Capitolul 1 Ciortan Cristian Alexandru [611248]

UPB Teză d e
doctorat Partea I. Stadiul actu al ……………………………
…………………………………………………………….. Prenume NUME
(NUME)

– 7 –
Confidential C
Capitolul 1. Elemente generale privind tipurile de transmisii
ale unui automobil

1.1. Date generale despre automobile

Automobilul reprezintă un vehicul rutier carosat și suspendat elastic pe cel puțin trei roți, folosind
mijloace proprii de propulsie pentru a se deplasa pe o cale rutieră sau chiar pe teren neamenajat.

Primul automobil datează din anul 1886, când Karl Benz a înregistrat patentul pentru un vehicul cu
motor cu combustie internă în orașul Manheim din Germania. Mai târziu, la un interval de 10 ani,
Henry Ford a inaugurat prima fabrică de produs automobile în serie din SUA.[F01]

Primul model care a pornit revoluția mașinilor pe patru roți a fost Ford Model T, dezvoltat la
comanda l ui Henry Ford. Producția acestui model a început în 1908 și până în 1927 au fost
asamblate peste 15 milioane de unități. Motorul acestui automobil a fost de 2.8 litri și 20 de cp, însă
prețul scăzut a fost cel mai mare atu.[F01]

1.2 Tipuri de automobile
1.2.1. Automobile cu propulsie

Automobilele cu propulsie folosesc puntea spate pentru a livra puterea motorului către roțile
acestuia. Pot exista două tipuri de automobile cu propulsie, și anume:

a) Automobile cu motorul în față și puntea motoare spate [R01] :

Componentele transmisiei unui
automobil cu propulsie sunt:

– Motor
– Cutie de viteze
– Ambreiaj
– Transmisie longitudinală
– Diferențial
– Arbori de transmisie
planeteri

Fig. 1.2.1 Componentele transmisiei unui automobil cu propulsie
b) Automobile cu motorul în spate și puntea motoare spate:

Transmisia unui automobil cu motorul în spate
și puntea motoare spate are aceleași componente
ca transmisia unui automobil cu motorul în față
și puntea motoare spate mai puțin transmisia
longitudinală.

Fig. 1.2.2. Punte motoare spate

UPB Teză d e
doctorat Partea I. Stadiul actu al ……………………………
…………………………………………………………….. Prenume NUME
(NUME)

– 8 –
Confidential C 1.2.2. Automobile cu tracțiune față [M01]

În perioada 1895 -1898, Graf & Stift au construit un automobil cu motorul montat în fața
vehiculului, dar acesta a rămas doar la stadiul de prototip. Acesta a fost practic, primul automobil cu
motorul poziționat în față și cu punte motoare față.

După 32 de ani de la primul prototip, BSA (Birmingham Small Arms Company) a produs primul
automobil de succes cu tracțiune față, care avea 3 roți. Producția a continuat până în anul 1936,
când au apărut primele modele sport și sedan -uri.

Primul automobil pe care producătorul din Franța, Citroen, a introdus tracțiunea față a fost modelul
Citroen 2CV 1948, unde motorul din aluminiu și răcit cu aer a fost poziționat în față și utiliza
arborii de transmisie planetari pentru a livra puterea motorului către roți .

Motorul poziționat transversal combinat cu tracțiune față a fost popularizat în anul 1959 de
producătorul de automobile Mini. Un alt concept de transmisie a fost folosit de Simca în anuls
1960, păstrând motorul și transmisia în linie montate transversal cu arbori planetari de lungimi
diferite.

Din 1990 până în prezent, majoritatea autovehiculelor cu tracțiune față folosesc motorul montat
transversal cu o cutie de viteze montată la capătul motorului livrând puterea către roțile din față cu
ajutorul arborilor de transmisie planetari.

Componentele transmisiei unui
autovehicul cu tracțiune față sunt
[W01] :

– Motor
– Cutie de viteze
– Ambreiaj
– Diferențial
– Arbori de transmisie
planetari

Fig. 1.2.3. Componentele transmisiei unui autovehicul cu tracțiune față
1.3. Arborele de transmisie planetar
1.3.1 Cuplajul

Cuplajul reprezintă legătura permanentă sau intermitentă dintre două elemente consecutive ale unei
transmisii și are drept scop transmiterea mișcării de rotație a momentului de torsiune, fără a
modifica legea de mișcare [D01] .

1- Arbore conducător
2- Arbore condus
3- Semicuplă conducătoare
4- Semicuplă condusă
5- Element de legătură
Fig. 1.3.1. Schema exemplificatoare a unui cuplaj [O01 ]

UPB Teză d e
doctorat Partea I. Stadiul actu al ……………………………
…………………………………………………………….. Prenume NUME
(NUME)

– 9 –
Confidential C Din modul de definire al cuplajerlor, rezultă funcția principală a acestora: transmiterea mișcării și a
momentului de torsiune. Marea diversitate a domeniilor de folosire a cuplajerlor a impus atașarea
acestora și a altor funcții suplimentare:

 Compensarea abaterilor de poziție ale elementelor legate prin cuplaj (axiale, radiale,
unghiulare sau combinate), datorate erorilor de execuție și/sau montaj;
 Protecția împotriva șocurilor și vibrațiilor;
 Întreruperea legă turii dintre cele două elemente;
 Limitarea sarcinii transmise;
 Limitarea turației;
 Limitarea sensului de transmitere al sarcinii;

Cuplajele se împart în trei mari categorii [C01]

A. Mecanice
Această categorie de cuplaje se împarte în două subramuri:

1. Permanente:
 Fixe
 Mobile
o Rigide
 Compensare axială
 Compensare radială
 Compensare unghiulară
 Compensare combinată
o Elastice
 Cu element elastic metalic
 Cu element elastic nemetalic
2. Intermitente
 Comandate
o Comandă mecanică
o Comandă hidrostatică
o Comandă pneumatică
 Limitate
o Limitatoare de sarcină
o Limitatoare de turație
o Limitatoare de sens
B. Hidraulice

Există două tipuri de cuplaje hidraulice:

1. Hidrostatice
2. Hidrodinamice

C. Electromagnetice

Condițiile pe care cuplajele trebuie să le îndeplinească sunt:

– Siguranță în funcționare;
– Dimensiuni de gabarit reduse
– Echilibrare statică și dinamică

UPB Teză d e
doctorat Partea I. Stadiul actu al ……………………………
…………………………………………………………….. Prenume NUME
(NUME)

– 10 –
Confidential C – Durabilitate ridicată

1.3.2. Obiectivele utilizării cuplajelor [C01 ]

 Cuplarea arborilor chiar în cazul existenței unor abateri de la coaxialitate (radiale,
unghiulare) sau în cazul existenței deplasărilor axiale;
 Modificarea frecvențelor proprii ale agregatului din care fac parte (cuplajele cu elemente
elastice);
 Micșorarea efectului solicitărilor dinamice prin înmagazinarea unei energii potențiale la
apariția supraîncărcărilor (cuplaje elastice);
 Cuplarea sau decuplarea arborilor în timpul mersului și sub sarcină (cuplaje intermitente).

1.3.3. Sarcina de calcul

În timpul funcționării, asupra elementelor cuplajelor acționează și alte sarcini suplimentare, cum ar
fi [C02 ]:

– Sarcinile de inerție, care apar în regimul nestaționar de funcționare a transmisiei echipată cu
cuplaj;
– Sarcinile de șoc și vibratorii, care apar atât în regim nestaționare, cât și în regim staționar de
funcționare;
– Sarcinile datorate deformării forțate a elementelor componente ale cuplajelor și a
elementelor sistemului de acționare, ca urmare a necoaxialității arborilor;
– Sarcinile datorate frecării reciproce a elementelor mobile ale cuplajelor.

Mărimile sarcinilor care acționează asupra cuplajelor depind de caracteristica motorului, regimul de
funcționare al elementului antrenat, influența cuplajului asupra momentului de inerție, rigidității și
comportării la vibrații a lanțului cinematic [D01 ].

Datorită faptului că nu se poate cunoaște cu exactitate vari ația momentului de torsiune pe întreaga
durată de funcționare, calculul cuplajelor se efectuează la un moment de torsiune de calcul, dat de
relația [D01]

Mtc = K sMtn,

în care Mt este momentul de torsiune, calculat în funcție de puterea motorului P și tur ația
corespunzătoare acesteia n, cu relația [D01]:

Mtn=9,55×106+𝑃[𝑘𝑤]
𝑛[𝑟𝑜𝑡
𝑚𝑖𝑛] [Nmm]

În care ks este un coeficient de siguranță, determinat experimental, și care depinde de tipul mașinii
motoare și al cuplajului, de tipul și regimul de funcționare al elementului antrenat și de importanța
transmisiei. Acest coeficient se exprimă sub forma unui produs de coeficienți parțiali, dați în
standarde sau cataloage de firmă.

Momentele nominale de torsiune M tn indicate în documentația tehnicp a firmelor producătoare de
cuplaje sau în standarde, corespund valorilor maxime care pot fi preluate de cuplaj, în regim static
de funcționare. În regim dinamic, cuplajul trebuie să preia și suprasarcinile care apar în timpul
demarajului, precum și șocurile care pot apărea în timpul funcționării sistemului echipat cu cuplaj.

UPB Teză d e
doctorat Partea I. Stadiul actu al ……………………………
…………………………………………………………….. Prenume NUME
(NUME)

– 11 –
Confidential C Cuplajele se aleg din standard sa u din cataloagele firmelor producătoare, în funcție de momentul de
torsiune nominal M tn respectând condiția [D01]

Mtn ≥ M tc

calculul acestora reducându -se la verificarea elementelor componente.

1.4. Transmisia

Transmisia de putere de la arborele planetar la roata automobilului trebuie să îndeplinească, pe
lângă condițiile de siguranță și echilibrare statică și dinamică, deasemenea condiții de compensare
ale necoaxialității dintre arborii transmisiei și să asigure transmiterea unui moment de torsiune cât
mai mare fără a modifica legea de mișcare, în vederea unei tracțiuni bune.

Având în vedere necoaxialitatea arborilor de intrare și de ieșire a i transmisiei este necesară o
articulație, constituită dintr -un cuplaj cu compensare unghiulară, pentru a putea fi realizată
transmisia de putere.

În funcționare roata își modifică permanent poziția față de poziția ei inițială, atât în regimul trecerii
peste obstacole, cât și în timpul bracării acesteia, astfel încât unghiul dintre cele două axe ale
arborilor își schimbă permanent planul.

1.5. Soluții constructive ale cuplajelor.

 Cuplaj cu articulație sferică
În Fig. 1.5.1. se prezintă soluția unui cuplaj cu articulație sferică, care permite compensarea
abaterilor unghi ulare. Arborele 1 este conectat cu manșonul rigid 2, prin știftul conic 6, în care este
poziționat transversal știftul cilindric 5. Fusul sferic 3 se poate roti relativ față de manșonu l 2 și
arborele 1. Momentul de torsiune se transmite datorită legăturii dintre fusul sferic 3 și știftul 5.
[R02 ]

Fig. 1.5.1. Cuplaj cu articulație sferică [X.X]

 Cuplaj cu articula ții elastice
Pentru sarcini reduse și abateri unghiulare mici, se pot utiliza cuplaje cu articulații elastice. În acest
mod, se realizează compensări pe orice direcție pe baza unui element elastic care poate fi metalic
sau n emetalic. Soluții pentru astfel de cuplaje sunt prezentate în Fig. 1.5.2. [R02]

UPB Teză d e
doctorat Partea I. Stadiul actu al ……………………………
…………………………………………………………….. Prenume NUME
(NUME)

– 12 –
Confidential C

Fig.1.5.2. Cuplaj cu articulații elastic [R02]

În varianta din Fig. 1.5.2. :

a) Legătura dintre arbori se d atorează manșpnului de cauciuc 3 fixat pe arbori prin bride.
b) Arborii 1 și 2 sunt legați prin pie sa cilindrică 5, lipită pe suprafețele frontale ale arborilor
c) Legătura dintre arbori se realizează prin arcul elicoidal 4. În acest caz, mișcarea de rotație
trebuie să se realizeze într -un singur sens, cel de înfășurare a arcului . [R02]

 Cuplaj cu membran ă
Acest tip de cuplaj cu membran ă este foarte răspândit . În Fig.1.5.3 . se prezintă o astfel de soluție.
Membrana 2, în general de formă inelară, se realizează din oțel aliat, bronz fosforos sau textolit și se
fixează rigid față de semicuplajele 1 și 3 . [R02]

Fig.1.5.3. Cuplaj cu membrană

 Cuplaj cardanic
Cuplajul cardanic din Fig. 1.5.4. se compune dintr -un element conducător 1, un element condu s 2 –
care au , în general, forma unor furci – și un element intermediar 3, de forma unei cruci. Acest cuplaj
este un mecanism heterocinetic, legătura dintre vitezele unghiulare ale elemen tului conducător și
elementul condus fiind în funcție de unghiul de rotire al elementului conducător și de unghiul dintre
axele celor doi arbori. [D02]

UPB Teză d e
doctorat Partea I. Stadiul actu al ……………………………
…………………………………………………………….. Prenume NUME
(NUME)

– 13 –
Confidential C

Fig.1.5.4. Cuplaj cardanic [ D02]

 Cuplaj unghiular -axial cu tr ipodă
Cuplajul unghiular cu tripodă din Fig. 1.5.5. este compus dintr -o semicuplă conducătoare, o tripodă,
trei galeți și un arbore de ieșire. Acest tip de cuplaj poate compensa abateri axiale de până la 10mm
și abateri unghiulare de peste 20 °.

Fig. 1.5.5. Cuplaj unghiular -axial cu tripod ă [L01]

 Cuplaj homocinetic cu bile
Cuplajul cu bile din Fig. 1.5.6. este compus dintr -un arbore de intrare 1, un element conducător 2 ,
aflat în angrenare directă cu arborele 1, bilele 3 care sunt prinse în colivia 5, elementul condus
format din 6 și 7 și arborele de ieșire 8. Mișcarea transmisă se poate efectua la unghiuri mar i
deoarece canalele în care stau bilele au formă sferic ă.

Fig. 1.5.6. Cuplaj homocinetic cu bile [ O02]

UPB Teză d e
doctorat Partea I. Stadiul actu al ……………………………
…………………………………………………………….. Prenume NUME
(NUME)

– 14 –
Confidential C 1.6. V ariante constructie de transmisie pentru automobile
1.6.1 Arbore planetar pentru roata din s tânga

Soluția constructivă optimă pentru conectarea arborelui planetar cu roata o reprezintă cuplajul
homocinetic cu bile, iar la montajul din partea cutiei de viteze , cuplajul unghiular -axial cu tripodă .
Arborele de transmisie planetar stânga este format din articulația de la cutia de viteze, arbore de
legătură și articulația de la roată.

Fig. 1.6.1. Soluție constructivă a arborelui planetar pentru roata din stânga [ E02]

Articulația de la roată este de tip articulație sferică cu bile. Acest tip de articulații permit mișcarea
de rotație a roților pentru viraje și pot fi diferite în funcție de :

– Numărul de caneluri folosite
– Modalitatea de blocare axială – cu filet exterior sau interior
– Dimensiune : cu 6 sau 8 bile

Fig. 1.6.2. Articulație sferică cu bile [D03]

UPB Teză d e
doctorat Partea I. Stadiul actu al ……………………………
…………………………………………………………….. Prenume NUME
(NUME)

– 15 –
Confidential C 1.6.2 Arbore planetar pentru roata din dreapta

Arborele planetar pentru roata din dreapta poate fi similar celui pentru roata din stânga fig 1.6.3. ,
singura diferență fiind lungimea, sau poate fi diferit prin adăugarea unei alte piese în ansamblu care
este prinsă pe blocul m otor fig.1.6. 5.

Fig. 1.6.3. Arbore planetar dreapta similar cu cel din stânga

Soluția constructivă prezentată în figura 1.6.3. nu este optimă, deoarece arborele de transmisie este
mult mai lung decât cel care face legătura între cutia de viteze si roat a din stânga. În acest caz apar
vibrații și zgomot la viteze mari, iar în cazul accelerațiilor puternice de pe loc autovehiculul are
tendița să vireze în partea dreaptă. Acest fenomen se numește ”torque steer” și apare din cauza
lungimilor diferite ale cel or doi arbori planetari.

A doua soluție, care este și cea optimă este prezentată în figura 1.6.4. :

Fig. 1.6.4. Arbore planetar pentru roata din dreapta

Acesta este alcătuit din :

1- Arbore de legătură cu diferențialul
2- Rulment
3- Cuplaj unghiular -axial cu tripodă
4- Arbore de legătură
5- Cuplaj homocinetic cu bile
Pentru ca această transmisie să funcționeze este necesar prezența suportului prezentat în figura
următoare :

UPB Teză d e
doctorat Partea I. Stadiul actu al ……………………………
…………………………………………………………….. Prenume NUME
(NUME)

– 16 –
Confidential C
Fig. 1.6.5. Suport arbore de legătură

Acest suport este prins pe blocul motor și asigură o rigiditate crescută, elimină vibrațiile la viteze
mari, iar efectul ”torque steer” este eliminat complet.

1.7. Procesul tehnologic pentru obținerea componentelor unui arbore de transmisie planetar.
1.7.1. Procesul tehnologic pentru obținerea articulaț iei sferice cu bile

1. Forjarea
Este procesul de fabricare ce implică modelarea metalului folosind forțe de compresiune localizate.
Forjarea este clasificată în funcție de temperatura la care este efectuată : „rece”, „caldă” sau
„fierbinte”.

Fig. 1.7.1. Operația de forjare [S01]
2. Frezarea
Frezarea este procesul de prelucrare a metalului prin tăiere rotativă neabraziă. Aceasta are loc în
interiorul articulației și se prelucrează canalele unde vor culisa bilele.

Frezarea se realizează în doi pași:

UPB Teză d e
doctorat Partea I. Stadiul actu al ……………………………
…………………………………………………………….. Prenume NUME
(NUME)

– 17 –
Confidential C a) Frezare de degroșare
b) Frezare de finisare

Fig. 1.7.2. Operația de frezare [S01]

3. Frezarea canelurilor
Canelurile se obțin cu ajutorul unei freze speciale, în funcție de mărimea acestora.

Fig. 1.7. 3. Frezarea canelurilor [B01],[D04]

4. Filetare
Următoare operație este filetarea. Există două tipuri de filetare în funcție de tipul aplicației și
anume:

UPB Teză d e
doctorat Partea I. Stadiul actu al ……………………………
…………………………………………………………….. Prenume NUME
(NUME)

– 18 –
Confidential C – Filetare exterioară
– Filetare interioară

Fig. 1.7.4. Tipuri de filete [D04], [F02]

5. Spălare
Operația de spălare este necesară pentru îndepărtarea impurităților și a lichidelor de la operațiile
anterioare. Spălarea pieselor este esențială, deoarece până și straturile moleculare de ulei pot afecta
tratamentul termic.

Fig. 1.7.5. Spălarea pieselor

6. Tratamentul termic
Tratamentul termic se efectuează în urma trecerii unei frecvențe înalte de curent alternativ printr -o
bobină, pentru a induce încălzirea rapidă a suprafeței componentelor aflate în câmpul
electromagnetic. Adâncimea de întărire este contr olată de parametrii echipamentului de încălzire
prin inducție. [G01]
Încălzirea prin inducție este un proces de încălzire fără contact, care utilizează principiul de inducție
electromagnetică pentru a produce cășdură în stratul de suprafață al unei piese. [G01]

UPB Teză d e
doctorat Partea I. Stadiul actu al ……………………………
…………………………………………………………….. Prenume NUME
(NUME)

– 19 –
Confidential C
Fig. 1.7. 6. Tratament termic prin inducție [G01]