aceeași înălțime totală a dintelui, ca în cazul danturii normale, crește înălțimea capului dintelui; în schimb înălțimea piciorului dintelui se reduce. În consecință, razele cercurilor interioare și exterioare s-au mărit; dintele este flancat de alte porțiuni de evolventă, mai depărtate de cercul de bază, cu raze de curburi mai mari, respectiv cu formă mai plată. În felul acesta dintele a devenit mai robust la bază și mai îngust la periferie, iar grosimea dintelui măsurată pe cercul de divizare a devenit mai mare decât jumătatea pasului. Rezultă că la corijarea prin deplasarea pozitivă a sculei se obține un dinte mai rezistent.

La roata dințată cu diametrul mai mare se aplică deplasarea negativă a sculei, la care linia ei mediană se apropie de centrul roții rămânând distanțată cu m față de cercul de divizare. În acest caz rezultă un dinte mai gros la periferie, însă piciorul slăbit.

La roțile dințate ale treptelor superioare, unde rapoartele de transmitere sunt reduse și roțile au dimensiuni apropiate, se folosește uneori corectarea danturii prin modificarea unghiului de angrenare de la 200, la 170, 30’ sau la 140. Prin reducerea unghiului de angrenare , gradul de acoperire crește iar presiunea normală pe dinte scade.

În construcția cutiei de viteze, roțile dințate pot fi montate dependente de rotația arborelui, sau independente (libere) de aceasta. S-a arătat că roțile dependente pot fi executate împreună cu arborele, sau se montează pe arbori prin îmbinări demontabile sau nedemontabile.

Roțile dințate libere, care prin rigidizare cu arborele secundar formează diferitele trepte de viteză, se montează fie rezemate direct pe arbore, fie rezemate prin lagăre de alunecare, sau lagăre de rostogolire

.

În figura 3.2.1.a) se prezintă soluția de montare a roții libere direct pe canelurile arborelui intermediar. Pentru diminuarea frecărilor, zona de rezemare a roții pe arbore este unsă forțat de uleiul centrifugal din canalele din arbore la rotirea arborelui.

La soluția din figura 3.2.1.b), roata liberă se montează pe arborele intermediar prin lagăr de alunecare. Între roata dințată și arbore se introduce o bucșă de bronz, care înlătură fiecare dintre piesele de oțel.

În figura 3.2.1 c), roata liberă se montează pe arbore prin intermediul unui rulment cu ace într-o soluție constructivă asemănătoare cazului precedent. Ungerea lagărului este făcută printr-un sistem de canale practicat în roți.

Deoarece roțile libere participă la realizarea treptelor de viteză prin solidarizarea lor cu arborele de susținere prin intermediul mecanismelor de cuplare, roțile libere sunt prevăzute cu danturi de cuplare. În vederea unei cuplări ușoare, danturile de cuplare se execută cu module mici, astfel că la diametre de divizare reduse să se dispună de un număr cât mai mare de dinți.

Roțile dințate din cutiile de viteze se execută din oțel aliat, respectiv oțel aliat superior, la care se aplică diferite tratamente termice sau termochimice. Miezul dintelui trebuie să fie tenace, pentru a suporta sarcinile mari de șoc și suficient de rezistent la încovoiere, iar suprafețele de contact să fie dure, spre a rezista la uzură.

3.2.2. Calculul roțiilor dințate

Calculul roților dințate comportă: determinarea numărului de dinți și definitivarea rapoartelor de transmitere, calculul la încovoiere, calculul la presiunea de contact și calculul la oboseală.

Determinare numărului de dinți și definitivarea rapoartelor de transmitere ale cutiei de viteze. La determinarea numărului de dinți ai roților trebuie îndeplinite următoarele cerințe: realizarea, pe cât posibil, a rapoartelor de transmitere determinate la etajarea cutiei de viteze, având în vedere faptul că roțile dințate au un număr întreg de dinți; alegerea pentru pinioanele cu diametrele cele mai mici a numărului de dinți apropiat de numărul minim admisibil, pentri a rezulta o cutie de viteze cât mai compactă.

Distanța C dintre axele arborilor secundari (sau primari) și intermediari poate fi exprimată în funcție de razele roților dințate care se află în angrenare :

Dacă se ține seama de legătura dintre raza cercului de divizare , modulul m și numărul de dinți z al unei roți dințate (3.59) , pentru cazul roților cu dinți drepți, devine:

Sau dacă toate roțile au același modul m:

Calculul roților dințate se vor face conform tabelului 3.12-3.16, pag. 201-206,capitolul III, din “Calculul și Construcția Automobilelor” de conf.dr.ing.Gh. Frățilă.

În cazul roților cu dinți înclinați, relația pentru calcularea distanței axiale este:

, (3.2.2.4)

În care: sunt modulele normale ale perechiilor respective de roți dințate; – unghiurile de înclinare ale dinților perechilor de roți.

În cazul în care toate roțile au același modul normal m, relația (3.2.2.4) devine:

(3.2.2.5)

Distana C se definitivează la calculul roților dințate:

Se adoptă :

3.2.3.Distanțele dintre carter și roțile dințate și dintre roți:

În tabelul 3.2.3.1 sunt date valorile pentru B, j, b și , la trei tipuri de cutii de viteze.

unde:

– lățimea lagărelor;

– jocurile dintre roțile dințate și carter sau dintre roți;

– lățimea perechilor de roți dințate;

– lățimea sincronizatoarelor.

În tabelul de mai jos sunt prezentate date constructive pentru determinarea schemei de organizare a cutiei de viteze în mm (Tabel 3.2.3.1).

Tabelul 3.2.3.1

Se adoptă:

B=18 j1; j8=4 j4…..j7=4 b1,2…..b7,8=17 ls=40

Înlocuind În formulele 3.2.3.1-5,obținem:

3.3.Greutatea cutiei de viteze:

Se calculează cu formula:

unde: – – distanța dintre arbori;

– coeficient care ține seama de tipul cutiei de viteze.

Se recomandă:

pentru autoturisme:

– în cazul cutiei de viteze cu trei trepte;

– în cazul cutiei de viteze cu două trepte.

Se adoptă:

Observație:

În general, cutiile de viteze (împreună cu carterul ambreiajului) reprezintă 2 – 3 % din greutatea autoturismului și 2,5 – 5 % din greutatea autocamionului cu motorul nealimentat.

Înlocuind în formula (3.3.1), obținem:

3.4. Determinarea numărului de dinți în cazul unei cutii de viteze cu roți cu dinți înclinați.

Rezultatele experimentale au arătat că suma dințiilor roților trebuie să crească cu 2…3 unități de la stânga la dreapta pentru a realiza o descărcare de forțele axiale.

Deci, în acest caz,

Modulele roților dințate se determină în funcție de tipul automobilului și valoarea momentului maxim ce trebuie transmis utilizând tabelul 3.4.1. Adoptând din tabel diametrul pitch, modulului se determină cu relația m=25,4/DP.

3.4.1.Numărul de dinți pe treapta I:

În cazul cutiilor de viteze pentru automobile, unghiul variază între limitele pentru autoturisme și în cazul autocamioanelor și automobilelor de teren.

Se adoptă:

unde:

– modulul;

– diametrul pitch.

În tabelul de mai jos sunt recomandări pentru alegerea diametrului pitch (Tabel 3.4.1).

Pentru dantură înclinată, diametrul pitch este:

Înlocuind în formula 3.4.1.6, obținem: