Bazele Ingineriei Autovehiculelor Rutiere
1
Compunerea, organizarea generală și
dimensiunile principale ale autovehiculelor rutiere
Tema își propune următoarele: cunoașterea și identificarea subansamblurilor componente ale autovehiculelor, organizarea generală a acestora și cunoașterea rolului lor funcțional, cunoașterea și determinarea principalelor dimensiuni ale autovehiculului.
1.1. ELEMENTE TEORETICE
1.1.1.Compunerea și organizarea generală a autovehiculelor rutiere
Autovehiculul pe roți este alcătuit din mai multe ansambluri, subansambluri și mecanisme, care pot fi împărțite în următoarele grupe (fig.1.1):
motorul 1;
transmisia (ambreiajul 2, cutia de viteze 3, transmisia longitudinală 4, transmisia principală 5, diferențialul 6, arborii planetari 7);
sistemul de conducere (direcție 8 și frânare 9);
sistemul de susținere și propulsie (suspensia 10, cadrul 11, punțile 12 și roțile 13) ( sageata la pozitia 13 trebuie prelungita)
caroseria 14;
instalațiile auxiliare (elementele de pornire, semnalizare, control, ventilație, încălzire și alte dispozitive auxiliare).
În funcție de soluția constructivă, transmisia longitudinală poate exista sau nu în construcția autovehiculului.
Motorul, care constituie sursa energetică a autovehiculului, transformă energia chimică a combustibilului folosit în energie mecanică, necesară mișcării autovehiculului.
Grupul motor cuprinde mecanismul motor (mecanismul bielă-manivelă), mecanismul de distribuție și instalațiile auxiliare (instalația de alimentare, instalația de ungere, instalația de răcire, instalația de aprindere și instalația de pornire).
Transmisia servește la modificarea, transmiterea și distribuirea momentului motor la roțile motoare ale autovehiculului. Schema generală a transmisiei este determinată de numărul punților motoare, dispunerea motorului și de tipul transmisiei.
Motorul împreună cu transmisia și roțile motoare formează echipamentul de tracțiune al autovehiculelor pe roți.
Grupul sistemelor de conducere este format din sistemul de direcție și sistemul de frânare. Sistemul de direcție are rolul de a orienta roțile de direcție în funcție de felul traiectoriei mișcării autovehiculului și de a asigura acestuia o manevrabilitate bună. Sistemul de frânare asigură încetinirea sau oprirea autovehiculului din mers, evitarea accelerării la coborârea pantelor și imobilizarea autovehiculului oprit.
Fig.1.1. Compunerea și organizarea generală a unui autovehicul
Grupul sistemelor de susținere și propulsie, alcătuit din suspensie (arcuri, amortizoare, elemente de ghidare), cadru (când este ansamblu distinct), punți și roți, asigură susținerea elastică a masei autovehiculului pe sol și transformă mișcarea de rotație în mișcare de translație în vederea deplasării autovehiculului.
Caroseria reprezintă suprastructura autovehiculului și este construită și amenajată în funcție de tipul și destinația autovehiculului. La autovehiculele la care lipsește cadrul, rolul de susținere al acestuia este preluat de caroserie, care, în acest caz, se numește caroserie portantă.
Instalațiile auxiliare au rolul de a îmbunătăți confortul și productivitatea autovehiculului în exploatare și de a mări siguranța în circulație. Aici intră sistemul de pornire, instalația de semnalizare, instalația de încălzire și climatizare, ștergătoarele de parbriz.
1.1.2. Variante de organizare a autovehiculelor
Modul în care se amplasează motorul și puntea sau punțile motoare determină așa numita „soluție de tracțiune”. Fiecare constructor alege una sau mai multe soluții de tracțiune pentru modelele sale în funcție de destinația vehiculului produs.
Astfel există autovehicule 4×2 (4 este (prima cifra reprezintă) numărul roților iar 2 (a doua cifră reprezintă) este numărul roților motoare), 4×4, 6×4, 6×6, 8×4, 8×6, 8×8.
La majoritatea automobilelor sunt utilizate transmisii mecanice executate (realizate) după diferite scheme, în funcție de destinația autovehiculului, dispunerea motorului și a punții motoare. Transmisia autovehiculului se caracterizează prin formula roților, la care prima cifră indică numărul roților autovehiculului iar a doua – numărul roților motoare: 4×2; 4×4; 6×4; 6×6 (afirmatia se repetă mai sus !!). Transmisiile pot fi: mecanice, hidromecanice, hidrostatice, electrice și mixte.
În funcție de numărul roților motoare și nemotoare, autovehiculele pot fi realizate în diferite variante:
4×2 sau 4×4 (fig 1.2) – autovehicule cu două punți (prima cifră indică numărul total al roților și a doua numărul roților motoare(afirmatia se repetă mai sus !!).).
Fig.1.2. Autovehiculele cu două punți
Varianta 4×2 cu puntea motoare dispusă în spate (fig.1.2.c) se întâlnește la aproape toate tipurile de autovehicule, iar 4×2 cu puntea motoare în față (fig.1.2.b) este utilizată de regulă la autoturisme și mai rar la unele (autoutilitare) și autocamioane.
Varianta 4×4 (fig.1.2.a) se utilizează la majoritatea autocamioanelor (la unele autocamioane) și la autoturismele cu capacitate de trecere mărită (autoturisme de teren).
6×2, 6×4, 6×6 (fig.1.3) – autovehicule cu trei punți;
Fig.1.3. Autovehiculele cu trei punți
8×4, 8×8 (fig.1.4) – autovehicule cu patru punți.
Fig. 1.4. Autovehiculele cu patru punți
Variantele 6×2, 6×4, 6×6, 8×4, 8×8 (fig.1.3 și 1.4) se folosesc la autocamioane și tractoare.
În aceste figuri roțile motoare sunt reprezentate cu culoare mai închisă.
1.1.3.Cunoașterea și determinarea dimensiunilor autovehiculelor
Principalele dimensiuni care caracterizează construcția unui autovehicul sunt: dimensiunile principale, dimensiunile de organizare (cred ca ar putea lipsi dimensiunile de organizare), caracteristicile geometrice ale capacității de trecere la mersul rectiliniu, respectiv în viraj.
1.1.3.1.Dimensiunile principale se definesc în condiția de repaus a autovehiculului, planul său de sprijin este orizontal, roțile au direcția corespunzătoare mersului rectiliniu și presiunea interioară a aerului din pneu este cea indicată de fabricant.
În fig. 1.5 sunt prezentate principalele dimensiuni geometrice ale autovehiculului, conform STAS 6689/2-80.
Lungimea A, reprezintă distanța dintre două plane verticale, perpendiculare pe planul longitudinal de simetrie al autovehiculului și tangente la punctele extreme din față și din spate. Toate elementele din fața sau din spatele autovehiculului (cârlige de tracțiunee, bare de protecție) sunt incluse în aceste două plane.
Lățimea l, reprezintă distanța dintre două plane verticale și paralele cu planul longitudinal de simetrie, tangente la autovehicul, de o parte și de alta a sa. Toate organele laterale ale autovehiculului fixate rigid, cu excepția oglinzilor retrovizoare, sunt cuprinse între aceste două plane.
Fig. 1.5. Dimensiunile principale ale autovehiculului
Înălțimea autovehiculului, H, reprezintă distanța dintre planul său de sprijin și planul orizontal tangent la partea superioară a autovehiculului, fără încărcătură, cu pneurile umflate la presiunea indicată de producător.
Ampatamentul, L, reprezintă distanța dintre axele geometrice ale punților autovehiculului. În cazul autovehiculelor cu trei punți ampatamentul se definește ca distanța dintre axa punții față și jumătatea distanței celor două punți din spate. Ampatamentul autovehiculelor cu mai mult de trei punți se definește ca suma distanțelor consecutive dintre axele punților, începând cu puntea din față. La autovehiculele care tractează semiremorci ampatamentul se calculează cu suma dintre distanța de la axa punții față la axa pivotului de tracțiune și distanța dintre aceasta și planul vertical ce trece prin axa primei osii a semiremorcii.
Ecartamentul B, reprezintă distanța dintre planele mediane ale roților aceleiași punți. În cazul roților spate echipate cu roți duble, ecartamentul se definește ca fiind distanța dintre planele perpendiculare pe calea de rulare paralele cu planul de simetrie al autovehiculului, care trec la jumătatea distanței dintre roțile de pe aceeași parte a punții respective.
Consola față, l1, reprezintă distanța dintre două plane verticale transversale, care trec, respectiv, prin punctul extrem din față al autovehiculului și prin axa punții față (fig.1.5).
Consola spate, l2, reprezintă distanța dintre două plane verticale transversale, care trec, respectiv, prin punctul extrem din spate al autovehiculului și axa punții spate (fig.1.5).
1.1.3.2.Caracteristicile capacității de trecere ale
autovehiculelor la mersul rectiliniu
Capacitatea de trecere a unui autovehicul reprezintă capacitatea acestuia de a se putea deplasa pe drumuri neamenajate, în teren natural fără drum și de a putea trece peste obstacole de anumite mărimi. Capacitatea de trecere este diferită în funcție de tipul, construcția și destinația autovehiculului.
Această caracteristică nu este foarte importantă la autovehicule destinate circulației pe drumuri bune, cum sunt autoturismele de oraș, autobuzele urbane și interurbane, dar ea se impune la autoturismele utilitare și variantele lor, la autocamioane și chiar la autobuzele ușoare, care trebuie să circule și pe drumuri neamenajate.
Cea mai mare capacitate de trecere o au autovehiculele de construcție specială numite “tot-teren”, care pot circula atât pe drumuri neamenajate cât și în teren natural, fără drum, în condiții de ploaie, zăpadă, polei, etc., ca și autovehiculele speciale (militare sau care lucrează în exploatări miniere, petroliere, în condiții de șantier, etc.). Aceste autovehicule au o capacitate de trecere îmbunătățită și datorită tracțiunii integrale, care distribuie momentul motor la toate roțile autovehiculului.
Fig.1.6. Dimensiuni caracteristice pentru capacitate de trecere
Capacitatea de trecere se îmbunătățește prin folosirea transmisiilor la care, la schimbarea treptelor de viteze, nu se întrerupe fluxul de putere dintre motor și roțile motoare. Un autovehicul cu capacitatea de trecere mărită trebuie să permită depășirea obstacolelor fără riscul "suspendării" roților motoare și să asigure corelarea dintre forța de tracțiune maximă la roți și aderența acestora cu calea de rulare.
Caracteristicile geometrice ale autovehiculului, care caracterizează capacitatea de trecere (fig.1.6) sunt următoarele: lumina sau garda la sol – c, raza longitudinală de trecere – , raza transversală de trecere -, unghiurile de trecere din față – și din spate -.
Garda la sol – c reprezintă distanța, măsurată pe verticală, dintre partea cea mai de jos a șasiului autovehiculului complet încărcat și calea de rulare. Acest parametru reprezintă înălțimea maximă a obstacolelor care pot fi trecute de autovehiculul încărcat la sarcina nominală, fără să le atingă. Partea cea mai coborâtă a șasiului se găsește, de obicei, sub puntea din față sau sub carterul punții din spate, în dreptul transmisiei principale. La unele autovehicule, partea cea mai joasă poate fi baia de ulei a motorului (la unele autobuze la care motorul este amplasat la mijlocul autobuzului, sub podea.
Tabelul 1.1. Garda la sol la diferite categorii de automobile
Raza longitudinală de trecere () reprezintă raza suprafeței cilindrice convenționale, fig.1.6, tangentă la roțile din față, roțile din spate și la punctul cel mai coborât al autovehiculului, situat între punți. Raza longitudinală determină conturul proeminenței peste care poate să treacă autovehiculul, fără să o atingă cu punctele cele mai joase. Cu cât aceasta rază este mai mică cu atât capacitatea de trecere a autovehiculului este mai mare.
Tabelul 1.2. Valori ale razei longitudinale de trecere
Raza transversală de trecere () reprezintă raza suprafeței cilindrice convenționale, fig.1.6, tangentă la punctul cel mai coborât, din față sau din spate și la pneuri. Aceasta rază arată mărimea obstacolelor, în plan transversal, peste care poate trece autovehiculul. Valori mici ale razei transversale determină o capacitate mărită de trecere a autovehiculului.
Fig.1.7. Schema de calcul pentru raza longitudinală și transversală de trecere
Atunci când se cunoaște o parte dintr-o curbă și coarda corespunzătoare acesteia, fig.1.7, se poate determina, informativ, mărimea razei curbei respective cu relația:
(1.1)
Astfel în cazul calculului informativ al razei longitudinale de trecere înlocuind cota S cu ampatamentul autovehiculului (L) și cota H cu garda la sol (c) rezultă:
(1.2)
Asemănător în cazul calculului informativ al razei transversale de trecere se înlocuiește cota S cu ecartamentul autovehiculului (B) și cota H cu garda la sol (c):
(1.3)
Unghiurile de trecere – în față și – în spate sunt determinate de tangentele la pneul din față, respectiv din spate și partea cea mai din față, respectiv din spate a șasiului sau caroseriei, fig.1.6.
La circulația pe un drum accidentat și mai ales în situația în care autovehiculul urcă sau coboară unele denivelări întâlnite pe calea de rulare, este posibil să atingă drumul cu capătul din față sau cu cel din spate. Probabilitatea este cu atât mai mare cu cât unghiurile de trecere sunt mai mici și cu cât consolele sunt mai mari.
Tabelul 1.3. Unghiurile de trecere la diferite categorii de automobile
1.1.3.3. Caracteristicile capacității de trecere ale autovehiculelor la mersul în viraj
Virajul unui autovehicul este considerat corect dacă roțile directoare rulează fără alunecări laterale. Pentru aceasta este necesar ca toate roțile autovehiculului să descrie cercuri concentrice în jurul unui singur punct, numit centru instantaneu de viraj – CIR (punctul O din fig.1.8).
Fig.1.8. Razele de viraj ale autovehiculelor
În cazul automobilelor cu roțile directoare față centrul instantaneu de viraj este situat la intersecția dintre axa punții spate și axele roților directoare. Pentru aceasta trebuie ca roata de direcție interioară virajului să fie rotită cu un unghi de bracare mai mare decât unghiul de rotire a roții exterioare virajului (θi > θ e).
Cu ajutorul fig.1.8 se pot determina relațiile de calcul pentru raza exterioară Re, respectiv, pentru raza interioară Ri a virajului:
; (1.4)
în care "b" reprezintă distanța dintre axele pivoților în jurul cărora se virează roțile directoare.
Din relațiile (1.4) se observă că micșorarea razelor de viraj ale autovehiculului se obține prin mărirea unghiurilor de viraj ale roților de direcție. De aceea, la unele automobile, pentru a micșora razele de virare și pentru a crește capacitatea de trecere, se recurge la folosirea roților directoare la ambele punți, ceea ce permite reducerea la jumătate a razei de viraj, pentru același unghi de înclinare a roților. De asemenea, la unele autocamioane cu mai multe punți motoare primele două punți au roțile directoare. În același scop la autobuzele foarte lungi, roțile ultimei punți sunt directoare, ca și roțile punții față.
1.1.3.4.Capacitatea de încărcare și remorcare
Prin capacitatea de încărcare a unui autovehicul se înțelege numărul maxim de persoane sau cantitatea maximă de bunuri materiale care pot fi transportate de către acesta. Parametrul care definește capacitatea de încărcare este cunoscut și sub denumirea de greutate utilă – Gu pe care autovehiculul o poate transporta și este o caracteristică constructivă importantă.
Greutatea utilă Gu se precizează, de obicei, prin numărul de locuri, pe scaune și în picioare, la autovehiculele destinate transportului de persoane sau prin sarcina utilă transportată și numărul de locuri din cabină, la autovehiculele destinate transportului de bunuri materiale.
În conformitate cu STAS 6926/1-90, la determinarea greutății utile se vor considera următoarele:
– greutatea personalului de serviciu permanent la bord – 75 daN;
– greutatea unui pasager – 68 daN;
– greutatea bagajului pentru un pasager – 7 daN la autoturisme și autobuze urbane și 25 daN la autobuze turistice.
Greutatea proprie G0 este determinată de suma greutăților tuturor elementelor componente ale autovehiculului, atunci când acesta este alimentat cu combustibil, lubrifianți, lichid de răcire, roată de rezervă și trusă de scule, fără persoane la bord.
Greutatea utilă Gu împreună cu greutatea proprie a autovehiculului G0 formează greutatea totală Ga, între aceste mărimi existând relația:
, [N] (1.5)
unde: , [N]; (1.6)
, [N]; (1.7)
, [N]. (1.8)
în care , respectiv reprezintă masa totală, masa utilă respectiv masa proprie a autovehiculului, iar cifra 10 reprezintă accelerația gravitațională – 10 m/s2.
Masa totală a autovehiculului () face parte din parametrii generali ai acestuia și reprezintă suma dintre masa utilă () și masa proprie ().
= + , [kg] (1.9)
Masa utilă reprezintă o caracteristică constructivă esențială a autovehiculului, prin ea caracterizându-se posibilitățile de utilizare a acestuia. Masa utilă este determinată de capacitatea de încărcare a autovehiculului, prevăzută prin tema de proiectare sau adoptată funcție de tipul autovehiculului, în concordanță cu capacitatea de încărcare a tipurilor similare de autovehicule.
Masa proprie este o mărime ce caracterizează construcția autovehiculului și este determinată de suma maselor tuturor sistemelor și subsistemelor componente, când autovehiculul se află în stare de utilizare.
Pe baza acestor recomandări, greutatea utilă Gu se determină cu următoarele relații:
– pentru autovehiculele destinate transportului de bunuri:
, [N] (1.10)
unde: N – numărul de locuri în cabină;
ginc – greutatea încărcăturii transportate, [N].
– pentru autoturisme:
, [N] (1.11)
unde: N – numărul de locuri din autoturism;
gbs – masa bagajului suplimentar (dacă nu se precizează prin temă, se adoptă în limitele 50-200 daN);
– pentru autobuze urbane:
, [N] (1.12)
unde: N1 – numărul de locuri în picioare;
N2 – numărul de locuri pe scaune;
– pentru autobuze interurbane:
, [N] (1.13)
unde: N – numărul de locuri pe scaune;
– pentru autobuze turistice:
, [N]. (1.14)
Raportul dintre greutatea proprie Go și greutatea utilă Gu poartă numele de coeficient G de utilizare a greutății autovehiculului:
= (1.15)
Acest coeficient este important mai ales la autocamioane și autotrenuri. Constructorii acestor autovehicule acționează, pentru micșorarea coeficientului G , prin reducerea greutății proprii și prin transportarea unor greutăți utile cât mai mari, fără urmări negative asupra duratei de funcționare a autovehiculului.
Tabelul 1.4. Valori ale coeficientului G pentru diferite categorii de autovehicule
Greutatea totală Ga a autovehiculului se consideră aplicată în centrul de greutate, situat în planul vertical ce trece prin axa sa longitudinală, iar repartiția ei pe punțile din față, G1, și din spate, G2, se face în funcție de poziția centrului de greutate. Această poziție se apreciază, conform fig.1.9, prin coordonatele longitudinale a și b respectiv înălțimea hg.
Fig.1.9. Coordonatele centrului de greutate
Centrul de greutate al autovehiculului constituie un parametru important pentru definirea modului de distribuire a greutății totale Ga pe punți, pentru organizarea generală a autovehiculului și poziționarea tuturor elementelor sale componente.
Centrul de greutate există ca o rezultantă a tuturor centrelor de greutate ale fiecărui element constructiv al autovehiculului. El are o poziție variabilă în raport cu suprafața de sprijin a autovehiculului pe cale, poziție care depinde de dispunerea încărcăturii în raport cu axa longitudinală sau transversală a autovehiculului, de regimul de deplasare rectilinie sau în viraj, de regimul de accelerare sau de frânare.
În condiții statice centrul de greutate are o poziție bine determinată, care influențează greutatea ce revine fiecărei punți.
În planul longitudinal al autovehiculului, în fig.1.9, centrul de greutate este situat la înălțimea hG față de calea de rulare, iar față de punțile față și spate, se află amplasat la distanțele a, și respectiv b.
Cunoscând că suma greutăților care revin punților autovehiculului este egală cu greutatea totală Ga a acestuia, se poate scrie relația:
, [N]; (1.16)
în care:
G1 este greutatea care revine punții față în condiții statice, [N];
G2 este greutatea ce revine punții spate în condiții statice, [N].
Greutatea totală Ga este considerată concentrată în centrul de greutate al autovehiculului, iar repartizarea sa pe punțile acestuia depinde de coordonatele centrului de greutate prin relația:
(1.17)
Coordonatele centrului de greutate în funcție de ampatamentul autovehiculului se determină cu relațiile:
[m] (1.18)
[m] (1.19)
unde: L = a + b, [m] reprezintă ampatamentul autovehiculului și poate fi determinat prin măsurare directă.
Tabelul 1.5. Valori medii pentru parametrii centrului de masă al autovehiculului
Cunoscând greutatea care revine fiecărei punți a autovehiculului se poate determina greutatea pe fiecare roată GR în condiții statice, folosind relația:
, [N] (1.20)
unde: n reprezintă numărul de roți ale punții i.
Greutatea care revine unei roți constituie, alături de viteza maximă, unul dintre parametrii de alegere ai pneului care urmează să echipeze autovehiculul.
În fig.1.9 este reprezentat modul de determinare a greutății ce revine punții față. Asemănător se poate determina și componenta greutății autovehiculului ce revine punții spate.
În cazul în care autovehiculul tractează o remorcă la capacitatea sa de încărcare trebuie adăugată capacitatea de încărcare a remorcii
Fig.1.10. Repartiția greutății pe punți
În practică, repartizarea greutății pe punți și coordonatele centrului de greutate se determină prin cântărirea succesivă, întâi a autovehiculului în întregime (Ga), apoi partea ce revine punții din față (G1) și partea ce revine punții din spate (G2), ca în fig.1.10.
Greutatea admisă pe punte este limitată de distanța dintre punți și de calitatea drumului. În cazurile drumurilor cu îmbrăcăminte tare, greutatea admisă pe punte nu poate depăși 10 000 daN pentru punți situate la distanțe mai mici de 3m și 9000 daN pentru punțile care au între ele mai mult de 3m.
Determinarea înălțimii centrului de masă se face prin așezarea autovehiculului într-o poziție înclinată (fig.1.11) având roțile din față sau din spate pe platforma unui cântar.
Fig.1.11. Determinarea înălțimii centrului de masă
Dacă se consideră că s-a cântărit partea de greutate ce revine punții spate, G2’, se face suma momentelor forțelor în raport cu axa punții din față și se obține:
(1.21)
(1.22)
, [m] (1.23)
unde: – unghiul de înclinare al autovehiculului;
r – raza roții autovehiculului;
a – distanța dintre puntea din față și centrul de greutate al autovehiculului.
În tabelul 1.6 sunt date valori medii ale înălțimii centrului de greutate pentru diferite tipuri de autovehicule:
Tabelul 1.6. Valorile medii ale înălțimii centrului de greutate
1.2. PARTEA APLICATIVĂ ȘI DESFĂȘURAREA TEMEI:
Etapele desfășurării temei sunt:
Prezentarea compunerii generale a autovehiculelor pe roți: desen cu indicarea ansamblurilor componente;
Schemele cu variantele constructive de autovehicule funcție de numărul roților și respectiv al punților motoare;
Identificarea în laborator a elementelor componente ale autovehiculelor rutiere cu precizarea rolului funcțional al fiecăruia.
Tabelul cu dimensiunile generale măsurate pentru un număr de 10 autovehicule diferite.
Tabelul 1. Dimensiunile generale măsurate pentru diverse autovehicule
1.3. AUTOEVALUAREA CUNOȘTINȚELOR DOBÂNDITE
1. Definiți autovehiculul.
2. Reprezentați schema unui autovehicul și identificați ansamblurile respectiv subansamblurile componente ale acestuia.
3. Desenați schemele pentru variantele de dispunere a roților și respectiv punților motoare ale unui autovehicul în funcție de numărul acestora.
4. Definiți și reprezentați pe desen ampatamentul, ecartamentul și consola față/spate ale unui autovehicul.
5. Definiți capacitatea de încărcare a unui autovehicul și reprezentați pe desen dimensiunile care caracterizează capacitatea de trecere a unui autovehicul.
6. Definiți condițiile înscrierii corecte în viraj a unui autovehicul, fără ca să apară alunecări laterale ale roților directoare.
7. Ce puteți spune despre capacitatea de trecere a unui autovehicul care are raze de trecere de valori mari ? Dar despre un autovehicul cu raze de trecere de valori scăzute ? Definiți și reprezentați pe desen garda la sol și unghiurile de trecere ale autovehiculului.
8. Exemplificați grafic și explicați modul de determinare a coordonatelor centrului de greutate al autovehiculului: a, b, hg.
9. Pentru un autovehicul cunoscut (L, B, b) determinați dependența grafică dintre unghiul de virare al roții interioare i și raza interioară virajului Ri, respectiv dintre unghiul de virare al roții exterioare e și raza exterioară virajului Re (i = 0 – 450, e = 0 – 300).
10. Cunoscând următoarele date despre un autocamion: greutatea utilă este de 6650 daN; coeficientul de utilizare a greutății este 0,85; ampatamentul este de 5650 m; este prevăzut cu două punți, se cere să se calculeze:
repartizarea greutății totale a autocamionului pe punți și pe fiecare roată;
coordonatele orizontale ale centrului de masă ale autocamionului în raport cu puntea din față/spate.
11. Cunoscând următoarele date despre un autovehicul: masa proprie este de 1418 kg; masa utilă este de 1950 kg; ampatamentul este de 2,512 m; este prevăzut cu două punți; distanța pe orizontală dintre centrul de masă și osia din față a autovehiculului reprezintă 0,53 din valoarea ampatamentului, se cere să se calculeze:
repartizarea greutății totale a autovehiculului pe punți și pe fiecare roată;
coeficientul de utilizare a greutății autovehiculului;
distanța pe orizontală dintre centrul de masă și osia din spate a autovehiculului.
12. Considerând că într-un autoturism se află 4 pasageri, masa proprie a
autoturismului 1225 kg, ampatamentul 2580 m, iar distanța pe orizontală dintre centrul de masă și puntea din față a autoturismului reprezintă 0,49 din valoarea ampatamentului, se cere să se calculeze:
greutatea totală a autoturismului;
coeficientul de utilizare a greutății autoturismului;
repartizarea greutății totale pe punți și pe fiecare roată;
distanța pe orizontală dintre centrul de masă și puntea din spate a autoturismului.
13. Cunoscând următoarele date despre un autocamion: greutatea utilă este de 7100 daN; greutatea totală este de 16000 daN; ampatamentul este de 5,750 m; este prevăzut cu două punți, se cere să se calculeze:
a) coeficientul de utilizare a greutății;
b) coordonatele orizontale ale centrului de masă ale autocamionului, în raport cu puntea din față/spate.
2
Compunerea și organizarea transmisiilor
mecanice ale autovehiculelor rutiere
Tema își propune următoarele: cunoașterea soluțiilor constructive și a principiilor de funcționare a diferitelor transmisii mecanice ale autovehiculelor rutiere, identificarea subansamblelor acestora și cunoașterea rolului lor funcțional precum și a noțiunilor de bază pentru studiul acestora.
2.1. ELEMENTE TEORETICE
2.1.1. Rolul transmisiei in construcția autovehiculului
Pentru ca un autovehicul să se poată deplasa cu o anumită viteză Va, este nevoie de o anumită putere la roțile motoare PR și de o anumită mărime a forței la roțile motoare FR.
Transmisia autovehiculului are rolul să adapteze momentul motor dezvoltat de motorul autovehiculului, la momentul motor necesar pentru antrenarea roților motoare, astfel încât autovehiculul să poată învinge rezistențele la înaintare pe care le întâmpină. Totodată transmisia are rolul să asigure mersul înapoi al autovehiculului, fără să inverseze sensul de rotire al motorului și să întrerupă legãtura dintre motor și roțile motoare când este nevoie (la pornirea motorului și la schimbarea treptelor de viteze).
Rezistențele la înaintare ale autovehiculului sunt foarte diferite, ele depinzând de o multitudine de factori, cum sunt: viteza de deplasare, starea de încărcare, calitățile și geometria căii de rulare etc. Toate acestea conduc la modificarea rezistențelor la înaintare într-o plajă foarte largă de valori, rezistențe care trebuie învinse de forța de tracțiune dezvoltată la roțile motoare ale autovehiculului
Legătura ideală dintre aceste mărimi, a cărei exprimare grafică este prezentată în fig.2.1, este cunoscută sub numele de "parabola ideală de tracțiune" și se exprimă prin relația:
[W] (2.1)
Această legătură ideală dintre viteza autovehiculului Va și forța la roată FR, fig.2.1, se explică prin faptul că, la creșterea rezistențelor la înaintarea autovehiculului, odată cu scăderea vitezei Va, forța la roată FR crește, iar autovehiculul poate rula în siguranță, în orice regim de deplasare, fără riscul orpirii motorului.
Fig.2.1. Parabola ideală de tracțiune
Motoarele cu ardere internă cu piston, cu aprindere prin scânteie sau prin comprimare, constituie sursele energetice ale majorității autovehiculelor actuale. Caracteristicile de funcționare, la sarcina totală, ale acestor motoare, sunt prezentate în fig.2.2, cu ajutorul lor fiind definite performanțele lor funcționale.
m.a.s. m.a.c.
Fig.2.2. Caracteristica exterioară la m.a.s. și m.a.c.
Criteriul de apreciere a gradului de suplețe al motorului, adică al posibilităților sale de a face față modificărilor sarcinii exterioare, respectiv al modificărilor rezistențelor la înaintare, este coeficientul de adaptabilitate Ca, care măsoară gradul de suplețe al motorului,(se repetă mai sus!!) definit prin raportul:
(2.2)
unde:
Mmax – momentul motor maxim;
Mp – momentul corespunzător puterii maxime la m.a.s;
(Mr – momentul corespunzător puterii de regulator la m.a.c).
Se știe că la m.a.s: Ca = 1,1 – 1,3, iar pentru m.a.c.: Ca = 1,05 – 1,15.
După cum se observă din fig. 2.2, deși turația motorului se poate modifica în limite foarte largi, în intervalul [n0, nmax], respectiv [n0, nr], momentul motor efectiv se modifică în limite foarte reduse, în intervalul ΔM.
Având în vedere posibilitățile limitate ale m.a.s.-urilor sau m.a.c.-urilor de a răspunde tuturor modificărilor rezistențelor la înaintare, a apărut necesitatea introducerii, între motor și roțile motoare ale autovehiculului, a unui "modul" format dintr-un lanț cinematic care să adapteze permanent momentul motor la roțile motoare în funcție de momentul motor rezistent, generat de rezistențele la înaintare. Rolul acestui "modul" de adaptare îl joacă transmisia autovehiculului.
2.1.2. Momentul la roata motoare
În regimul nominal de funcționare motorul M dezvoltă puterea efectivă Pe, momentul motor efectiv Me și turația efectivă ne. Prin intermediul transmisiei, fluxul de putere al motorului ajunge la roțile motoare RM, unde regăsim puterea la roată – PR, momentul motor la roată – MR și turația roții motoare – nR.
Fig.2.3.Schema transmisiei unui automobil
Notând cu ηt – randamentul total al transmisiei, puterea disponibilă la roțile motoare PR se poate calcula cu relația:
[W] (2.3)
unde: Pe, Me, și ωe reprezintă, respectiv, puterea efectivă, momentul efectiv și viteza unghiulară a arborelui cotit al motorului.
Viteza unghiulară a roților motoare ωR, se măsoară în [rad\s] și se calculează în funcție de viteza unghiulară a arborelui cotit al motorului ωe, cunoscând raportul total de transmitere al transmisiei , astfel:
[rad\s] (2.4)
unde iRD reprezintă raportul de transmitere al reductorului central (în cazul tracțiunii integrale).
Cunoscând puterea la roata motoare PR, calculată cu relația (2.3) și viteza unghiulară a roții motoare ωR, dată de relația (2.4) se poate calcula mărimea momentului motor MR, dezvoltat de roțile motoare, cu relația:
[Nm] (2.5)
Din relația (2.5) se poate observa că momentul motor MR dezvoltat la roata de propulsie a autovehiculului este mai mare decât momentul motorului Me având în vedere că produsul:
,
iar .
Puterea se măsoară în Watt [W].
Momentul motor se măsoară în Newton • metru [N•m].
2.1.3. Compunerea generală a transmisiilor autovehiculelor rutiere
Transmisia este formată din: ambreiaj – A; cutia de viteze – CV, care poate avea un număr finit sau infinit de trepte de viteze (transmisiile clasice, respectiv transmisiile continue); reductor-distribuitor (numai la automobilele cu tracțiune integrală); transmisia longitudinală –TL (acolo unde este cazul) și din transmisia principală – TP, montată în puntea motoare – PM a autovehiculului (fig.2.4).
Transmisia longitudinală apare la unele autovehicule, ca subansamblu al transmisiei, datorită necesității transmiterii fluxului de putere către punțile motoare aflate la distanță față de reductorul-distribuitor și în alt plan.
Fig.2.4. Componența generală a transmisiei autovehiculului:
1 – Motorul; Transmisia: 2- Ambreiajul; 3 – Cutia de viteze; 4 – Transmisia longitudinală;
Puntea motoare: 5-Transmisia principală cu diferențialul; 6-Arborii planetari; 7-Roți motoare
Ambreiajul – A – are rolul să cupleze sau să decupleze transmisia de motor, fiind intercalat între motor și cutia de viteze, în scopul compensării principalelor dezavantaje ale motorului cu ardere internă (imposibilitatea pornirii în sarcină și existența unei zone de funcționare instabilă).
Dacă momentul maxim al motorului ar fi transmis direct roților motoare autovehiculul n-ar putea porni de pe loc. Pentru ca turația motorului să fie transmisă roților, ori pentru a putea manevra autovehiculul la mersul înapoi, în condițiile în care arborele cotit al motorului se rotește într-un singur sens, sau în vederea rezolvării tuturor problemelor ridicate de circulația pe diferite drumuri, când valoarea necesară forței de tracțiune poate fi diferită, între motor și roțile autovehiculului se montează o serie de mecanisme cu roți dințate, care reduc turația după necesități, mărind în același timp cuplul transmis, și mecanisme de întrerupere a transmiterii fluxului de putere.
Cutia de viteze – CV – este primul subansamblu pe lanțul cinematic al transmisiei care asigură o primă modificare/multiplicare a momentului motor transmis către roțile motoare. Multiplicarea momentului motor depinde de caracteristicile autovehiculului și poate fi de 3-4 ori la majoritatea autoturismelor, de 6-8 ori la autocamioane si autobuze. De câte ori crește momentul motor de același număr de ori scade turația arborelui de ieșire din cutia de viteze în raport cu turația arborelui de intrare.
Cutiile de viteze – CV pot avea un număr finit sau infinit de trepte de viteze, astfel existand:
CV mecanice cu număr de trepte limitat;
CV automate cu număr de trepte limitat;
CV automate cu număr infinit de trepte.
Transmisia longitudinală (transmisia cardanică) – TL, cu raportul de transmitere mediu unitar (adică fără să îl modifice), are rolul să transmită fluxul de putere între doi arbori neconcurenți, de la cutia de viteze CV la transmisia principală TP în cazul autovehiculelor organizate după soluția clasică, precum și de la cutia de viteze la reductor – distribuitor și de la acesta la roțile motoare, și între punți, în cazul autovehiculelor cu mai multe punți motoare.
De la transmisia principală fluxul de putere ajunge, prin intermediul diferențialului și a arborilor planetari, la roțile motoare RM.
Transmisia principală este al doilea subansamblu pe lanțul cinematic al transmisiei, care modifică valoarea momentului motor transmis către roțile motoare.
Transmisia principală este formată din pinionul de atac și coroana diferențialului. Mărimea raportului de multiplicare al momentului motor în transmisia principală este mai mare ca 3 la majoritatea automobilelor.( autovehiculelor)
Transmisia principală – multiplică și transmite momentul motor de la arborele cardanic la diferențial (cazul autovehiculelor organizate după soluția clasică) și de la arborele secundar al cutiei de viteze la diferențial (cazul autovehiculelor organizate după soluția totul în față sau totul in spate).
Astfel, dacă motorul autovehiculului este dispus longitudinal transmisia principală este formată dintr-un angrenaj conic, iar dacă motorul este dispus transversal, transmisia principală este formată dintr-un angrenaj cilindric.
Datorită frecărilor care apar între elementele transmisiei (frecările din lagăre, frecările cu elementele de etanșare, pierderile prin barbotarea uleiului din cartere) la roțile motoare ale autovehiculului nu ajunge toată puterea dezvoltată de motor, o parte din aceasta pierzându-se pe transmisie (circa 10 %).
Diferențialul – este mecanismul ce permite ca roțile motoare ale aceleiași punți să se rotească cu turații diferite, dând astfel posibilitatea roților ca la deplasarea autovehiculului în viraje acestea să parcurgă spații de lungimi diferite.
Arborii planetari – servesc la transmiterea momentului motor de la diferențial la roțile motoare sau la pinioanele conducătoare ale transmisiei finale.
Transmisia finală – amplifică momentul motor transmis roților și, în același timp, contribuie la micșorarea solicitărilor organelor punții motoare dispuse înaintea ei. Transmisia finală apare la autovehicule cu capacitate mare de trecere și la autocamioane grele și la unele autobuze.
În fig.2.5 se prezintă unele soluții constructive de organizare a transmisiilor mecanice. Funcție de dispunerea motorului și a punții motoare, sunt caracteristice următoarele soluții:
Soluția clasică: motorul în față și puntea motoare în spate.
Soluția totul în față; motorul dispus în fața longitudinal sau transversal și puntea motoare în față.
Soluția totul spate; motorul este dispus în spate longitudinal sau transversal și transmisia în spate.
Soluția tracțiunii integrală; motorul dispus în față iar punțile motoare în față și în spate.
Transmisia autovehiculelor după soluția clasică, fig.2.5.a cu motorul în față și puntea motoare în spate include: ambreiajul 1, cutia de viteze 2, transmisia cardanică 3 și puntea motoare 4 în care se dispune: transmisia principală, diferențialul, arborii planetari. La unele autovehicule moderne în locul ambreiajului și cutiei de viteze în trepte se utilizează transmisia automată alcătuită din hidrotransformator și cutie de viteze planetară.
Fig.2.5.Soluții generale ale transmisiilor mecanice: a – 4×2; b – 4×4; c – 6×6;
1 – ambreiajul; 2 – cutia de viteze; 3 – transmisia cardanică; 4 – puntea motoare; 5 – cutie de distribuție; 6 – transmisia cardanică la puntea motoare față; 7 – puntea motoare față; 8 – transmisia cardanică sincronă la roțile motoare față; 9 – transmisia cardanică la a doua punte motoare; 10 – a doua punte motoare.
Transmisia mecanică integrală 4×4, fig.2.5.b, se deosebește de transmisia 4×2 prin prezența cutiei de distribuție sau a reductorului distribuitor 5, de la care momentul motorului este divizat la punțile motoare din față și spate. Puntea din față în afară de transmisia principală și diferențial, arbori planetar, include și articulații sincrone 8., care permit virarea roților directoare. Uneori, în cutiile de distribuție sunt instalate diferențiale interaxiale care repartizează momentul motorului la punțile motoare în anumite proporții. La transmisiile mecanice ale automobilelor cu trei punți, fig.2.5.c, momentul la punțile motoare din mijloc și spate se transmite printr-o singură transmisie cardanică sau prin două.
O utilizare frecventă au dobandit transmisiile automate care sunt transmisii hidromecanice. Ele includ un hidrotransformator și o cutie de viteze planetară. Hidrotransformatorul este amplasat în locul ambreiajului.
În fig.2.6 este reprezentată schema transmisiei integrale la ambele punți motoare cu dispunerea motorului longitudinală. Această transmisie se deosebește prin prezența unei cutii de distribuție sau a unui reductor-distribuitor a momentului motorului la punțile din față și spate și a unui diferențial interaxial Torsen 8 între arborii de transmisie la punți. Puntea motoare din față este și directoare , iar momentul motorului se transmite la roți prin arborii planetari 4 cu articulații sincrone 5. Diferențialul interaxial Torsen și cel din spate sunt autoblocabile.
Fig.2.6. Transmisia totală a autovehiculului: 1 -motor; 2 – ambrieaj; 3 – puntea motoare față;
4 – arbori planetari; 5 – articulație sincronă; 6 – cutie viteze; 7 – arborele pinionului de atac;
8 – diferențial interaxial Torsen; 9 – mecanisme de blocare a diferențialelor; 10 – arbore cardanic;
11 – puntea motoare spate.
2.1.4.Organizarea transmisiei autovehiculelor
Diversele soluții constructive de organizare a transmisiei autovehiculelor sunt rezultatul modului de dispunere a motorului (longitudinal sau transversal), modului de amplasare a punții motoare (în față sau în spate) precum și funcție de performanțele de viteză, de stabilitate etc., impuse acestora.
Compunerea și dispunerea agregatelor ce constituie echipamentul de tracțiune (grupul motor–transmisie) constituie o problemă importantă în procesul de proiectare a autovehiculului. Schema de organizare adoptată este corelată cu caracterul regimurilor de mișcare ale autovehiculului și în același timp limitează posibilitățile de dezvoltare și de amplasare a celorlalte componente ale autovehiculului.
Pe transmisia autovehiculului o parte din puterea dezvoltată de motor se pierde prin frecări în lagăre, prin barbotarea uleiului din cartere, prin frecările din angrenaje etc. Mărimea pierderilor pe transmisia mecanică se apreciază cu ajutorul randamentului transmisiei – ηtr , care ia valori în intervalul ηtr = 0,88 – 0,925.
2.1.4.1.Organizarea transmisiei autoturismelor
În cazul autoturismelor dispunerea echipamentului de tracțiune este realizată în trei variante constructive, după cum urmează:
a) soluția clasică – motorul în față și puntea motoare în spate;
b) soluția totul în față – motorul și puntea motoare în față;
c) soluția totul în spate – motorul și puntea motoare în spate.
a) Soluția clasică impune divizarea echipamentului de tracțiune în mai multe grupuri de agregate si permite o mai mare elasticitate în organizarea de ansamblu a autoturismului. În mod obișnuit motorul și cutia de viteze sunt dispuse în partea din față, iar transmisia principala la puntea din spate. Există soluții constructive de autoturisme la care amplasarea cutiei de viteze și a transmisiei principale se face în cadrul punții spate sau cutia de viteze este amplasată înspre mijlocul autoturismului.
Fig.2.7. Organizarea transmisiei autoturismelor după soluția clasică
Soluția clasică, fig.2.7, este aplicată în general la autoturisme de dimensiuni și capacități cilindrice mari și prezintă următoarele avantaje:
– încărcare echilibrată a punților și uzură uniformă a pneurilor;
– accesibilitate bună la motor și transmisie;
– ventilatoarele de răcire a motorului pot fi cu funcționare intermitentă, deoarece radiatorul este amplasat în față, în zona de presiune dinamică maximă.
Pe lângă aceste avantaje, soluția clasică prezintă următoarele dezavantaje:
– centrul de greutate este mai ridicat (deci o stabilitate mai redusă);
– existența unor vibrații pe transmisie, datorate existenței transmisiei longitudinale TL, care pot genera apariția fenomenului de rezonanță;
– legătura dintre motor M și roțile motoare – RM se realizează prin ambreiaj – A, cutia de viteze – CV, transmisia longitudinală – TL și transmisia principală – TP, fapt ce conduce la creșterea costului autoturismului.
b) Soluția “totul-față”, fig.2.8, se întâlnește la autoturismele de concepție modernă; ea permite cea mai bună utilizare a volumului total al caroseriei, asigurând totodată, fără soluții constructive speciale, o foarte bună maniabilitate și stabilitate pe traiectorie, datorită comportamentului constructiv subvirator care este autostabilizant pe traiectorie rectilinie.
Raportul dintre volumul util și volumul total al autoturismului are valoarea cea mai ridicată la această soluție. Amplasarea motorului se poate face: longitudinal, fig.2.8.a, situație în care se realizează o bună accesibilitate la motor; transversal, fig.2.8.b, când se asigură construcții compacte a autoturismelor de lungime mică, obținându-se un spațiu disponibil pentru pasageri cât mai mare, la același ampatament; diferențialul, amplasat asimetric, presupune existența a doi arbori planetari de lungimi diferite, iar distanța dintre roțile față se mărește.
a) b)
Fig.2.8. Organizarea transmisiei autoturismelor după soluția “totul-față”
Soluția "totul-față" prezintă următoarele avantaje:
– legături simple și scurte între organele de comandă și grupul motor – transmisie;
– permite realizarea unui portbagaj spațios;
– pericolul de incendiu este redus, rezervorul de combustibil fiind montat, în general, pe consola din spate;
– sistemul de răcire este simplificat, asemănător ca la soluția clasică;
– efectul ciocnirilor frontale este mai redus asupra pasagerilor, deoarece energia de impact este absorbită de grupul motor – transmisie;
– stabilitatea ridicată în viraj.
Dezavantajele soluției "totul -față":
– se micșorează greutatea aderentă ce revine punții motoare la urcarea rampelor;
– apar complicații constructive pentru puntea față, care este punte motoare și directoare;
– motorul și transmisia sunt expuse la lovituri frontale;
– pneurile din față se uzează mai rapid.
c) Soluția "totul în spate", fig.2.9, elimină o serie de elemente ale transmisiei, costurile fiind mai scăzute decât la soluția clasică. Prin dispunerea motorului în spate se reduce mult zgomotul din interiorul caroseriei, iar la urcarea rampelor greutatea aderentă creste, roțile din spate fiind și motoare.
Amplasarea echipamentului de tracțiune în partea din spate a autoturismului se poate face după următoarele variante:
amplasarea longitudinală a motorului, fig.2.9.a., pe consola din spate asigură posibilități de utilizare rațională a spațiului din interior;
amplasarea transversală a motorului asigură confort optim pentru pasageri privind volumul destinat transportului acestora;
Amplasarea longitudinala a motorului însă deplasat spre partea din fața punții spate permite o mai bună repartizare a sarcinii între punțile autoturismului și se aplică la autoturismele sport.
Amplasarea transversală a motorului, fig.2.9.b, deplasat spre centrul autoturismului permite folosirea motoarelor lungi cu număr mare de cilindri.
a) b)
Fig.2.9. Organizarea transmisiei autoturismelor după soluția “totul-spate”
Avantaje ale soluției "totul spate":
– permite o profilare aerodinamică mai ușoară la partea din față a autoturismului;
– crește confortul, deoarece scaunele din spate pot fi deplasate mai înainte, mai aproape de centrul de greutate, unde oscilațiile sunt mai mici;
– se evită distrugerea grupului motor – transmisie la ciocnirile frontale;
– permite realizarea unor unghiuri de bracare mari pentru roțile directoare;
Principalele dezavantaje ale soluției "totul spate" sunt:
– stabilitate mai redusă în viraj, în raport cu soluția "totul față";
– descărcarea punții din față, fapt ce micșorează eficiența direcției la viteze mari;
– răcire mai complicată a motorului;
– comenzi de conducere lungi și complicate;
– instabilitate la vânt lateral, datorită centrului de greutate care este prea înapoi;
– spațiul disponibil pentru portbagaj sub capota din față este redus;
– autoturismul are caracter supravirator.
d) Soluția tracțiune integrală. O categorie de autoturisme care cunosc o răspândire tot mai accentuată sunt cele echipate cu tracțiune integrală, fig.2.10, care asigură creșterea capacității de trecere și a siguranței în deplasare a autoturismului, ceea ce justifică extinderea acestui tip de transmisie și la autoturismele de oras, pe lângă cele tot-teren și cele militare. Tracțiunea integrală poate fi organizată în una din următoarele variante:
– part-time, care asigură tracțiunea permanentă numai pe una din punțile motoare, cealaltă punte motoare fiind cuplată numai în regimurile dificile de deplasare;
– full-time, care asigură tracțiunea permanentă pe ambele punți motoare, indiferent de regimul de deplasare a autoturismului.
Tracțiunea integrală presupune existența pe lanțul cinematic al transmisiei a unui “mecanism” care să asigure divizarea fluxului de putere între punțile motoare. Rolul acestui mecanism este asigurat de cutia de distribuție sau de reductorul-distribuitor. În aceste mecanisme se urmărește să se elimine posibilitatea apariției fenomenului nedorit de circulație a puterilor parazite, atunci când sunt cuplate ambele punți motoare, prin montarea unor diferențiale interaxiale cu posibilități de blocare sau autoblocare. În acest sens sunt folosite diferențialele autoblocabile cu frecare internă mărită, de tip Torsen sau vâscocuplajele Fergusson sau cuplajele cu control electronic al cuplării și decuplării de tip Haldex.
Fig.2.10. Organizarea transmisiei autovehiculelor după soluția – tracțiune integrală.
Repartizarea optimă a momentului motor între punțile motoare față și spate trebuie să se facă în funcție de aderență existentă la roțile fiecărei punți motoare.
Amplasarea grupului motopropulsor, longitudinal sau transversal, față sau spate, se face având în vedere avantajele și dezavantajele pe care fiecare dintre aceste variante de organizare le are asupra confortului și spațiului destinat pasagerilor, asupra complexității construcției transmisiei, a modului de organizare a celorlalte sisteme ale autovehiculului.
2.1.4.2. Organizarea transmisiei autobuzelor
Autobuzele moderne nu mai au motorul separat, la partea din față (autobuze cu capotă), ci montat în interiorul caroseriei, fiind denumite autobuze tip vagon.
După locul de dispunere al motorului, autobuzele pot fi construite astfel:
– cu motorul dispus în față (fig.2.11);
– cu motorul dispus sub podea la mijlocul autobuzului (fig.2.12);
– cu motorul dispus în spate, longitudinal (fig.2.13) sau transversal (fig.2.14).
Fig.2.11.Motor în față Fig.2.12.Motor sub podea
Fig.2.13.Motor longitudinal Fig.2.14.Motor transversal
Soluția autobuzului tip vagon cu motorul dispus la partea din față, fig.2.10, are în general direcția avansată și scaunul conducătorului alături de motor. Datorită unui centru de greutate ridicat și a scăpărilor de gaze de la motor se folosesc tot mai rar.
Autobuzele cu motorul dispus la mijloc sub podea, fig. 2.11, au centrul de greutate coborât și o mai bună repartiție a sarcinilor pe cele două punți. Motoarele amplasate sub podea sunt, în general, de construcție specială având cilindri orizontali. În acest caz accesibilitatea la motor este dificilă și se reduce capacitatea de trecere a autobuzelor.
În cazul soluției cu motorul dispus în spate, autobuzele pot avea motorul dispus longitudinal, fig.2.12, sau transversal, fig.2.13. Prin lipsa arborelui cardanic, caroseria poate fi mult coborâtă, fapt ce conduce la coborârea centrului de greutate și la îmbunătățirea stabilității. Se ameliorează confortul pasagerilor prin eliminarea scăpărilor de gaze de la motor și a zgomotului motorului. Prin montarea motorului în spate se ușurează accesul pentru întreținere și reparare, spațiul rămas disponibil între punți putându-se folosi integral pentru transportul bagajelor.
Un dezavantaj important al autobuzelor cu motorul amplasat în spate constă în faptul că tijele pentru comenzi sunt foarte lungi. Un alt dezavantaj este și faptul că răcirea motorului este dificilă.
2.1.4.3. Organizarea transmisiei autocamioanelor
Soluțiile de organizare ale autocamioanelor diferă între ele în funcție de modul de dispunere a motorului în raport cu puntea din față și a cabinei față motor.
Puntea motoare este montată, ca și la autobuze, totdeauna în spate, motorul fiind dispus: în fața cabinei, sub cabină, între cabină și caroserie sau între punți sub cadru, fig.2.15.
Autocamioanele actuale au motorul dispus deasupra punții din față, iar cabina deasupra motorului. Această soluție (cabina avansată) conduce la o mărire a lungimi platformei de încărcare, la repartiții corespunzătoare a sarcinii pe punți, o vizibilitate mai bună pentru conducător și o reducere a lungimi de gabarit.
Prin deplasarea motorului spre spate, între cabină și caroserie sau între punți sub cadru, se menține o vizibilitate bună, crește capacitatea cabinei, dar se reduce accesibilitatea la motor și se micșorează capacitatea de trecere a autocamionului, mai ales în cazul dispunerii motorului sub cadru.
În privința accesului la motor, la autocamioanele cu cabină avansată se folosesc trei soluții și anume: capotă interioară, capote laterale și cabină rabatabilă.
Soluția cu capotă interioară se folosește la motoarele în linie. Accesul la motor transformă cabina în „ atelier de reparații” murdărind interiorul cabinei.
Soluția cu capotă laterală se întâlnește în cazul motoarelor lungi. În comparație cu prima soluție prezintă avantajul îmbunătățirii accesului la motor.
Soluția cu cabină rabatabilă permite accesul foarte ușor la motor. Rabatarea cabinei se poate face separat, scaunul conducătorului, volanul și pedalierul rămânând pe loc sau împreună cu aceste organe. Această soluție necesită o etanșare foarte bună a cabinei față de motor precum și amplasarea a 3-4 locuri în cabină.
Din cele expuse rezultă că alegerea locului de amplasare a motorului rezolvă problema lungimii totale a autocamionului, accesibilității la motor și a repartiției greutății între punți.
În fig.2.17 se prezintă pentru exemplificare transmisia unui autocamion IVECO.
Fig.2.17.Transmisia unui autocamion (IVECO)
Cu siguranță că despre fiecare categorie de automobile, fie ele autoturisme, autocamioane sau autobuze, pot fi adăugate încă multe alte informații și caracteristici, dar, în cele prezentate mai sus, s-a urmărit să fie evidențiate și cunoscute principalele tendințe existente în domeniu, pentru ca studentul care intră în contact cu aceste noțiuni să-și poată forma o imagine de ansamblu asupra modului în care fiecare soluție constructivă de organizare a transmisiei influențează performanțele autovehiculului.
2.2.PARTEA APLICATIVĂ ȘI DESFĂȘURAREA TEMEI
Etapele desfășurării temei sunt:
prezentarea compunerii generale a unei transmisii mecanice;
se va face o analiză constructivă comparativă pentru diverse tipuri de transmisii mecanice utilizând planșe didactice, standuri, filme educaționale și machete existente în dotarea laboratorului.
Fig.2.18. Machete didactice
identificarea părților componente ale unei transmisii mecanice pe machetele didactice existente în laborator și precizarea rolului funcțional al acestora;
identificarea componentelor transmisiei organizate după una dintre soluțiile de organizare studiate și prezentarea modului de transmitere a mișcării de la arborele cotit al motorului la roțile motoare;
prezentarea avantajelor și dezavantajelor pentru fiecare soluție de organizare analizată;
analiza tendințelor în domeniu pentru ca studentul care intră în contact cu aceste noțiuni să-și poată forma o imagine de ansamblu asupra modului în care fiecare soluție constructivă de organizare a transmisiei influențează performanțele autovehiculului.
2.3. AUTOEVALUAREA CUNOȘTINȚELOR DOBÂNDITE
1. Definiți dezavantajele soluției "clasice" de organizare a transmisiei.
2. Definiți avantajele soluției "totul față" de organizare a transmisiei.
3. Definiți avantajele soluției "totul spate" de organizare a transmisiei.
4. Precizați avantajele amplasării motorului sub podeaua autobuzelor.
5. Precizați avantajele amplasării motorului sub cabina autocamioanelor.
6. Problemă. Pentru un autoturism având:
– greutatea totală Ga = 1535 daN;
– lungimea L= , lățimea l = , înălțimea H = 1534 mm;
– coeficientul rezistenței la rulare f = 0,018;
– coeficientul aerodinamic Cx = 0,3;
– viteza maximă 180 km/h,
să se determine puterea motorului necesară atingerii vitezei maxime, știind că între aceste mărimi există relația :
[W]
unde: A reprezintă aria secțiunii transversale maxime; A = l x H [m2].
7. Să se reprezinte schema generală de amplasare a părților componente ale unui autovehicul:
a. organizat după soluția totul în față, cu motorul dispus: transversal, longitudinal;
b. organizat după soluția totul în spate, cu motorul dispus: transversal, longitudinal.
Se vor indica cele mai reprezentative ansambluri și subansambluri componente și se va specifica ce rol au acestea.
8. Să se reprezinte schema generală de amplasare a părților principale ale unui autovehicul prevăzut cu două punți, ambele fiind motoare. Se vor indica cele mai reprezentative ansambluri și subansambluri componente ale autovehiculului și se va specifica ce reprezintă și ce rol au acestea.
3
Compunerea și organizarea
motoarelor cu ardere internă
Tema își propune următoarele: cunoașterea elementelor componente ale unui motor cu ardere intenă, cunoașterea tipurillor constructive de motoare cu ardere internă, cunoașterea rolului funcțional al motorului și al elementelor componente, identificarea elementelor componente ale unui motor precum și inițierea în noțiunile de bază pentru studiul motoarelor.
3.1. ELEMENTE TEORETICE
Motoarele cu care sunt echipate autovehiculele rutiere sunt în majoritate motoare cu ardere internă, existând însă la ora actuală și autovehicule echipate cu motoare electrice și autovehicule hibride. Ca urmare, vor fi analizate și prezentate doar motoarele cu ardere internă.
3.1.1. Componența unui motor cu ardere internă
Motorul cu ardere internă este mașină termică ce transformă parțial în energie mecanică, energia termică (căldura) rezultată din arderea unui combustibil – fluid motor, procesul de ardere având loc în interiorul spațiului său de lucru. Energia mecanică este necesară mișcării autovehiculului.
Ciclu motor reprezintă totalitatea proceselor termodinamice care se desfășoară în interiorul motorului, începând cu introducerea combustibilului și terminând cu evacuarea gazelor de ardere în atmosferă, procese care se repetă periodic. Partea din ciclul motor care se execută într-o cursă a pistonului se numește timp.
Construcția unui motor în 4 timpi este prezentată în fig.3.1.
3.1.2.Organizarea motoarelor
Orice motor cu ardere internă are următoarele ansamble principale (mecanisme): mecanismul motor și mecanismul de distribuție.
Mecanismul motor – este mecanismul fundamental al motorului care realizează transformarea energiei termice în lucru mecanic. Este alcătuit din două părți (ansamble):
A. Ansamblul pieselor mobile (ambielajul), fig.3.2.a, cunoscut și sub denumirea de mecanism bielă-manivelă: grupul piston (piston, bolț, segmenți), biela, arborele cotit – preia forța exercitată de presiunea gazelor din cilindru, transformând mișcarea rectilinie a pistonului în mișcare de rotație a arborelui cotit.
Fig. 3.1. Secțiune printr-un motor (SAVIEM):
1- piston; 2 – biela; 3 – arbore cotit; 4 – clindri; 5 – chiulasa; 6 – carter inferior; 7 – pompa de ulei; 8 – sistem de distributie; 9,10 – supape de admisie, refulare; 11- arbore cu came
B. Ansamblul pieselor fixe (corpul motorului), fig.3.2.b: blocul motor, cilindrul sau cămașa cilindrului, chiulasa sau capacul cilindrilor, carterul inferior, și cuzineții – are rol de susținere a părții mobile și de fixare a motorului pe cadrul caroseriei autovehiculului.
Mecanismul de distribuție este alcătuit din: arborele cu came, tacheții, tijle împingătoare, culbutorii, supapele cu arcurile aferente, angrenajul de comandă al distribuției (pinioane, lanț sau curea de distribuție, întinzător, etc.) – și are rolul de a asigura introducerea în cilindri a amestecului carburant la m.a.s. respectiv a aerului la m.a.c., precum și evacuarea gazelor arse la ambele tipuri de motoare.
În afara de aceste mecanisme principale, motorul este echipat cu următoarele sisteme auxiliare:
– sistemul de răcire, care asigură menținerea temperaturii motorului între limite admisibile;
– sistemul de ungere, care are rolul de a alimenta cu ulei toate articulațiile motorului în care există frecare, de a filtra și răci uleiul;
– sistemul de alimentare, care are rolul de a asigura alimentarea cilindrilor cu amestec carburant, în cazul m.a.s. sau de a introduce combustibilul în cilindri prin pulverizare sub presiune, la m.a.c.
– sistem de aprindere care servește la producerea într-un anumit moment a scânteii electrice necesare aprinderii amestecului carburant din cilindrii motorului.
a b
Fig.3.2. Organizarea motoarelor: a. ansamblu pieselor mobile; b-ansamblul părților fixe;
a.1- piston; 2-segmenți; 3-bolț; 4-biela; 5-arbore cotit; 6-cuzineții de bielă; 7- capacul bielei;
b. ansamblu piese fixe: 1- capac chiulasă; 2- garnitură; 3- chiulasă; 4-garnitura de chiulasă; 5-blocul motor; 6-garnitură de etanșare; 7- carter inferior
A. Ansamblul pieselor mobile (ambielajul)
A.1.Pistonul. Pistonul este organul care asigură evoluția agentului de lucru în interiorul cilindrului, realizând și legătura cu mecanismul bielă – arbore.
Fig.3.3. Părțile componente ale pistonului
1- capul pistonului; 2- regiunea port-segmenți; 3 -mantaua pistonului; 4-orificiul bolțului
La motoare capul pistonului poate avea diferite forme în funcție de tipul motorului la care se utilizează (bombat, concav sau cu o formă specială, incluzând o parte din camera de ardere). Materialele utilizate la fabricarea pistoanelor sunt aliaje ușoare: silumin (aliaje de Al cu Si), aliaje cu Cu, etc; aliaje grele: fontă, oțel. În general aliajele de aluminiu se utilizează la mașinile rapide, de turație ridicată, iar cele de fontă la mașinile lente.
A.2. Biela. Biela este organul de legătură dintre piston și arbore, transmițând în cazul motoarelor forța cu care agentul de lucru acționează asupra pistonului, iar în cazul compresoarelor forța aplicată din exterior arborelui.
Fig.3.4.Părțile componente ale bielei:
1 – piciorul bielei; 2 – bucșa bielei (când bolțul este flotant în bielă); 3 – corpul bielei; 4 – șuruburile de bielă; 5 – capul bielei; 6 – cuzineții de bielă; 7 – piulițe; 8 – capacul bielei; 9 – loc pentru marcaj; 10 – orificiu pentru expulzarea uleiului pe oglinda cilindrului .
Bielele se realizează prin forjare în matriță din oțeluri aliate și sunt tratate termic. Corpul bielei are o formă caracteristică – secțiune transversală în dublu T – în scopul obținerii unei greutăți mici și a unui modul de rezistență la încovoiere mare.
Mecanismul bielă-manivelă transformă mișcarea de translație a pistonului, obținută prin arderea amestecului carburant, în mișcare de rotație a arborelui cotit.
A.3. Arborele cotit. La motoare, arborele cotit transformă mișcarea de translație a pistoanelor în mișcare de rotație și transmite spre utilizare momentul motor produs de forța de presiune a gazelor.
Fig.3.5.Părțile componente ale arborelui cotit:
1 – capătul liber care se folosește la montarea roții ce antrenează mecanismul de distribuție, precum și elementele de etanșare pentru ulei; 2 – fusurile paliere în jurul cărora se învârte arborele cotit; 3 – fusurile manetoane de care se prind bielele; 4 – brațele arborelui cotit; 5 – contragreutăți de echilibrare; 6 – flanșa arborelui cotit pe care se montează volantul; 7 – volantul
Se fabrică prin forjare liberă sau în matriță din oțeluri carbon de calitate (OLC 45, OLC 60) sau oțeluri aliate cu Mn, Mo, V, tratate termic prin cementare (în zona fusurilor) și călire. De asemenea se poate fabrica prin turnare din fontă cu grafit nodular sau aliată. După forjare sau turnare arborii se prelucrează prin așchiere în zona fusurilor.
B. Ansamblul pieselor fixe (corpul mașinii)
B.1.Chiulasa – închide la partea superioară cilindrul, putând fi comună pentru mai mulți cilindri. Chiulasa conține în interior galeriile de admisie/aspirație, respectiv de evacuare/refulare și supapele de admisie/aspirație, respectiv evacuare/refulare. La motoare în chiulasă se află si rampa culbutorilor sau arborele cu came, în cazul mecanismului de distribuție cu arbore în chiulasă. Etanșarea dintre chiulasă și cilindru se realizează cu ajutorul unor garnituri realizate de obicei din clingherit. Chiulasa se realizează prin turnare, din fontă sau din aliaj de aluminiu.
Fig.3.6. Chiulasa
B.2.Cilindrii formează pereții laterali ai spațiului de lucru. Cilindrii pot fi prelucrați direct în corpul mașinii, în cazul în care acesta este realizat din fontă și răcit cu aer, pot avea forma unor bucșe individuale amovibile, în cazul motoarelor răcite cu apă, sau forma unor bucșe presate în blocul motor, în cazul în care acesta este realizat din aluminiu.
Fig.3.7. Cilindrii și cămașă de cilindru
3.1.3.Clasificarea motoarelor
Prezentăm câteva dintre clasificările motoarelor cu ardere internă.
A. După procedeul de aprindere:
Motor cu aprindere prin comprimare (MAC) – aprinderea are loc datorită temperaturii rezultate prin comprimarea încărcăturii proaspete din cilindru (aer+combustibil+gaze reziduale);
Motor cu aprindere prin scânteie (MAS) – aprinderea amestecului aer+combustibil se face de la o scânteie electrică.
B.După ciclul motor
Motor in patru (4) timpi – ciclul de lucru se realizează la patru curse succesive ale pistonului sau la două rotații complete ale arborelui cotit;
Motorul in doi (2) timpi – ciclul de lucru se realizează la două curse succesive ale pistonului sau la o rotație completă a arborelui cotit.
C.După procedeul de răcire
Motor răcit cu aer – cilindrii și chiulasa sunt răcite cu aer;
Motor răcit cu lichid – cilindrii și chiulasa sunt răcite cu lichid.
D.După modul de acționare a pistonului
Motor cu simplu efect – arderea are loc pe o singură parte a pistonului;
Motor cu dublu efect – arderea are loc alternativ pe o parte și de alta a fiecărui piston;
Motor cu pistoane opuse – în fiecare cilindru există câte două pistoane legate mecanic având între ele fluidul de lucru;
Motor reversibil – sensul de rotație poate fi schimbat prin utilizarea unui sistem de comandă;
Motor cu pistoane libere – pistoanele nu sunt legate mecanic între ele și nu se transmite putere la arborele motor. Puterea se transmite sub formă de gaz cald.
E.După dispunerea cilindrilor
Motor vertical – cilindrii sunt situați deasupra arborelui cotit;
Motor orizontal – cilindrii sunt situați în același plan cu arborele cotit;
Motor inversat – cilindrii sunt situați sub arborele cotit;
Motor în linie – cilindrii sunt dispuși pe un singur rând;
Motor în V – cilindrii sunt dispuși pe două linii în V, pe un singur arbore cotit;
Motor cu cilindrii opuși (boxer) – două rânduri paralele de cilindrii situați în același plan și dispuși de o parte și de alta a arborelui cotit;
Motor înclinat – axele cilindrilor sunt înclinate față de un plan vertical;
Motor în stea – motor cu număr impar de cilindrii dispuși uniform în jurul unui arbore cotit;
Motor in X – motor cu patru rânduri de cilindrii și un singur arbore cotit;
Motor in H – motor cu doi arbori cotiți, cu patru rânduri de cilindrii dispuși în două planuri paralele
Cel mai important criteriu de clasificare din cele prezentate anterior este cel legat de procesul de aprindere (m.a.s. și m.a.c.).
3.1.4. Parametrii constructivi ai motorului
Punct mort = poziția în care pistonul își inversează sensul de mișcare;
Punct mort interior (PMI) (învechit: punct mort superior, PMS) este poziția pistonului care corespunde volumului minim ocupat de fluidul motor în cilindru; este poziția în care pistonul este cel mai aproape de chiulasă;
Punct mort exterior (PME) (învechit: punct mort inferior, PMI) este poziția pistonului care corespunde volumului maxim ocupat de fluidul motor în cilindru; este poziția în care pistonul este cel mai departe de chiulasă;
Fig.3.9.Pozițiile pistonului
Cursa pistonului (S), în mm = distanța (spațiul) parcursă de piston între punctele moarte;
Alezajul (D) în mm este diametrul interior al unui cilindru al motorului;
Cilindreea unitară (Vs) (pe scurt, cilindree, sau volumul util), în [cm3] sau [litri] = volumul descris de piston într-o cursă (volumul cuprins în interiorul cilindrului între punctele moarte):
[cm3] (3.1)
Capacitatea cilindrică unitară este direct proporțională cu diametrul cilindrului și cursa pistonului. Astfel pentru a crește cilindreea unui motor se mărește diametrul cilindrului sau cursa pistonului.
Cilindreea totală (Vt)- (pe scurt, litraj, sau volumul total al cilindrilor – este suma cilindreelor unitare pentru toți cei (i) cilindri ai motorului.
(3.2)
Volumul camerei de ardere (Vca) (sau volumul de comprimare) = volumul existent deasupra pistonului când acesta se găsește în PMI;
Volumul total al cilindrului Va este volumul maxim ocupat de gaze măsurat când pistonul se află la PME; volumul total al cilindrului este format din însumarea cilindreei unitare cu volumul camerei de ardere.
Camera de ardere de obicei nu are forma cilindrică ci are o geometrie mai complexă, fiind condiționată de dispunerea supapelor, a bujiei sau a injectorului.
Volumul minim al camerei de ardere Vc este volumul ocupat de gaze când pistonul se află la PMI.
Raport de comprimare (ε) = definit ca fiind raportul dintre volumul maxim ocupat de fluidul motor (Va) și volumul minim (Vc) din cilindru, sau raportul dintre volumul total al unui cilindru Va (cilindreea unitară volumul camerei de ardere) și volumul camerei de ardere Vc:
(3.3)
În notația curentă, raportul este exprimat sub formă de fracție zecimală.
Raportul de comprimare este un indicator de calitate privind pregătirea amestecului combustibil în vederea obținerii unei arderi cât mai eficiente. Creșterea raportului de comprimare are ca rezultate creșterea presiunii medii în cilindru și implicit creșterea puterii, a cuplului motor și reducerea consumului de combustibil. Dacă comparăm două motoare cu aceeași cilindree și regim de turații, motorul care are raportul de comprimare mai mare va dezvolta o putere mai mare la un consum mai mic.
Unghiul de rotație al arborelui cotit (φ) RAC – este unghiul format de cotul arborelui cotit cu axa cilindrului.
Viteza de rotație a arborelui cotit sau turația este o mărime ce depinde de mai multi parametri constructivi, fizici ai motorului. Turații înalte se pot obține cu motoare care au piesele, în mișcare de rotație, cu inerție mică, coeficienți de frecare mici și rezistente mici la curgerea aerului în galeria de admisie.
Viteza medie a pistonului (wpm) – este viteza cu care pistonul parcurge două curse succesive, în timpul (60/n):
(3.4)
Puterea motorului reprezintă lucrul mecanic produs în unitatea de timp; lucrul mecanic se produce prin deplasarea pistonului datorită presiunii rezultate din arderea amestecului carburant în timpul cursei active. Puterea efectivă a motorului (Pe) se determină cu relația:
(3.5)
unde: – presiunea medie efectivă din cilindru, [N/m2];
– cilindreea unitară, [m3];
– turația arborelui cotit al motorului, [rot/min];
– numărul de cilindri ai motorului;
– numărul de timpi ai motorului.
3.1.5.Funcționarea motorului în 4 timpi
Turația motorului (pe scurt, turație) (n) este numărul de rotații efectuat într-un minut de arborele cotit, în timpul funcționării motorului într-un anumit regim constant.
Sarcina este puterea dezvoltată de motor și preluată (consumată) de autovehicul la un moment dat. Sarcina se reglează prin intermediul pedalei de accelerație
Turația și sarcina motorului definesc regimul de funcționare al unui motor.
Ciclul motor este succesiunea proceselor (transformărilor de stare) care se repetă periodic în cilindrul unui motor. Convențional, ciclul motor începe cu procesul de admisie și se termină cu procesul de evacuare. Într-un minut un motor efectuează nc cicluri.
Un timp al motorului este partea de ciclu motor care se efectuează într-o cursă a pistonului. Uzual se construiesc motoare (care funcționează după un ciclu) în patru timpi ( = 4) și motoare în doi timpi ( = 2). La motoarele în patru timpi, deoarece procesele termice corespund aproximativ cu cursele pistonului, timpii poartă numele de admisie (1), comprimare (2), ardere și destindere (3), respectiv evacuare (4). Cu numărul de timpi, legătura dintre numărul de cicluri și turație este:
(3.6)
Concluzionând, timpii care definesc un ciclu motor sunt în număr de patru:
Timpul (cursa) I – ADMISIA. Pistonul se deplasează de la PMI către PME, supapa de admisie fiind deschisă iar cea de evacuare închisă. Prin deplasarea pistonului se creează o depresiune sub efectul căreia cilindrul se umple cu un amestec de aer și vapori de combustibil la MAS sau cu aer la MAC.
Fig. 3.10. Timpii de funcționare ai motorului mac
Timpul (cursa) II – COMPRIMAREA. Pistonul se deplasează de la PME către PMI, ambele supape fiind închise, comprimând gazele aspirate anterior. La MAS, raportul de comprimare este în limitele 8,5…9,5 la sfârșitul comprimării presiunea fiind de 20…25 bar și temperatura de 350…450oC. La MAC, raportul de comprimare este în limitele 15…20, la sfârșitul comprimării presiunea fiind 30…50 bar și temperatura 650…750oC. La sfârșitul comprimării începe arderea. La MAS aprinderea se realizează printr-o scânteie electrică produsă de bujie. La MAC se injectează combustibilul în cilindru și acesta se autoaprinde prin amestecarea cu aerul comprimat fierbinte.
Timpul (cursa) III – DESTINDEREA. Pistonul se deplasează de la PMI către PME, ambele supape fiind închise. El este împins de gazele cu presiune și temperatură ridicate rezultate din ardere, care se destind producând lucru mecanic. La sfârșitul destinderii se deschide supapa de evacuare și datorită suprapresiunii existente, cilindrul se golește brusc în galeria de evacuare (evacuarea liberă).
Timpul (cursa) IV – EVACUAREA. Pistonul se deplasează de la PME către PMI, supapa de evacuare fiind deschisă iar cea de admisie închisă, forțând restul de gaze din cilindru să iasă în galeria de evacuare (evacuarea forțată).
Cele patru procese formează ciclul motor, ele desfășurându-se pe durata a patru curse simple efectuate de piston, respectiv două rotații complete ale arborelui. Comanda supapelor este realizată cu ajutorul unor came, de către mecanismul de distribuție.
Decalarea funcționării cilindrilor are ca scop uniformizarea momentului motor la arbore, deoarece dintre cei patru timpi de funcționare unul singur este activ, producând lucru mecanic – destinderea.
Admisia și evacuarea se numesc procese de schimbare a gazelor și pentru realizarea lor este necesar un consum de lucru mecanic.
3.1.6. Elemente teoretice esențiale
3.1.6.1.Elemente ce definesc calitatea amestecului
Calitatea amestecului (proporția dintre combustibil și aer) se numește dozaj si se exprima prin intermediul coeficientului de dozaj (d):
(3.7)
unde Cc este cantitatea de combustibil din amestec iar Ca este cantitatea de aer:
Dacă cantitatea de aer din amestec este cea minim necesară pentru arderea completă a combustibilului, dozajul se numește teoretic sau stoichiometric.
Dacă cantitatea de aer este în exces, dozajul se numește sărac iar când cantitatea de aer este mai mică decât cea corespunzătoare dozajului teoretic, dozajul se numeste bogat, (termenii de sărac și bogat se referă la combustibil!!!).
Aprecierea calității amestecului se realizează prin intermediul coeficientului de exces de aer (λ) care este definit ca fiind raportul dintre cantitatea de aer (L) disponibilă pentru arderea a 1 kg de combustibil și cantitatea minimă de aer (Lmin) necesară pentru arderea teoretică a 1 kg de combustibil:
(3.8)
Dozaj este teoretic (λ = 1), sărac (λ > 1), bogat (λ < 1).
3.1.6.2. Compararea a două motoare
Se definește presiunea medie indicată (pi) ca fiind raportul dintre lucrul mecanic indicat și volumul cilindrului motorului:
(3.9)
Cu ajutorul pi se pot compara motoarele între ele. Cel mai bun motor va fi cel care realizeazaă o presiune medie indicată cea mai mare.
Cu ajutorul presiunii medii calculate se poate calcula puterea indicată a motorului ():
(kW) (3.10)
unde:
– numărul de timpi ai motorului (2 sau 4);
– cilindreea, [litri];
– turația, [rot/min];
– constantă ce depinde de unitatea de măsura a lui :
K=30 dacă este în [MPa], K= 300 dacă este în [bar].
Puterea indicată (Pi) reprezintă puterea produsă la nivelul cilindrului motorului iar puterea furnizata utilizatorului – puterea efectivă Pe – este mai mică datorită consumurilor interne ale motorului (pentru evacuarea gazelor arse și admisia încărcăturii proaspete, învingerea frecărilor, antrenarea mecanismelor auxiliare etc.).
Raportul dintre cele două puteri apreciază gradul de perfecțiune al construcției motorului și se numește randament mecanic (ηm).
(3.11)
Pe baza puterii efective măsurate la standul de probă se poate determina presiunea efectivă medie (pe):
(3.12)
sau
. (3.13)
Pe baza legăturii dintre putere și moment:
(3.14)
vom avea:
, [Nm]. (3.15)
3.1.6.3.Indici tehnico-economici ai unui motor
Randamentul efectiv (ηe) apreciază calitatea procesului de transformare a căldurii în lucru mecanic utilizabil:
(3.16)
unde: Ch – consumul orar de combustibil, [kg/h];
Hi – puterea calorică inferioară a combustibilului, [kJ/kg];
Le – lucrul mecanic efectiv produs de motor, [kJ/h].
Randamentul indicat este dat de relația:
(3.17)
Legătura dintre randamente este dată de relația:
(3.18)
ce arată că randamentul efectiv are două componente: o componentă termodinamică (ηi) și o componentă mecanică (ηm).
3.1.6.4. Indici de performanță ai unui motor
Apreciază gradul de forțare al motorului sau de compactitate constructivă a lui.
Puterea litrică (PL) – raportul dintre puterea efectivă maximă și cilindreea totală a motorului:
, [kW/litru]; (3.19)
Viteza medie a pistonului (wpm) – apreciază rapiditatea motoarelor și constituie un criteriu de apreciere a uzurii motorului (cu cât wpm este mai mare cu atât durabilitatea motorului scade):
, [m/s]. (3.20)
Valori: motoare lente wpm = 3…6,5 m/s; motoare semirapide wpm = 6,5…10 m/s; motoare rapide wpm >10m/s (Formula 1 și motoarele de locomotivă).
Puterea specifică (PS) este un indicator important pentru forma constructivă a pistonului. Puterea specifica (PS) este raportul dintre puterea efectivă maximă și aria totală a suprafețelor transversale ale cilindrilor motorului.
[W/mm2] (3.21)
Masa specifică (ms) – este masa motorului uscat (fără combustibil, ulei și lichid de răcire) complet echipat, raportată la puterea efectivă maximă:
, [kg/kW] (3.22)
Puterea pe cilindru (PCIL):
, [kW/cilindru]; (3.23)
Masa litrică (mL) – masa motorului uscat raportată la cilindreea totală:
, [kg/litru] (3.24)
3.2. PARTEA APLICATIVĂ ȘI DESFĂȘURAREA TEMEI
Etapele desfășurării temei sunt:
prezentarea compunerii generale a unui motor cu ardere internă;
schema de principiu, mecanisme și sisteme componente;
se va face o analiză constructivă comparativă pentru diverse tipuri de motoare existente în dotarea laboratorului;
identificarea părților componente ale unui motor pe machetele didactice existente în laborator și prezentarea lor;
Fig.3.11. Machete didactice – componența unui motor
precizarea rolului funcțional al fiecărui element component al unui motor cu ardere internă: chiulasa, bloc motor, cilindri, piston, segmenți, bolț, arbore cotit, volant etc.
prezentarea caracteristicilor tehnice principale pentru un motor: cursa [mm], cilindreea [cm3], puterea maximă [kW], turația de putere maximă [rot/min], alezajul [mm], raportul de comprimare [-], momentul maxim [Nm].
3.3.AUTOEVALUAREA CUNOȘTINȚELOR DOBÂNDITE
Care sunt mecanismele și sistemele din componența unui motor cu ardere internă?
Care este diferența între un motor diesel și unul pe benzină?
Care este diferența între un motor în doi timpi și unul în patru timpi?
Ce înseamnă noțiunea de „puterea motorului”?
Care este diferența dintre „puterea indicată” și „puterea efectivă”?
Definiți noțiunea de: Punct mort superior (PMS), Punct mort inferior (PMI), cursa pistonului, volumul de lucru și volumul total al cilindrului, volumul camerei de ardere, ciclul de lucru al motorului, timpii de lucru ai motorului, grad de comprimare și ordinea de funcționare a cilindrilor motorului.
În ce mod se fixează motorul pe automobil și ce este prevăzut pentru evitarea deplasării longitudinale a motorului?
Se va descrie ciclul de funcționare a motorului cu ardere internă în patru timpi cu aprindere prin scânteie (MAS) și prin compresie (MAC), de descris parametrii generali a timpilor și variantele posibile de funcționare a cilindrilor motoarelor cu patru, șase și opt cilindri.
4
Compunerea și organizarea ambreiajelor
Tema își propune următoarele: cunoașterea tipurilor de ambreiaje utilizate la autovehiculele rutiere, identificarea părților și elementelor componente și a rolului funcțional al acestora, cunoașterea modului de funcționare a ambreiajelor.
4.1. ELEMENTE TEORETICE
4.1.1. Rolul ambreiajului în transmisia autovehiculului
Ambreiajul este prima componentă a transmisiei autovehiculului și reprezintă un subansamblu intercalat între motor și cutia de viteze, în vederea compensării principalelor dezavantaje funcționale ale motorului cu ardere internă precum și ale cutiei de viteze, având rolul de transmitere a (fluxului de putere) momentului de torsiune de la arborele cotit al motorului la cutia de viteze.
Fig.4.1. Amplasarea ambreiajului pe autovehicul
Funcțiile ambreiajului sunt următoarele:
permite (la pornirea autovehiculului) cuplarea progresivă a motorului, care se află în funcțiune, cu celelalte organe ale transmisiei care, în acel moment, sunt imobile, asigurând astfel plecarea de pe loc a autovehiculului în mod progresiv, fără șocuri, și protejând astfel elementele transmisiei, încărcătura și pasagerii.
permite pornirea de pe loc/oprirea la cuplarea/decuplarea (în timpul mersului autovehiculului) motorului cu transmisia, la schimbarea treptelor de viteze, schimbare care se face ușor, fără zgomote;
protejează la suprasarcini organele întregii transmisii și ale motorului prin decuplarea în momentul unei frânări bruște;
staționarea autovehiculului cu motorul în funcțiune;
frânarea autovehiculului la coborârea unei pante.
Fig.4.2. Variante constructive de ambreiaje – firma LUK
Datorită funcțiilor pe care trebuie să le îndeplinească există un set de cerințe impuse ambreiajelor autovehiculelor care sunt următoarele:
la cuplare, să îmbine lin motorul cu transmisia, pentru a evita pornirea bruscă din loc a autovehiculului și șocurile în mecanismele transmisiei;
în stare cuplată, să asigure o îmbinare perfectă între motor și transmisie, fără patinare,
să asigure decuplarea temporară a transmisiei la pornirea motorului termic, în vederea atingerii regimului de funcționare stabilă a acestuia, la schimbarea treptelor de viteză precum și la frânarea autovehiculului până la oprire;
la decuplare, să izoleze rapid și complet motorul de transmisie;
elementele conduse ale ambreiajului să aibă momente de inerție cât mai reduse pentru micșorarea sarcinilor dinamice în transmisie;
să aibă o funcționare sigură și de lungă durată;
acționarea să fie simplă și ușoară;
regimul termic să aibă valori reduse și să permită o bună transmitere a căldurii în mediul înconjurător;
construcția să fie simplă și tehnologică.
4.1.2. Clasificarea ambreiajelor
După felul legăturii de cuplare se deosebesc:
•ambreiaje mecanice (cu fricțiune) la care legătura de cuplare este reprezentată de forțele de frecare ce iau naștere în suprafețele frontale de contact ale părților conducătoare și condusă sub acțiunea unor forțe normale de apăsare dezvoltate în sisteme mecanice rigide sau elastice;
•ambreiaje hidrodinamice (hidro-ambreiaje) ( ambreiaje hidraulice): ambreiajele la care legătura de cuplare se obține printr-un lichid, după principiul de lucru al mașinilor hidraulice rotative;
•ambreiaje electromagnetice: ambreiajele la care legătura de cuplare este consecința unui câmp electromagnetic indus ansamblului condus de ansamblul conducător.
Soluția utilizată cel mai frecvent la dotarea autoturismelor o constituie ambreiajele mecanice, mai ales când cutia de viteze este una mecanică în trepte, deși, în ultimii ani au început să fie folosite și ambreiajele hidraulice sau hidrotransformatoarele.-(aici cuvintele inrosite cred ca pot lipsi pt.ca facem referire mai jos !!!)
Ambreiajele hidraulice si hidrotransformatoarele asigură o cuplare și o pornire din loc foarte line, însă nu asigură decuplarea completă a motorului, au dimensiuni de gabarit mai mari și sunt mult mai scumpe.
Ambreiajele electromagnetice corespund din punct de vedere al cerințelor impuse, dar nu sunt suficient de sigure în exploatare și solicită mult sistemul electric al autovehiculului.
Ambreiajele combinate (ex.ambreiaj mecanic si ambreiaj hidraulic) asigură cuplare lină si decuplare rapidă a motorului de transmisie dar au cost foarte ridicat si gabarit axial important.. Din punct de vedere a sistemului de acționare, cel mai important neajuns al ambreiajelor neautomate constă în obosirea rapidă a conducătorului auto.
Ambreiajele mai sunt clasificate după modul de transmitere a momentului și după modul de cuplare (acționare). Astfel avem.
După modul de transmitere a momentului:
ambreiaje simple:
ambreiaje mecanice (de fricțiune):
cu unul sau mai multe discuri de fricțiune;
cu arcuri dispuse periferic;
cu arc central spiral;
cu arc central diafragmă;
centrifuge sau semicentrifuge.
hidraulice ce pot fi:
cu prag fix;
cu prag mobil;
cu camera de colectare.
electromagnetice ce pot fi:
cu pulbere feromagnetică;
fără pulbere feromagnetică.
ambreiaje combinate care pot fi:
mecano-centrifuge;
mecano-hidraulice;
mecano-electromagnetice.
După modul de acționare:
neautomate puse în funcționare de forța musculară a conducătorului auto prin acționare mecanică sau hidraulică;
automate acționate hidraulic, pneumatic, electric sau vacuumatic.
4.1.3. Compunerea și funcționarea ambreiajelor
4.1.3.1. Compunerea și funcționarea ambreiajelor mecanice
Există mai multe tipuri de ambreiaje mecanice, majoritatea sunt bazate pe unul sau mai multe discuri de frecare, împinse prin forță unul către celălalt. Funcționarea ambreiajului mecanic se bazează deci pe forțele de frecare care apar între două sau mai multe perechi de suprafețe sub acțiunea unei forte de apăsare.
Un ambreiaj are în general trei părți componente grupate astfel: partea conducătoare, partea condusă și mecanismul de acționare.
Partea conducătoare este constituită din elementele ambreiajului aflate în legătură permanentă cu arborele cotit și în același regim de mișcare cu acesta: volantul și mecanismul de ambreiaj (dispozitivul elastic de apăsare – arcul diafragmă, discul de presiune, carcasa ambreiajului).
Partea condusă este constituită din elementele ambreiajului legate de arborele primar al cutiei de viteze și solidară cu aceasta: discul de ambreiaj și arborele ambreiajului (de regulă, arborele primar al cutiei de viteze).
Mecanismul de acționare este compus din elementele exterioare ambreiajului: manșonul de cuplare, furca de acționare, rulmentul de presiun, dispozitiv de comandă.
Starea cuplată a ambreiajului corespunde existenței legăturii de cuplare, iar starea decuplată corespunde desfacerii legăturii de cuplare. Trecerea ambreiajului din starea decuplată în starea cuplată se obține în urma acțiunii de ambreiere, iar trecerea din starea cuplată în starea decuplată se obține în urma debreierii.
Atâta timp cât între suprafețele de frecare ale discurilor și volantului nu există o apăsare mare, forța de frecare care ia naștere între aceste suprafețe va fi mică. În acest caz ambreiajul nu va putea transmite întregul moment motor și, în consecință, va exista o alunecare între volant și discul condus, motiv pentru care discul va avea o turație mai mică decăt turația volantului. Aceasta este perioada de patinare a ambreiajului. În această situație se va transmite prin ambreiaj numai o parte din momentul motor. În perioada de patinare a ambreiajului, o parte din energia mecanică se transformă în energie termică iar ambreiajul se încălzește, producând uzura mai rapidă a garniturilor de frecare ale discului de ambreiaj.
La eliberarea completă a pedalei ambreiajului forța de apăsare dezvoltată de diafragmă este suficient de mare pentru a se transmite în întregime momentul motor. Aceasta este poziția ambreiat.
Daca se apasă asupra pedalei mecanismului de comandă al ambreiajului, forța se transmite prin pârghia cu furcă la manșonul discului de presiune și, învingând forța dezvoltată de diafragmă, depărtează discul de ambreiaj iar momentul motor nu se transmite mai departe; aceasta este poziția debreiat a ambreiajului. Cuplarea din nou a ambreiajului se realizează prin eliberarea lină a pedalei, după care arcul diafragmă va apăsa din nou discul de presiune pe discul de ambreiaj iar acesta din urmă pe volant.
Datorită mărimii suprafeței de contact a discurilor și puterii de apăsare între ele aplicate, se transmite cuplul (momentul) de rotație între cele două axe, adică de la axul primar (motor) la cel secundar (condus) sau în sens invers. Aceste discuri sunt volantul motorului, discul de ambreiaj (unul sau mai multe, disc fricțiune) și placa de presiune.
Volantul. Motorul cu ardere internă cu piston generează un cuplu motor discontinuu, neregulat, deoarece pe durata unui ciclu motor complet, pistonul produce lucru mecanic doar pe cursa de destindere. În același timp mecanismul bielă-manivelă are mișcare alternativă, cu viteză variabilă, care induce neregularități în mișcarea de rotație a arborelui cotit. Astfel cuplul motor este generat în impulsuri, la fiecare cursă activă (de destindere) a unui piston.
Pentru uniformizarea mișcării arborelui cotit se utilizează un acumulator de energie cinetică numit volantă. Aceasta se montează pe capătul arborelui cotit dinspre ambreiaj și înmagazinează energie mecanică pe cursa de destindere a fiecărui piston. Având masă mare, deci inerție mare, volanta uniformizează mișcarea de rotație a arborelui cotit care devine mai continuă și fără șocuri.
Volanta motorului mai are rolul de a transmite cuplul motor cutiei de viteze, prin intermediul ambreiajului. Discul de ambreiaj este cuplat cu volanta pe partea dinspre motor și cu placa de presiune pe partea dinspre cutia de viteze. Din acest punct de vedere suprafața de contact dintre volanta și ambreiaj trebuie să respecte condiții stricte de planeitate. Orice abatere de la planeitate, care ar putea rezulta ca urmare a unei proaste montări a volantei, poate conduce la uzura neuniformă a ambreiajului, cu consecințele de rigoare.
Prin frecarea ce ia naștere între suprafețele de contact ale volantului și placa de presiune (prin intermediul discului de ambreiaj), momentul motor este transmis arborelui primar al cutiei de viteze și mai departe, prin celelalte organe ale transmisiei, la roțile motoare.
Rolul principal al volantului, determinat de motorul autovehiculului, fiind de volant de inerție pentru reducerea gradului de neuniformitate a vitezei unghiulare de rotație a arborelui cotit, forma și dimensiunile lui sunt determinate în mod esențial de tipul motorului (cu aprindere prin scânteie, cu aprindere prin comprimare) și regimul acestuia de funcționare (lent sau rapid).
Volantul clasic se întâlnește în două variante: volantul monobloc plat sau cu obadă, constituit ca o piesa masivă din fontă și volantul modular, compus din elemente asamblate. La autoturisme în prezent se utilizează, de regulă, volant monobloc plat.
Volantul modular, datorita reducerii costurilor de fabricatie, constituie o solutie de viitor.
Volantul, fig.4.3, este fixat pe arborele cotit al motorului într-o poziție bine definită cu ajutorul șuruburilor 4. În zona exterioară a acestuia se găsește coroana dințată pentru antrenare demaror 1, iar frontal se mai pot observa suprafața de fricțiune cu ambreiajul 3, găurile de echilibrare 2 și știfturile de ghidare ale plăcii de presiune 5.
Fiind compatibil în dimensiuni cu partea conducătoare a ambreiajului, zona frontală a volantului constituie una dintre suprafețele de frecare.
Construcția volantului este determinată de rolul funcțional pe care îl îndeplinește pentru motor, iar configurația acestuia este influențată și de tipul mecanismului de ambreiaj cu care acesta este asamblat.
Pe volantul motorului este apăsat discul de ambreiaj de către placa de presiune datorită forței dezvoltate de arcul diafragmă. Discul de ambreiaj se poate deplasa axial pe canelurile arborelui ambreiajului. Pentru a mări coeficientul de frecare discul de ambreiaj este prevăzut cu garnituri de frecare.
Deoarece motoarele cu ardere internă evoluează continuu, cuplul motor fiind mai mare, respectiv masele reduse ale componentelor și numărul din ce în ce mai mare al treptelor de viteză sunt factori care duc la intensificarea vibrațiilor din grupul moto-propulsor. Pentru a atenua aceste vibrații volanta simplă a evoluat în volantă dublă. Rolul primar al volantei duble este decuplarea motorului de transmisie, din punct de vedere al vibrațiilor transmise. Acest lucru se poate realiza prin divizarea masei volantei simple în două componente, conectate între ele prin intermediul unui sistem de amortizare realizat cu arcuri elicoidale dispuse pe diferite raze de cerc.
Dublul volant, fig.4.3.b, este compus dintr-un volant primar, fixat pe arborele cotit al motorului și un volant secundar, pe care se montează mecanismul ambreiaj. Între cei doi volanți, centrați printr-un rulment, este amplasat izolatorul de vibrații torsionale, compus din arcurile elicoidale și amortizorul, format dintr-un pachet de inele de frecare, fig.4.4. Datorită spațiului disponibil în gabaritul volantului motor, dimensiunile izolatorului de vibrații pot fi majorate față de cazul dispunerii lui în discul condus al ambreiajului și, ca urmare, rezultă un filtraj al vibrațiilor torsionale foarte bun chiar și în regimurile de turație reduse. Prin înserierea arcurilor între cei doi volanți acestea îndeplinesc și rolul dispozitivului elastic suplimentar pentru limitarea momentului la cuplarea bruscă a ambreiajului.
Mecanismul ambreiaj – este subansamblul ce asigură apăsarea și eliberarea discului de fricțiune, poziționat între acesta și volant. Fixarea mecanismului de ambreiaj pe volant este de tip demontabilă și este realizată cu ajutorul unor elemente de centrare și al unor șuruburi dispuse în zona periferică.
Principalele cerințe funcționale ale acestui subansamblu sunt:
să exercite o presiune uniform repartizată asupra discului de fricțiune;
să fie bine echilibrat dinamic;
să aibă gabarit axial minim.
În componența acestui subansamblu se găsesc următoarele elemente principale, fig.4.5: dispozitivul elastic de apăsare 1, discul de presiune 3, carcasa ambreiajului 2.
a) Dispozitivul elastic de apăsare (presiune) – este constituit de arcul central diafragmă și soluția de fixare a arcului precomprimat între carcasă și discul de presiune.
Forța de apăsare este realizată de un singur arc, de o construcție specială, numit diafragmă, care are rolul de a menține contactul între volantă, disc de ambreiaj și placa de presiune cât timp pedala de ambreiaj nu este apăsată.
În stare liberă, arcul diafragmă are forma unui trunchi de con, cu brațe elastice, formate prin decupări radiale, fig.4.6.
Forța elastică a arcului pentru o săgeată dată variază în funcție de grosimea tablei, de unghiul conului și de diametrele de rezemare pe carcasa mecanismului și pe discul de presiune.
În funcție de sensul de acționare al arcului diafragmă/sensul forței de decuplare a manșonului – se deosebesc două tipuri de ambreiaje, fig. 4.7.:
de tipul împins (push type), sau apăsat – la care decuplarea se face prin împingerea arcului diafragmă; manșonul apasă partea centrală a arcului și se apropie de volant;
de tipul tras (pull type), la care decuplarea se face prin tragerea arcului diafragmă; manșonul trage partea centrală a arcului și se depărtează de volant.
Fig. 4.7.Componentele ambreiajelor pull-type și push-type
Între cele două tipuri de ambreiaje este de remarcat că pentru performanțe identice, ambreiajul cu arc tras are o dezvoltare radială mai redusă decât ambreiajul cu arc apăsat, în timp ce acesta din urmă are un gabarit axial redus.
Avantajul ambreiajelor de tipul tras este forța de acționare mai mică relativ la aceeași forță de apăsare a arcului diafragmă. Acest lucru permite ca pentru ambreiajele care pot transmite un moment maxim mai mare să se utilizeze același mecanism de acționare ca în cazul unui ambreiaj de tipul împins.
Mecanismul de tip ”tras” are aplicații la transmisiile cu un moment mare de încărcare, ce echipează autoutilitare.
b) Discul de presiune – confecționat din fontă sau din oțel, se află în același regim de mișcare cu volantul motorului și are posibilitatea deplasării axiale față de volant, mișcare necesară decuplării ambreiajului și compensării uzurilor de frecare ale discului condus. Solidarizarea în mișcare de rotație și ghidarea axială a discului de presiune cu volantul se face în mai multe moduri, fig.4.8, din care cel mai frecvent este prin intermediul unor lamele 1 dispuse tangențial, în triunghi sau radial.
Fig. 4.8. Solidarizarea discului de presiune cu carcasa:
a – lamele tangențiale ; b – în triunghi; c – radial.
Pentru asigurarea unei apăsări uniforme a discului condus pe suprafața de frecare, discul de presiune trebuie să fie rigid. Pentru a facilita transferul unei cantități cât mai mare de căldură, rezultată din procesul patinării ambreiajului, discul de presiune este prevăzut, pe partea opusă suprafeței de frecare, cu aripioare de răcire.
c) Carcasa ambreiajului, fig.4.5 – este fixată rigid pe volantul motorului prin șuruburi, constituind suport pentru arcul diafragmă și elementele de solidarizare în rotație și ghidare axială a discului de presiune. În partea centrală, carcasa are o deschizătură circulară, prin care trece arborele ambreiajului cu manșonul de decuplare. Carcasa este obținută prin ambutisare din tablă cu conținut redus de carbon sau, în cazul unor ambreiaje de dimensiuni mari, prin turnare din fontă.
Discul condus (discul de ambreiaj/discul de fricțiune) – este un subansamblu constructiv al părții conduse a ambreiajului, care, sub acțiunea forțelor axiale dezvoltate în mecanismul ambreiaj, permite transmiterea fluxului de putere al motorului către arborele condus al ambreiajului. Principalele cerințe funcționale ale acestui subansamblu sunt: să transmită integral momentul motor; să utilizeze cu eficacitate forța furnizată de mecanismul ambreiaj; să asigure progresivitate la cuplarea ambreiajului la pornire din loc sau după schimbarea treptei de viteză; să permită o bună ventilare; să asigure izolarea vibrațiilor de torsiune provenite de la motor pentru a proteja transmisia.
Discul de ambreiaj, fig.4.9, este compus din garniturile de fricțiune 1 care sunt fixate pe discul metalic 2 prin intermediul niturilor (sau pot fi lipite). Există două discuri metalice, unul pe care este fixată garnitura de fricțiune 1 și altul care este fixat pe butucul canelat 4. Între aceste două discuri mișcarea de rotație se transmite prin intermediul arcurilor elicoidale 3 care au rolul de a prelua șocurile mecanice în momentul cuplării ambreiajului. Butucul canelat 4 se montează pe arborele de intrare în cutia de viteze care, cu ambreiajul cuplat, preia mișcarea de la arborele cotit al motorului cu ardere internă.
Fig.4.9.Componentele unui disc de ambreiaj: 1-garnitură de fricțiune; 2 -disc metalic; 3 – arcuri elicoidale; 4 – butuc canelat.
Tipurile de discuri de ambreiaj, fig.4.10, pot fi: disc rigid (fără amortizor de vibrații) și disc cu amortizor de vibrații.
Fig.4.10.Variante constructive de disc de ambreiaj
Discul condus, fig.4.11, este format din discul suport 2 pe care se fixează garniturile de frecare 1 și 3, butucul cu flanșa 5, izolatorul pentru vibrații de torsiune, format din elementul elastic 6 și inelele de frecare 4 și 7, discul suplimentar (de închidere) 9 și niturile de asamblare 8. Discul 5 este elementul care transmite cuplul de la motor la cutia de viteze, cu ajutorul plăcii de presiune. Butucul canelat 3 asigură solidarizarea la rotație a discului metalic 5 cu arborele ambreiajului.
Garniturile 1 permit cuplarea lină, fără șocuri la pornire. Acestea sunt fixate pe un disc suport prin nituire 4 sau lipire. Azbestul nu se mai folosește!
Amortizoarele de vibrații de torsiune 2 sunt arcuri spirale.
Cerințe ale materialelor garniturilor: rezistență mare la uzare, rezistență mare la încălzire, coeficient mare de fricțiune.
La autovehicule, când ambreiajul este activat pentru a transmite fluxul de putere a al motorului la celălalt ax al organului de mașină, de obicei către cutia de viteze, poate fi necesară creșterea rotațiilor motorului ca acesta să nu se oprească. O creștere bruscă (exagerată) prea mare a turației motorului provoacă prematur uzura suprafețelor de contact (fricțiune) ale ambreiajului.
Pentru a proteja garniturile de frecare împotriva încălzirii exagerate, pe suprafața acestora se prevăd o serie de canale radiale, prin care, la rotirea ambreiajului, circulă aer care contribuie la răcirea suprafețelor de frecare. În același timp, șanțurile contribuie la menținerea curată a suprafețelor de frecare prin evacuarea centrifugală a particulelor rezultate din uzura garniturilor și, într-o măsură oarecare, la cuplarea totală și rapidă a ambreiajului prin înlăturarea fenomenului de ventuzare a garniturilor de frecare pe suprafețele de contact.
Ambreiajele mecanice cu două discuri, fig.4.12, prezintă aproape aceleași avantaje ca și cele cu un singur disc, cu excepția faptului că momentul de inerție al pieselor conduse este mai mare și rapiditatea decuplării nu este totdeauna satisfăcătoare.
Fig.4.12.Ambreiaje bidisc
Manșonul de decuplare – este elementul ce permite transmiterea efortului de decuplare (prin apăsare sau prin tracțiune) primit de la furca de decuplare fixată pe carterul ambreiajului, mecanismului ambreiaj aflat în mișcare de rotație. Ansamblul este concentric cu arborele ambreiajului.
La ambreiajele cu mecanisme cu arcuri periferice, manșonul acționează asupra pârghiilor de decuplare. La ambreiajele cu mecanisme cu arcuri tip diafragmă, manșonul acționează direct asupra părții centrale a arcului diafragmă.
Manșonul se compune din două inele cilindrice coaxiale, unul în rotație cu mecanismul ambreiaj și celălalt fără rotație, legat de furca de comandă. Pentru evitarea încălzirii provocate de frecarea de contact, la soluțiile actuale, între aceste inele, se intercalează un rulment, numit rulment de presiune.
Manșonul de decuplare cu autocentrare se utilizează atât în situația unei comenzi cu joc (gardă), cât și în cea a unei comenzi de tipul cu apăsare constantă. El elimină dezavantajele provocate de dezaxarea posibilă între manșonul de decuplare și mecanismul ambreiajului (zgomot și uzură accentuate).
Sistemul de acționare a ambreiajului. Pedala din stanga de la postul de conducere este numită "pedală ambreiaj", deși angrenajul este în cu totul altă parte. Conexiunea dintre pedală și ambreiaj se face prin 2 mijloace: cablu (vezi "cablul de ambreiaj" – DACIA 1300) sau sistemul hidraulic, cu două pistonașe acționate cu uleiul de servodirecție.
Sistemele de acționare a ambreiajului trebuie să îndeplinească o serie de cerințe printre care:
să asigure o cuplare rapidă și o decuplare rapidă și totală;
forța aplicată pedalei să fie cât mai mică 80…120 N la curse ale pedalei de 80…120 mm;
să asigure compensarea automată a jocurilor datorate uzurilor normale ale ambreiajului;
să aibă o construcție simplă și sigură în utilizare.
Din punct de vedere constructiv, sistemele de acționare pot fi cu comandă mecanică sau cu comandă hidraulică, fig.4.13.
La sistemele de acționare cu comandă mecanică a ambreiajului, realizată în variantele moderne prin cablu, acționarea manșonului de decuplare se face de către conducătorul autovehiculului prin apăsarea pedalei de ambreiaj.
Comanda cu cablu se bazează pe capacitatea de a transmite forța de acționare prin deplasarea unui cablu menținut pe un traseu de regulă curbiliniu de o teacă fixă. Construcția unui astfel de mecanism este prezentată în fig.4.13.a.
Comanda se transmite de la pedala 1 la pârghia (furca) de debreiere 5 prin intermediul unui cablu montat în teaca 6.
La comanda prin cablu, transmiterea efortului de acționare se face numai prin tracțiune. Cablul este constituit dintr-un miez flexibil și inextensibil din oțel, ce preia sarcina și o îmbrăcăminte de fire înfășurate în spirală, alternativ în cele două sensuri; flexibilitatea este conferită de alunecarea dintre fire.
La fiecare extremitate, cablul este solidarizat cu elemente sertizate, pentru asamblare cu pedala de ambreiaj 1 și cu furca de debreiere 5.
Pentru compensarea uzurii garniturilor de fricțiune, cursa liberă necesită un reglaj periodic. Reglarea cursei libere (gardă) existentă între manșonul de decuplare și mecanismul de ambreiaj (arc diafragmă sau pârghiile de decuplare) se realizează cu un dispozitiv de tip șurub-piuliță asigurat cu contrapiuliță. Controlul valorii de reglaj este realizat prin mărimea deplasării furcii sau a pedalei, deoarece manșonul de decuplare nu este accesibil.
Sistemele moderne de acționare mecanică sunt prevăzute cu dispozitive de reglare automată a jocului dintre rulmentul de presiune și pârghiile de decuplare ale ambreiajului.
Sistemele de acționare cu comandă hidraulică a ambreiajului au ca principiu de funcționare și realizare constructivă pe cel al comenzii hidraulice a frânelor.
În fig. 4.13.b este prezentată construcția de ansamblu a unei comenzi hidraulice a ambreiajului. Pedala de ambreiaj 8 acționează pistonul pompei hidraulice de comandă 4; pompa este alimentată cu ulei special furnizat de rezervorul 1. Prin intermediul unei conducte 3 și a unei mufe de racordare 5, fluidul este transmis cilindrului receptor 6, al cărui piston acționează manșonul de decuplare. Pentru aerisirea cilindrului receptor este prevăzut ventilul de aerisire 7.
Principalul avantaj al sistemului este efectul multiplicator obținut prin adoptarea unui diametru, pentru cilindrul receptor, superior celui al cilindrului pompei de comandă.
4.1.3.2. Compunerea și funcționarea ambreiajelor hidromecanice (hidraulice)
Ambreiajele hidrodinamice se folosesc la unele tipuri de automobile moderne datorită unor avantaje pe care le prezintă: demarare mai lină a autovehiculului, amortizarea oscilațiilor de răsucire și deplasarea în priză directă chiar la viteze foarte reduse.
Utilizarea ambreiajului hidraulic fără ambreiajul mecanic este permisă numai la automobilele echipate cu cutii de viteze planetare, la care schimbarea treptelor de viteză se face prin frânarea unor elemente ale transmisiei planetare.
Ambreiajul hidrodinamic este format dintr-un rotor-pompă, montat pe arborele motor în locul volantului și din rotor-turbină, montat pe arborele condus. Cele două componente au la partea exterioară palete radiale plane. Întregul ansamblu este închis într-o carcasă etanșă, umplută în proporție de 85% cu ulei mineral pentru turbine.
Fig.4.14.Ambreiaj hidraulic: 1-turbina; 2-rotor pompa; 3-arbore cotit; 4-arbore primar; 5-canal central; 6-palete
În momentul în care motorul începe să funcționeze, va antrena și rotorul-pompă iar uleiul care se găsește între paletele sale, sub acțiunea fortei centrifuge este împins către periferie și obligat să circule în sensul săgeților, adică uleiul va trece din rotorul-pompă în rotorul-turbină apăsând asupra paletelor lui în mișcare. Aici, pe de o parte imprimă uleiului aflat între paletele turbinei o circulație în sensul săgeților, iar pe de altă parte exercită asupra paletelor turbinei o presiune corespunzătoare energiei cinetice acumulate. Această presiune, în raport cu axul turbinei, creează un cuplu care, când este suficient de mare, învinge rezistența la înaintare a autoturismului.
Când turbina începe să se rotească, uleiul cuprins între paletele sale este și el supus forței centrifuge, care însă îi imprimă o circulație într-un sens invers față de cel indicat în fig.4.14. De aceea, când turația turbinei este egală cu turația pompei, uleiul nu mai circulă dinspre pompă în turbină. Deci, transmiterea momentului motor este posibilă numai când turația turbinei este mai mică decât turația pompei.
Diferența dintre turația pompei și turația turbinei se numește „alunecare”, iar mărimea ei exprimă diferența dintre puterea pompei și puterea turbinei. Alunecarea maximă apare atunci când motorul funcționează iar autovehiculul stă pe loc, pe când alunecarea minimă apare în timpul deplasării autoturismului, la regimul de funcționare în care poate fi transmis momentul motor maxim.
La frânare și la deplasarea autovehiculului prin inerție, turația turbinei este mai mare decât turația pompei. În acest caz, lichidul circulă în ambreiajul hidraulic în sens invers decât cel indicat în figură, iar ambreiajul transmite de la motor la cutia de viteze și în restul transmisiei un moment de frânare.
4.1.3.3. Compunerea și funcționarea ambreiajelor electrodinamice
Pentru ușurarea conducerii automobilelor a luat extindere, odată cu folosirea cutiilor de viteze hidrodinamice, utilizarea ambreiajelor cu comandă automată.
Fig.4.15.Ambreiaj electrodinamic
Dintre acestea fac parte și ambreiajele electromagnetice, a căror construcție poate să difere în funcție de modul în care se realizează legătura dintre partea condusă și partea conducatoare și anume:
– ambreiajele cu umplere magnetică, la care solidarizarea părții conduse cu cea conducătoare se realizează prin magnetizarea pulberii, care umple cavitatea interioară a ambreiajului;
– ambreiajele fără pulbere magnetică, la care forța de cuplare este dată de un electromagnet alimentat de sursa de curent a autovehiculului.
Ambreiajul cu pulbere magnetică se compune din trei grupe de piese:
– grupa pieselor conducătoare, antrenate de motor: volantul cu coroana dințată pentru pornire; carcasa, asamblată cu volantul; pulberea magnetică;
– grupa pieselor conduse, care preiau mișcarea și antrenează cutia de viteze: discul ambreiajului solidarizat printr-un butuc cu caneluri interioare pe arborele primar al cutiei de viteze. Marginea exterioară a discului este introdusă în spațiul dintre volant și discul obturator;
– grupa pieselor necesare alimentarii cu curent electric a bobinei: perie si inel de contact fixat pe carcasa. Curentul electric este furnizat de generatorul de curent al autoturismului.
La ambreiajele cu umplere magnetică corpul de lucru îl constituie pulberea magnetică de fier, care se află într-un spațiu inelar. Acest spațiu, care leagă partea conducătoare a ambreiajului de cea condusă, se află dispus între polii unor electromagneți. Prin conectarea înfașurării de excitație, alimentată de curentul furnizat de bateria de acumulatoare, particulele de pulbere se concentrează de-a lungul liniilor de forță magnetice, formând niște lanțuri magnetice care rigidizează pulberea transformând-o într-un corp solid. Sistemul de cuplare este încorporat în volant, executat din oțel și constituind împreună cu discul, circuitul magnetic al ambreiajului.
La turații mici, ambreiajul cu pulbere magnetică este decuplat, deoarece curentul slab care trece prin bobina de excitație nu poate magnetiza pulberea. Pe măsura creșterii turației motorului, se mărește și intensitatea curentului care intră în bobină, provocând prin magnetizarea pulberii, blocarea progresivă a discului ambreiajului. Debreierea la schimbarea vitezelor se face prin întreruperea curentului ce alimentează bobina de către maneta cutiei de viteze, cu ocazia schimbării treptei de viteză.
Principalul incovenient al ambreiajelor de acest tip este momentul de inerție mare al elementului condus, fapt ce face dificilă schimbarea vitezelor. Acest dezavantaj poate fi înlăturat prin utilizarea unui disc condus subțire cu moment de inerție mic. O altă dificultate o reprezintă menținerea pe perioadă îndelungată a proprietăților feromagnetice și anticorozive ale pulberii.
La ambreiajele electromagnetice fără pulbere, efectul de cuplare se obține prin unirea volantului cu discul condus montat pe arborele primar al cutiei de viteze pe ale cărui caneluri se deplasează.
4.1.3.4. Compunerea și funcționarea ambreiajelor combinate
Pentru mărirea confortului, la multe autoturisme moderne, se utilizează ambreiaje combinate, care permit automatizarea acționării lor.
Ambreiajele combinate sunt formate, de regulă, dintr-un ambreiaj cu fricțiune, combinat cu un ambreiaj centrifugal, hidraulic sau electromagnetic.
La ambreiajul combinat mecanic-centrifugal, pentru pornirea din loc se folosește un ambreiaj centrifugal, iar pentru schimbarea vitezelor, un ambreiaj monodisc cu fricțiune, montat în serie.
La automobilele echipate cu cutii de viteze obișnuite, ambreiajul hidraulic se folosește împreună cu un ambreiaj mecanic cu fricțiune. Necesitatea utilizării unui ambreiaj cu frecare se explică prin faptul că, datorită alunecării permanente dintre rotoarele pompei și turbinei, în ambreiajul hidraulic, chiar la turații mici, există un moment care, deși mic, îngreunează cuplarea roților dințate sau produce șocuri asupra lor. Folosirea ambreiajului hidraulic este posibilă cand autovehiculul are o cutie de viteze cu roți planetare, care permite schimbarea vitezelor sub sarcină.
În cazul ambreiajului combinat hidraulic-mecanic, ca ambreiaj de pornire se folosește ambreiajul hidraulic, iar pentru schimbarea vitezelor, ambreiajul mecanic cu fricțiune.
4.1.3.5. Construcția și funcționarea ambreiajelor duble
Constructiv se deosebesc două tipuri de ambreiaje duble: monodisc cu frecare uscată; multidisc cu frecare umedă.
Ambreiajele multidisc utilizează ulei de transmisie pentru o răcire mai eficientă, transfer de cuplu progresiv și fiabilitate ridicată. Dar, datorită imersării în ulei, randamentul este mai scăzut iar prețul de producție mai ridicat.
Ambreiajele monodisc uscate au avantajul unui randament mai bun datorită lipsei uleiului. De asemenea coeficientul de frecare al acestor ambreiaje se situează între 0,2 -0,4 care sunt valori duble față de un ambreiaj multidisc umed. Cu toate acestea, ambreiajele uscate sunt proiectate să funcționeze pe întreaga durată de viață a automobilului, fără a avea nevoie de întreținere.
Fig.4.17.Componența ambreiajului dublu
Componentele unui ambreiaj dublu sunt similare cu cele ale unui ambreiaj simplu: placă de presiune, disc de ambreiaj, rulment de presiune și arc diafragmă.
Furcile de acționare pot fi controlate electro-hidraulic sau electric. Acestea trebuie să fie rezistente din punct de vedere mecanic și perfect funcționale pe toată durata de viața a ambreiajului.
Rulmentul de presiune, câte unul pentru fiecare ambreiaj, are rolul de a permite acționarea arcului diafragmă prin intermediul furcii.
Volanta dublă este montată pe partea cu motorul și are rolul de a filtra oscilațiile torsionale ale motorului. Montarea unei volante duble nu este obligatorie în cazul motoarelor cu injecție indirectă. În cazul motoarelor diesel cât și în cazul motoarelor pe benzină cu injecție directă este necesară utilizarea volantei duble deoarece oscilațiile de cuplu sunt mai pronunțate.
Discurile de ambreiaj sunt mai groase decât cele ale unei cutii manuale. De asemenea rezistența la uzură este mai mare deoarece acestea trebuie să reziste toată durata de viață a automobilului. Discul ambreiajului 1 are diametru mai mare deorece acesta este supus unor sarcini mai mari.
Plăcile de presiune sunt de mărimi diferite, fiecare fiind potrivit pentru discul de ambreiaj corespunzător. Mecanismele de acționare sunt de asemenea diferite, placa de presiune 2 este acționată prin împingere iar placa de presiune 1 prin tragere.
Între cele două discuri de ambreiaj este poziționată o placă centrală. Acesta se sprijină pe un rulment cu bile, are grosime mai mare decât plăcile de presiune și este utilizat de ambele discuri de ambreiaj pentru transmiterea mișcării. Datorită poziționării, rulmentul plăcii centrale este supus unor solicitări termice intense ce pot ajunge și până la 200 °C.
Cuplul motor este transferat, prin intermediul volantei duble, plăcii centrale. Acesta se rotește împreună cu volanta dublă, cu plăcile de presiune și cu cele două arcuri diafragmă. Ambele ambreiaje sunt prevăzute cu mecanisme de compensare automată a uzurii (SAC), care mențin constantă distanța între discurile de ambreiaj și plăcile de presiune, indiferent de gradul de uzură al discului. Acest mecanism asigură forțe mici de acționare pe întreaga durată de viață a ambreiajului și caracteristici constante ale acestora, elemente esențiale pentru un sistemul de acționare automat.
Aceste ambreiaje sunt dovada progresului tehnologic evident al transmisiilor pentru automobile. Cu acest concept inginerii de la LuK au reușit să utilizeze simplitatea și fiabilitatea unui ambreiaj de cutie manuală într-un sistem care permite automatizarea necesară unei transmisii cu dublu ambreiaj.
Randamentul superior al ambreiajelor uscate, comparativ cu cele multidisc umede, au permis automobilelor cu transmisii cu dublu ambreiaj cu frecare uscată să obțină un consum de combustibil mai mic comparativ cu un automobil cu transmisie manuală. În plus acestă arhitectură de transmisie are și avantajele unei transmisii automate: schimbarea rapidă a treptelor și fără întrerupere a cuplului motor, confort ridicat.
Datorită acestor avantaje transmisia cu dublu ambreiaj cu frecare uscată reprezintă soluția viitorului pentru automobilele de clasă mică și medie.
4.2. PARTEA APLICATIVĂ ȘI DESFĂȘURAREA TEMEI
Etapele desfășurării temei sunt:
Se va face o prezentare a tipurilor constructive de ambreiaje studiate;
Fig.4.20. Modele și machete didactice
Se vor identifica în laborator, cu ajutorul machetelor didactice, planșelor didactice, cataloagelor de firmă, elementele componente ale unui ambreiaj, cu precizarea materialelor din care sunt confecționate;
Identificarea părților componente: partea conducătoare, partea condusă și a mecanismului de acționare;
Se va face schema unui ambreiaj după o soluție fizică existentă în laborator, la alegere.
4.3. AUTOEVALUAREA CUNOȘTINȚELOR DOBÂNDITE
Prezentați rolul și cerințele ambreiajului.
Prezentați funcțiile ambreiajului.
Prezentați clasificarea ambreiajelor și principiul de funcționare al fiecărui tip constructiv.
Identificați elementele componente ale ambreiajului din desenul primit și descrieți modul de funcționare.
Explicați rolul funcțional al componentelor.
Identificați elementele componente ale ambreiajului monodisc uscat cu arc central tip diafragmă și ambreiajului cu arcuri periferice din desenul primit și descrieți modul de funcționare al acestor ambreiaje.
Explicați noțiunile: “ambreiere” , “debreiere”, “patinare” a ambreiajului.
Care este rolul volantei și principiul de funcționare ?
Care este componența mecanismului ambreiaj ?
Care este rolul și componența discului de presiune ?
Explicați noțiunea de ambreiaj “tras” și “împins”.
Care sunt cerințele sistemului de acționare a ambreiajului ?
Care este principiul de funcționare al ambreiajelor hidrodinamice ?
Care este principiul de funcționare al ambreiajelor electrodinamice
Care este principiul de funcționare al ambreiajelor combinate ?
Care este principiul de funcționare al ambreiajelor duble ?
Dați exemple de ambreiaje duble. Avantaje și dezavantaje.
5
Compunerea și organizarea cutiilor de viteze mecanice cu schimbare manuală a treptelor de viteză
Tema își propune următoarele: asimilarea bazei teoretice necesară pentru înțelegerea funcționării cutiilor de viteze, cunoașterea rolulul funcțional, a cerințelor precum și a tipurilor constructive de cutii de viteze, identificarea elementelor componente ale cutiilor de viteze și delimitarea rolului lor funcțional.
5.1. ELEMENTE TEORETICE
5.1.1.Rolul cutiei de viteze
Puterea necesară pentru ca un automobil să poată rula și pentru funcționarea componentelor sale (servodirecție, servofrână, instalația de climatizare etc.) este produsă de motor, dar arborele cotit al motorului se rotește mult mai repede decât roțile motoare ale autovehiculului.
Viteza de deplasare a autovehiculului este variabilă în majoritatea regimurilor de deplasare pe când, la motor, deși turația acestuia se modifică în limite largi, momentul motor se modifică între o valoare maximă și una minimă, nu mult diferite.
La pornirea de pe loc și la schimbarea treptelor de viteză, la un automobil echipat cu cutie de viteze manuală, fluxul de putere de la motor spre cutia de viteze trebuie întrerupt. După cum se știe nu este posibilă schimbarea treptelor de viteze când motorul lucrează în sarcină. Acesta necesită existența ambreiajului. Când este cuplat, ambreiajul transmite momentul motor către cutia de viteze și către roțile motoare, iar când este decuplat, întrerupe fluxul de putere dintre motor și roțile motoare.
Între parametrii motorului – putere efectivă Pe, momentul motor efectiv Me și viteza unghiulară efectivă a arborelui cotit ωe – există relația:
[W] (5.1)
Momentul motor MR, primit la roțile motoare, prin lanțul cinematic al transmisiei, este transformat în forță de tracțiune, care asigură propulsarea autovehiculului. Forța de tracțiune este direct proporțională cu mărimea momentuluii motor aplicat roților motoare iar viteza de deplasare a autovehiculului este invers proporțională cu momentul motor la roată.
Pornind de la acest adevăr, momentul motor MR la roțile motoare ale autovehiculului se determină cu relația:
[Nm] (5.2)
în care: PR – puterea la roata motoare [W];
ωR – viteza unghiulară a roții motoare [rad/s];
ηtr – randamentul total al transmisiei autovehiculului.
Momentul motor MR este generat ca urmare a acțiunii unei forțe tangențiale la periferia unui disc sau a unei roți dințate, conform fig. 5.1 Dacă notăm cu "r" raza unei roți, în [m], din fig.5.1. se constată că r1 > r2 > r3..
Cele trei forțe F1, F2, F3 , în raport cu axa de rotație a celor trei roți, vor produce un moment motor M care se poate calcula cu relația:
[Nm] (5.3)
Soluția găsită pentru dezvoltarea la roțile motoare ale autovehiculului a unui moment motor variabil, adaptat la modificarea rezistențelor la înaintare, este aceea a folosirii unui număr de angrenaje de roți dințate, fig.5.2., cu rapoarte de transmitere diferite, închise într-un carter comun, parțial umplut cu ulei. Astfel au apărut primele cutii de viteze, care s-au perfecționat și diversificat permanent.
Un raport de transmitere, specific angrenajului selectat de către conducătorul auto, este ales în funcție de circumstanțele existente la un moment dat pe calea de rulare, după ce legătura motor – roți motoare a fost întreruptă, cu ajutorul ambreiajului.
[Nm] (5.4)
Forța de tracțiune este direct proporțională cu mărimea momentului motor aplicat roților motoare, iar viteza de deplasare a autovehiculului este invers proporțională cu momentul motor la roată. Pentru a avea, la pornirea de pe loc, o forță la roată cât mai mare, este nevoie de un raport de transmitere cât mai mare, numit raport de transmitere "scurt". Pentru ca autovehiculul să se deplaseze cu viteză stabilă, timp mai îndelungat, este nevoie de o forță de tracțiune mai redusă, realizată cu un raport de transmitere mai mic, numit raport de transmitere "lung". Cu cât forma aerodinamică a autovehiculului este mai bună cu atât raportul de transmitere "lung" este mai redus.
Între aceste două limite extreme apar o multitudine de regimuri de deplasare a autovehiculului, care necesită, fiecare, propriul său raport de transmitere. Această cerință nu poate fi asigurată de angrenajele unei cutii de viteze clasice, deoarece numărul angrenajelor nu poate crește la infinit, iar fiecare roată dințată trebuie să aibă un număr întreg de dinți.
În angrenajele de roți dințate, fig.5.2, momentul motor M apare asemănător, ca produs dintre forța tangențiala Ft din dantura roților aflate în angrenare și raza de divizare rd a roții dințate:
Momentul motor la ieșirea din cutia de viteze se modifică în funcție de raportul de transmitere "i", calculat cu relația:
, [Nm] (5.5)
Raportul de transmitere într-o treaptă oarecare din cutia de viteze se calculează cu relația:
(5.6)
Cutia de viteze reprezintă ajutorul tehnic al conducătorului auto, pentru transformarea și adaptarea momentului motorului la condițiile variabile de propulsare, care cer, la roțile motoare, momente motoare variabile.
Cutia de viteze 1, fig.5.3. primește fluxul de putere prin intermediul ambreiajului 2 de la motorul 3, dispus transversal. Modificarea condițiilor de deplasare pe drum orizontal (poziția 5) sau pe rampă (poziția 4), se asigură prin modificarea treptelor din cutia de viteze.
Fig. 5.3. Amplasarea transversală a cutiei de viteze cu doi arbori
O cutie de viteze acționată manual are un număr limitat de trepte de viteze. După numărul arborilor utilizați, cutiile de viteze pot fi cu doi arbori, la care fiecare treaptă de viteze se realizează printr-un singur angrenaj de roți dințate, sau cu trei arbori, la care fiecare treaptă de viteză se realizează cu ajutorul a două angrenaje de roți dințate
Cutia de viteze este formată dintr-un număr de angrenaje de roți dințate, cu dantură înclinată, fig.5.4a, pentru treptele de mers înainte și cu dantură dreaptă, fig.5.4.b, pentru treapta de mers înapoi. Treapta de mers înapoi se realizează prin interpunerea între roata dințată conducătoare și roata dințată condusă a unei roți intermediare, care asigură mersul înapoi al autovehiculului.
Un angrenaj format dintr-o roată dințată conducătoare (un pinion) cu 20 dinți, care angrenează cu o roata dințată condusă cu 60 dinți, realizează un raport de multiplicare a momentului motor de trei ori, adică momentul motor la roata cu 60 de dinți este de trei ori mai mare decât momentul motor de la pinionul cu 20 de dinți. Altfel spus roata cu 60 de dinți se va roti de trei ori mai încet decât pinionul conducător cu 20 de dinți.
În ultimii ani, a avut loc o imbunătățire considerabilă a cutiilor de viteze prin:
schimbarea treptelor de viteză mult simplificată, prin mijloace de sincronizare optimizate ;
schimbări silențioase datorită roților dințate cu dantură inclinată;
rapoartele de transmitere adaptate puterii motorului și obținerea forțelor de tracțiune ce se îmbină perfect cu treptele de viteze;
proiectarea de cutii de viteze cu un număr ridicat de rapoarte de transmitere.
O cutie de viteze modernă de autoturisme are 5, 6 sau 7 rapoarte de transmitere, respectiv trepte de mers înainte (fig.3.3.), iar la cutiile de viteze de autocamioane se poate ajunge la 16 trepte. Aceste rapoarte, realizate cu ajutorul angrenajelor de roți dințate, au rolul să multiplice momentul motor primit. Angrenajele de roți dințate lucrează pe principiul pârghiilor cu brațe inegale. În majoritatea treptelor de viteze raportul de transmitere este supraunitar (i ≥ 1), excepție făcând treptele superioare, "economice", al căror raport de transmitere este subunitar.
Carterul cutiei de viteze conține mecanismul reductor și lubrifiantul de ungere a angrenajelor și lagărelor.
Concluzie: Dacă ținem cont de limitările motorului cu ardere internă precum și de necesarul de tracțiune al unui automobil putem spune că o cutie de viteze are următoarele roluri/funcții:
adaptarea caracteristicii de cuplu a motorului în funcție de variația rezistențelor la înaintare;
permite mersul înapoi al autovehiculului pentru același sens de rotație al arborelui cotit;
permite decuplarea motorului de restul transmisie în cazul staționarii îndelungate a autovehiculului.
5.1.2. Clasificarea cutiilor de viteze
Clasificarea cutiilor de viteze se poate face după modul de variație a raportului de transmitere și după modul de schimbare a treptelor de viteze.
A. După modul de variație a raportului de transmitere, se deosebesc următoarele tipuri:
cutii de viteze discontinue (în trepte) la care raportul de transmitere variază discontinuu; la rîndul lor se pot clasifica după numărul de trepte (respectiv 3, 4 sau 5 trepte) și după mișcarea axei arborilor (normale) (ce inseamna normale???), când axele arborilor sunt fixe și respectiv planetare, când axele unor arbori sunt mobile;
cutii de viteze continue (progresive), la care raportul de transmitere variază în mod continuu: mecanice, hidraulice și electrice;
cutii de viteze combinate: reprezintă o asociere între un hidrotransformator și o cutie de viteze în trepte, de cele mai multe ori planetară (automată).
B. După modul de schimbare a treptelor de viteze se deosebesc următoarele tipuri:
cutii de viteze cu comandă directă, la care, pentru schimbarea treptelor se utilizează efortul conducătorului auto.
cutii de viteze cu comanda semiautomată, la care conducatorul auto stabileste numai treapta de viteza, declansand un servomecanism care dezvolta efortul necesar schimbarii treptelor de viteze.
cutii de viteze cu comanda automată, la care schimbarea treptelor se face automat, prin anumite mecanisme, in functie de viteza autovehiculului si de sarcina motorului.
5.1.3. Compunerea și variante constructive de cutii de viteze
Structural, cutiile de viteze în trepte sunt formate din lanțuri cinematice paralele (utilizând și elemente comune), egale ca număr cu treptele de viteză și sunt constituite din reductoare cu roți dințate și axe fixe sau mobile (planetare). Aceste reductoare formează mecanismul reductor al cutiilor de viteză.
Funcționarea independentă a lanțurilor cinematice se asigură prin montarea în fiecare lanț cinematic a roții cu cea mai mică turație independentă de rotația arborelui de susținere (liberă). Funcționarea cutiei de viteze într-o anumită treaptă se obține prin solidarizarea la rotație a roții libere cu arborele de susținere. Pentru solidarizare se utilizează mecanisme de cuplare a treptelor.
Comanda cuplării, selectarea treptei și menținerea treptei cuplate se face prin mecanismul de acționare.
Organizarea mecanismului reductor al cutiei de viteze este realizată în concordanță cu:
– soluția de organizare a echipamentului de tracțiune (clasică, totul față, totul spate, sau integrală);
– poziția motorului în raport cu axa longitudinală a automobilului (transversal sau longitudinal);
– dispunerea cutiei de viteze față de motor (în prelungire, sau la partea inferioară a acestuia);
– mărimea fluxului de putere transferat și cu numărul necesar de trepte de viteză.
La mecanismul reductor al cutiilor de viteze mecanice în trepte, raportul de transmitere (fig.5.5), se poate realiza prin:
– un singur angrenaj de roți dințate cu axe fixe, cum este cazul cutiilor de viteze cu doi arbori (fig.5.5.a);
– două angrenaje de roți dințate cu axe fixe, ca în cazul cutiilor de viteză cu trei arbori (fig.5.5.b);
– trei angrenaje de roți dințate, dintre care două cu axe fixe (organizate similar cutiei de viteze cu trei arbori) și unul cu axe mobile (reductor planetar) ca în situația cutiilor de viteze cu multiplicator planetar (fig.5.5c).
Fig.5.5. Realizarea rapoartelor de transmitere prin angrenaje de roți dințate
a – printr-un angrenaj; b-prin două angrenaje înseriate; c-prin mai multe angrenaje
Pentru realizarea treptei de mers înapoi (fig.5.6), față de treapta de mers înainte, unul din lanțurile cinematice ale mecanismului reductor se realizează cu trei roți dințate. Roata intermediară zi, montată pe un ax suplimentar ce angrenează simultan cu roata condusă z'1 și cea conducătoare z'2 nu intervine asupra raportului de transmitere, dar impune pentru acestea un sens identic de rotație.
Fig. 5.6. Realizarea treptelor de viteză
Luând ca elemente de bază arborii față de care sunt dispuse angrenajele mecanismului reductor, cele mai frecvente soluții de organizare cinematică, funcție de numărul acestora, sunt:
– mecanismul reductor cu doi arbori: primar și secundar (ex: DACIA);
– mecanismul reductor cu trei arbori, dispus longitudinal: primar, intermediar și secundar (ex: ARO).
Necesitatea îmbunătățirii performanțelor dinamice, economice și de poluare i-a determinat pe constructorii de automobile să optimizeze acordarea caracteristicii motorului la cerințele tracțiunii. Una din căile prin care este posibil acest fapt este suplimentarea numărului de trepte de viteză. Realizările practice aplicate în producția de serie pornind de la soluțiile clasice enumerate mai sus au sporit complexitatea ansamblului dar au păstrat în mare compactitatea impusă de cerințele construcției de autoturisme.
Cele mai reprezentative soluții de acest gen sunt:
– mecanismul reductor cu trei arbori, dispus transversal: arbore primar și doi arbori secundari (ex: VOLVO M 56);
– mecanismul reductor cu arbori multipli ce însumează pe lângă: arborele primar, intermediar și secundar (organizați similar cu CV longitudinale cu trei arbori) și arborii multiplicatorului de viteze.
În funcție de modul de poziționare al motorului cu ardere internă structura unei cutii de viteze manuală este diferită. De exemplu pentru automobilele cu motoare dispuse longitudinal în față și tracțiune pe puntea spate cutia de viteze are trei arbori: unul de intrare, unul intermediar și al treilea de ieșire.Fluxul de putere intră pe o parte a cutiei de viteze si iese pe partea opusă.
În cazul automobilelor cu motor dispus în față și tracțiune față (soluția totul față) cutiile de viteze au doi arbori: unul de intrare și unul de ieșire. Fluxul de putere intră si iese pe aceeasi parte a cutiei de viteze.
5.1.3.1.Compunerea și organizarea cutiilor de viteze cu doi arbori
Cutiile de viteze cu doi arbori se întâlnesc frecvent la autoturismele și autoutilitarele ușoare derivate din acestea, cu motoare dispuse transversal sau longitudinal. Cutiile de viteze cu doi arbori dispun frecvent de 5 sau 6 trepte de viteză.
Într-o astfel de organizare cutia de viteze cuprinde:
– arborele primar sau arborele de intrare, fig.5.7, ce primește mișcarea de la arborele cotit al motorului prin intermediul ambreiajului și include sau susține pinioanele conducătoare ale angrenajelor;
– arborele secundar sau arborele de ieșire, fig.5.8, ce susține sau include roțile conduse ale angrenajelor și transmite mișcarea direct sau indirect către puntea motoare.
Fig.5.8.Arborele secundar al cutiei de viteze cu 2 arbori
Lagărele acestui arbore sunt pe arborele de intrare si în carterul cutiei de viteze;
Roțile dințate sunt libere la rotație pe arbore (la cutiile moderne sunt montate pe rulmenți cu ace). Sincronizatoarele sunt acționate cu ajutorul furcilor de schimbare a treptelor de viteze;
Sistemul de schimbare a treptelor de viteze poate fi: extern (pe caroserie) și intern (în CV), fig.5.9. Mecanismul intern primește mișcarea de la mecanismul extern prin leviere, cabluri sau pârghii. Mișcarea poate fi de două feluri: axialaă (inainte-inapoi); de rotație(stânga – dreapta).
În interiorul cutiei de viteze, mișcarea este transmisă unor furci care execută miscări axiale.
Miscările sunt de: selecție – se selectează care furca va fi acționată; schimbare – furca selectată este acționată în sensul cuplării treptei de viteze selectate.
Fig.5.9.Sistemul de schimbare a treptelor de viteză:
1 – ansamblul selectoarelor; 2 – furcile de schimbare a treptelor de viteze
Fiecare treaptă de viteze se realizează cu ajutorul unui singur angrenaj de roți dințate, una fiind montată pe arborele primar, cealaltă pe arborele secundar.
Roțile dințate care asigură o treaptă de viteză sunt permanent în angrenare. Specific fiecărui angrenaj este faptul că una din roți este solidară la rotație cu arborele pe care este montată, iar cealaltă roată este liberă la rotație în raport cu arborele său. Solidarizarea la rotație dintre o roată dințată și arborele pe care este montată se poate realiza cu ajutorul unei mufe de cuplare, a unui sincronizator sau a unui ambreiaj multidisc.
Cutia de viteze prezentată în fig.5.10 se caracterizează prin existența a doi arbori secundari, unul pentru treptele pare, celălat pentru treptele impare de viteze.
Schema cinematică a acestei cutii de viteze, prezentată în fig.5.11, arată modul în care intră fluxul de putere și cum se distribuie spre roțile motoare ale autovehiculului. Astfel fluxul de putere dezvoltat la arborele cotit AC al motorului ajunge în cutia de viteze CV, trecând prin ambreiajul dublu AD, care antrenează la rotație arborele de intrare al treptelor pare, respectiv arborele treptelor impare.Arborii secundari antrenează la rotație pinionul de atac al punții motoare PM.
Raportul de transmitere intr-o treaptă oarecare din cutia de viteze se calculează cu relația:
(5.4)
în care: ZS reprezintă numărul de dinți ai roții de pe arborele secundar; ZP reprezintă numărul de dinți ai roții de pe arborele primar.
Caracteristicile cutiei de viteze cu doi arbori sunt:
intrarea și ieșirea se face la o anumită distanță (distanța între axele angrenajelor) de aceeași parte, în cazul soluțiilor de organizare a transmisiei de tip totul față (totul spate), când în același carter cu cutia de viteze se găsesc înglobate transmisia principală și diferențialul, sau în părți opuse în cazul soluției clasice – motor față – punte motoare spate – soluție specifică autoutilitarelor ușoare, derivate din autoturisme;
la transferul fluxului de putere participă un singur angrenaj de roți dințate, ceea ce determină, față de cutia de viteze cu trei arbori: un randament superior în toate treptele, exceptând priza directă; o gamă de rapoarte mai restrânsă pentru o aceeași distanță între axe; extinderea gamei este posibilă prin adaptarea unui raport subunitar pentru treptele 5 sau 6 cu valori de 0,7….0,85; în majoritatea cazurilor treapta de mers înapoi este nesincronizată
5.1.3.2. Compunerea și organizarea cutiei de viteze longitudinale cu trei arbori Cutiile de viteze clasice cu trei arbori se utilizează la automobilele organizate după soluția "clasică" sau cele cu tracțiune integrală cu motorul dispus longitudinal.
Arborii cutiei de viteze cu trei arbori sunt:
– arborele primar sau arborele de intrare care primește mișcarea de la arborele cotit al motorului prin intermediul ambreiajului; arborele primar poartă pinionul angrenajului permanent;
– arborele intermediar conține următoarele roți fixe: roata condusă a angrenajului permanent, ce primește mișcarea de la arborele primar; roțile conducătoare ale angrenajelor treptelor, cu excepția treptei de priză directă;
– arborele secundar sau arborele de ieșire, care susține roțile conduse ale angrenajelor treptelor și transmite mișcarea către puntea motoare.
Caracteristicile cutiei de viteze cu trei arbori sunt
există posibilitatea cuplării directe a arborelui primar cu arborele secundar, realizând astfel priza directă, situație în care: randamentul mecanic este maxim deoarece fluxul de putere se transmite direct, fără intervenția angrenajelor; zgomotul ansamblului este minim;
rapoartele de transmitere ale tuturor treptelor, cu excepția treptei de priză directă se obțin prin intermediul a două angrenaje: angrenajul permanent și angrenajul treptei respective; aceasta determină lărgirea gamei de valori pentru rapoartele de transmitere, în schimb se produce diminuarea randamentului mecanic;
în cazul în care cutia de viteze este fixată direct pe carterul ambreiajului, arborele primar al cutiei de viteze coincide cu arborele ambreiajului.
5.1.3.3.Compunerea și organizarea cutiei de viteze transversale cu trei arbori Gama cutiilor de viteze destinate echipării autoturismelor și autoutilitarelor ușoare cu motoare transversale s-a îmbogățit în ultimii ani cu o nouă variantă: cutia de viteze cu trei arbori.
Obiectivele principale ale apariției acestei noi generații de cutii de viteze au fost: sporirea momentului capabil de transmis, sincronizarea treptei de mers înapoi, creșterea numărului de trepte în condițiile unei construcții foarte compacte, similară cutiilor de viteze cu doi arbori ce dispun de patru trepte de viteză
Pentru satisfacerea acestor obiective, firmele RENAULT și VOLVO au apelat la o nouă soluție de organizare: construcția cu trei arbori – un arbore primar și doi arbori secundari paraleli, situați de o parte și de alta a acestuia.
Arborele primar, sau arborele de intrare, primește fluxul de putere al motorului prin intermediul ambreiajului. El include sau susține roțile conducătoare ale angrenajelor.
Arborii secundari, sau arborii conduși, numiți după poziția pe care o au față de primar – secundar inferior și secundar superior, susțin sau includ roțile conduse aflate permanent în angrenare și transmit direct sau indirect mișcarea către coroana transmisiei principale a punții motoare.
Caracteristicile unor astfel de cutii de viteze sunt:
– la transferul fluxului de putere participă un singur angrenaj de roți dințate;
– schimbarea tuturor treptelor se face cu sincronizare;
– lungimea ansamblului este redusă chiar în situația existenței celei de-a șasea trepte.
Cei 3 arbori ai cutiei de viteze, conform figurii 5.12, sunt : arborele primar – 1, arborele intermediar – I și arborele secundar – 2. Specific acestei cutii de viteze este angrenajul permanent, format din roțile dințate p-pI, care contribuie la realizarea tuturor treptelor de viteze, mai puțin priza directă, conform schemei cinematice din figura 5.13.
Priza directă, cu raportul de transmitere 1, se realizează prin solidarizarea la rotație a arborelui primar (de intrare) – 1 cu arborele secundar (de ieșire) – 2, prin deplasarea mufei M4-5 spre stânga, până intră în angrenare cu roata dințată P.
Raportul de transmitere intr-o treaptă oarecare din cutia de viteze se calculează cu relația:
(5.8)
în care: raportul ZpI/ ZP reprezintă raportul de transmitere al angrenajului permanent p-pI; ZS reprezintă numărul de dinți ai roții de pe arborele secundar; ZI reprezintă numărul de dinți ai roții de pe arborele intermediar I.
5.1.3.4 Compunerea și organizarea cutiei de viteze
longitudinale cu arbori multipli
O asemenea cutie de viteze este dezvoltată dintr-o cutie de viteze longitudinală cu trei arbori, completată cu un multiplicator de viteze.
Obiectivul principal ale apariției acestei noi generații de cutii de viteze a fost creșterea numărului de trepte în condițiile unei construcții foarte compacte, similară cutiilor de viteze longitudinale cu trei arbori.
5.1.3.5.Compunerea și organizarea cutiilor de viteze
echipate cu diferențial interaxial
La autoturismele echipate cu tracțiune integrală "full time" distribuirea fluxului de putere între punțile motoare față-spate se asigură prin montarea unui diferențial interaxial la ieșirea din cutia de viteze, conform fig.5.14. Fluxul de putere ajuns de la arborele secundar tubular 8 la carcasa 6 a diferențialului interaxial (printr-o asamblare cu caneluri), este distribuit prin sateliții 2 și roțile planetare 7 și 4 la arborele de antrenare a punții motoare față, respectiv spate.
Atunci când roțile unei punți motoare alunecă în raport cu roțile celeilalte punți motoare (de ex. în cazul unor aderențe diferite față-spate), prin deplasarea furcii 3 spre stânga se solidarizează la rotație roata dințată 5, solidară cu coroana 6 a diferențialului, cu arborele de ieșire 4 spre puntea spate. În această situație toate elementele diferențialului interaxial se rotesc cu aceeași turație, eliminându-se alunecarea dintre roțile față și spate.
Locul diferențialului interaxial poate fi preluat de cuplaje vâscoase, fig. 5.15, care lucrează pe principiul ambreiajelor multidisc, cu frecare lichidă. Aceste mecanisme permit rotirea cu turații diferite ale roților punții față în raport cu roțile punții spate, (max. 50 rot/min), după care le solidarizează la rotație, prin solidarizarea discurilor din interiorul său, sub acțiunea uleiului nenewtonian din interiorul carcasei.
5.1.3.6. Compunerea și organizarea cutiilor de viteze secvențiale, cu
schimbare manuală a treptelor de viteze
Pentru creșterea confortului de conducere și a durabilității cutiei de viteze s-au realizat cutiile de viteze secvențiale, (fig.5.16), cu dublu ambreiaj la care conducătorul auto selectează manual numai treapta deviteză dorită, schimbarea propriu-zisă a treptei de viteză făcând-o sistemul mecatronic.
Fig. 5.16. Comanda secvențială a cutiei de viteze
Acționând asupra butonului "M +",conducătorul auto va comanda cuplarea unui raport de transmitere superior, fig.5.16.
Acționând asupra butonului "M -" conducătorul auto va comanda cuplarea unui raport de transmitere inferior.
Prin folosirea elementelor de comandă mecatronice pentru schimbarea treptelor de viteze se diminuează șocurile rezultate în urma procesului de schimbare a unei trepte de viteză și se mărește durabilitatea angrenajelor cutiei de viteze. De asemenea crește confortul de conducere și cuplarea treptelor de viteze se face mai rapid și fără șocuri.
Prezența ambreiajului dublu AD (lipseste pe fig.5.17!!!), fig.5.17, face ca, prin divizarea fluxului de putere pe trepte pare și impare, să se îmbunătățească durabilitatea întregii transmisii. Modul de transmitere a fluxului de putere este prezentat schematic în fig.5.18, rezultând că un ambreiaj asigură trecerea fluxului de putere la treptele pare, iar cel de al doilea ambreiaj asigură trecerea fluxului de putere la treptele impare.
Înțelegerea modului de funcționare al unei cutii manuale este deosebit de importantă deoarece permite înțelegerea conceptelor mai avansate de cutii cum ar fi cutiile de viteze automate sau cu dublu ambreiaj. De asemenea cunoștințele relativ la construcția și funcționarea unei cutii de viteze conferă conducătorului auto posibilitatea de a exploata transmisia în condiții optime fapt ce are ca efect extinderea duratei de viață.
Cutiile de viteze mecanice în trepte utilizate frecvent sunt cu doi sau cu trei arbori. Cutiile de viteze cu doi arbori, deoarece intrarea si ieșirea fluxului de putere se face pe aceiași parte, sunt utilizate la autoturisme organizate dupa soluția "totul față" sau "totul spate". În cazul rapoartelor mari de transmitere în prima treaptă, când se obține o distanță mare între axe determinând dimensiuni mari de gabarit pentru carterul cutiei de viteze și a automobilelor organizate dupa soluția motor față – punte motoare spate, se folosesc cutii de viteze cu trei arbori. (Acest paragraf se cam repeta cu cele scrise anterior. Va propun sa renuntati la el!)
5.2. PARTEA APLICATIVĂ ȘI DESFĂȘURAREA TEMEI:
Etapele desfășurării temei sunt:
se va preciza rolul cutiei de viteze în transmisia autovehiculului;
identificarea organizării cutiilor de viteze manuale;
identificarea componentelor cutiilor de viteze: arbore de intrare, arbore intermediar, arbore condus, roți dințate conduse și conducătoare, sincronizatoare, furci etc., cu ajutorul standurilor, machetelor didactice, planșe și filme educative existente în dotarea laboratorului;
identificarea treptelor de viteză;
identificarea mecanismelor de blocare și zăvorâre.
Fig.5.19. Exemple de machete didactice
5.3.AUTOEVALUAREA CUNOȘTINȚELOR DOBÂNDITE
1. Explicați rolul cutiei de viteze în transmisia autovehiculelor.
2. Explicați noțiunea de raport de transmitere într-o treaptă din cutia de viteze.
3. Care sunt funcțiile cutiei de viteze ?
4. Clasificarea cutiilor de viteze după modul de variație a raportului de transmitere.
5. Clasificarea cutiilor de viteze după modul de schimbare a treptelor de viteze.
6. Care sunt elementele componente generale ale unei cutii de viteze ?
7. Cum se realizează rapoartele de transmitere într-o cutie de viteze ?
8. Descrieți cutia de viteze cu 2 arbori. Construcție și funcționare.
9. Descrieți cutia de viteze transversală cu 3 arbori. Construcție și funcționare
10. Cutia de viteze longitudinală cu 3 arbori. Aplicații. Exemple.
11. Cutia de viteze longitudinală cu arbori multipli. Aplicații. Exemple.
12. Cutii de viteze echipate cu diferențial interaxial. Rol, funcționare, particularități.
13. Cutii de viteze sesvențiale, cu schimbare manuală a trepetelor de viteze. Rol, funcționare, particularități.
6
Compunerea și organizarea
transmisiilor automate
Tema își propune următoarele: cunoașterea principiilor de funcționare a unei transmisii automate, identificarea elementelor componente ale acesteia și a rolului funcțional, cunoașterea noțiunilor de bază pentru studiul acestora, analiza unor soluții constructive existente.
6.1. ELEMENTE TEORETICE
6.1.1. Rolul transmisiei automate și oportunitatea utilizării ei
Transmisia autoturismelor a constituit și constituie obiectul unor continue cercetări urmărindu-se prin soluțiile constructive propuse, o cât mai bună corelare între momentul motor activ și cel rezistent, reducerea consumului de combustibil, sporirea siguranței și confortului de conducere. Se constată că pe lângă transmisiile mecanice clasice se folosesc și alte categorii de transmisii, cum sunt cele automate. cele cu variație continuă a raportului de transmitere, sau, mai nou, cele electrice.
Răspândirea tot mai accentuată a transmisiilor automate se justifică prin faptul că ele asigură un confort sporit de conducere și o îmbunătățire evidentă a siguranței în deplasare, factori deosebit de importanți în condițiile creșterii numărului de autovehicule și a vitezelor de deplasare.
Transmisia automată făcea aparent progrese mai lente, datorită costului ridicat al fabricației și al consumului de combustibil sporit, în comparație cu cel al transmisiei clasice. Totuși, azi, după introducerea puternică a microprocesoarelor de bord, care gestionează funcționarea transmisiei automate, alături de funcționarea motorului, a frânelor, a suspensiei, a direcției, se constată o creștere tot mai accentuată a ponderii transmisiilor automate.
Performanțele atinse de ultimele transmisii automate cu comanda electronică, având 8 sau 9 trepte de mers înainte, tind să micșoreze și chiar să elimine dezavantajele pe care le au aceste transmisii în comparație cu transmisiile mecanice, clasice, neautomate, în ceea ce privește dinamicitatea și consumul de combustibil. Se remarcă apariția unor regimuri de deplasare “economice” sau “sportive”, care asigură autoturismelor performanțe de economicitate, respectiv de dinamicitate, similare cu cele asigurate de transmisiile clasice.
Transmisiile automate asigură schimbarea treptelor de viteze în mod automat, fără intervenția directă a conducătorului auto, acesta comandând doar regimul de deplasare al autovehiculului (mers înainte, mers înapoi, mers sportiv, mers economic etc.).
Decizia de schimbare a treptelor de viteză este luată de calculatorul electronic de control al cutiei de viteze, pe baza informațiilor provenite de la senzori (poziție pedală accelerație și viteza autovehiculului).
Statisticile arată că circa 30% din numărul total de autoturisme existente în lume sunt echipate cu transmisii automate, dar procentul lor de utilizare este foarte diferit în funcție de țări și continente. Astfel în SUA și Canada 87% din totalul parcului de autoturisme au transmisii automate, în Japonia acest procent este de circa 60%. În Europa deși unii constructori cunscuți ca Mercedes Benz, ZF, Borg-Warner, Automotive Product etc., au făcut eforturi deosebite de dezvoltare și răspândire a transmisiilor automate, nu s-a reușit atingerea procentelor mai sus amintite, datorită costurilor relativ importante și a complexității lor constructive.
Fig. 4.1. Trendul utilizării tipurilor de transmiisii și tendințe pentru Europa
(graficul din fig.4.1. ar trebui explicat..sau renuntam la el!!)
Autobuzele urbane sunt echipate cu transmisie automată, în proporție de 100 %, pentru creșterea siguranței în deplasare în transportul urban, prin creșterea confortului de conducere al conducătorului auto.
Tancurile au transmisii automate, în proporție de 100 %, pentru că transmisia automată îi asigură creșterea capacității de trecere, prin continuitatea fluxului de putere între motor și roțile motoare, chiar în timpul schimbării treptelor de viteze
Prin automatizarea schimbării treptelor de viteze se obțin următoarele avantaje:
a) se asigură creșterea siguranței de deplasare prin îmbunătățirea comodității de conducere, scăzând vizibil efortul depus de conducător (lipsește pedala de ambreiaj, conducătorul auto nu schimbă treptele de viteze);
b) se asigură creșterea capacității de trecere a autovehiculului, prin neîntreruperea fluxului de putere dintre motor și roțile motoare, la schimbarea treptelor de viteze;
c) se asigură o mai bună stabilitate a autovehiculului pe calea de rulare, prin modificarea progresivă a momentului motor de antrenare a roților motoare;
d) se elimină șocurile dinamice din transmisie, rezultând creșterea duratei sale de funcționare.
Principalele dezavantaje ale transmisiilor automate în comparație cu transmisiile neautomate sunt:
a) costuri de fabricație mai mari;
b) complexitate constructivă importantă a ansamblului transmisiei;
c) costurile ridicate de concepție, fabricație și exploatare;
6.1.2. Compunerea și rolul funcțional al transmisiilor automate
Conform schemei de organizare a transmisiei automate, fig.4.2, fluxul de putere dezvoltat de motorul – M al autovehiculului ajunge la roțile motoare – RM prin intermediul transmisiei automate – TA, formată din transformatorul hidrodinamic – THD și cutia de viteze automată – CVA.
Fig.4.2. Schema de organizare transmisiei automate
Astfel, transmisiile automate sunt formate dintr-un transformator hidrodinamic-THD, numit și convertizorul de cuplu (engl.: torque converter), o cutie de viteze automată – CVA (ansamblul de mecanisme planetare cu ambreiaje și frâne multidisc) precum și modulul electro-hidraulic de comandă și control.
Transformatorul hidrodinamic THD, fig.4.3, are rolul să multiplice de un număr de ori (de obicei de 2-4 ori la autoturisme) momentul motor primit și să micșoreze de același număr de ori turația primită de la motor.
6.1.2.1. Construcția și funcționarea transformatorului hidrodinamic-THD
Transformatoarele hidrodinamice sunt montate între motor și cutia de viteze automată. Simplificând, putem spune că hidrotransformatorul este echivalentul unui ambreiaj dintr-o transmisie manuală.
Ele multiplică momentul motor primit, cu un raport de transmitere permanent variabil, într-o plaje de turații relativ îngustă și îl transmit cutiei de viteze, prin intermediul unui fluid de lucru (ATF). În cazul în care hidrotransformatorul este deblocat, mișcarea provenită de la motorul termic nu este transmisă direct, mecanic ci hidraulic, între motor și cutia de viteze neexistând legătură mecanică.
La automobilele cu cutie automată clasică (cu hidrotransformator) motorul este decuplat de transmisie automat, atunci când turația motorului scade sub o anumită valoare.
Transformatorul hidrodinamic THD, fig. 4.3, este format din trei rotoare: rotorul conducător pompă – P, solidar la rotație cu arborele cotit al motorului; rotorul condus turbina – T, solidar la rotație cu arborele de intrare în cutia de viteze automată, reactorul – R, fixat cu un cuplaj unisens pe carterul hidrotransformatorului. Toate cele trei rotoare au o rețea de palete curbe prin care circulă un fluid de lucru, care poate fi un ulei mineral sau sintetic. În cazul THD transmiterea mișcării de la motor către cutia de viteze se face prin intermediul unui fluid de lucru numit ulei de transmisie automată (Automatic Transmission Fluid- ATF).
Hidrotransformatorul are formă de tor (en: torus), o jumătate fiind pompă iar cealaltă jumătate turbină. În pompă energia mecanică a motorului termic este transferată torului de fluid ca energie cinetică imprimată particulelor de fluid de către forțele centrifuge. Cuplul motor va fi cu atât mai mare, în situația în care turbina nu se rotește, cu cât transformarea energiei mecanice a pompei în energie hidraulică a torului de fluid se face cu pierderi mai reduse. Bibliografia de specialitate arată că teoretic, în THD multiplicarea momentului motor se poate realiza de până la 20 de ori; în realitate, aceasta multiplicare nu depășește, în general, cifra 5; în cazul autoturismelor valorile uzuale ale multiplicării momentului motor în transformatorul hidrodinamic sunt cuprinse între 2 și 2,5.(afirmatia este scrisa mai sus!!)
Torul de fluid, format din ansamblul particulelor de ulei, primește o anumită cantitate de energie cinetică, proporțională cu turația sa.
Turbina, traversată de fluidul ieșit din pompă, recuperează energia cinetică și o transformă în cuplu de forțe, aplicat arborului de intrare în cutia de viteze. Pentru aceasta forma paletelor turbinei produce o schimbare a direcției de curgere a fluidului de aproximativ 90°.
Reactorul (statorul) redresează firele de curent care ies din turbină, orientate contra sensului de rotație, astfel încât în pompă intră pe direcția rețelei de palete a acesteia. Această nouă schimbare de direcție se manifestă prin apariția unui cuplu de forțe care fixează reactorul pe lagărul său.
Hidrotransformatorul este numit și convertizor de cuplu deoarece amplifică cuplul primit de la motorul termic. Amplificarea cuplului are loc datorită utilizării reactorului, fig.4.5. care redirecționează fluxul de ulei ce iese din turbină și intră înapoi în pompă.
Fig.4.5. Reactorul din THD
(Observatie: se folosesc ambele denumiri, si stator si reactor. Eu ii spun reactor deoarece el nu este tot timpul fix. Pentru mine statorul este tot timpul fix, asa ca eu ii spun mereu reactor)
6.1.2.2.Compunerea mecanismelor planetare din cutiile de viteze automate
Realizarea unei trepte de viteză într-o cutie de viteze automată se face prin intermediul mai multor mecanisme planetare (simple, Ravigneax sau Lepelletier), comparativ cu o cutie de viteze manuală cu angrenaje simple, la care o treaptă de viteze de formează de o singură pereche de roți dințate.
Prin blocarea elementelor componente ale mecanismului planetar (solară, platou sateliți, coroană) se obțin diferite rapoarte de transmitere, care înseriate formează un raport al cutiei.
Avantajele mecanismelor planetare comparativ cu angrenajele cu roți dințate simple: poziționarea coaxială a arborilor de intrare și de ieșire din transmisie; formă constructivă simetrică, circulară; distribuirea cuplului și a puterii pe mai multe perechi de angrenaje în cadrul unui mecanism planetar; permit automatizarea mult mai ușor.
Aceste avantaje implică o mai bună echilibrare dinamică a cutiei de viteze, cu efecte benefice asupra solicitărilor din lagăre, a zgomotului și vibrațiilor din timpul funcționării. În plus, la același cuplu transmis, datorită angrenării în trei sau patru puncte ale mecanismului planetar, rezultă roți dințate mai mici, cu viteze și forțe de angrenare micșorate, construcții cu gabarite reduse, greutate și mase inerționale mai mici, utilizarea mai rațională a spațiului disponibil de amplasare.
Mecanismele planetare pot fi simple sau duble și sunt formate din roți dințate cilindrice, cu angrenare mixtă, a căror mișcare de rotație are loc în jurul axei mecanismului planetar sau și în jurul propriei axe (mișcările sateliților). Mecanismele planetare au avantajul că realizează rapoarte de transmitere mari la dimensiuni de gabarit reduse.
Elementele unei unități planetare cu angrenare mixtă sunt prezentate în fig.4.6. Fiecare din elementele unității planetare poate fi:
– element conducător;
– element condus;
– element fix.
Rolul de element fix, care nu se rotește, se obține cu ajutorul unei frâne cu bandă sau cu ajutorul unui ambreiaj multidisc, cu rol identic cu cel al frânei cu bandă.
Mărimea raportului de transmitere pe care îl poate realiza o unitate planetar se determină cu ajutorul metodei Willis. Metoda Willis constă în oprirea imaginară a brațului port-sateliți, prin imprimarea unei mișcări de rotație imaginare, în sens invers mișcării sale reale, cu o turație egală cu turația sa reală. În această situație mecanismul planetar se transformă într-un mecanism cu axe fixe. Rezultă că raportul de transmitere pentru o astfel de unitate planetară este cuprins între limitele :
În funcție de combinațiile de montare ale elementelor unității planetare se pot obține șase rapoarte de transmitere și anume: două rapoarte care micșorează turația arborelui condus; două rapoarte care măresc turația arborelui condus și două rapoarte de transmitere pentru mersul înapoi din care o treaptă reducătoare și una acceleratoare.
Cu cât numărul treptelor de viteze este mai mare cu atât crește și numărul mecanismelor planetare care intră în compunerea mecanismului reductor al cutiei de viteze automate.
6.1.3.3.Ambreiajele și frânele pentru cuplarea treptelor
Cuplarea sau mai bine spus formarea treptelor de viteză se realizează cu ajutorul ambreiajelor și a frânelor multidisc. Aceste au rolul de a cupla două elemente pentru a se roti cu aceeași turație (ambreiaj) sau de a bloca un element la turație zero (frână).
6.1.3. Analiza unei transmisii automate
Reducerea emisiilor de oxid de carbon și scăderea consumului de combustibil constituie avantajul principal al transmisiei automate 8HP cu 8 trepte de viteze, realizată de firma ZF. Aceasta transmite un moment motor care se poate modifica în limitele 300-700 Nm. Ea funcționează pe baza unui sistem format din 2 frâne cu bandă și 3 ambreiaje multidisc, cu rol în schimbarea treptelor de viteze, și 4 mecanisme planetare cu rol de mecanism reductor.
Fig.4.3.Transmisia automată 8HP ZF cu 8 trepte de viteză și THD
Transformatorul hidrodinamic al transmisiei automate 8HP ZF prezentat în fig.4.3 are următoarele părți componente: 1 – pompă; 2 – stator (difuzor); 3 – turbină; 4- ansamblu ambreiaj de blocare cu amortizor de oscilații; 5-butuc canelat; 6 – cuplaj de sens unic.
Transmiterea energiei hidraulice de la pompă la turbină se poate asemăna cu mișcarea transmisă între două ventilatoare puse față-n față, fig.4.4. Dacă un ventilator este alimentat cu energie electrică (pompă) și este pus în fața unui alt ventilator care nu este alimentat (turbină), prin intermediul aerului, acesta va transmite mișcarea celui în repaus (nealimentat).
Fig.4.4. Principiul de funcționare al THD/
Sensul de curgere al fluidului în interiorul THD
(in fig.4.4.stanga trebuie sters scrisul cu rosu!!)
Pentru creșterea randamentului THD în treptele superioare se asigură solidarizarea la rotație a pompei cu turbina, cu ajutorul unui ambreiaj multidisc, echipat cu amortizor de oscilații de torsiune.
Cutiile de viteze automate, în denumirea populară, mai sunt numite și cutii „hidramate”. Acestă denumire se datorează cutiilor de viteze automate produse de General Motors sub numele de Hydra-Matic. Cutiile „hidramate” sunt de fapt cutii automate clasice cu hidrotransformator și mecanisme planetare.
Fig. 4.5. Cutia automată Hydra-Matic 4T45, General Motors
Numărul treptelor de viteze este în continuă creștere, ajungându-se , în prezent la opt-nouă trepte, la cele mai recente transmisii automate.
Fig. 4.6. Cutia automată cu 7 trepte 7G-tronic, Mercedes
In fig.4.6 este prezentată cutia automată 7G-tronic, a firmei Mercedes. Componentele acestei cutii sunt următoarele:
arborele de intrare în cutia de viteze (legătura cu motorul termic);
ambreiajul de blocare a hidrotransformatorului cu alunecare controlată și elemente de amortizare;
pompa de ulei pentru controlul presiunii de lucru;
mecanismele planetare și elementele de schimbare a treptelor de viteze(ambreiaje și frâne multidisc);
arborele de ieșire din cutia de viteze (legătura cu transmisia longitudinală, cardanică);
sistemul de blocare pentru parcare (poziția P a levierului selector de programe);
legătura mecanică cu levierul selector de programe;
modul electro-hidraulic de control (conține senzori, supape electromagnetice și calculatorul cutiei de viteze);
modulul electronic de comandă și control (calculatorul cutiei de viteze);
supape cu electromagnet (solenoid) pentru acționarea ambreiajelor și frânelor multidisc;
hidrotransformator (convertizor de cuplu).
6.1.4.Regimurile de funcționare ale transmisiei automate
Concepția programului de schimbare a treptelor de viteze trebuie să respecte următoarele reguli de bază:
• Mărimile de intrare trebuie să determine numai un anumit raport de transmitere și deci numai o anumită treaptă de viteză;
• Schimbarea treptei de viteze trebuie să fie decisă numai de valorile curente ale mărimilor de intrare;
• Programul de schimbare trebuie să prevină comenzile greșite.
Este, de asemenea, cunoscut faptul că există o mare deosebire între condițiile de deplasare și dorința conducătorului astfel încât un singur program de schimbare nu poate satisface toate situațiile întâlnite, cu atât mai mult cu cât transmisia automată funcționează după anumite reguli algoritmice și nu are capacitatea conducătorului de a prevedea schimbările condițiilor de trafic. Pe de altă parte, în condițiile diferite de trafic, când conducătorul efectuează accelerări și frânări repetate programul nu știe dacă autovehiculul rulează liber sau este frânat cu motorul. De aceea este nevoie de mai multe programe de schimbare a treptelor pe care conducătorul să le poată selecta.
Regimurile de deplasare pe care transmisia este capabilă să le ofere sunt inscripționate lângă levierul cutiei de viteze, fig.4.7.
Fig.4.7. Levier selector programe al transmisiei automate
Prin aducerea levierului cutiei de viteze într-una din pozițiile dorite, se comandă regimul în care autovehiculul urmează să se deplaseze. Concepția programului de schimbare a treptelor de viteze trebuie să respecte regimurile de funcționare ale autovehiculului care pot fi definite de cel puțin două mărimi:
viteza autovehiculului – ca mărime de stare a autovehiculului;
puterea de tracțiune – ca mărime de reglare pe care o poate comanda conducătorul auto prin intermediul pedalei de accelerație.
1. Mărimea ”viteza autovehiculului“ poate fi evaluată prin măsurarea turației arborelui de ieșire al transmisiei automate sau a unei roți nemotoare. De regulă se apelează la măsurarea turației arborelui de ieșire al transmisiei întrucât traductorul de turație se poate monta chiar în interiorul acesteia.
La automobilele moderne, echipate cu traductoare de turație la fiecare roată, se poate măsura turația roților și utiliza acest semnal în comanda transmisiei. Această măsurare indirectă a vitezei autovehiculului are dezavantajul că în cazul blocării pentru scurt timp a roții (la frânare) sau a patinării (accelerării în gol a roții) transmisia reacționează schimbând treptele fără să fie necesar. Din acest motiv este inevitabil controlul alunecării (patinării) roților.
2. Mărimea ”puterea (forța) de tracțiune“ este determinată indirect cu ajutorul altor două mărimi:
• comanda (dorința) conducătorului;
• regimul de funcționare a motorului.
”Comanda conducătorului“ definește modalitatea în care conducătorul acționează asupra motorului. Este cunoscut faptul că șoferul acționează asupra motorului prin intermediul pedalei de accelerație. Acesta poate să-și exprime dorința ”de putere “ apăsând mai mult pedala de accelerație, să mențină o apăsare constantă sau să reducă apăsarea acesteia. Cu toate acestea nu sunt definite suficient de clar regimurile de funcționare ale motorului cum ar fi, de exemplu, dacă la apăsarea maximă a pedalei se obține puterea maximă sau este un regim tranzitoriu. Este nevoie, de asemenea, să se precizeze dacă autovehiculul se deplasează înainte sau înapoi, dacă transmisia este în regimul neutru sau în regimul de parcare sau dacă este necesară schimbarea programului de schimbare a treptelor.
Trebuie precizat faptul că sistemul de comandă a schimbării treptelor este supus unor condiții extrem de grele de funcționare datorită faptului că mărimile de comandă pot varia foarte puternic în intervale scurte de timp. Astfel, la o frânare energică de la viteza de până la oprire cu o accelerație de 8m/s2, schimbarea fiecărei trepte, de la treapta a IV-a până la prima, trebuie să se facă în circa 1,5 s (6,25 s în total).
Având în vedere importanța crescândă a consumului redus de combustibil, programul de schimbare trebuie astfel conceput încât alegerea treptei de viteză să se realizeze cu consum minim de combustibil (cel mai bun randament al motorului).
Programele de schimbare a treptelor de viteză realizate până în prezent asigură un program ”normal“, pentru condițiile uzuale de mers înainte, care permite cuplarea tuturor treptelor de la prima până la ultima și invers. Celelalte programe de mers înainte diferă numai prin restricțiile impuse referitoare la numărul de trepte care pot fi selectate.
Limitarea numărului de trepte până la care se face schimbarea se face prin poziționarea corespunzătoare a levierului selector de programe, conform fig. 4.7.
Stabilirea unor astfel de programe depinde de construcția cutiei de viteze, numărul de trepte, puterea specifică, raportul de transmitere al treptei de supraviteză precum și de particularitățile constructive ale autovehiculului.
•Programul fără opționalitate:
Poziția ”D“ – Drive (Normal) asigură: pornire în prima treaptă și permite utilizarea tuturor treptelor de viteză; schimbarea de jos în sus după criteriul consumului minim de combustibil; turația maximă a motorului este limitată după criteriul nivelului de zgomot minim; schimbarea automată de sus în jos, la viteze reduse; schimbarea de sus în jos cu pedala apăsată complet (kick-down) se face într-un anumit interval de variație a vitezei și cu limitarea zgomotului; schimbarea de sus în jos se face întotdeauna numai în succesiunea treptelor (nu se poate sări o treaptă).
Poziția”3“- Rampă (recomandat – la deplasarea pe rampe lungi cu înclinare medie) asigură: pornire în prima treaptă; schimbarea se efectuează numai până la treapta a 3-a după criteriul consumului minim de combustibil; în treapta a 3-a este posibilă realizarea frânei de motor.
Poziția ”2“- Sarcină (recomandat pentru circulația pe drumuri pavate abrupte, de munte, în cazul tractării unei remorci și în alte condiții grele de deplasare sau la coborârea pantelor în frână de motor) asigură: pornire în prima treaptă; schimbarea se efectuează numai până la treapta a 2-a după criteriul consumului minim de combustibil; este posibilă realizarea frânei de motor.
Poziția ”P“- Programul Parcare asigură intrarea în funcțiune a dispozitivului de parcare a autovehiculului, P. În poziția ”P“ a levierului selector de programe este posibilă pornirea motorului. O măsură suplimentară de siguranță este aceea că cheia de contact nu poate fi scoasă decât în poziția P a selectorului.
De asemenea, pentru a preveni distrugerea transmisiei, în cazul în care s-ar încerca selectarea poziției P în timpul mersului sistemul de comandă a dispozitivului de parcare este protejat mecanic la deplasări foarte lente, și mecano-hidraulic la viteze peste 3m/s.
Poziția ”R“- Programul R de mers înapoi. Toate cutiile de viteze automate pentru autoturisme și cele mai multe pentru autocamioane au o singură treaptă de mers înapoi căreia îi corespunde o singură poziție a selectorului. Și-n acest caz, pentru a preveni comenzile greșite, selectarea treptei de mers înapoi nu se poate face dacă viteza autovehiculului este mai mare de 3m/s.
Poziția – *Poziția neutră, N. În poziția neutră a levierului selector de programe fluxul de putere între motor și transmisie este întrerupt. În această poziție, de asemenea, se poate porni motorul. La automobilele cu transmisie automată pornirea motorului este permisă numai în pozițiile P și N ale levierului selector de programe pentru că numai în aceste situații motorul este decuplat complet de transmisie.
•Programul cu opționalitate:
Poziția ”S“- Programul Sportiv elimină alunecarea internă din hidrotransformator și asigură trecerea de la o treaptă de viteze inferioară la o treaptă de viteze superioară, numai după atingerea turației de putere maximă.
Poziția ”E“ – Programul Economic asigură funcționarea cu limitarea numărului de schimbări ale treptelor după criteriile economic și de confort ridicat.
6.2.PARTEA PLICATIVĂ ȘI DESFĂȘURAREA TEMEI
Etapele desfășurării temei sunt:
evoluția transmisiilor automate; avantaje și dezavantaje;
prezentarea compunerii generale a unei transmisii automate;
identificarea eleemntelor componente ale unei transmisii automate utilizând machete didactice, standuri, planșe educative din dotarea laboratorului;
prezentarea rolului și a funcționării THD;
prezentarea rolului și funcționării mecanismelor planetare din transmisia automată;
prezentarea rolului și funcționării ambreiajelor și frânelor pentru cuplarea transmisiilor automate;
scheme constructive pentru diferite tipuri de transmsiii automate;
precizarea rolului funcțional pentru fiecare componentă a unei transmisii automate;
care sunt regimurile de funcționare ale transmisiilor automate ?
Fig.4.8. Machete didactice pentru studiul transmisiilor automate
6.2. AUTOEVALUAREA CUNOȘTINȚELOR DOBÂNDITE
Comparație între transmisiile mecanice și transmisiile automate.
Avantaje-dezavantaje ale transmisiei manuale și transmisiei automate
Precizați autovehiculele care sunt echipate cu transmisii automate.
Care este semnificația aducerii levierului CVA în poziția "D" (drive) ?
Care este semnificația aducerii levierului CVA în poziția "P" (parking) ?
Care este semnificația aducerii levierului CVA în poziția "2" (drive) ?
Explicați funcționarea transformatorului hidrodinamic.
7
Compunerea și organizarea generală a cutiilor de viteze cu variație continuă a raportului de transmitere
Tema își propune următoarele: cunoașterea principiilor de funcționare a cutiilor de viteze cu variație continuă a raportului de transmitere, identificarea elementelor componente și precizarea rolului funcțional, cunoașterea noțiunilor de bază pentru studiul acestor cutii de viteze
7.1. ELEMENTE TEORETICE
Transmisia cu variație continuă a raportului de transmitere – CVT -(Continuously Variable Transmission) se întâlnește tot mai frecvent la autoturismele de clasa mică și mijlocie, datorită asigurării unor rapoarte de transmitere care se modifică și se adaptează continuu, automat, la modificarea rezistențelor la înaintare ale autovehiculului.
După cum spune și numele, transmisiile cu variație continuă (CVT), comparativ cu transmisiile cu rapoarte fixe, își modifică raportul de transmitere continuu între o valoare minimă și maximă. Transmisiile clasice mecanice, fie că sunt automate sau manuale, au un număr finit de rapoarte iar schimbarea acestora se face în salturi. Teoretic, o transmisie cu variație continuă are un număr infinit de rapoarte de transmitere.
Transmisia unui automobil mai are în componență, pe lângă cutia de viteze, un dispozitiv de cuplare (ambreiaj sau hidrotransformator) și o transmisie principală cu un diferențial.
Variația continuă a raportului de transmitere se face în cutia de viteze, numită și variator de turație.
Variatorul este alcătuit dintr-o pereche de fulii primare sau conducătoare și o pereche de fulii secundare sau conduse, ambele având laturile înclinate și unite între ele printr-o curea de transmisie metalică de formă trapezoidală; cele două roți de transmisie au deschidere variabilă, fiind prin urmare compuse dintr-o fulie de transmisie fixă și una mobilă axial.
Mod de funcționare. Fulia de transmisie principală mobilă se deplasează axial deoarece este acționată de uleiul sub presiune controlat de grupul de comandă hidraulic, în timp ce fulia de transmisie secundară se deplasează axial în sens opus celei principale (adică atunci când una închide cealaltă deschide) sub acțiunea unui arc intern la închidere și datorită presiunii de împingere exercitată de cureaua de transmisie pentru a se deschide; în funcție de pilotajul efectuat de grupul de comandă electrohidraulic, partea mobilă a fuliei principale de transmisie se va deschide ori se va închide în timp ce partea mobilă a fuliei secundare de transmisie va face același lucru, dar în sens opus; în consecință, cureaua de transmisie se va poziționa “urcând” pe o pereche de fulii și “coborând” pe cealaltă pereche de fulii pentru a transmite un anumit raport de transmisie care se modifică în mod continuu de la faza scurtă la cea lungă sau “overdrive” dată fiind variația razei de contact a curelei de oțel față de cea fuliilor de transmisie.
Pentru exemplificarea funcționării se prezintă transmisia cu variație continuă CVT ZF CFT 23 și schema cinematică în fig.7.1.
În figura din stânga, hidrotransformatorul 1, numit și convertizor de cuplu, are rolul de a cupla transmisia de motorul cu ardere internă și de a amplifica cuplul motor.
Variatorul de turație este compus din două fulii conducătoare 3, care primesc cuplul motor amplificat de hidrotransformatorul 1, cureaua metalică 4 prin care se transmite mișcarea la fuliile conduse 5.
Modificarea raportului de transmitere se face prin intermediul modulului electro-hidraulic de comandă 2 care controlează presiunea din cilindrii celor două fulii.
În figura 7.1 dreapta este prezentată schema cinematică a transmisiei cu variație continuă CVT ZF CFT 23 care are următoarele componente:
A – hidrotransformator
ambreiaj de blocare a hidrotransformatorului;
turbină
pompă
stator/reactor
pompă de ulei
B – mecanism planetar
ambreiaj multidisc pentru mersul înainte
ambreiaj multidisc pentru mersul înapoi
C – variatorul de turație
partea fixă a fuliei conduse
partea mobilă a fuliei conduse
curea metalică
partea mobilă a fuliei conduse
partea fixă a fuliei conduse
D – reductor intermediar
angrenaj intermediar
angrenaj transmisie principală
E – diferențial
rs- roată stanga;
rd – roată dreapta.
Hidrotransformatorul (A) este compus dintr-un rotor pompă 3, conectată la arbore cotit al motorului, un rotor turbină 2, un stator (reactor) 4 și o pompă de ulei 5. Mișcarea se transmite prin intermediul unui fluid de lucru (ulei de transmisie) care este antrenat de pompă, trecut prin pompă, introdus în turbină (trecut prin reactor) care transmite mișcarea mai departe la mecanismul planetar. Ambreiajul de blocare 1 are rolul de a solidariza la rotație pompa hidrotransformatorului de turbină crescînd randamentul acestuia.
Mecanismul planetar (B) cu ajutorul celor două ambreiaje schimbă direcția de rotație a arborelui fuliei conducătoare. Când ambreiajul multidisc 1 este cuplat, autovehiculul se deplasează înainte iar la cuplarea ambreiajului multidisc 2, ambreiajul 1 fiind decuplat, fulia conducătoare se rotește în sens invers, iar autovehiculul se deplasează înapoi.
Variatorul de turație (C) modifică raportul de transmitere prin modificarea razei de înfășurare a curelei metalice 3 pe cele două fulii. Controlul razei de înfășurare se face prin poziționarea părților mobile ale celor două fulii.
Fig. 7.2.Variatorul de turație al unei transmisii cu variație continuă, Renault:
1- fulia conducătoare; 2-fulia condusă; a – intrarea de la motor; b – ieșirea din variator
Rapoartele de transmitere sunt:
A – raportul de transmitere cel mai mare al variatorului (2.52) – echivalentul primei trepte dintr-o cutie manuală;
B – raport intermediar;
C – raportul de transmitere cel mai mic al variatorului (0.423) – echivalentul ultimei trepte dintr-o cutie manuală
Mișcarea curelei metalice are două componente:
mișcarea de rotație pentru transmiterea cuplului motor;
mișcare plan paralelă pentru varierea raportului de transmitere.
Părțile mobile ale celor două fulii se deplasează axial, fiind acționate de cilindri hidraulici. Prin modificarea presiunii din cilindri, partea mobilă se apropie sau se depărtează de partea fixă. În figura de mai sus partea mobilă a fuliei conducătoare (1) este depărtată de partea fixă (presiune scăzută în cilindrul de acționare), raza de înfășurare a curelei metalice fiind minimă. În același timp partea mobilă a fuliei conduse (2) este apropiată de partea fixă, raza de înfășurare a curelei metalice fiind maximă.
Apropierea și depărtarea părților mobile a celor două fulii trebuie să se facă sincronizat și în sens opus. Când partea mobilă a fuliei conducătoare (1) se apropie de partea fixă partea mobilă a fuliei conduse (2) trebuie să se îndepărteze de partea fixă. În caz contrar, dacă cele două părți mobile se apropie de părțile fixe simultan, cureaua metalică se va rupe deoarece ambele raze de înfășurare pe fulii vor crește. Similar, dacă cele două părți mobile se îndepărtează de părțile fixe simultan, cureaua metalică va patina deoarece ambele raze de înfășurare pe fulii scad.
Cuplul motor se transmite în variator prin frecare, cu ajutorul curelei metalice. Cureaua este compusă dintr-o serie de componente metalice trapezoidale care sunt grupate de mai multe benzi metalice. Frecarea curelei cu cele două fulii se realizează pe pereții laterali ai componentelor metalice. Mișcare de la fulia conducătoare este transmisă la fulia condusă de curea, prin împingere (push-type belt).
Fig. 7.3. Cureaua metalică a unei transmisii cu variație continuă, Bosch
Reductorul intermediar (D), fig.7.1, amplifică cuplul de ieșire din variator și are raportul de transmitere de 1.593. Transmisia principală are raportul de transmitere de 2.72 și distribuie cuplul motor (E) cu ajutorul diferențialului către cele două roți motoare.
Un alt exemplu al unei transmisii CVT utilizată pe autoturisme Audi este dat în fig.7.4.
Fig.7.4. Transmisia CVT Multitronic Audi
O transmisie CVT permite motorului să lucreze la orice regim, independent de viteza autovehiculului, în interiorul a două rapoarte de transmitere extreme.
Modificarea continuă a raportului de transmitere se asigură prin comanda automată a deplasării unei curele metalice sau a unui lanț metalic, care asigură transmiterea fluxului de putere de la rolele conducătoare la rolele conduse. Funcționarea transmisiei CVT se face în funcție de raza de înfășurare a lanțului metalic pe rolele conduse și conducătoare raportul de transmitere se poate modifica în mod continuu, fără întrerupere. Acest fapt asigură autovehiculului calități de tracțiune optime, în limitele permise de lungimea generatoarelor fuliilor pe care se înfășoară lanțul. Modificarea raportului de transmitere se realizează prin deplasare axială a unei fulii, din grupul fuliilor conducătoare și din cel al fuliilor conduse În acest mod se modifică raza de înfășurare a lanțului metalic pentru fiecare grupă de fulii și implicit și raportul de transmitere al întregii transmisii. ( la aceste propozitii s-ar putea renunța, deoarece se repetă de mai multe ori!!!!).
7.2. PARTEA APLICATIVĂ ȘI DESFĂȘURAREA TEMEI
Etapele desfășurării temei sunt:
precizarea avantajelor și dezavantajelor CVT; particularități;
identificarea elementelor componente ale unei CVT cu precizarea rolului funcțional pentru fiecare componentă;
prezentarea modului de funcționare a unei CVT;
scheme constructive pentru diferite tipuri de CVT;
precizarea mișcărilor curelei metalice dintr-o CVT.
7.3.AUTOEVALUAREA CUNOȘTINȚELOR DOBÂNDITE
Comparație între transmisiile mecanice și CVT.
Avantaje-dezavantaje ale transmisiei manuale și transmisiei cu variație continuă.
Precizați autovehiculele care sunt echipate cu transmisii CVT.
Tendințe de viitor în utilizarea CVT.
8
Compunerea și organizarea generală
a transmisiei longitudinale
Tema își propune următoarele: cunoașterea și identificarea subansamblurilor componente ale transmisiei longitudinale, a rolului lor funcțional, studiul soluțiilor constructive de transmisii cardanice, articulații cardanice și arbori cardanici utilizate în construcția autovehiculelor rutiere.
8.1.ELEMENTE TEORETICE
8.1.1. Rolul, componența și clasificarea transmisiei longitudinale
Transmisia longitudinală reprezintă o unitate funcțională independentă cu rolul de a transmite prin mișcare de rotație, fluxul de putere pentru autopropulsare între ansambluri ale transmisiei dispuse la distanță, în planuri diferite, cu poziție relativă, de obicei variabilă.
Elementele constructive ale transmisiei longitudinale sunt de tip cardanic, transmisia longitudinală fiind frecvent prezentată și sub denumirea de transmisie cardanică.
Fig.8.1.a..Organizarea transmisiei longitudinale pentru un autovehicul 4×4
Transmisia longitudinală se utilizează la transmiterea fluxului de putere de la cutia de viteze la transmisia principală, în cazul autovehiculelor organizate după soluția clasică, precum și de la cutia de viteze la reductor-distribuitor și de la acesta la punțile motoare și între punți, în cazul autovehiculelor cu mai multe punți motoare.
În fig.8.1. se prezintă soluția organizării transmisie longitudinale utilizată la autovehiculele organizate după soluția tracțiunii integrale – 4×4. Astfel, de la reductorul-distribuitor RD, transmisia longitudinală TL1 asigură legătura cu puntea motoare față PMF, iar transmisia longitudinală TL2 cu puntea motoare spate PMS.
Necesitatea transmsiei longitudinale (cardanice) rezultă din faptul că transmiterea momentului motor se face între doi arbori: arborele secundar al cutiei de viteze și arborele transmisiei principale, unghiul dintre acești arbori fiind variabil.
Fig.8.1.b. Elementele componente ale unei transmisii 4×4
În figura 8.2 este prezentată schema transmisiei unui automobil cu o punte motoare (4×2) amplasată în spate (soluția clasică). Momentul de torsiune furnizat de motorul 1 se transmite prin: ambreiajul 2, cutia de viteze 3, transmisia longitudinală 4 la diferențialul 5 și de aici prin intermediul arborilor planetari 6 la roțile spate 7.
Fig. 8.2. Schema transmisiei în cazul unui automobil cu o punte motoare (4×2) amplasată în spate
Observatie: Fie răman fig. 8.1.a. și 8.2 pentru transmisia 4×4 si 4×2,
fie fig.8.1.b. numerotată(!!) și fig.8.2.
Transmisia longitudinală, fig.8.3, se compune din flanșele 1 și 6 care permit cuplarea la cutia de viteze și respectiv la diferențialul punții spate, cuplajele unghiulare cardanice 2 (articulații cardanice) și arborele tubular 3. Această transmisie longitudinală se mai numește și transmisie bicardanică. Dacă arborele cardanic este lung se recurge la realizarea transmisiei din doi arbori, legați succesiv prin cuplaje ungiulare cardanice, iar arborii vor fi prevăzuți cu suporți de fixare.
Pentru a limita deplasările pe verticală, transmisia longitudinală este prevăzută cu un lagăr intermediar 4.
Fig. 8.3. Elementele componente ale transmisiei longitudinale
Deoarece în timpul mișcării autovehiculului, ca urmare a deformării arcurilor suspensiei apare o deplasare a punții și pe direcție orizontală – transmisia longitudinală mai are în componența sa și un cuplaj de compensare axială 5 prevăzut cu o zonă canelată.
Condițiile principale impuse transmisiei longitudinale sunt: să asigure sincronismul mișcării arborilor cuplați, indiferent de unghiurile dintre axele lor; să asigure compensările unghiulare și axiale necesare; să nu atingă turația critică corespunzătoare regimului de rezonanță, să aibă o durabilitate mare și un randament cât mai ridicat, construcția să fie simplă și economică, montarea și demontarea să fie ușoare, tehnologia de execuție să fie simplă, iar întreținerea să fie cât mai puțin pretențioasă.
Clasificarea transmisiilor longitudinale poate fi făcută după mai multe criterii:
– după numărul articulațiilor cardanice: monocardanice, bicardanice (fig.8.4.), tricardanice etc;
Fig.8.4.Transmisie bicardanică
– după modul de construcție: deschise, închise (într-un tub cardanic sau carter);
– după legea de transmitere a mișcării: asincrone, sincrone (homocinetice).
8.1.2. Elemente componente ale transmisiei longitudinale
8.1.2.1.Cuplaje unghiulare cardanice (articulații cardanice)
Articulațiile cardanice sunt mecanisme care servesc la transmiterea mișcării de rotație între doi arbori concurenți, cu unghiuri între axe, în general, variabile și al căror raport de transmitere este egal cu unu.
Articulațiile cardanice folosite în cadrul transmisiilor longitudinale sunt din punct de vedere constructiv rigide sau elastice.
Articulațiile cardanice rigide permit transmiterea mișcării de rotație între arborii care se intersectează datorită legăturii articulate a elementelor componente, iar cele elastice prin deformarea elastică a unor elemente.
Articulațiile cardanice asincrone rigide pot fi cu lagăre cu alunecare sau cu rulmenți.
Fig. 8.5. Construcția cuplajului unghiular cardanic: 1- arbore cardanic; 2- furca articulației; 3 – șaiba de siguranță; 4 – rulment cu ace; 5 – carcasa rulment; 6 – șaiba siguranță; 7 – furca cardanică; 8 – crucea cardanică; 9- inele de siguranță
La autoturisme, transmisiile longitudinale sunt prevăzute cu articulații cardanice asincrone rigide de tip deschis, cu rulmenți cu ace. Aceste articulații au o durată mare de funcționare, dimensiuni constructive reduse și permit transmiterea unor sarcini mari la turații ridicate.
Articulațiile cardanice elastice se utilizează, în general, pentru compensarea erorilor de montare la cuplarea motorului cu cutia de viteze când cutia de viteze, montată într-un carter independent de blocul motorului, este așezată pe cadrul autovehiculului, sau între cutia de viteze și cutia de distribuție când cele două subansamble sunt montate în cartere independente.
8.1.2.2.Arbori cardanici (arbori longitudinali)
Arborii cardanici fac legătura între două cuplaje cardanice sau între o articulație cardanică și unul dintre organele transmisiei, având rolul de a transmite la distanță momentul de torsiune al motorului și, uneori, forțe axiale.
Arborele cardanic este de secțiune circulară, care poate fi tubulară sau plină. De regulă se folosesc arbori tubulari deoarece, comparativ cu cei cu secțiune plină, la greutate egală, sunt mai rigizi și permit mărirea turației de funcționare.
Dacă transmisia cardanică nu permite compensări axiale, arborii cardanici vor avea lungime constantă, în caz contrar, arborii vor avea lungime variabilă. În acest caz, îmbinarea dintre capătul arborelui și butucul furcii se realizează prin intermediul unor caneluri, formându-se așa-numitul cuplaj de compensare axială, fig.8.6.
Fig.8.6. Arbore cardanic cu compensare axială
Deoarece arborii cardanici lucrează în medii cu impurități (praf, noroi) cuplajul de compensare axială este protejat cu sistem de etanșare. După montarea arborelui longitudinal cu articulațiile cardanice, ansamblul se supune unei echilibrări dinamice, mai întâi la o turație joasă, între 600 și 1 000 rot/min, urmată de o verificare la turația nominală.
8.1.2.3.Suporți intermediari
Principalul rol al suportului intermediar este de reazem al arborelui cardanic.
Principalele componentele ale suporților intermediari utilizați în transmisia longitudinală a autoturismelor sunt, fig.8.5: suport/carcasa de fixare 1, rulmentul radial 3 și bucșa-inel cu proprietăți elastice (cauciuc) 2 monat între cele două componente.
Fig. 8.7. Suport intermediar
Suportul intermediar trebuie să asigure un sprijin lăgăruit al transmisiei longitudinale și să permită compensări unghiulare axiale și radiale ale arborilor; de asemenea, trebuie să amortizeze și să izoleze vibrațiile care iau naștere în transmisia longitudinală.
8.2. PARTEA APLICATIVĂ ȘI DESFĂȘURAREA TEMEI
Etapele desfășurării temei sunt:
prezentarea compunerii generale a transmiilor longitudinale și rolul elementelor componente;
identificarea componentelor transmisiilor logitudinale utilizând machete didactice, planșe, filme educaționale și componente existente în cadrul laboratorului;
Fig.8.8. Macheta didactică folosită la identificarea elementelor componente ale transmisiei longitudianle
identificarea articulațiilor cardanice și a cuplajelor axiale.
8.3.AUTOEVALUAREA CUNOȘTINȚELOR DOBÂNDITE
Rolul transmisiei longitudinale.
Scheme ale soluțiilor constructive ale transmisiilor longitudinale pentru autovehicule organizate după diverse soluții.
Articulații cardanice: rol funcțional, construcție și modul de funcționare.
Construcția arborilor din transmisia principală.
9
Compunerea și organizarea generală a
mecanismelor de putere ale punții motoare
Tema își propune următoarele: cunoașterea elementelor componente ale unei punți motoare, a modalităților de organizare ale acestora și a rolului funcțional al fiecărui component, analiza cerințelor constructive impuse și identificarea elementelor componente pe standurile didactice din laborator.
9.1. ELEMENTE TEORETICE
9.1.1. Rolul și componența punților motoare
Roțile autovehiculului, în funcție de natura, sensul și mărimea forțelor și momentelor care acționează asupra lor, pot fi:
– roți motoare (antrenate): sunt roțile care rulează sub acțiunea fluxului de putere primit prin intermediul transmisiei de la motorul autovehiculului;
– roți libere (conduse): sunt roțile care rulează sub acțiunea unei forțe de împingere sau tragere, de același sens cu sensul vitezei de deplasare a autovehiculului, exercitată asupra lor de cadrul sau caroseria autovehiculului;
– roți frânate: sunt roțile care rulează sub acțiunea unui moment de frânare dezvoltat în mecanismele de frânare ale roților (frânare activă), sau de către grupul motopropulsor în regim de mers antrenat (frâna de motor).
Pentru autoturisme, prevăzute cu două punți, organizarea tracțiunii se poate realiza după soluțiile 4×2 sau 4×4, prima cifră indicând numărul roților, iar cea de-a doua, pe cel al roților motoare. Pentru organizarea tracțiunii de tipul 4×2, puntea motoare poate fi dispusă în față sau în spate, iar pentru tipul 4×4 ambele punți sunt cu roți motoare, fig.9.1.
Punțile motoare, față de cele nemotoare, asigură transferul fluxului de putere pentru autopropulsare, funcție de modul de organizare a tracțiunii, de la arborele secundar al cutiei de viteze sau de la transmisia longitudinală, la roțile motoare. De-a lungul acestui transfer, fluxul de putere suferă o serie de adaptări și anume:
adaptare geometrică determinată de poziția relativă dintre planul în care se rotește arborele cotit al motorului și planul în care se rotesc roțile motoare;
adaptare cinematică determinată de asigurarea rapoartelor de transmitere necesare transmisiei autovehiculului;
divizarea fluxului de putere primit în două ramuri, câte unul transmis fiecăreia din roțile motoare ale punții.
Fig.9.1. Transmisie 4 x 4
În procesul autopropulsării, din interacțiunea roților motoare cu calea, iau naștere forțe și momente de reacțiune.
Puntea are rolul de a prelua toate aceste forțe și momente și de a le transmite elementelor elastice ale suspensiei și cadrului sau caroseriei autovehiculului. Preluarea forțelor și a momentelor, precum și transmiterea lor după direcții rigide cadrului sau caroseriei autovehiculului, se face de un ansamblu constructiv al punții, numit mecanismul de ghidare al rotilor. După tipul mecanismului de ghidare, punțile pot fi punți rigide sau punți articulate.
Pentru a-și îndeplini funcțiile de mai înainte mecanismele fluxului de putere din puntea motoare cuprind: transmisia principală (sau angrenajul principal), diferențialul și transmisiile la roțile motoare.
9.1.2.Transmisia principală (centrală) – grupul conic
Transmisia principală cuprinde toate mecanismele din punte care realizează o demultiplicare a turației și o multiplicare a momentului dezvoltat de motor.
Transmisia centrală are rolul principal de a schimba direcția mișcării cu 900 pentru a se putea antrena roțile, dacă motorul este dispus longitudinal. De asemenea în transmisia centrală se produce și o demultiplicare a turației și o amplificare a momentului motor primit de la transmisia longitudinală sau de la arborele secundar al cutiei de viteze și de a-l transmite, prin intermediul diferențialului și arborilor planetari, la roțile motoare, ce se rotesc în jurul unei axe dispuse sub un unghi de 900 față de axa longitudinală a autovehiculului.
Transmisia centrală este formată, la construcțiile clasice, unde motorul este dispus longitudinal, dintr-un angrenaj conic, fig.9.2, fiind cunoscută și sub denumirea de „grupul conic".
Amplificarea momentului motorului, cu un raport de transmitere de regulă constant, numit raportul de transmitere al punții motoare (notat io), reprezintă adaptarea cinematică necesară impusă de conlucrarea motor-transmisie. Pentru a realiza această funcție, prin construcție transmisiile principale sunt mecanisme de tipul angrenajelor cu roți dințate conice sau cilindrice (dacă motorul este dispus transversal).
La autoturisme, la care valoarea necesară a raportului de transmitere este cuprinsă în intervalul de valori 3…5, transmisia principală, fig.9.2, este constituită dintr-un singur angrenaj, format din pinionul de atac (elementul conducător) și coroana diferențialului (elementul condus).
Fig.9.2 Grupuri conice cu și fără axe concurente
In funcție de modul în care axa pinionului de atac este așezată în raport cu axa coroanei diferențialului, transmisiile principale pot fi:
– cu axe concurente, fig.9.2.a;
– cu angrenaje hipoide, fig.9.2.b.
Adaptarea geometrică a fluxului de putere pentru autopropulsare presupune direcționarea lui de la axa în jurul căreia se rotește arborele cotit al motorului la axa transversală a autovehiculului, în jurul căreia se rotesc roțile motoare. Această funcție se realizează în transmisia principală prin tipul angrenajului utilizat și anume angrenaje cu axe ortogonale în cazul dispunerii longitudinale a motorului și angrenaje cu axe paralele la dispunerea transversală a motorului.
La autovehiculele la care motorul este dispus longitudinal, transmisia principală este formată dintr-un angrenaj cu roți dințate conice sau hipoide, iar la automobilele cu motorul dispus transversal, angrenaje cu roți dințate cilindrice.
În figura 9.3 este reprezentată schema cinematică de organizare a unei transmisii principale simple cu roți dințate conice.
Fig. 9.3.Organizarea cinematică a transmisiei principale simple cu roti dințate conice:
1 – coroană diferențial; 2 – arbore transmisie; 3 – pinion de atac; 4 – arbori planetari; 5 -roți planetare; 6 – sateliții diferențialului;7- carterul transmisiei principale (lipseste pozitia 8!!)
Elementul conducător al angrenajului este pinionul de atac 3, iar elementul condus este coroana diferențialului 1, cu care se află permanent în angrenare.
Fluxul de putere este primit de pinion prin arborele 2 de la transmisia longitudinală în cazul organizării clasice a transmisiei, sau direct de la arborele secundar al cutiei de viteze, cu care face corp comun, în celelalte moduri de organizare a transmisiei.
Roata condusă 1, numită și coroana diferențialului, este solidarizată, prin intermediul unor șuruburi, de carcasa diferențialului, căruia îi transmite fluxul de putere, de unde este divizat prin intermediul sateliților 6 și roților planetare 5 și transmis, mai departe, prin arborii 4 spre roțile motoare. Întreg ansamblul este montat, prin lagăre cu rulmenți în carterul 9, numit carterul punții motoare.
Dintre tipurile de danturi ale roților conice, generalizare au primit-o angrenajele conice cu dantură curbă. Dantura curbă, față de celelalte tipuri de danturi, asigură:
la rapoarte de transmitere egale, dimensiuni de gabarit de până la de două ori mai mici (numărul minim de dinți ai pinionului poate fi redus la 7…9, față de minimum 13 cât este la celelalte două tipuri);
creșterea gradului de acoperire, ceea ce se traduce în funcționare mai liniștită și durabilitate sporită;
diminuarea sensibilității la deplasări relative ale roților, ca urmare a deformațiilor elastice ale ansamblului în timpul funcționarii, prin posibilitatea eliminării concentratorilor de tensiune prin procedee tehnologice simple;
Dintre transmisiile principale cu dantură curbă, cea mai largă răspândire o au cele cu dantură în arc de cerc, cunoscută sub numele de dantură Gleason, aceasta bucurându-se și de avantajul prelucrării danturii pe mașini-unelte de mare precizie. Dezavantajul principal al angrenajelor cu dantură în arc de cerc îl constituie prezența unor eforturi axiale mari, care își schimbă sensul la schimbarea sensului de deplasare al autovehiculului. Având în vedere că această situație este de scurtă durată, atât sensul cât și valoarea forțelor axiale sunt acceptabile.
La automobilele organizate după soluția “totul spate”, sau “totul față”, cu motorul dispus longitudinal, transmisia principală și cutia de viteze sunt organizate într-un carter comun, fig.9.4, cu dispunerea transmisiei principale și a diferențialului între carterul ambreiajului și cutia de viteze. La transmisia principală, compusă din pinionul de atac 2 și coroana 1 a diferențialului, pinionul de atac 2, având dimensiuni constructive apropiate de cele ale arborelui secundar 3 al cutiei de viteze, se execută corp comun cu acesta, în capătul arborelui.
Fig.9.4.Construcția transmisiei principale la autoturismele de tipul “totul fața” cu dispunerea longitudinală a motorului
Când motorul este dispus transversal, transmisia principală este organizată sub forma unui angrenaj de roți cilindrice, cu axe fixe, 1 fiind pinionul de atac și 2 coroana diferențialului, fig.9.5.
Fig. 9.5. Construcția transmisiei principale pentru dispunerea transversală a motorului
Pentru sporirea rigidității arborilor cutiei de viteze și pentru deplasarea carterului punții motoare spre axa longitudinală a autovehiculului, pinionul 1 al transmisiei principale se execută corp comun cu arborele secundar, în capătul din consolă al arborelui secundar. Coroana cilindrică 2 a diferențialului, împreună cu diferențialul, sunt dispuse în carterul punții, plasat în zona ambreiajului. Deoarece utilizarea angrenajului cilindric determină forțe axiale mult mai mici față de angrenajele conice sau hipoide, pentru rezemarea coroanei, prin lagărele diferențialului, se utilizează de regulă rulmenți radiali axiali cu bile.
La transmisiile principale care au pinionul de atac solidar cu arborele secundar al cutiei de viteze, pentru descărcarea rulmenților arborelui secundar de forțele axiale din angrenajele cu dinți înclinați ale mecanismului reductor al cutiei de viteze se adoptă pentru sensul înclinării dinților pinionului același sens ca pentru roțile dințate din cutia de viteze.
9.1.3. Diferențialul
9.1.3.1. Necesitatea diferențialului ca mecanism al punții motoare
Diferențialul este un mecanism, inclus în puntea motoare, format din angrenaje conice, care divizează fluxul de putere primit de la transmisia principală în două ramuri, transmise fiecare câte unei roți motoare și oferă totodată roților punții posibilitatea ca, în funcție de condițiile autopropulsării, să se rotească cu viteze unghiulare diferite în viraje, sau la mersul rectiliniu.
Principalele condiții de autopropulsare care impun roților să se rotească cu viteze unghiulare diferite sunt următoarele:
deplasarea pe traiectorii curbe, când roata interioară curbei are de parcurs un spațiu mai mic decât roata exterioară curbei;
deplasarea rectilinie pe căi netede, când roțile punții au de parcurs spații egale iar autovehiculul, din diverse cauze, are roțile punții cu raze inegale; diferența dintre raze poate fi datorată presiunii inegale din pneuri, repartizării încărcăturii asimetric fața de axa longitudinală a autovehiculului, pneurilor la cele două roți de simbol diferit, sau grad diferit de uzură;
deplasarea rectilinie pe căi cu denivelări când, datorită distribuției aleatoare a denivelărilor sub formă de gropi și ridicături, roțile au de parcurs drumuri de lungimi diferite în aceeași unitate de timp.
Fig.9.6. Elementele componente ale unui diferențial
La autovehiculele cu tracțiune integrală pot exista trei diferențiale, unul pentru puntea față, altul pentru puntea spate și încă unul central, între cele două punți (diferențial interaxial),deoarece roțile din față nu se rotesc decât foarte rar cu aceeași turație ca roțile din spate.
Fig. 9.7.Tipuri de diferențiale pe autovehicul
La autoturismele cu o singură punte motoare, fie în față fie în spate, este necesar un singur diferențial, aflat în puntea motoare.
La autovehiculele de tip 4×4 există în fiecare punte motoare cate un diferențial, iar pentru eliminarea fenomenului dăunător de apariție a circulațiilor de puteri parazite, trebuie să mai existe și un diferențial între punți, numit diferențial interaxial. In figura 9.7 rolul diferențialului interaxial îl joacă difernțialul Torsen, care este autoblocabil, asigurand tracțiunea integrală "ful time", fără apariția fenomenului circulațiilor de puteri parazite.
Schema cinematică a unui diferențial simplu conic simetric se prezintă în fig.9.8.
Fig. 9.8. Schema cinematică a unui diferențial simplu conic, simetric
La deplasarea autovehiculului în linie dreaptă, sateliții 4 nu se rotesc în jurul axelor lor (n4 = 0) și deci întregul sistem se rotește ca un tot unitar, iar între turațiile arborilor planetari n3 și n7 și turația carcasei diferențialului n5 existǎ relația:
n3 = n7 = n5 (9.1)
La deplasarea în curbă, considerând că virajul este la dreapta, sateliții 4 încep să se rotească în jurul propriilor axe cu turația n4. Considerând Z4 și Z6 ca fiind numărul de dinți pentru roțile 4 și 6, sateliții vor accelera mișcarea roții planetare de pe arborele planetar 3 (care este legat cinematic de roata exterioară virajului) cu mărimea n4*Z4/Z6 și vor încetini mișcarea roții dințate planetare de pe arborele planetar 7 cu aceiași valoare, deci:
n3 + n7 =2*n5 (9.2)
Fig.9.9.Funcțiile diferențialului interaxial Audi Quattro
Atenție: fig.9.9.nu este explicată. Trebuie mutată la pag.116, inainte de fig.9.12 si explicată.
In figura 9.9 este prezentată construcția și funcționarea diferențialului interaxial blocabil 2 folosit la autoturismele Audi Quattro. Diferențialul 2 este montat la ieșirea din cutia de viteze, carcasa 6 fiind solidară la rotație cu arborele secundar tubular al acesteia. Din diferențialul interaxial fluxul de putere este distrbuit prin arborele planetar 7 către puntea motoare față, iar prin prin arborele planetar 4 către puntea motoare spate. In cazul în care roțile unei punți patinează diferențialul interaxial poate fi blocat către conducătorul autovehiculului cu ajutorul furcii 3 și a manșonului de cuplare 5.
Dacă se frânează unul din arborii planetari până la oprire, de exemplu n3 = 0, celălalt se va roti cu o turație de două ori mai mare decât cea a carcasei diferențialului (n7 = 2*n5). În cazul în care se frânează carcasa diferențialului (n5 = 0), arbori planetari se vor roti cu turații egale, dar cu sens contrar (n3 = -n7).
Momentele care se transmit la arborii planetari 3 nu sunt niciodată egale, între ele existând o diferență datorită momentului de frecare interioară a diferențialului.
Fig.9.10. Schema cinematică a unui diferențial cu blocare: 1 – coroana diferențialului; 2 – ax sateliți; 3 – mecanism blocare diferențial; 4 – manșon cuplare; 5 – cuplaj axial; 6 – roți planetare; 7 – sateliți
9.1.3.2.Construcția diferențialului. Variante constructive.
Elemente componente
În construcția diferențialelor se disting mai multe soluții, grupate astfel:
• după caracteristicile cinematice se deosebesc diferențiale simetrice și diferențiale asimetrice;
• după caracteristicile dinamice, exprimate prin mărimea frecării interne, diferențialele pot fi: diferențiale simple, diferențiale blocabile (fig.9.10) și diferențiale autoblocabile (vezi diferențialul Torsen, fig.9.7).
În afara utilizării diferențialului ca mecanism al punții motoare, în construcția de automobile diferențialul se folosește și ca mecanism divizor de flux la autovehiculele de tipul 4×4. Diferențialele asimetrice și cele blocabile și autoblocabile sunt specifice autoturismelor de tipul 4×4.
Constructiv, funcție de tipul și destinația autovehiculului, sateliții sunt în număr de 2 sau de 4. La cele mai multe construcții rezemarea ansamblului diferențialului pe carterul punții motoare se asigură cu ajutorul a doi rulmenți radiali-axiali, cu role conice, montați în "X". Reglajul jocului funcțional al acestor rulmenți se asigură din piulițe filetate în carterul punții.
Rezemarea ansamblului pinionului de atac în carterul punții motoare se asigură cu ajutorul a doi rulmenți radiali-axiali, cu role conice, montați în "O". Reglajul jocului funcțional al acestor rulmenți se asigură cu ajutorul unei piulițe filetate în capătul pinionului de atac.
1. Diferențialul deschis. Este cel mai des întâlnit tip de diferențial în cazul automobilelor de serie, fiind și cel mai simplu (și cel mai ieftin pentru producător). Este compus din roți dintate, un pinion principal, două secundare și încă două, care sunt direct conectate de planetare. Pinionul principal (asemănator unei volante) este cel care primește cuplul de la motor și mai apoi îl transmite către planetare prin intermediul celorlalte perechi de pinioane mai mici, fig.9.11.
Fig.9.11.Componentele diferențialului montat longitudinal (angrenaj conic):
1-arbore de iesire din cutia de viteze; 2-arbori planetari (antrenează rotile automobilului); 3-pinion transmisie principală (pinion de atac); 4-coroană diferențial;roți planetare;; 6-roti dintate sateliti; 7-carcasă diferential
În linie dreaptă, cum ambele roți motoare (pneuri) se rotesc cu aceeași viteză, pinionul de atac transmite puterea motorului direct pinioanelor cuplate la planetare, fără să mai antreneze la rotație în jurul propriilor axe sateliții diferențialului.
Atunci când autovehiculul va efectua un viraj, roțile vor trebui să se rotească cu turații diferite, iar cele două pinioane intermediare (sateliții) vor interveni și se vor “cupla” la celelalte, determinând o scădere în viteză a roții situate pe interiorul virajului și o creștere proporțională a vitezei roții de pe exterior. În acest fel se rezolvă eventualele probleme datorate uzurii cauciucurilor, suprasolicitărilor în elementele transmisiei, precum și problemele de aderență.
Diferențialul deschis mai are unele particularități. Dintre acestea, faptul că încearcă să aplice același cuplu ambelor roți. Mai mult, maximumul de cuplu care poate fi transmis unei roți este direct relaționat cu maximumul de cuplu pe care cealaltă roată îl poate transfera suprafeței de rulare, sau altfel spus, acest diferențial nu poate transmite mai mult cuplu roților, decât maximumul care nu va face ca roțile să patineze.
Diferențialul deschis nu poate asigura roții cu mai multă aderență decât maximumul de cuplu pe care roata cu mai puțină aderență îl poate transfera suprafeței de rulare. Se poate spune că diferențialul deschis va încerca să transfere maximumul de cuplu rotii care beneficiază de cea mai mica aderență, făcând ca tot acest cuplu să se piardă, prin rotirea în gol a respectivei roți.
De exemplu, daca o roată se află pe gheață și cealaltă pe asfalt, diferențialul nu va asigura roții aflate pe asfalt decât maximumul de cuplu care nu va face ca roata cealaltă, aflată pe gheață, să patineze. Și nu este nevoie de prea mult cuplu pentru ca o roată aflată pe gheață să patineze. Prin urmare, într-o situație de acest fel, roata care se află pe asfalt și care ar putea face autovehiculul să înainteze, nu va putea face acest lucru datorită faptului că la ea ajunge exact același cuplu cât ajunge și la cea aflată pe gheață. Mai ales în situații de off-road, această situație este cea mai dificilă. Se poate întampla ca una dintre roțile motoare să fie suspendată, deci să beneficieze de zero aderență. În acest caz, diferențialul deschis nu va putea gestiona situația – nu va transfera nici un cuplu celeilalte roți și autovehiculul va rămâne împotmolit.
Un diferențial deschis nu va putea transmite roții cu aderența mai bună decât doza de cuplu de care beneficiază roata cu cea mai mica aderență. În cazul de față, chiar dacă discutăm de asfalt, aderența va fi influențată de transferul de mase, până la nivelul în care roata care ar trebui să asigure accelerarea și, implicit, recuperarea din derapaj, din supravirare, nu ar putea face acest lucru, nebeneficiind de cuplu.
Nu trebuie să se înteleagă că diferențialul deschis este, prin definiție, un sistem rudimentar. Din contra, este un sistem foarte bun, în situații de aderență bună și, mai ales, în cazul unui comportament rezonabil al conducătorului auto. Ultimele generații de automobile beneficiază de un sistem menit să “controleze limitările” diferențialului deschis, prin interventia electronicii și a ABS-ului pentru gestionarea unor astfel de situații de urgență. Termenul generic este ETC (Electronic Traction Control).
2.Diferențialul blocat (auto-blocant) sau “închis”. Dacă la diferențialul deschis cele două pinioane conectate de planetare ar fi sudate între ele, indiferent de rotirea volanului sau de aderența disponibilă, cele două roți ar fi silite să se deplaseze simultan, cu aceeași viteză de rotație. Este cea mai simplă explicație a diferențialului blocat.
Fig.9.12.Diferențialul blocant
Diferențialele auto-blocante dispun de diferite sisteme (mecanice, pneumatice, hidraulice etc.) menite să asigure blocarea pinioanelor interne, dar acesta este principiul de baza. Cea mai importantă aplicație (cel mai mare avantaj) apare în situația în care una dintre roți nu are deloc aderență, deoarece în acest caz, un autoblocant va interveni și va transmite întreg cuplul asigurat de motor roții cu aderența bună, chiar dacă cealaltă roata este suspendată. Nu înseamnă că va face acest lucru “inteligent”. Adică, modul lui de funcționare nu implică vreun sistem de senzori și un computer care să-i spuna spre ce roată trebuie să transmită cuplul motor. Un auto-blocant va face acest lucru “în orb”, pur și simplu mecanic. De aici și zona de utilizare aproape exclusivă a auto-blocantului, respectiv off-road-ul.
Marea problema a acestui tip de diferențial este că, indiferent de situații, ambele roti se vor roti cu aceeași turație inclusiv în viraje, unde, datorită transferului de mase lateral, în majoritatea cazurilor, pneul situat pe exteriorul virajului va rula corect pe sol, în timp ce pneul situat pe interior (care beneficiază de mai puțină aderență, datorită transferului de mase) fiind silit, datorită diferențialului, să se rotească cu aceeași turație ca și cel de pe exterior, va intra într-o faza de patinaj, fapt care va duce la uzură prematură. În plus, autovehiculul va avea o permanentă tendință de a reveni la o postură de linie dreaptă, fapt ce va face fiecare viraj mult mai dificil, afectând stabilitatea și confortul.
Auto-blocantul mai este folosit, într-o formulă puțin diferită, și la cursele de accelerare (drag-racing), unde nu este necesar virajul și unde contează mai mult cuplul transmis suprafeței de rulare. Soluția la toate problemele amintite anterior este diferențialul cu alunecare limitată.
Diferența principială de cuplare- decuplare dintre un diferențial blocabil și unul autoblocabil constă în aceea că diferențialul blocabil este acționat de conducătorul autovehiculului, iar diferențialul autoblocabil se blochează sau se deblochează singur, fără intervenția conducătorului auto.
3. Diferențialul cu alunecare limitata – LSD (Limited Slip Differential). Există mai multe tipuri de LSD: cu cuplare vâscoasă, cu placuțe de ambreiaj (cu sau fără arcuri de transfer al cuplului) cu subdiviziunile lui: pasiv (mecanic), hidraulic și electronic și alte forme și tipuri care derivă de aici.
Fig.9.13. Diferențialul cu alunecare limitată
O definiție simplă a LSD-ului este următoarea: diferențialul cu alunecare limitată este un compromis între diferențialul “deschis” (open differential) și diferențialul blocant (locking differential), capabil să ofere un comportament similar diferențialului blocant în situații de dezechilibru însemnat de aderență și similar diferențialului deschis, în aplicația de bază a diferențialelor, aceea care permite rotirea cu viteze diferite a roților în viraj. Deși sunt diferite constructiv și ca mod de operare, toate tipurile de LSD au misiunea de a asigura acelasi lucru, descris în definiție.
4. Diferențialele de tip Torsen (Quaife, Peloquin etc.). Torsen este un termen care provine din expresia “torque sensitive” (care “simte” cuplul, sensibil la cuplu), expresie care descrie însuși modul de operare al sistemului. Este tipul de diferențial a cărui principală caracteristică – în care rezidă, de altfel, și calitatea și performantele sale – este că reacționează imediat la orice dezechilibru de cuplu apărut între cele doua roți motoare, direcționând cuplul către roata care îl poate transfera cu succes suprafeței de rulare, adică spre roata cu aderență ridicată.
Diferența fundamentala între LSD și diferențialul deschis este aceea ca diferențialul deschis va trimite intotdeauna cuplul motor spre roata care beneficiază de mai puțină aderență, iar cuplul transmis se va pierde prin rotirea cu patinare a roții.
Aceste tipuri de LSD-uri (Quattro de la Torsen și Quaife sunt similare, dar nu identice) au ceea ce se cheamă un “raport de multiplicare” a cuplului, în general cu valori de 1:4 sau 1:5. Adică, daca un cuplu de 30 Nm este direcționat către roata cu minimă aderență, LSD-ul va direcționa instantaneu un cuplu de aproximativ 120 Nm sau 150 Nm spre roata cu aderență mai bună, adica de 4 sau 5 ori mai mare decât cuplul minim pe roata cu aderență redusă. Există totuși și câteva dezavantaje. De exemplu, un LSD nu se va putea niciodată comporta ca un diferențial blocant, dacă una dintre roți are aderență zero, adică este suspendată, și asta datorită raportului de multiplicare: adică, dacă un raport de multiplicare a cuplului este de 1:4, dar una dintre roți are aderență zero, cealaltă va avea tot zero, pentru ca 0Nm x 4 = 0 Nm. Din acest motiv LSD-urile nu sunt prea des folosite la off-road extrem.
Fig. 9.14. Diferențialul Torsen
Alte (mici) dezavantaje ar fi că LSD-ul este un pic mai greu decât un diferențial deschis, nu poate fi setat sau modificat în ceea ce privește raportul de multiplicare și cuplul maxim la care rezistă, pe care-l poate gestiona și care vine de la motor.
Pentru șoferii mai “sportivi”, diferențialul cu alunecare limitată este spectaculos pe drumuri cu succesiuni de viraje, deoarece permite să se accelereze (automobile FWD) mult mai devreme și mai intens. Entuziaștii auto susțin că, după montarea unui LSD pe automobilele cu tracțiune față, au avut impresia că stau la volanul unui autovehicul cu tracțiune integrală.
9.1.4. Transmisiile transversale (la roțile motoare)- arborii planetari
Transmisiile transversale sunt unități funcționale independente ce fac legătura între roțile planetare ale diferențialului și butucii roților motoare ale autovehiculului, cu rolul de a transmite fluxul de putere pentru autopropulsare.
În cazul punților motoare spate la care transmisia principală și diferențialul sunt montate de partea nesuspendată a maselor autovehiculului:
când poziția relativă dintre roțile motoare și diferențial este invariabilă, se utilizează arbori planetari rigizi;
când poziția relativă dintre roțile motoare și diferențial este variabilă, se utilizează arbori planetari articulați.
Structural, arborii planetari au în componența lor cuplaje unghiulare (CU), cuplaje axiale (CA) și cuplaje unghiular-axiale (CUA).
Fig.9.15 Transmisii transversale
Arborii planetari articulați, fig.9.15, în funcție de tipul mecanismului de ghidare al roților, pot forma:
transmisie bimobilă, fig.9.15.a obținută dintr-un cuplaj unghiular CU (de obicei homocinetic) ce transmite mișcarea de la arborii 1 și 2 ale căror axe formează un unghi α, de obicei variabil;
transmisie tetramobilă, fig.9.15.b, obținută prin înserierea a două cuplaje unghiulare de tipul CU-CU și care pot asigura compensări unghiulare și transversale între arborii de legătură, dar nu și compensare axială;
transmisie pentamobilă sau transmisie universală fig.9.15.c,d,obținută din înserierea a două cuplaje unghiulare CU-CU cu un cuplaj axial CA, de tipul CU-CA-CU, sau din înserierea unui cuplaj unghiular CU cu un cuplaj unghiular axial CUA, de tipul CU-CUA, făcând posibile trei translații relative (mobilitate axială și transversală) și două rotații relative (mobilitate unghiulară) între arborii 1 și 2 aflați în rotație, a căror poziție este variabilă.
9.1.4.1. Cuplaje unghiulare
Cuplajele unghiulare ce intră în compunerea transmisiilor transversale sunt cuplaje rigide, homocinetice sau cvasihomocinetice, care, montate între doi arbori formează cu aceștia o transmisie bimobilă.
a. Cuplaje unghiulare cu elemente articulate. Cel mai simplu cuplaj unghiular utilizat este cuplajul cardanic. Sincronismul mișcării se obține prin înserierea a două articulații cardanice și prin respectarea unor condiții de montare.
b. Cuplajele unghiulare cu elemente de rulare. Au la bază un mecanism spațial desmodrom simetric format din două elemente, condiția de simetrie fiind asigurată de cupla de centrare dintre elemente, care, pentru îmbunătățirea condițiilor de transmitere a mișcării, este realizată cu elemente intermediare de rulare. Cuplajele unghiulare de acest tip mai des întâlnite în construcția de automobile sunt cuplajele de tip Weiss și Rzeppa.
c. Cuplaje unghiulare cu elemente articulate. Unul din cel mai des folosite cuplaje unghiulare este cuplajul Rzeppa.
9.1.4.2. Cuplaje unghiular-axiale
Cuplajele unghiular-axiale ce intră în compunerea transmisiilor transversale sunt cuplaje rigide, homocinetice sau cvasihomocinetice, care, montate între doi arbori, formează cu aceștia o transmisie trimobilă.
a. Cuplaje Rzeppa, fig.9.16. Oferta unghiulară este de 220 iar compensarea axială poate ajunge până la 45 mm.
Fig.9.16.Cuplaj unghiular-axial Rzeppa
b.Cuplaje tripode. Denumirea de “tripod”, introdusă de firma Glaenzer Spicer și acceptată, se referă la forma specială a elementelor cinematice (trei picioare) care permit legarea în paralel a trei cuple cinematice simple. Cuplele pentamobile simple legate în paralel pot fi de tipul cilindru-cilindru, sau sferă-plan.
În fig.9.17 se reprezintă o variantă a cuplajului unghiular-axial tripod. Aceste articulații permit mișcări axiale de până la 55 mm și unghiuri de lucru de până la 26°, datorită acestor calități sunt folosite la soluțiile totul față și totul spate.
Fig.9.17.Elementele constructive ale cuplajului unghiular-axial tripod
La acest cuplaj, mișcarea cu alunecare (mai ales în timpul funcționării ca și cuplaj axial) este înlocuită parțial prin mișcarea de rulare a galeților sferici 2 în căile de rulare ale elementului 3. Pentru reducerea pierderilor prin frecarea dintre galeții 1 și fusurile elementului tripod 4, la unele construcții se utilizează galeți sferici, montați pe ace, sau role.
9.1.5. Transmisii universale
Transmisia universală este un lanț cinematic pentamobil, destinat transmiterii f1uxului de putere prin mișcare de rotație, între arborii a căror poziție relativă este variabilă, fiind posibile trei translații relative (mobilitate axială și transversală) și două rotații relative (mobilitate unghiulară).
Transmisiile universale, fig.9.18, se obțin prin înserierea cuplajelor mobile prezentate mai înainte și reprezintă arborii planetari ai punților motoare la care există mișcare relativă între roți și partea centrală a punții.
Fig.9.18. Tipuri constructive de transmisii universale
Transmisiile universale se realizează în multe variante constructive, rezultate din combinații de articulații unghiulare (la partea dinspre roată) și din articulații unghiular-axiale (la partea dinspre diferențial).
9.2. PARTEA APLICATIVĂ ȘI DESFĂȘURAREA TEMEI
Etapele desfășurării temei sunt:
definiți rolul transmisiei longitudinale pentru diverse variante de organizare a autovehiculelor;
prezentarea compunerii generale a transmisiilor longitudinale și rolul funcțional al elementelor componente;
identificarea transmisiei principale, a diferențialului și a transmisiilor la punțile motoare pe baza unor soluții analizate, utilizând machete didactice, planșe, filme educaționale și componente existente în cadrul laboratorului;
Fig.9.19. Machete didactice
identificarea pinionului de atac și lagărele sale, diferențialului, coroanei diferențialului și a lagărelor sale; identificarea arborilor planetari;
identificarea montajului în O sau X a rulmenților conici sau biconici;
identificarea articulațiilor unghiulare și unghiular axiale din cadrul arborilor planetari.
9.3. AUTOEVALUAREA CUNOȘTINȚELOR DOBÂNDITE
1. Variante de roți motoare ale autovehiculelor și rolul fiecăreia.
2. Comparație punți motoare – punți nemotoare;
3. Elemente componente ale unei punți motoare: definire, rol, caracteristici.
4. Transmisia principală. Tipuri de angrenaje. Variante constructive
5. Diferențialul: definire, rol, funcționare, componente.
6. Arborii planetari: definire, tipuri constructive,
7. Cuplaje unghiulare. Exemple și analiză.
8. Transmisii universale. Exemple și rol.
10
Compunerea și organizarea generală
a sistemelor de frânare
Tema își propune următoarele: cunoașterea rolului și cerințelor impuse sistemelor de frânare, cunoașterea variantelor constructive de sisteme de frânare care echipează autovehiculele rutiere, identificarea subansamblurilor componente și cunoașterea rolului lor funcțional.
10.1.ELEMENTE TEORETICE
10.1.1. Rolul și cerințele sistemelor de frânare
Sistemele de frânare servesc la imobilizarea în orice moment a autovehiculului, în condiții perfecte și pe distanța cea mai scurtă, la reducerea vitezei acestuia, asigură imobilizarea autovehiculului în staționare precum și menținerea constantă a vitezei la coborârea unor pante lungi.
Capacitatea de frânare a unui automobil are o importanță deosebită, deoarece determină direct securitatea activă a autovehiculului și posibilitatea de utilizare integrală a vitezei și accelerației acestuia în timpul exploatării. În timpul frânării, o parte din energia cinetică acumulată de automobil se transformă prin frecare în căldură, iar o parte se pierde pentru învingerea rezistențelor la rulare.
Pentru a se obține un control sigur asupra vitezei autovehiculului sau asupra păstrării poziției acestuia în stare de repaus se prevăd două sau mai multe sisteme de frânare, în funcție de necesități.
Cerințele unui sistem de frânare sunt:
– să asigure decelerarea maximă permisă de aderență cu condiția ca autovehiculul să ramână manevrabil;
– să asigure imobilizarea autovehiculului în pantă;
– frânarea să fie progresivă, fără șocuri;
– să nu necesite din partea conducătorului un efort prea mare; efortul aplicat la mecanismul de acționare al sistemului de frânare să fie proporțional cu decelerația, pentru a permite conducătorului să obțină intensitatea dorită a frânării;
– să se asigure frânarea autovehiculului în ambele sensuri de mers;
– să se asigure evacuarea căldurii care ia naștere în timpul frânării;
– să nu permită frânarea fără intervenția conducătorului auto;
– să se regleze ușor sau chiar în mod automat;
– să aibă o construcție simplă și să fie ușor de întreținut;
– să nu permită introducerea uleiului sau impurităților pe suprafațele de frecare.
Toate sistemele de frânare ale autovehiculelor se bazează pe frânarea uscată a două suprafețe: una care este solidară la rotație cu roata și una fixă față de cadrul autovehiculului.
10.1.2. Clasificarea sistemelor de frânare
Sistemele de frânare se clasifică după mai multe criterii:
1.După rolul pe care îl au în ansamblul autovehiculului: sistem de frânare principal; sistem de frânare de siguranță; sistem de frânare staționar; sistem de frânare auxiliar; sistem de frânare suplimentar.
Sistemul de frânare principal (frâna de serviciu/frâna de picior) are rolul de a reduce viteza autovehiculului până la valoarea dorită sau de a păstra viteza acestuia la o valoare constantă, de a opri autovehiculul și de a-l păstra în poziție de repaus, indiferent de viteză, încărcare și unghi de pantă, în limitele pentru care acesta a fost construit. Acest sistem acționează asupra tuturor roților și din punct de vedere constructiv poate avea ca elemente de lucru saboți interiori sau frâne disc, poate fi acționat hidraulic, pneumatic sau hidropneumatic, cu sau fără servomecanism de acționare.
Sistemul de frânare pentru staționare (frâna de mână/frână de parcare/frâna de ajutor) are rolul de a imobiliza autovehiculul în pantă în absența conducătorului auto, un timp nelimitat. Acesta are un mecanism de comandă independent de cel al frânei principale ce trebuie să poată fi acționat cu o singură mână în timpul conducerii autovehiculului. Din punct de vedere constructiv frânele pot fi: cu saboți interiori, cu bandă sau cu disc. Ele pot acționa asupra arborelui secundar al cutiei de viteze sau asupra roților din spate.
Sistemul de frânare de siguranță (frâna de avarie) trebuie să înlocuiască frâna de serviciu la defectarea acestuia. Frâna de siguranță trebuie să aibă un mecanism independent de frâna de serviciu care să poate fi acționat fără a lua ambele mâini de pe volan. Astfel, frâna de mână este și frână de serviciu pentru majoritatea soluțiilor constructive actuale, care poate acționa pe toate roțile uneia dintre punți.
Sistemul de frânare suplimentar (dispozitiv de încetinire) are rolul de a dispersa o parte din energia cinetică a autovehiculului ce este frânat și este folosită pentru a evita supraîncălzirea sistemului de frânare principal. Se utilizează la autocamioanele și autobuzele grele echipate cu motoare Diesel, fig.10.1, pentru menținerea vitezei constante a autovehiculului la coborârea unor pante lungi, fără utilizarea îndelungată a frânei de serviciu. Se mai utilizează în cazul autovehiculelor destinate special să fie utilizate în regiuni muntoase sau cu teren accidentat, precum și la automobilele de competiție, în domeniul vitezelor mari.
Frâna suplimentară poate suplini frâna de serviciu sau poate să acționeze împreună cu frâna de serviciu și astfel contribuie la micșorarea uzurii frânei principale și la sporirea securității circulației.
Fig.10.1. Frâna disc Scania
Frâna constă dintr-un dispozitiv care poate fi acționat aerodinamic, electrodinamic sau hidraulic, și care realizează frânarea autovehiculului cu ajutorul motorului, prin închiderea parțială a conductei de evacuare a gazelor arse. Această frână este acționată de conducătorul auto.
La autovehiculele care nu sunt dotate cu frână de încetinire se poate utiliza frâna de motor, la care frânarea se produce datorită depresiunii create deasupra pistoanelor, în cursa de aspirație, ca urmare a strangulării conductei de aspirație, prin închiderea clapetei de accelerație. Motorul funcționează ca un compresor care este acționat de energia cinetică a autovehiculului. Frâna este cu atât mai puternică cu cât cutia de viteze este cuplată într-o treaptă mai mică.
Sistemul de frânare auxiliar existent la unele tipuri de autovehicule, are rolul de a dubla în caz de necesitate frâna principală.
Potrivit reglementărilor în vigoare, orice autovehicul trebuie să fie echipat cu două sisteme de frânare: frâna de serviciu și frâna de ajutor, care trebuie să fie perfect reglabile și să acționeze eficient și rapid, independent unul față de celălalt.
După locul unde este creat momentul de frânare (de dispunere a frânei propriu-zise: frâne pe roți; frâne pe transmisii.
În primul caz mecanismul de frânare propriu-zis acționează direct asupra butucului roții (prin intermediul piesei care se rotește cu el), iar în al doilea caz acționează asupra unui arbore a transmisiei autovehiculului.
3.După forma piesei care se rotește, frânele propriu-zise pot fi: frâna cu tambur; frâna cu disc; frâna combinată.
4.După forma pieselor care produc frânarea se deosebesc: frâne cu saboți; frâne cu bandă; frâne cu discuri; frâne combinate (cu saboți și benzi, cu saboți și discuri). Piesele care produc frânarea pot fi depuse in interiorul sau exteriorul pieselor rotoare.
În prezent, în construcția de automobile se utilizează următoarele tipuri de sisteme de frânare propriu-zise:
frâna cu tambur cu doi saboți interiori (mai ales ca frână de serviciu și uneori ca frână de staționare pe transmisii);
frâna cu disc de tip deschis (folosită preponderent ca frâna de serviciu la autoturisme și uneori ca frână de staționare pe transmisie);
frâna cu tamburul și banda exterioară (utilizeaza exclusiv frâna de staționare pe transmisie).
5. După tipul mecanismului de acționare sistemele de frânare se împart în:
cu acționare directă la care forța de frânare se datorează exclusiv efortului conducătorului;
cu servoacționare la care pentru frânare se folosește energia unui agent exterior, iar conducătorul reglează doar intensitatea frânei;
cu acționare mixtă la care forța de frânare se datorește atât conducătorului cât și forța unui servomecanism.
Acționarea directă utilizată la autoturisme și la autocamioane cu sarcină utilă mică, poate fi mecanică sau hidraulică. Acționarea hidraulică este foarte răspândită în prezent.
Acționarea mixtă cea mai răspandită este acționarea hidraulică cu servomecanism neautomat. Această acționare se întâlnește la autoturismele de clasă superioară precum și la autobuzele și autocarele de capacitate mijlocie.
Servoacționarea poate fi: pneumatică (cu presiune sau depresiune), electrică, electropneumatică etc. Se utilizează la autocamioanele cu sarcină utilă mare și la autobuze.
6. După numărul de circuite prin care efortul executat de sursa de energie se transmite către frânele propriu-zise se deosebesc: frâne cu un singur circuit; frâne cu mai multe circuite.
În cazul soluției cu mai multe circuite frânele (sau elementele lor) se grupează în diferite moduri. În mod frecvent se leagă de la un circuit frânele unei punți (sau grupuri de punți) existând însă și scheme în care la un circuit sunt legate frânele aflate pe aceeași punte a autovehiculului sau în poziții diagonale opuse.
Sistemele de frânare cu circuite multiple sporesc sensibilitatea, fiabilitatea acestora în securitatea circulației, fapt pentru care în unele țări este prevăzut obligativitatea circuitelor la anumite tipuri de automobile.
Standardele în vigoare impun utilizarea unui sistem de frânare dublu. Dintre cinci variante posibile versiunile II (în paralel) și X au devenit opțiuni standard ale producătorilor de automobile.
Fig. 10.2.Configurații ale sistemului de frânare de serviciu
Structura II – distribuie forța de frânare între cele două punți; primul circuit frâneaza puntea față iar cel de-al doilea puntea spate.
Structura X – distribuie forța de frânare pe diagonală; primul circuit frânează rota față stânga și roata spate dreapta, cel de-al doilea circuit frânează roata față dreapta și roata spate stânga.
Structura HI – primul circuit frânează ambele punți (față + spate), cel de-al doilea circuit frânează în paralel doar puntea față.
Structura LL – primul circuit frânează puntea față și o roată a punții spate în timp ce de-al doilea circuit frânează în paralel doar puntea față.
Structura HH – este cel mai complex sistem, ambele circuite de frânare acționând asupra celor patru roți ale autovehiculului.
10.1.3. Părțile componente ale sistemelor de frânare
Sistemul de frânare, fig.10.3, se compune din: frânele propriu-zise și mecanismul de acționare a frânelor.
Fig.10.3. Compunerea și amplasarea sistemului de frânare pe autoturisme
Pedala de frâna transmite efortul exercitat de piciorul conducătorului prin intermediul amplificatorului de frânare (servofrâna) către pompa centrală de frâna. Aceasta generează și distribuie lichidul de frână sub presiune la frâne, care îl transformă în lucru mecanic de frecare pentru a încetini, opri sau imobiliza roțile.
Limitatorul forței de frânare modifică presiunea de frânare a frânelor spate în funcție de sarcina pe punte. Frâna de staționare acționează direct prin cabluri pe frânele spate. Acest tip de circuit este instalat, cu sau fără ABS, pe toate autoturismelel și pee vehiculele utilitare ușoare cu sarcina totală autorizată < 3,5 t.
Repartizarea presiunii de frânare se efectuează în diagonală: fiecare circuit de frânare acționează pe o roată față și pe roata spate diagonal opusă.
Avantaj: oricare ar fi circuitul defect pierderea de eficacitate este constant de 50%.
Dezavantaj: în caz de defecțiune, sub acțiunea forțelor de frânare, vehiculul va avea tendința de a trage spre stânga sau spre dreapta.
Există două tipuri de frâne pentru puntea spate: frâne cu tambur, frâne cu disc.
Pentru puntea față se utilizează un singur tip de frâne: frâne cu disc
10.1.3.1. Componența frânei cu tamburi
Frânele cu tamburi se folosesc de obicei la roțile din spate.
Frâna cu tamburi este un tip de frână care are un cilindru din fontă turnat, gol pe dinăuntru, care se rotește odată cu roata autovehiculului. Saboții de frână intră în contact forțat cu partea interioară a acestui cilindru și asigură frânarea roților (fig.10.4). Frâna cu tambur folosește un tambur rotitor închis și plăcuțe fixe (saboți). Atunci când pedala de frână este apăsată, saboții intră în contact cu peretele tamburului și încetinesc rotirea roții. Sunt predispuse la uzură și se încălzesc destul de ușor, acest lucru micșorându-le eficiența.
Fig. 10.4 Ansamblu frână cu tambur
Atunci când conducătorul apasă pedala de frână, presiunea generată în cilindrul receptor 3 depărtează saboții de frână 1 și 2 și îi apasă pe tambur. Revenirea în poziția inițială a saboților este efectuată de către resortul de rapel.
Tamburul de frână este componenta pe care sunt apăsați tamburii de către cilindrul receptor, generând astfel forța de frânare prin frecarea acestora de pista interioară de frecare a tamburului (diametrul interior).
O altă funcție a tamburului este de a proteja sistemul de frânare de elementele externe: intemperii, sare folosită la înlăturarea gheții, proiectarea de pietre.
Saboții de frână, fig.10.6. Sabotul este compus dintr-o garnitură 2, lipită sau nituită pe un suport rigid 3 din oțel.
Pentru funcționarea optimă a frânelor spate, capacitatea de conservare a coeficientului de frecare trebuie să fie independentă de: viteza de rotație a tamburului,forța de frânare, temperatura atinsă în timpul frânării, rezistența la uzură, fără a afecta (uza prematur) suprafața de frecare a tamburului.
10.1.3.2.Componența frânei cu discuri
Frânele cu disc pot fi de tip deschis sau închis. Cele de tip deschis se utilizează mai des la autoturisme, pe când cele de tip închis în special la autocamioane și autobuze.
Frâna cu discuri este un tip de frână în care două plăcuțe rezistente la frecare strâng de o parte și de alta un disc de oțel care este fixat de roată, fig.10.7. Este folosită atât la mașinile de curse, la cele sport cât și la cele de transport pasageri. Frâna cu discuri este mult mai eficientă la temperaturi ridicate sau la condiții de umezeală față de frâna cu tambur.
Discul de frână. Discul este partea mobilă din sistemul de frânare, se fixează pe butucul roții prin șuruburi cu cap înfundat, fig.10.7.
Discurile de frână pot fi: simple și autoventilate, fig.10.9.
Discurile autoventilate asigură o bună răcire, deoarece aerul circulă prin interiorul discului preluând o parte din căldura care apare în urma frecării dintre garnituri și disc.
Fig.10.9. Disc de frână simplu și autoventilat
Discurile de pe puntea din față sunt în general discuri autoventilate.
Discul ventilat 3 dispune de o serie de cavități 4 care îl traversează astfel încât să amelioreze răcirea.
Etrierul. Etrierul este partea fixă a sistemului de frânare, se montează pe port-etrier, care la rândul său este prins de fuzetă. Etrierul are unul sau două pistoane acționate hidraulic, de presiunea generată de pompa de frână, fig.10.11. La acționarea pedalei de frână fluidul umple cilindrul etrierului și forțează pistonul să se deplaseze în exterior, către discul de frână.
În fig.10.12 este prezentată schema constructivă pentru etrierul flotant și fix:
Funcționarea frânelor cu disc și etrier flotant se face în doi timpi:
Timpul 1: punere în contact a unei plăcuțe cu suprafața discului de frană. Presiunea ce se formează în interiorul etrierului datorită lichidului de frână ce este pompat prin orificiul 6 acționează asupra pistonului 2 care aplică placuța 3 pe discul 4.
Timpul 2: punere în contact a celei de-a doua plăcuțe cu suprafața discului de frană . În acest moment, etrierul 1 se deplasează axial și aplică a doua placuță 3 pe cealaltă parte a discului 4. Acțiunile plăcuțelor de frână 3 sunt opuse și de aceeași forță.
Funcționarea frânelor disc cu etrier fix este diferită de cea a unui etrier culisant. Presiunea din circuitul hidraulic 5 acționează simultan pe pistonașele 2 și apasă plăcuțele 3 pe discul de frână 4. Acțiunile plăcuțelor de frână 3 sunt opuse și de aceeași valoare.
Etrierul frânei spate este prevazut și cu frâna de staționare, fig.10.13.
Fig.10.13. Ansamblu frână-etrier spate: 1-camașa de protecție a cablului frânei de mână;
2 – cablul frânei de mână; 3- etrierul frânei; 4 – pârghie de acționare; 5 – excentricul arborelui de acționare; 6 – împingător; 7 – antrenor filetat exterior; 8 -piston; 9 – plăcuțe de frână; 10 – disc de frână; 11 – resort de rapel pentru comanda frânei de mână; 12 – piston filetat interior; 13 – garnitura de etanșare; E – Orificiu de cuplare a conductei de frână
Oricare ar fi uzura placuțelor de frână, este necesară păstrarea eficacității frânării și o cursă de utilizare a frânei de staționare constante. În consecință, în cursul unei frânări, presiunea din circuitul hidraulic E crește și deplasează hidraulic pistonașul 8 în translație pentru a comprima placuțele de frână pe discul de frână 10.
Pistonașul 8 antrenează mecanic, în mișcarea sa de translație, pistonașul filetat 12 care nu poate decât să se rotească în jurul piesei de antrenare filetate 7. Această piesă de antrenare are mișcarea de rotație blocată, dar are posibilitatea de a se mișca în translație. În felul acesta se asigură compensarea cursei frânei de staționare și a eficacității frănării de serviciu.
Funcționarea frânei de staționare. Sub acțiunea cablului frânei de staționare 2, levierul 4, care este solidarizat cu excentricul 5, acționează mecanic asupra pistonului 8 prin intermediul antrenorului 7, a pistonului filetat interior 12 și a împingătorului 6.
Pistonul 8 apasă plăcuța 9 pe o față a discului de frână 10 și, prin reacțiune, corpul etrierului 3 deplasează și apasă în mod egal cea de-a doua placuță pe cealaltă față a discului. Discul de frână este strâns și roțile spate se blochează.
Slăbind frâna de mână, resortul 11, situat pe etrierul 3, readuce levierul de acționare 4 în poziția sa inițială. Discul de frână se poate roti din nou liber.
Utilizarea frânei cu disc ca frână de siguranță este dificilă, deoarece coeficientul de eficacitate al acesteia este redus. Pentru a asigura o eficacitate corespunzătoare sunt necesare forțe foarte mari la maneta de frână sau curse de asemenea necorespunzătoare ale acesteia.
10.1.3.3. Plăcuțele de frână
Plăcuțele de frână sunt compuse dintr-un material de fricțiune 2 lipit pe un suport metalic 1, fig. 10.14. Mixtura materialulului de fricțiune este realizată din 15-20 de materiale diferite. Prezența calelor 3 pe anumite vehicule determină reducerea zgomotelor de frânare. Aceste cale diferă în funcție de modul de montare a plăcuței. Plăcuțele de frână sunt montate în etrier, care are ca scop să asigure apăsarea lor pe discul de frânare la acționarea pedalei de frână.
Principala lor caracteristică, indiferent de uzură, este de a avea un coeficient de frecare mare independent de: presiunea de frânare, viteza vehiculului, temperatura atinsă în cursul frânării, intemperii.
10.1.3.4. Pedala de frână
Pedala 1, situata sub coloana de direcție, este articulată în jurul axei 2, fig.10.15.
Efortul exercitat pe pedala de frână este limitat la posibilitățile conducatorului și devine, în anumite cazuri, insuficientă.
Asistența la frânare are ca rol creșterea forței exercitate de către conducător pe tija de comandă, utilizând efectul de amplificare a forței dat de raportul (B/A) a brațului pedalei.
10.1.4.Transmisia sistemului de frânare
Transmisia sistemului de frânare este compusă din ansamblul de elemente cuprinse între elementul de comandă și mecanismul de frânare propriu-zis și are rol dublu: de a transmite comanda de frânare și de a acționa mecanismul de frânare.
Se clasifică după energia utilizată pentru acționarea mecanismelor de frânare și după modul de transmitere al comenzii.
Energia utilizată pentru acționarea frânelor poate fi:
energia musculară a conducătorului autoturismului;
o sursă independentă de energie controlată de șofer;
o combinație între cele două tipuri de energie.
După modul de transmitere al comenzii de la elementul de comandă la frâne, frânele pot fi:
– frane cu transmisie mecanică;
frane cu transmisie hidraulică;
frane cu transmisie pneumatică;
frane cu transmisie electrică;
frane cu transmisie combinată;
frane cu transmisie cu servomecanism.
10.1.5.Mecanisme de acționare a sistemului de frânare
1. Acționarea mecanică a frânelor este puțin folosită la automobile, fiind pe cale de dispariție, la frânele de serviciu și limitată la frânele de staționare. Mecanismul este format dintr-o serie de pârghii, care prin intermediul unor tije sau cabluri, acționează direct asupra frânelor. Pentru a menține frâna în stare acționată, acesta prevede un sistem de blocare. Acest tip de acționare prezintă o serie de dezavantaje:
dificultatea frânării concomitente a tuturor roților;
dificultatea realizării distribuției dorite a forțelor de frânare pe punțile autovehiculului;
necesitatea unor reglaje frecvente și relativ complicate, datorită îndeosebi deformațiilor elementelor componente;
randament scăzut datorită numărului mare de articulații, care în general nu se ung în exploatare.
Datorită acestor dezavantaje, acest tip de acționare se întâlnește numai la frânele de siguranță sau de staționare.
2. Acționarea hidraulică a frânelor se întâlnește la majoritatea automobilelor, datorită avantajelor pe care le prezintă:
frânarea concomitentă a tuturor roților;
efortul de frânare este repartizat între punți, proporțional cu greutatea repartizată;
este sigură o repartizare uniformă a presiunii pe garniturile de frânare;
un randament ridicat, datorită în special rigidității mari a mecanismului de acționare;
posibilitatea tipizării sistemelor de frânare pentru automobile cu diferiți parametri – timp redus de intrare în acțiune;
construcție simplă și ușor de întreținut;
Principiul de funcționare se bazează pe transmiterea forței de acționare exercitată de conducător asupra pedalei, la lichidul închis în instalația sistemului și folosirea presiunii dezvoltate în masa lichidului pentru acționarea cilindrilor de frână.
În cazul automobilelor cu greutate totală mai mare de 3500 daN, acționarea hidraulică necesită, aproape în mod obligatoriu, introducerea unui servomecanism, fig.10.16. De asemenea, acesta este necesar la automobilele prevăzute cu frâne cu disc.
Fig.10.16. Servomecanism de frână
Obs: Trebuie schimbat cuvantul Servofreno cu Servofrană!!!
Sistemele de acționare hidraulică pot fi cu circuit simplu sau cu circuit dublu (fig.10.17).
Fig. 10.17. Componentele unui sistem de frânare hidraulic cu structură în paralel pentru automobile: 1-etrier cu disc de frână; 2-conductă flexibilă; 3-element de îmbinare; 4-conductă rigidă; 5-pompa centrală; 6-rezervor lichid frână; 7-servomecanism; 8-pedală frână; 9-levier frână de parcare; 10-cablu acționare frână de parcare; 11-supapă de reglare a presiunii; 12-frână cu tambur
Pentru a opera asupra sistemului de frânare pe un autovehicul convențional (sistem de frânare mecano-hidraulic) conducătorul auto aplică o forță de apăsare pe pedala de frână 8 deplasând tija pistonul servomecanismului 7. Servomecanismul amplifică forța de apăsare pe pedală și o transmite pistonului pompei centrale 5. Pompa centrală face conversia forței din tijă în presiune. Cele două pistoane ale pompei centrală măresc presiunea lichidului de frână din conductele rigide 4 și flexibile 2 care se transmite mai departe frânelor cu disc 1 și frânelor cu tamburi 12. În cazul unei avarii la unul dintre circuite sistemul rămâne funcțional datorită celui de-al doilea circuit. Rezervorul cu lichid de frână 6 conectat la pompa centrală are rolul de a compensa fluctuațiile de volum de lichid din sistemul de frânare.
În timpul procesului de frânare, datorită decelerațiilor, puntea față a automobilului este încărcată cu o greutate mai mare decât cea a punții spate. Pentru a preveni frânarea excesivă a punții spate, ce poate provoca blocarea roților acesteia, supapa de reglare a presiunii 11 modulează presiunea de frânare a punții spate în funcție de încărcarea automobilului.
Sistemul de frânare de parcare (frâna de mână) acționează asupra roților punții spate prin intermediul levierului 9 și a cablului 10.
10.2. PARTEA APLICATIVĂ ȘI DESFĂȘURAREA TEMEI
Etapele desfășurării temei sunt:
identificarea rolului funcțional al sistemului de frânare și principiul de funcționare;
compunerea generală a sistemului de frânare și variante constructive;
identificarea elementelor componente ale sistemelor de frânare cu ajutorul planșelor, filmelor educaționale, a standurilor, machetelor și componentelor existente în laborator;
Fig.10.18. Machete didactice
prezentarea rolului funcțional al componentelor sistemelor de frânare și analiza amplasării lor pe autovehicul;
prezentarea compunerii generale a unui sistem de frânare cu indicarea elementelor componente;
scheme ale diferitelor sisteme de frânare analizate în cadrul laboratorului;
soluții de antiblocare a roților la frânare.
10.3.AUTOEVALUAREA CUNOȘTINȚELOR DOBÂNDITE
Care este rolul funcțional al sistemului de frânare ?
Care sunt cerințele unui sistem de frânare ?
Care este rolul sistemului de frânare principal ?
Care este rolul sistemului de frânare de siguranță ?
Ce reprezintă frânele suplimentare și ce rol au ?
Descrieți frâna cu tamburi și saboți interiori. Elemente componente. Principiu de funcționare.
Descrieți frâna cu disc de tip deschis. Elemente componente. Principiu de funcționare.
Ce mecanisme de acționare a sistemului de frânare se cunosc ?
Obs: Cred ca ar fi bine sa urmeze in Cap.11.Sistemul de directie și apoi Cap.12.Suspensia. Sist.de franare și sistemul de direcție fac parte din sistemele de siguranță ale autovehiculului.
11
Compunerea și organizarea generală a
suspensiilor autovehiculelor rutiere
Tema își propune următoarele: cunoașterea rolului, condițiilor impuse, clasificarea, principalele tipuri de suspensii, identificarea subansamblurilor componente ale suspensiilor și cunoașterea rolului lor funcțional.
11.1.ELEMENTE TEORETICE
11.1.1. Rolul, condițiile impuse și clasificarea suspensiilor
Suspensia autovehicului are rolul de a proteja pasagerii, încărcătura și organele componente ale autovehicului de șocurile, trepidațiile și oscilațiile dăunătoare, cauzate de neregularitățile drumului. Aceasta se realizează prin tranformarea șocurilor în oscilații cu amplitudine, direcție și frecvență cât mai mici și amortizarea oscilațiilor care s-au produs, cât mai repede posibil, pentru a evita intrarea în regim de rezonanță.
Suspensiile autovehiculelor trebuie să îndeplinească următoarele condiții:
– caracteristica elastică să asigure un confort satisfăcător pasagerilor;
– să asigure amortizarea oscilațiilor caroseriilor și roților;
– să asigure cinematica corectă a mecanismului de direcție;
– să asigure transmiterea forțelor și momentelor reactive de la roți la caroserie, fără a prelua deformații remanente;
– să aibă construcție simplă și rezistentă, greutate redusă.
Calitatea suspensiei este un parametru de cea mai mare importanță deoarece, fără asigurarea ei, autovehiculul își pierde din valoare chiar dacă performanțele dinamice sunt bune, acestea neputând fi atinse decât numai în cazul circulației pe drumuri foarte bune. Caracterul liniștit al mersului autovehiculului depinde de o serie de factori, ca: rigiditatea elementelor elastice ale suspensiei, momentul de inerție al masei suspendate, greutatea părților nesuspendate, rigiditatea pneurilor, gradul de amortizare a oscilațiilor etc.
Clasificarea suspensiilor se face după tipul punții și după caracteristica elementelor elastice.
După tipul punții, suspensiile se clasifică în: suspensii cu roți dependente și suspensii cu roți independente.
Suspensia cu roți dependente se întâlnește în cazul punților rigide (fig.11.1.a), iar suspensia cu roți independente, în cazul punților articulate (fig.11.1.b) la care fiecare roată este suspendată direct de cadru sau caroserie.
Fig. 11.1. Clasificarea suspensiilor după tipul punții:
a-cu roți dependente; b-cu roți independente
Obs: de trecut a), b) pe fig.11.1!!
Particularitățile suspensiei dependente sunt date de existența legăturii rigide între roțile din stânga și din dreapta, caracteristic fiind faptul că deplasarea unei roți în planul transversal se transmite și celeilalte roți. Arcul din foi este, în general, elementul elastic al acestui tip de suspensie.
Suspensia cu roți independente înlătură legătura nemijlocită dintre roțile autovehiculului și se întâlnește în cazul punților articulate, iar schimbarea poziției uneia dintre roți nu influențează poziția celeilate roți.
În funcție de planul în care se deplasează roata la ridicarea verticală a acesteia, suspensiile independente se clasifică în:
suspensii cu deplasarea roților în planul transversal,
suspensii cu deplasarea roților în planul longitudinal,
suspensii cu deplasarea roților în ambele plane în același timp.
Suspensia cu roți independente prezintă față de suspensia cu roți dependente următoarele avantaje: îmbunătațirea confortului prin reducerea masei nesuspendate; ținuta de drum mai bună deoarece deplasările roților nu se influențează reciproc; micșorarea oscilațiilor de ruliu ale caroseriei și mărirea stabilitații autovehiculului.
La autoturisme se folosește exclusiv suspensia independentă pentru roțile din față; în măsură din ce în ce mai mare suspensia independentă se folosește și la roțile din spate. La autocamioane și autobuze este răspândită suspensia dependentă în față, dar la autobuze și unele autocamioane suspensia independentă a început să fie montată și la roțile din față.
După tipul caracteristicii elementelor elastice, suspensiile pot fi: suspensii cu caracteristică elastică liniară și suspensii cu caracteristică elastică neliniară.
Prin caracteristica suspensiei se definește dependența grafică dintre defomarea arcului și forța la care acesta este solicitat.
După tipul elementului elastic, suspensiile se clasifică: mecanice, pneumatice, hidropneumatice și mixte.
11.1.2. Compunerea generală a unei suspensii
Suspensia automobilelor este compusă din elementele elastice, dispozitivele de ghidare, și elementele de amortizare.
Elementul elastic servește la micșorarea sarcinilor dinamice date de forțele verticale, asigurând prin aceasta confortabilitatea necesară (oscilații ale caroseriei de amplitudine și frecvențe cât mai suportabile pentru pasageri și care să nu dăuneze încărcăturii care se transportă). Uneori în suspensia autovehiculului se introduc elemente elastice suplimentare stabilizatoare care au rolul de a micșora sau anihila influența mișcărilor de ruliu (înclinare laterală) ce apar la viraje.
Elementele elastice întâlnite în construcția autovehiculelor se clasifică în: arcuri cu foi, arcuri elicoidale, arcuri bară de torsiune, elemente pneumatice și hidropneumatice.
Arcurile cu foi se întâlnesc atît la suspensiile cu osii rigide cât și la cele cu roți independente. Ele pot fi dispuse longidinal sau transversal pe cadrul autovehiculului.
La suspensiile cu arcuri cu foi dispuse longitudinal, unul din capetele arcului este sprijinit prin bolț de articulație, iar celălalt prin intermediul unui cercel care permite deplasarea longitudinală a acestui capăt, când arcul se deformează prin încovoiere.
La suspensiile cu arcuri cu foi dispuse transversal, ambele capete se sprijină pe partea nesuspendată, prin câte un cercel, iar partea centrală a arcului preia sarcina suspendată. Aceste arcuri nu pot prelua nici un fel de efort longitudinal (împingere, frânare) și nici momente de reacțiune.
Arcurile elicoidale se folosesc la majoritatea autoturismelor pentru suspensia din față și în cazuri mai rare și pentru suspensia din spate. În general arcurile elicoidale lucrează prin comprimare.
Arcurile elicoidale se folosesc mai ales la suspensia cu roți independente și au o largă răspândire în construcția suspensiilor autovehiculelor datorită avantajelor oferite: durabilitate ridicată; greutate redusă; execuție simplă, întreținere și cheltuieli minime de exploatare. Arcul elicoidal este de circa 2,5 ori mai ușor și mai puțin voluminos decât arcul în foi.
Dintre dezavantaje, cel mai important este acela că nu pot prelua forțe care acționează pe direcții diferite de axa lor, motiv pentru care în construcția sistemului suspensiei trebuie prevăzute elemente suplimentare de ghidare ale punții.
Fig.11.2. Elementele componente ale unei suspensii
Arcurile elicoidale se execută din bare de oțel înfășurate după o elice. La acest tip de arcuri nu apare frecarea, ca urmare, suspensia cu astfel de arcuri necesită folosirea unor amortizoare mai puternice.
Arcurile bară de torsiune s-au impus în construcția autovehiculelor prin faptul că oferă o serie de avantaje, în comparație cu soluțiile constructive cu arcuri lamelare și elicoidale, cum ar fi: durabilitate ridicată, greutate minimă a maselor nesuspendate, distribuție avantajoasă a sarcinilor pe cadru, lipsa frecărilor interne, cheltuieli minime de exploatare. Totuși, comparativ cu arcurile în foi si cu arcurile elicoidale, arcurile bară de răsucire au un proces tehnologic de execuție mai foarte riguros și ridică probleme la dispunerea pe autovehicul deoarece pentru obținerea cerințelor de confort necesită lungimi mari de lucru. Avantajele acestor elemente elastice, simplitatea funcțională și constructivă, le-au impus atât în construcția suspensiilor autoturismelor cât și a autovehiculelor grele, autocamioane.
Obs: Cred ca ar fi binevenit un desen de suspensie cu arc bară de torsiune!!
Elementul elastic pneumatic este rațional să se introducă, în special, în suspensia automobilelor la care greutatea maselor suspendate variază în limite largi, în funcție de încărcătură (autobuze, autocamioane grele, autotrenuri). Prin modificarea presiunii aerului în elementul pneumatic se poate regla automat rigiditatea suspensiei, astfel ca săgeata și frecvența oscilațiilor proprii să rămână aceeași, indiferent de valoarea sarcinii statice.
Suspensia pneumatică este deficitară în ceea ce privește stabilitatea la viraj. Pentru remedierea acestui dezavantaj, se folosesc stabilizatoare dimensionale corespunzător, iar elementele elastice se montează cât mai departe posibil de axa longitudinală a autovehiculului.
Obs: Cred ca ar fi binevenit un desen de suspensie cu element elestic pneumatic!!
Elementul de amortizare, sau mai pe scurt, amortizorul este un mecanism folosit pentru disiparea rapidă a energiei oscilațiilor verticale ale caroseriei (la trecerea autovehiculului peste neregularități ale drumului) și a oscilațiilor roților (datorită mișcărilor de înclinare stânga-dreapta ce apar la mersul la viraje sau la schimbarea bruscă a bandei de mers și mișcărilor de înclinare față-spate ce apr la accelerări și frânari bruște), ceea ce reprezintă de fapt asigurarea confortului și siguranței rulării autovehiculului pe drumurile publice. Aceasta se montează în suspensia automobilelor, paralel cu elementul elastic principal, iar frecarea din elementul elastic al suspensiei creează forțele de rezistență care amortizează oscilațiile caroseriei și ale roților, eliminând astfel fenomenul de rezonanță.
În prezent, amortizoarele care se folosesc cel mai mult sunt cele hidraulice telescopice; acestea pot fi folosite la ambele punți (cazul autoturismelor) sau numai la puntea din față, cum se utilizează de regulă în construcția autocamioanelor și autobuzelor. Aceste amortizoare au dimensiunile și greutatea mai mică decât amortizoarele cu pârghie, o durabilitate mai mare și stabilitate în funcționare. Printr-o montare corespunzătoare, amortizorul telescopic mărește și stabilitatea caroseriei.
Din punct de vedere constructiv, amortizoarele telescopice pot fi clasificate în amortizoare bitubulare și monotubulare.
La rîndul lor, cele bitubulare pot fi cu scurgerea lichidului în sens unic sau în ambele sensuri, nereglabile și reglabile.
Amortizoarele monotubulare cu cameră de compensare pot fi hidropneumatice, nereglabile și reglabile. Amortizoarele reglabile pot fi cu reglare mecanică, cu reglare semiautomată sau cu autoreglare.
Marea majoritate a uzinelor constructoare de autovehicule din lume folosesc de preferință amortizoare hidraulice telescopice bitubulare.
Amortizoarele hidropneumatice monotubulare au apărut ca o dezvoltare a amortizoarelor hidraulice telescopice bitubulare. Aceasta datorită unei serii de avantaje comparativ cu amortizoarele hidraulice telescopice bitubulare, și anume: construcția simplificată și deplasare redusă a lichidului, deoarece camera de compensare este înlocuită prin elasticitatea unei perne de aer (gaz) sub presiune; diametrul pistonului tubului principal mult mai mare, ceea ce duce la micșorarea presiunii lichidului și mărirea volumului de lichid, funcționarea supapelor fiind mai liniștită; o răcire mai bună, deoarece tubul principal este în contact direct cu aerul din exterior; lipsa bulelor de aer, deoarece lichidul este supus presiunii înalte a gazului; greutate mai mică; șocurile mici, datorate denivelărilor profilului drumului, sunt practic amortizate de elasticitatea pernei pneumatice a camerei de compensare.
Fig.11.3. Tipuri de amortizoare monotubulare
Dispozitivele de ghidare transmit forțele longitudinale și transversale dintre roată și drum și momentele acestor forțe și determină caracterul mișcării roților față de caroseria autovehiculului și față de calea de rulare.
Aproape toate autoturismele moderne fabricate în zilele noastre folosesc pentru puntea față motoare mecanisme de ghidare de tip patrulater transversal, fig.11.4, și mecanisme MacPherson, fig.11.5.
Mecanismul patrulater transversal, fig.11.4, este format din două brațe, fie egale, fie inegale, conectate prin articulații sferice sau cilindrice de grinda punții și de fuzeta roții. De obicei se preferă adoptarea brațelor inegale pentru a evita înclinarea roții spre exterior în regimuri de viraj și de încărcare mare.
Fig.11.4.Mecanism patrulater transversal Fig.11.5. Mecanism MacPherson
Brațele mecanismului sunt de obicei neparalele, pentru a atenua variația mare a ecartamentului la trecerea peste denivelări sau în viraje datorate înclinării fuzetei. Cu cât brațele ar fi mai lungi, cu atât această variație ar fi mai mică, dar lungimea brațelor este limitată din cauza solicitărilor mecanice și a spațiului motor.
Utilizarea brațelor paralele are dezavantajul că autovehiculul va avea tendința de a se înclina mai mult, solicitând într-o măsură mai mare brațele, astfel încat acestea trebuiesc supradimensionate.
Construcția cu brațe inegale și neparalele este cea mai utilizată deoarece oferă confort, stabilitate și manevrabilitate foarte bună.
În cazul suspensiei de tip MacPherson, fig.11.5, brațul superior dispare, rolul acestuia fiind preluat de grupul arc-amortizor și o tijă care este de cele mai multe ori corp comun cu fuzeta roții. În partea superioară, amortizorul și arcul se prinde de caroserie cu o flanșă și un rulment axial care permite rotirea liberă a acestora. Mecanismul de ghidare de tip MacPherson funcționează pe baza mecanismului manivelă-culisă oscilantă.
Față de mecanismul patrulater, supensia MacPherson are următoarele avantaje:
simplitate constructivă (număr redus de brațe și de articulații);
masă nesuspendată redusă;
ghidare bună a roții (variație redusă a ecartamentului și a căderii roții);
spațiul transversal larg între roți care permite amplasarea transversală a grupului motor;
permite dispunerea coaxială a arcului și a tamponului elastic limitator de cursă care poate fi conceput și ca arc suplimentar.
Confortabilitatea, stabilitatea și manevrabilitatea sunt dezavantajele suspensiei MacPherson față de suspensia de tip patrulater transversal.
Construcția reală a punții față este foarte diferită de la un automobil la altul, fig.11.6, fig.11.7.
Diferențele constructive sunt localizate în următoarele zone:
forma și construcția brațului inferior și a articulațiilor sale cu grinda suport și cu fuzeta;
prinderile dintre fuzetă și pivotul sferic, respectiv amortizor;
forma și construcția lagărului elastic superior oscilant;
construcția și dispunerea rulmentului axial;
dispunerea barei stabilizatoare, integrarea ei în construcția punții și legăturile cu masa suspendată și cu masa nesuspendată;
valoarea deportului transversal.
Stabilizatoarele (barele antiruliu). Datorită acțiunii forței centrifuge asupra unui autovehicul în viraj, el se va înclina lateral, micșorându-se în felul acesta stabilitatea lui. Stabilizatoarele au rolul de a limita această înclinare fără însă a mări rigiditatea suspensiei.
Deci, pentru micșorarea oscilațiilor de ruliu și mărirea stabilității autovehiculului în viraje, la marea majoritate a autoturismelor și la unele autobuze se folosesc stabilizatoare. Stabilizatoarele sau barele antiruliu sunt, în general, arcuri bare de torsiune care au capetele fixate, direct sau prin tije intermediare, de puntea autovehiculului sau de brațele suspensiei, iar partea din mijloc fixată articulat pe caroserie. Cu ajutorul stabilizatoarelor se poate reduce înclinarea laterală a caroseriei cu 20 …30%, fără a modifica caracteristicile suspensiei.
Funcțiile celor trei elemente principale ale suspensiei pot fi îndeplinite de unul și același element sau de elemente diferite. Astfel, la autocamion și la unele autobuze, arcurile longitudinale din foi îndeplinesc toate cele funcții ale suspensiei.
11.1.3. Tipuri constructive de suspensii utilizate la autovehicule
Alegerea tipului de suspensie este influențată de categoria și destinația autovehiculului.
11.1.3.1.Suspensii cu roți dependente
În majoritatea cazurilor, pentru suspensia autovehiculelor cu punte rigidă sunt folosite arcurile cu foi, simple sau duble, așezate longitudinal sau transversal față de axa autovehiculului, aceasta fiind o soluție mai ieftină și mai robustă, însă la unele autovehicule cu puntea din spate rigidă se utilizează arcuri elicoidale sau arcuri pneumatice.
Construcția unei suspensii dependente cu arcuri din foi montate longitudinal este arătată în fig.11.8. Caracterul deplasărilor punții autovehiculului față de caroserie este determinat de parametrii arcului, adică arcurile cu foi îndeplinesc și funcția elementului de ghidare. Pentru a micșora tensiunile ce apar în foaia principală, foile arcului sunt executate cu raze de curbură diferite, din ce în ce mai mici, iar la strângerea lor, cu bulonul central, apare o pretensionare a foii principale, care-și va micșora raza de curbură.
Pentru ca arcul cu foi să poată transmite forțele de tracțiune și frânare, este necesar ca unul din capetele lui să fie fixat de caroserie printr-o articulație simplă 1, celălalt capăt fiind fixat prin intermediul cercelului 3. Legătura dintre arc și punte trebuie să fie rigidă, pentru a nu permite rotirea punții sub acțiunea momentelor reactive. Îmbunătățirea acestui tip de suspensie se obține prin introducerea, în paralel cu elementul elastic principal, a unor arcuri tampoane din cauciuc 2. Sub acțiunea forțelor verticale, arcul se încovoaie și foile alunecă una față de alta. Frecarea care ia naștere între foile arcului contribuie la amortizarea oscilațiilor caroseriei. Dacă frecarea ar fi uscată, arcul ar deveni prea rigid și foile lui s-ar uza. De aceea, la montarea arcurilor, între foi se introduce unsoare consistentă, în care se adaugă praf de grafit.
La automobilele cu trei punți, la cele două punți din spate se folosește suspensia cu arcuri din foi de tip balansier, care permite deplasarea lor liberă în planul vertical și asigură posibilitatea dezaxării lor relative, pentru a asigura contactul dintre roți și drum.
Fig.11.8 Suspensie dependentă cu arcuri din foi montate longitudinal
Obs: Fig.11.8 trebuie poziționată conform textului de mai sus!!!
Pentru suspensia cu arcuri din foi de tip balansier trebuie schcimbat desenul din dreapta din fig.11.8 cu o suspensie cu arc din foi tip balansier. Desenul din dreapta este altceva!!!
Durata de funcționare a suspensiilor cu arcuri din foi este limitată în mare măsură de uzura articulațiilor. Când se folosesc bolțuri și bucșă (la autocamioane) este necesară ungerea repetată a ansamblului bolț-bucșă.
11.1.3.2.Suspensia cu roți independente
La suspensia independentă fiecare roată este suspendată direct de cadrul sau de caroseria autovehiculului, astfel încât deplasarea unei roți nu depinde de deplasarea celeilalte.
Cea mai răspândită suspensie modernă este suspensia cu două brațe oscilante transversale, fig.11.9, care permite deplasarea roților în plan transversal. Elementul elastic cel mai folosit este arcul elicoidal combinat cu amortizoare hidraulice telescopice.
Fig.11.9. Suspensia cu două brațe oscilante transversale
Arcul elicoidal, dispus înclinat față de verticală asigură o economie însemnată în greutate și permite obținerea unei dispuneri compacte a elementelor suspensiei. La construcția arătată în fig.11.10, brațul superior este de formă triunghiulară, iar brațul inferior este format dintr-o singură tijă. Arcul elicoidal este montat deasupra brațului superior iar in interiorul lui este dispus amortizorul. Brațele suspensiei sunt fixate articulat direct pe fuzetă, astfel încat la această construcție lipsește pivotul ca piesă distinctă.
În fig 11.11 este prezentată construcția unei suspensii independente la care arcul elicoidal împreună cu amortizorul se montează între cele două brațe transversale ale suspensiei.
Construcția unei suspensii independente cu arcuri spirale pentru roți motoare este arătată în fig.11.12.
Fig.11.12. Suspensie independentă cu arcuri spirale pentru punți motoare
11.2 PARTEA APLICATIVĂ ȘI DESFĂȘURAREA TEMEI
Etapele desfășurării temei sunt:
suspensia autovehiculelor, rol, clasificare, compunere;
identificarea rolului funcțional al suspensiilor și principiul de funcționare;
identificarea elementelor componente ale suspensiilor cu ajutorul planșelor, filmelor educaționale, a standurilor, machetelor și componentelor existente în laborator;
prezentarea rolului funcțional al componentelor suspensiilor și a principiilor de bază ale elementelor elastice, de amortizare și stabilizatoare;
prezentarea compunerii generale a unei suspensii cu indicarea elementelor componente;
scheme ale diferitelor tipuri de suspensii și componente analizate în cadrul laboratorului;
Fig.11.13. Machete didactice
11.3. TESTE DE VERIFICARE A CUNOȘTINȚELOR
Care este rolul suspensiilor autovehiculele rutiere ?
Ce condiții se impun suspensiilor autovehiculelor rutiere ?
Ce sunt suspensiile dependente ? Cum funcționează ?
Ce sunt suspensiile independente ? Cum funcționează ?
Descrieți compunerea generală a unei suspensii și rolul funcțional al fiecărui element
component.
12
Compunerea și organizarea generală
a sistemelor de direcție
Tema își propune următoarele: cunoașterea cerințelor și destinația sistemelor de direcție, clasificarea, identificarea și prezentarea părților componente ale unor sisteme de direcție actuale, cunoașterea rolului funcțional al componentelor, cunoașterea principalelor unghiuri de direcție și a modului cum acestea influențează maniabilitatea, stabilitatea și rezistența la înaintare.
12.1.ELEMENTE TEORETICE
12.1.1.Destinația și cerințele sistemelor de direcție
Direcția este unul din mecanismele principale ale autovehiculului și servește la dirijarea autovehiculului pe traiectoria dorită. Această dirijare, numită schimbarea direcției de mers se obține prin schimbarea planului roților de direcție în raport cu planul longitudinal al autovehiculului, iar manevra se numește bracarea (virarea) roților, fig.12.1.
Fig.12.1. Bracajul roților în viraje
Mecanismul de direcție trebuie să asigure autovehiculului o bună maniabilitate și stabilitate. Un mecanism de direcție este considerat stabil dacă la bracarea roților apar momente de readucere a acestora în poziția corespunzătoare mersului în linie dreaptă. Pentru ameliorarea maniabilității și stabilității direcției se adoptă o geometrie specială a roților directoare.
Sistemul de direcție trebuie astfel construit încât:
să permită stabilizarea mișcării rectilinii (roțile de direcție, după ce virajul s-a efectuat, să aibă tendința de a reveni în linie dreaptă);
să aibe o construcție simplă, să nu prezinte blocări și să aibă o durabilitate cât mai mare; calitatea și fiabilitatea sunt în egală măsură criterii fundamentale urmărite de clienți (o direcție trebuie sa aibă o durată de viață cel puțin egală cu durata de viață a autovehiculului).
efortul necesar pentru manevrarea direcției să fie cât mai redus;
randamentul să fie cât mai ridicat;
șocurile provenite din neregularitățile căii de rulare să nu fie transmise la volan;
să permită reglarea și întreținerea ușoară.
să nu prezinte uzuri excesive care pot duce la jocuri mari și, prin aceasta, la micșorarea siguranței conducerii;
Ca reglementări de actualitate în construcția sistemelor de direcție este necesară existența punerea unei legături rigide permanente între volan si roți.
Tipurile de mecanisme de direcție care până nu demult erau considerate moderne și de actualitate, astăzi sunt deja învechite, depășite din punct de vedere tehnic. Cred ca aceasta propozitie poate lipsi!!!!
12.1.2.Clasificarea sistemelor de direcție
După modul de realizare a virării: prin bracarea roților directoare; prin frângerea șasiului;
După locul de dispunere a mecanismului de acționare a direcției: sisteme de direcție pe dreapta; sisteme de direcție pe stânga.
După locul de amplasare a roților directoare pot apărea următoarele situații:
– la autovehiculele cu două punți pot fi directoare puntea față, puntea față sau ambele punți;
– la autovehiculele cu trei punți poate fi directoare puntea din față, primele două punți sau puntea față și puntea spate;
– la autovehiculele cu patru punți pot fi directoare primele două punți, prima și ultima sau toate punțile;
După tipul punții directoare pot fi: direcții pentru punți rigide, direcții pentru punți independente.
După legea de variație a raportului de transmitere: sisteme de direcție cu raport de transmitere constant; sisteme de direcție cu raport de transmitere variabil.
f. După modul de producere a forței de virare: direcții manuale; direcții asistate; servodirecții.
12.1.3. Construcția sistemelor de direcție
Elementele componente ale sistemului de direcție se împart în două grupe, în funcție de destinație lor:
mecanismul de acționare sau de comandă al direcției, care servește la transmiterea mișcării de la volan la levierul casetei de direcție și cuprinde: volanul, coloana volanului, caseta de direcție, mecanismul de direcție, levierul casetei de direcție;
transmisia direcției care face legătura între levierul casetei de direcție și roțile directoare, transmițând roților mișcarea, fiind alcătuit dintr-un ansamblu de bare și leviere.
Fig.12.2. Schema de compunere generală a sistemelor de direcție
La toate autoturismele moderne, mecanismul de comandă este oarecum asemănător. În schimb transmisia direcției este diferită funcție de tipul punții directoare: rigidă sau divizată (cu suspensie independentă).
Volanul este de formă circulară, din material plastic cu armătură metalică, având 1…4 spițe prin care se prinde de axul său. Funcțiile îndeplinite de volan sunt: transmite comanda virării de la organul de comandă (volanul) la mecanismul de acționare; permite reglarea poziției volanului; are rol esențial in siguranța pasivă prin: dispunerea airbagului șofer in butucul volanului, deformarea unor elemente constructive pentru a evita impactul cu corpul șoferului; asigura blocarea manevrării volanului in timpul staționării autovehiculului; contribuie la estetica și ergonomia postului de conducere.
Axul volanului este format dintr-o tijă sau două, legate între ele printr-o articulație cardanică elastică (atunci când caseta nu se află în prelungirea volanului). Pe porțiunea aflată în habitaclu, axul volanului este protejat de un tub metalic – coloana volanului – fixat de bordul autovehiculului. Axul volanului este fixat la celălalt capăt de elementul conducător an angrenajului din caseta de direcție.
Traseul transmisiei volanului depinde de poziția și construcția mecanismului de acționare. În fig.12.3 se prezintă construcția unei transmisii a volanului cu două articulații cardanice și arborele primar al volanului telescopic pentru a permite reglarea axială a acestuia și a asigura siguranța pasivă.
Mecanismul de direcție al autovehiculului este un ansamblu de pârghii și piese care prin intermediul volanului permite direcționarea autovehiculului, având rolul să asigure conducerea ușoară și rapidă a acestuia în linie dreaptă sau în viraje, precum și să mențină controlul asupra direcției de mers și stabilitatea sa în toate condițiile de exploatare. Pentru că mecanismul de direcție să asigure virarea autoturismului după aceiași lege și la stânga și la dreapta, se impune ca el să fie simetric față de axă longitudinală a autoturismului.
Mecanismul de direcție este format dintr-un angrenaj cu un raport de transmitere mic (1/25…1/30) și caseta sau carcasa acestuia.
Soluțiile constructive pentru angrenajul mecanismului de direcție se clasifică în funcție de mijlocul de transmitere a momentului de la axul volanului la levierul de comandă. Ca element conducător se folosește un melc globoidal, un șurub sau o roată dințată. Elementul condus poate fi un sector dințat, o manivelă, o cremalieră.
Fig.12.3.Construcția transmisiei volanului (VW Golf): 5-element de blocare; 6-arbore intermediar; 7 si 8-articulatii cardanice; 9 si 10-lagare de sprijin ale arborelui primar pe suportul sau; 11-burduf de protectie.
Cele mai des întâlnite soluții sunt:
mecanism cu șurub melc și sector dințat, folosit la automobilele mici;
mecanism cu melc globoidal rolă;
mecanism cu pinion și cremalieră – se utilizează destul de des la autoturismele cu suspensie independentă a roților și bară tranversală de direcție;
mecanism cu șurub, bile recirculante, piuliță și sector dințat, avantajos pentru toate tipurile de autovehicule, dar mai ales pentru cele grele, deoarece frecarea prin alunecare este înlocuită cu frecarea prin rostogolire;
Angrenajul acestor mecanisme este închis într-o carcasă metalică, care servește și drept baie de ulei pentru ungerea angrenajelor.
Mecanismul de direcție cu pinion și cremalieră este un mecanism de direcție cu mișcare de translație, este utilizat atât la vehiculele de dimensiuni mici și medii, cât și în construcția celor de mare capacitate și de viteză și aproape la toate tipurile de vehicule cu sistem de suspensie independent.
Avantajele sunt: construcție simplă; costuri reduse la fabricație; ușor de manevrat datorită nivelului ridicat de eficiență; contactul dintre cremalieră și pinion nu prezintă jocuri libere și se păstrează un grad ridicat de autocorelare a jocului; bieletele pot fi prinse direct la extremitatea cremalierei; conferă elasticitate redusă mecanismului de direcție; compact; nu necesită braț intermediar (inclusiv lagărele); se poate limita cursa cremalierei și de aici unghiul maxim de bracare.
Ca dezavantaje pot fi amintite: sensibilitate mare la impact; tensiuni ridicate în cazul forțelor unghiulare în bielete; se poate resimți foarte ușor cea mai mică schimbare a caracteristicilor de funcționare ale mecanismului de direcție (mai ales în cazul autovehiculelor cu tracțiune anterioară); lungimea bieletei este uneori prea mică în cazul soluției de fixare la capătul cremalierei; mărimea unghiului de bracare este dependentă de cursa cremalierei; uneori necesită brațe de lungimi mici, rezultând astfel forțe mai mari în întreg mecanismul de direcție; reducerea manevrabilității în condiții critice (de exemplu în timpul manevrelor de parcare), dacă nu dispune și de un mecanism de amplificare a forței de acționare; nu poate fi folosit la punțile rigide.
Există în prezent patru tipuri constructive de mecanism pinion – cremalieră, fig.12.4…12.6 și anume:
1. Pinionul de antrenare nu este poziționat pe axa longitudinală de simetrie a vehiculului (în poziționare stânga pentru vehiculele cu volanul pe stânga, și respectiv dreapta la vehiculele cu volanul pe dreapta), fig.12.4, iar bieletele se înșurubează direct în capătul cremalierei.
Fig.12.4.
2. Pinionul de antrenare este poziționat pe axa longitudinală de simetrie a vehiculului, fig.12.5, iar bieletele se montează la fel ca în cazul anterior.
Fig.12.5
3. Pinionul de antrenare este poziționat lateral (dreapta sau stânga la fel ca în cazul 1), fig.12.6, iar bieletele sunt fixate simetric față de axa longitudinală de simetrie a autovehiculului.
Fig.12.6.
4. Pinionul poziționat lateral față de axa de simetrie a vehiculului, iar ambele bielete sunt fixate pe o parte a cremalierei, acest mecanism mai poartă denumirea de „direcție scurtă”.
Transmisia direcției cuprinde un ansamblu de pârghii și tije care împreună cu mecanismul de direcție propriu-zis realizează acționarea roților directoare ale autovehiculului. Construcția transmisiei direcției este determinată de tipul constructiv al punții directoare și de locul unde sunt plasate roțile de direcție. Astfel, în construcția autovehiculelor se disting două sisteme principale ale transmisiei direcției și anume: sistemul de pârghii pentru puntea din față rigidă, sistemul de pârghii pentru puntea din față cu roți independente.
Legătura dintre pârghiile și tijele transmisiei se face prin articulații sferice, care permit mișcarea în planuri diferite și amortizarea șocurilor pe care le primesc roțile de direcție.
Transmisia direcției în cazul punții rigide. Caracteristic pentru această soluție, fig.12.7, este faptul că bara transversală de direcție 3 este executată, de regulă, dintr-o singură bucată. Trapezul de direcție, format din bara transversală 3, levierele fuzetelor 4 și partea centrală a punții din față, este un trapez posterior.
.
Fig.12.7. Transmisia direcției în cazul punții rigide
1 – levierul de direcție ; 2 – bară longitudinală de direcție ; 3- bară transversală de direcție ; 4 – levierele fuzetelor ; 5- fuzete ; 6 – brațul fuzetei ; 7 – mecanismul de acționare
Fig.12.8. Transmisia direcției la automobilele cu suspensie independentă a roților
Transmisia direcției în cazul punții articulate. La autoturismele cu suspensie independentă a roților din față, este caracteristic faptul că bara transversală de direcție este fracționată în două sau mai multe părți, pentru a permite separat fiecărei roți oscilații pe verticală. În fig.12.8.a este reprezentată transmisia direcției la care mecanismul de acționare 1 imprimă levierului de direcție 2 o mișcare de rotație care se transmite pârghiei unghiulare 3 care este articulată de bara transversală de direcție compusă din două părți 4 și 5.
La soluția din fig.12.8.b, bara transversală de direcție se compune dintr-o parte centrală 1 și două părți laterale 4, legate la brațele fuzetelor 5. Transmisia direcției mai cuprinde levierul de direcție 2 (elementul conducător) care primește mișcarea de la caseta 3 și pârghia pendulară 6.
Bara transversală de direcție din fig. 12.8.c este compusă din două părți 2 și 5, legate cu capetele interioare de levierul de direcție central 3, iar cu cele exterioare de brațele fuzetelor 1 și 6. Elementul conducător îl constituie levierul de direcție 7 care prin intermediul barei 4 transmite mișcarea levierului central 3.
În fig. 12.8.d este reprezentată transmisia direcției la mecanismul de acționare cu pinion și cremalieră, care este o variantă a transmisiei cu levier central. La această soluție levierul central, având o mișcare de rotație, a fost înlocuit cu cremaliera 1 care are o mișcare de translație. De la cremalieră, mișcarea este transmisă barelor laterale (bieletelor) 2 care sunt articulate de brațele fuzetelor 3. 0 soluție asemănătoare este utilizată la foarte multe autoturisme.
12.1.4. Acționarea sistemelor de direcție
Direcțiile manuale folosesc exclusiv forța musculară a conducătorului auto.
La direcțiile asistate forța de virare este dezvoltată de către forța musculară a conducătoruli auto și de o instalație specială, autovehiculul putând fi condus în caz de defectare și numai pe baza forței musculare, dar cu un efort mult mai mare.
La servodirecții forța de virare este produsă exclusiv de o instalație specială, efortul conducătorului auto fiind nesemnificativ, iar în caz de defectare se folosesc sisteme auxiliare de avarie.
Instalațiile speciale utilizate în cazul direcțiilor asistate sau servodirecțiilor produc forță pe baza energiei hidraulice.
După felul transmisiei direcției pot exista:
servodirecții hidromecanice, la care există legătură mecanică între volan și roți;
servodirecții complet hidraulice, la care legătura se face prin elemente hidraulice;
servodirecții electrohidraulice la care transmisia este de natură electrică.
Având în vedere siguranța în funcționare s-au impus primele două variante.
La autoturismele de mare viteză, în scopul îmbunătățirii stabilității în cadrul transmisiei direcției se montează un amortizor special care amortizează șocurile și vibrațiile sistemului de direcție, deplasarea având loc cu un capăt pe cremalieră, pe levierul casetei sau pe bara transversală iar celălalt pe caroserie prin intermediul unei articulații.
Un caz special îl reprezintă automobilele cu mai multe punți directoare, situație în care fiecare punte dispune de o transmisie a direcției, pentru acționare fiind necesar un mecanism suplimentar de legătură.
În fig.12.9 se prezintă schema de principiu a sistemului de direcție în cazul unui automobil cu două punți directoare.
De la caseta 9 mișcarea se transmite prin levierul de direcție 7 la bara longitudinală 6, care acționează asupra brațului 5 al axului mecanismului de blocare al roților din spate. Prin tijele 3 și 4 mișcarea este transmisă de la brațele axului 5 la levierele 2 care oscilează în plan orizontal și produc bracarea roților din față și spate prin intermediul barelor transversale 1. Maneta 3 servește la blocarea roților punții spate în cazul deplasării cu viteză mare pentru a înlătura instabilitatea direcției.
În cazul automobilelor articulate cu lungime mare, pentru îmbunătățirea manevrabilității, puntea spate este directoare, bracarea roților realizându-se printr-un sistem de pârghii ce fac legătura cu articulația semiremorcii.
Fig.12.9.Schema sistemului de direcție al unui autovehicul cu două punți directoare, un sistem de pârghii ce fac legătura cu articulația semiremorcii.
O altă soluție utilizată în cazul automobilelor cu mai multe punți este cea a punții autodirectoare care se orientează în viraj ca urmare a forțelor ce apar la contactul pneului cu solul.
În ultimul timp sistemul de direcție cu patru roți directoare începe să fie utilizat în construcția autoturismelor moderne, fig.12.10.
Fig. 12.10. Schema sistemului de direcție în cazul unui autoturism cu ambele punți motoare
Volanul 1 comandă caseta de direcție cu cremalieră 2 a punții față, care la rândul ei comandă caseta punții spate 4 prin intermediul transmisiei cardanice 3.
Trapezul de direcție cât și transmisia direcției sunt alcătuite din bare și pârghii articulate. În construcția de autovehicule se întâlnesc atât articulații cilindrice cât și sferice.
12.1.5. Stabilitatea roților directoare
Sistemul de direcție, ca cea mai importantă interfață între vehicul și conducător auto, influențează în mod semnificativ plăcerea de a conduce, confortul și siguranța. Pentru a optimiza aceste atribute, sistemul de direcție trebuie să își regleze automat atât unghiurile de direcție cât și cuplul de rotire al volanului pentru toate stilurile de conducere.
Stabilitatea roților directoare, adică tendința acestora de a-și păstra poziția neutră și de a se reîntoarce la ea când au fost deviate de la aceasta, de către forțe întâmplătoare sau de rotirea volanului, este determinată și asigurată de unghiurile roților de direcție.
Parametrii caracteristici ai direcției sunt determinați de poziția pivoților, fuzetelor și roților față de suprafața drumului și de direcția de deplasare a autovehiculului și au o mare influență asupra manevrabilității, stabilității și rezistenței la înaintare a autovehiculului.
1. Unghiul de înclinare longitudinală a pivotului sau unghiul de fugă este unghiul măsurat în grade, format între axa pivotului și perpendiculara pe sol, privind vehiculul din lateral, fig.12.11. El contribuie la crearea tendinței ca roțile directoare, care au fost întoarse pentru virare să revină automat pentru poziția de mers în linie dreaptă, ușurând manipularea volanului.
Fig.12.11.Unghiul de fugă
Din moment ce acest unghi este format longitudinal în raport cu vehiculul, cea mai
exactă definiție este: unghiul longitudinal de fugă. În utilizarea practică este cunoscut pur și simplu că “unghi de fugă”. Prin convenție s-a stabilit că, dacă extensia axei pivotului cade în fața punctului de contact al roții cu suprafața de rulare, unghiul de fugă este definit ca POZITIV, și dacă aceasta cade în spatele punctului de contact al roții cu suprafața de rulare unghiul de fugă este definit ca fiind NEGATIV.
Unghiul de cădere este zero dacă pivotul este perfect vertical, fig.12.11. Unghiul de fugă dat de pivot crează două tendințe/fenomene foarte importante ale rulării vehiculului: prima tendința este legată de stabilitate, menținând linia dreaptă de rulare a vehiculului, cu revenirea relativă a roților după o curbă, și al doilea este înclinarea roții în timpul virării.
Pentru o manevrare cât mai ușoară și cât mai sigură a sistemului de direcție, majoritatea autoturismelor sunt echipate cu servodirecție, care amplifică forța de acționare asupra roților de direcție, la manevrarea volanului. Sistemul de direcție trebuie să permită stabilizarea mișcării rectilinii. Roțile de direcție trebuie ca după ce virajul s-a efectuat, să aibă tendința de a reveni în poziția mersului de a reveni în linie dreaptă.
Mărimea acestui unghi este de 3…130 pentru autovehiculele cu puntea rigidă și de 0…30 la cele cu suspensie independentă. La autovehiculele de serie acest unghi nu este reglabil, dar este reglabil la mașinile de curse.
2. Unghiul de înclinare transversală (laterală) a pivotului . Înclinația pivotului este unghiul, măsurat în grade, format între linia mediană a pivotului și perpendiculară pe sol, privind vehiculul din față, fig.12.13.
Fig.12.13.Unghiul de înclinare transversală a pivotului
Unghiul de cădere a fost inventat pentru a reduce deviația pivotului, reprezentată de distanța “B” dintre proiecția axei pivotului pe sol și punctul de contact al roții, dar s-a observat că o mărire a acestui unghi crează efecte negative, în special când se folosesc roțile cu cauciucuri fără cameră/tubeless.
Astfel, s-a simțit nevoia reducerii unghiului de cădere foarte mult, aproape de valoarea zero; lucru necesar și pentru a obține o uzură uniformă a cauciucurilor. Problema
a fost rezolvată prin înclinarea pivotului către partea de jos a rotii, fig.12.13.b, c).
Obs: trebuie marcate in fig.12.13 pozitiile a,b.c.d!!!!!
În cazul suspensiilor cu punte rigidă, înclinația pivotului nu variază sub efectul greutății și deplasării pe verticală a roții, cu condiția ca axul să nu se deformeze; în cazul suspensiei independente, greutatea și mișcarea pe verticală a vehiculului face că atât unghiul de cădere cât și înclinarea laterală a pivotului să varieze în aceiași măsură, din moment ce pivotul se mișcă o dată cu butucul roții, fig.12.13.d.
Înclinarea pivotului este considerată pozitivă atunci când proiecția axului pivotului ajunge aproape de punctul de contact al roții cu suprafața de rulare (înclinată în partea opusă unghiului de cădere); este dificil, dacă nu imposibil să avem o înclinație negativă a pivotului.
Unghiul de înclinare laterală al pivotului, printre altele, crează fenomenul de întoarcere al roții în poziția de mers înainte; de asemenea, tinde să mențină această poziție după un impact cu un obstacol.
Acest efect natural, care este de o importanță vitală, datorită înclinației laterale a pivotului, derivă din faptul că roata, atunci când se învârte în jurul acestei axe oblice, formează un con cu vârful în jos, așa cum este arătat în fig.12.14.
Fig.12.14.Unghiul de înclinare a pivotului – axa de siguranță
Acest unghi contribuie la tendința de revenire a direcției la poziția de mers în linie dreaptă, după un viraj, deci are rol stabilizator. Valoarea lui este de 4…100 și poate fi reglată în special la mașinile de curse. Dacă este diferit stânga/dreapta, volanul trage lateral. Valoarea sa este între 0,3…30 la autoturisme și 1…50 la camioane și autobuze.
Referitor la cele două unghiuri ale pivoților se poate adăuga faptul că, în timp ce momentul de redresare al unghiului de fugă este mai mare la viteze de deplasare mai mari, efectul stabilizator al unghiului de înclinare transversală se manifestă la viteze mici. Aceste unghiuri influențează poziția roților numai la deplasarea în curbă, nu și la mersul în linie dreaptă.
3. Unghiul de cădere al roților este unghiul măsurat în grade, dintre linia mediană a rotii și perpendiculara pe sol, atunci când se privește vehiculul din față, fig.12.15.
Dacă partea superioară a roții este aplecată către exteriorul vehiculului, unghiul de cădere este POZITIV, fig.12.15.b. Dacă partea superioară a roții este aplecată către interiorul vehiculului, unghiul de cădere este NEGATIV, fig.12.15.c.
Fig. 12.15.Unghiul de cădere: a) definire; b) pozitiv; c) negativ
Obs: in fig.12.15.trebuie trecute pozitiile a,b,c.!!!!
Unghiul de cădere ușurează manevrabilitatea, prin asigurarea menținerii direcției în viraje, împinge roata către interiorul vehicului, încărcând rulmentul interior, scade tendința de încovoiere a punții față prin micșorarea într-o oarecare măsură a eforturilor în puntea din față a autovehiculului și preia jocurile din rulmenții roții.
Valoarea sa este între 0…0,50 la autoturisme și 1…20 la camioane și autobuze. Valori de 0…300 sunt caracteristice autoturismelor cu suspensie independentă. La unele autovehicule acest unghi este reglabil, dar numai în ateliere specializate.
4. Unghiul de convergență al roților este unghiul de înclinare în plan orizontal a roților și asigură paralelismul planurilor de mișcare a roților directoare, fiind necesar pentru a anihila tendința de rulare divergentă a acestora datorită elasticității bucșelor de fixare a brațelor suspensiei. El este necesar deoarece, din cauza unghiului de cădere, roțile au tendința să ruleze divergent; în același timp, la viteze mari roțile ar avea tendința de a oscila.
Convergenta roților este unghiul format de linia mediană a vehiculului (lina ce trece longitudinal prin centrul acestuia) și linia mediană a roților atunci când privim vehiculul de sus.
Fig.12.16.Unghiul de convergență al roților
Obs: in fig.12.16.trebuie trecute pozitiile a,b,c,d!!!!
Suma valorilor convergenței a fiecărei roți (α+β) dă convergența totală, fig.12.16.a. Atunci când extensia liniilor centrale ale roților tind să se întâlnească în fața vehiculului, atunci spunem că avem convergență pozitivă, fig.12.16.b; dacă acestea tind să se unească în spatele vehiculului, atunci spunem că avem convergență negativă, fig.12.16.c.
Când liniile mediane ale roților sunt paralele cu linia mediană a vehiculului spunem că avem convergență zero.
Convergența negativă este rareori dată în grade de către producător, este mai comun să se dea valoarea exprimată în mm, valoare măsurată între jantele roților; cele două măsurători se fac în față și în spatele butucului, la jumătatea înălțimii jantelor/roților.
Dacă B este mai mare decat A, roțile se află în poziția de convergență pozitivă. Dacă A este mai mare că B, roțile se afla în poziția de convergență negativă. Dacă B este egal cu A, roțile se afla în poziția zero.
La autovehiculele cu tracțiune pe spate, roțile de direcție sunt convergente sau paralele (A ≥ B), iar la autovehiculele cu tracțiune pe față, roțiile de direcție sunt divergente sau paralele (A ≤ B). Această distanță se poate obține prin reglarea corespunzătoare a pârghiilor mecanismului de direcție.
Deschiderea se măsoară în mm și este cuprinsă între 3-12 mm la camioane și autobuze, respectiv 0,5-5 mm la autoturisme și utilitare.
Unghiul de convergență are rolul să micșoreze tendința de oscilație a roților la viteze mari și să micșoreze acțiunea unghiului de cădere, datorită căruia roțile directoare tind să ruleze pe un arc de cerc și evită deci desfacerea roților, care se rotesc înclinat.
În cazul autovehiculelor organizate după soluția totul în față, unghiul de convergență este negativ și atunci se numește unghi de divergență (D-d <0).
Tendința constructivă la autovehiculele cu suspensie independentă este ca roțile directoare să fie paralele, respectiv D = d.
Deportul este distanța, măsurată perpendicular pe direcția de mers, care există între centrul petei b de contact a pneului și punctul a, unde axa de pivotare a roții intersectează solul.
Datorită deportului, la manevrarea volanului pe loc, roata rulează câteva grade, ușurând astfel efortul conducătorului auto.
Deportul, împreună cu unghil de înclinare laterală a axei de pivotare realizează tendința de revenire a direcției la poziția de mers în linie dreaptă. Valorile deportului sunt cuprinse între 10…80 mm.
Raza sau diametrul minim de viraj reprezintă raza sau diametrul descrise de urmele roții directoare exterioare, bracată până la limita maximă. În timpul efectuării virajului
Obs; cred ca acest tezxt poate lipsi, pt.ca sunt suficiente informatii pt. BIA…
12.2. PARTEA APLICATIVĂ ȘI DESFĂȘURAREA TEMEI
Etapele desfășurării temei sunt:
identificarea rolului funcțional al sistemului de direcție și principiul de funcționare;
identificarea elementelor componente ale sistemelor de direcție cu ajutorul planșelor, filmelor educaționale, a standurilor, machetelor și componentelor existente în laborator;
Fig.12.17. Machete didactice
prezentarea rolului funcțional al componentelor sistemelor de direcție;
prezentarea compunerii generale a unui sistem de direcție cu indicarea elementelor componente;
schema sistemului de direcție pentru puntea față rigidă;
schema sistemului de direcție pentru puntea față cu roți independente;
unghiurile de direcție, definire și influență asupra maniablității, stabilității și rezistenței la înaintare;
schema unghiurilor de direcție.
12.3. AUTOEVALUAREA CUNOȘTINȚELOR DOBÂNDITE
Rolul sistemului de direcție.
Cerințe impuse sistemului de direcție.
Clasificarea sistemelor de direcție.
Compunerea generală a unui sistem de direcție.
Funcțiile volanului.
Rolul și funcționarea mecanismului de direcție.
Rolul și funcționarea mecanismului de direcție cu pinion și cremalieră.
Rolul și funcționarea transmisiei direcției.
Acționarea sistemelor de direcție.
Definiți unghiurile sistemului de direcție.
13
Compunerea și organizarea sistemelor de rulare
Tema își propune următoarele: identificarea subansamblurilor componente ale sistemelor de rulare și cunoașterea rolului lor funcțional, cunoașterea componentelor roților și a razelor roții de autovehicul pentru diversele situații întâlnite în funcționarea acestuia și cunoașterea simbolizării pneurilor.
13.1.ELEMENTE TEORETICE
13.1.1. Construcția roților autovehiculelor
Roțile sunt elementele de bază ale sistemului de rulare și servesc la suținerea autovehiculului, iar prin rostogolire asigură deplasare lui.
Funcțiile roților sunt: transmit căii de rulare forța de tracțiune și cea de frânare; preiau greutatea autovehiculului; mențin autovehiculul pe direcția dorită; contribuie la îmbunătățirea suspensiei, datorită elasticității aerului din interior și a pneului.
Elementul cel mai important în utilizarea autovehiculelor, indiferent de natura acestora, este siguranța circulației, de care va depinde, în primul rand, viața conducătorului auto și a persoanelor sau a mărfurilor transportate și, în al doilea rând, integritatea valorilor transportate, inclusiv cea a autovehiculului.
Siguranța circulației depinde de toate elementele componente ale părții de legătură cu solul (frâne, suspensii, anvelope), cel mai important element fiind reprezentat de anvelopă deoarece este singurul element care leagă autovehiculul direct de sol.
Aderența anvelopei se realizează prin 2 mecanisme primare conform fig.13.1.
Fig.13.1. Mecanismele de generare a aderenței anvelopei
Aderența apare datorită legăturilor intermoleculare între cauciuc și materialul căii de rulare. Aderența are o proporție mai mare în cazul suprafețelor uscate, iar în cazul în care drumul devine ud aceasta se reduce substanțial, rezultand astfel reducerea frecării pe căi de rulare umede.
Histerezisul cauciucului reprezintă pierderea de energie în cauciuc prin deformarea repetată a elementelor sale componente atunci când rulează pe cale.
Frecarea prin histerezis nu este așa de afectată de umiditatea căii de rulare, cu toate acestea, îmbunătățirea tracțiunii pe suprafața udă se poate face utilizând anvelope cu cauciuc de înaltă histereză în banda de rulare. Cred că poate lipsi această porpozitie!!!
La rularea autovehiculului pe drumuri umede aderența pneurilor cu calea de rulare scade. În aceste situații, la deplasarea cu viteze ridicate, datorită interpunerii între pneu și cale a unei pelicule de lichid, care nu este eliminată de sub anvelopă, se poate pierde complet contactul dintre pneu și cale, aderența devenind nulă. Fenomenul este cunoscut sub numele de hidroplanare sau acvaplanare, iar viteza de deplasare a autovehiculului, la care pelicula de fluid pătrunde complet sub pneu, se numește viteză critică de hidroplanare.
Roțile influențează, prin elementele componente, geometrie și caracteristici constructive, comportamentul dinamic, stabilitatea, maniabilitatea și capacitatea de trecere a autovehiculului.
Din punct de vedere al elementelor componente o roată de autovehicul este formată din discul metalic pe care se fixează janta și pneul. Janta este fixată pe butucul roții cu ajutorul unor piulițe speciale (prezoane), fig.13.2.
Jantele au forme geometrice optimizate ca rezistență mecanică și greutate având rol de ventilare a mecanismelor de frânare amplasate lângă roți.
În cazul autoturismelor și autocamionetelor se folosesc jante cu profil adânc, nedemontabile, iar în cazul autocamioanelor și autobuzelor se folosesc jante demontabile, cu profil cilindric sau conic.
În figura 13.3.a este prezentată o jantă de autoturism din tablă ambutisată, iar în figura 13.3.b este prezentată construcția unei jante din aliaj de aluminiu și magneziu.
Obs: trebuie notate cu a si b jentile din fig. 13.3!!!
În fig.13.4 se prezintă elementele geometrice constructive ale unei jante de autovehicul.
Construcția jantelor de autocamioane și autobuze este prezentată în fig.13.5. La aceste vehicule pneul poate fi fixat pe jantă cu ajutorul unui disc circular, deplasabil lateral, fixat pe jantă cu ajutorul cercului de asigurare.
Fig.13.5. Construcția jantelor de autocamioane și autobuze
În funcție de particularitățile funcționale și constructive ale autovehiculului, roților li s-au impus cerințe multiple și uneori contradictorii. Cerințele cele mai importante pe care roțile de autovehicule trebuie să le respecte sunt următoarele: siguranță în funcționare, confortabilitate și economicitate.
Siguranța în funcționare este asigurată dacă roțile au o rezistență corespunzătoare, o aderență bună cu calea de rulare în orice regim de deplasare, și etanșeitate perfectă între pneu și jantă precum și dacă asigură maniabilitatea și stabilitatea corespunzătoare autovehiculului.
Confortabilitatea reprezintă capacitatea pneului de a amortiza oscilațiile și de a diminua zgomotul ce se produce în timpul rotirii roții.
Economicitatea este influențată de cantitatea de energie consumată la deformarea pneului, de capacitatea de încărcare, de durabilitate și de costul fabricației.
13.1.2. Construcția pneurilor autovehiculelor
Pneurile autovehiculelor pot fi cu cameră de aer, fig 13.6, sau fără cameră de aer fig.13.7.
Camera de aer, fig.13.6, este un tor din cauciuc natural sau sintetic, rezistent la căldură și etanș, prevăzut cu o valvă, prin care se introduce aer sub presiune. Volumul de aer din interiorul camerei constituie, alături de anvelopă, elementul elastic al roții de autovehicul.
Camera de aer are diametrul exterior mai mic decat diametrul interior al anvelopei, ceea ce face ca prin umflare să se întindă până se lipește de anvelopă. Grosimea pereților camerelor de aer este cuprinsă între 1,5 și 3 mm.
Dezavantajul principal al utilizării pneurilor cu cameră îl constituie posibilitatea de apariție a exploziei, în cazul în care aceasta se deteriorează, defectul tinde să se mărească, iar pierderea de presiune se face foarte rapid. Pentru protejarea camerei de aer împotriva frecării de jantă se poate folosi o bandă de jantă, care este un manșon de cauciuc.
Pneurile fără cameră, fig.13.7, diferă de cele cu cameră printr-un strat de etanșare cu grosimea de 1,5-3,0 mm vulcanizat la interiorul anvelopei. În timpul funcționării, stratul de etanșare este supus la compresiune, ceea ce permite ca un corp strain pătruns în acesta să fie înconjurat de materialul stratului de etanșare și să se producă autoetanșarea. La defecte mai mari, aerul iese treptat din pneu micșorându-se astfel posibilitatea apariției unor explozii, care să producă accidente.
Anvelopa, fig.13.8, constituie partea cea mai complexă a pneului și asigură elasticitatea și rezistența pneului.
13.1.2.1.Banda de rulare a pneului este partea anvelopei realizată dintr-un strat gros de cauciuc așezat la periferia anvelopei, care vine în contact cu drumul, are o arhitectură specifică, cu profiluri care au scopul să asigure o bună aderență cu calea de rulare, să elimine pelicula de apă care poate pătrunde între pneu și cale și protejează carcasa și brekerul împotriva deteriorărilor si uzurii.
Fig.13.8. Elementele constructive ale anvelopei
Banda de rulare transmite efortul de tracțiune și frânare și mărește aderența cu drumul. Pentru a asigura o aderență corespunzătoare, și pentru a reduce uzura și zgomotul în timpul rulării, banda de rulare este prevăzută cu o serie de proeminențe, nervuri și canale de diferite forme care formează profilul sau desenul benzii. Grosimea benzii de rulare variază între 7-17 mm în cazul pneurilor pentru autoturisme și 14-32 mm pentru cele de autocamioane și autobuze.
Din punct de vedere al desenului benzii de rulare anvelopele se clasifică în: anvelope cu profil de stradă și anvelope cu profil special M+S (zăpadă și noroi).
Anvelopele cu profil de stradă sunt destinate rulării pe drumuri cu suprafață dură (asfalt, beton, etc.), iar anvelopele cu profil M+S sunt utilizate pe drumuri desfundate sau acoperite cu zăpadă.
Forma desenului benzii de rulare are o importanță deosebită pentru comportarea pneului în exploatare. Ea trebuie să fie în așa fel concepută, încât să asigure o aderență cât mai bună pe direcție longitudinală și laterală (transversală), atât prin frecarea cu calea de rulare cât și prin utilizarea maximă a rezistenței la forfecare a acesteia. De asemenea profilul benzii de rulare trebuie să asigure o cât mai rapidă eliminare a apei dintre anvelopă și calea de rulare, la deplasarea pe drumuri acoperite cu strat de apă, astfel încât să contribuie la creșterea vitezei la care apare fenomenul de acvaplanare.
Fig.13.9. Profile pentru benzi de rulare ale anvelopelor
În figura 13.9 sunt prezentate câteva profile de stradă ale benzilor de rulare utilizate la anvelopele pentru autoturisme, și anume: profil cu nervuri longitudinale drepte si proeminente transversale mici (fig.13.9.a); profil cu nervuri sub forma de zig-zag și canale înguste (fig.13.9.b); profil cu formă combinată din canale zig-zag larg cu canale zig-zag îngust și nervuri distribuite (fig.13.9.c); profil cu nervuri longitudinale din elemente mici divizate (fig.13.9.d).
Pentru drumuri deformabile, desenul benzii de rulare se execută cu nervuri și canale mari, astfel încât nervurile să nervurile să strivească stratul de noroi sau zăpadă și să-l evacueze prin canalele profilului.
Pentru anvelopele cu profil M+S, fig.13.10, desenul benzii de rulare este prevăzut cu un număr mare de elemente în forma de șah, cu muchii ascuțite formate din canale longitudinale și transversale.
Fig.13.10. Anvelope cu profil special M+S
Pe drumuri acoperite cu gheață, pentru mărirea siguranței circulației se introduc în banda de rulare, ținte metalice dure. Eficacitatea anvelopei depinde de înalțimea țintelor măsurată la exteriorul benzii de rulare (1,0-1,5 mm) și de densitatea lor în pata de contact.
Despre unghiurile rotilor directoare s-a amintit in cap.Directie. Aici ar fi o repetare inutila. Cred ca trebuie renuntat la textul subliniat de mai jos!!!!
Un rol important în evitarea uzurii benzilor de rulare ale anvelopelor îl are poziția roților, caracterizată prin principalale unghiuri ale roților și ale pivoților, fig.13.11:
– unghiul de convergență al roții (unghiul de înclinare longitudinală a fuzetei) y0 la autoturismele cu tracțiune pe spate;
– unghiul de cădere al roții (unghiul de înclinare transversală a fuzetei) α0;
– unghiul de înclinare longitudinală a pivotului (unghiul de fugă) β0;
– unghiul de înclinare transversală a pivotului 0;
Fig.13.11. Principalele unghiuri ale roților și ale pivoților
Unghiul de convergență este unghiul făcut de planul roților cu axa longitudinală a vehiculului, văzut în plan orizontal. Unghiul de convergență este pozitiv dacă roțile directoare sunt deschise către față, și este negativ dacă sunt deschise către spate. Scopul unghiului de convergență este să asigure rularea paralelă a roților. Unghiul de convergență servește la compensarea abaterilor mici ale sistemului de sprijin al roților, care apar când vehiculul rulează înainte. Unghiul de convergență specificat reprezintă precorecția care se aplică pentru obținerea unui unghi de convergență de 0° când se mișcă vehiculul.
Unghiuri de convergență pozitive sau negative incorecte vor duce la uzura pneurilor și consum de carburant peste nivelul optim. Deoarece fiecare din componentele direcției și suspensiei se uzează la un număr mare de kilometri parcurși, va apare un unghi de convergență adițional ce trebuie compensat. Valoarea unghiului de convergență trebuie să fie corectată întotdeauna ultima.
Dacă roțile de la axul din față sunt în poziție convergentă (toe-in), cel mai mult se uzează partea interioară a benzii de rulare iar dacă sunt în poziție divergentă (toe-out), cel mai mult se uzează partea exterioară a benzii de rulare, fig.13.12.
Fig.13.12.Uzarea pneurilor în funcție de mărimea unghiului de cădere al roții
În cazul în care distanța dintre roți este mai mică la punctul de contact cu drumul (pozitiv camber) și în cazul invers (negative camber) se produce o uzură neregulată la umerii benzii de rulare ai anvelopelor.
Unghiul de fugă reprezintă înclinarea axei care trece prin punctul superior al pivotului și centrul roții văzut în plan longitudinal (din lateral), față de verticala reală. O înclinare înapoi este pozitivă (+) și o înclinare înainte este negativă (-). Unghiul de fugă influențează controlul direcțional al pivotării dar nu afectează uzura pneului. Unghiul de fugă va fi afectat de arcuri slabe sau supraîncărcarea vehiculului. Dacă o roată are un unghi de fugă pozitiv mai mic decât cealaltă, mașina va avea tendință de deviere spre partea acelei roți. Unghiul de fugă se măsoară în grade și nu este reglabil.
Unghiul de cădere reprezintă înclinarea vârfului pneului față de verticală, când se privește vehiculul din față. Când vârful pneului se înclină spre afară, unghiul de cădere este pozitiv (+). Când pneul se înclină spre interior, unghiul de cădere este negativ (-). Unghiul de cădere este măsurat în grade față de verticală. Unghiul de cădere influențează atât controlul direcției cât și uzura pneului. Dacă vehiculul are un unghi de cădere pozitiv prea mare, se va uza flancul exterior al pneului, iar dacă are un unghi de cădere negativ prea mic, se va uza flancul interior al pneului. Unghiul de cădere, ca și unghiul de fugă, nu se reglează.
Unghiul de înclinare laterală a pivotului ușurează manevrarea roților, mărește siguranța de funcționare a direcției la trecerea peste denivelări, micșorează reacția roților asupra organelor direcției, favorizează revenirea roților la mersul în linie dreaptă și reduce ritmul de uzură a bucșelor de pivoți.
13.1.2.2. Carcasa constituie scheletul anvelopei și este construită dintr-unul sau mai multe straturi de fibre textile – bumbac – sau din materiale sintetice (fibre de sticlă, fibre poliamidice, fire metalice) cunoscute sub denumirea de "pliuri de cord", care alternează cu straturi din cauciuc, fiind elementul de rezistență al anvelopei care preia cele mai mari eforturi care apar sub presiunea internă din camera de aer.
Mărimea rezistenței unei anvelope este dată de numărul pliurilor echivalente (Ply – Rating – PR) și reprezintă numărul convențional de straturi de rețea de cord din anvelopa încărcată la sarcina maximă admisă. Un pliu echivalent corespunde rețelei de cord din bumbac, având sarcina de rupere a firului 90 N.
Firele de cord sunt îmbrăcate într-un amestec de cauciuc special pentru a le feri de frecarea dintre ele care le uzează. Grosimea unui strat este de 1-1,5 mm, iar diametrul firelor este de 0,6-0,8 mm.
Carcasa are un număr par de straturi de cord cauciucat, fiecare strat de cord având firele orientate în sens opus stratului următor. Pentru a asigura elasticitatea anvelopei, proprietatile de rezistență și de amortizare, în condițiile unor deformații repetate, firele stratului de cord se așează sub un anumit unghi în raport cu planul median al anvelopei. Functie de acest unghi exista două tipuri constructive de anvelope, și anume:
anvelope cu carcasa în construcție diagonală, fig. 13.13.a, la care unghiul de dispunere al firelor de cord este = 38-450. Aceste anvelope au avantajul unei stabilități axiale bune, ale unui coeficient de rezistență la rulare acceptabil, dar au dezavantajul unei rigidități laterale mari;
anvelope cu carcasă în construcție radială (fig.13.13.b) la care unghiul de dispunere al firelor de cord este = 900. Prin mărirea unghiului se obține o elasticitate radială mare și un coeficient de rezistență la rulare redus la viteze mici de deplasare.
Fig.13.13. Construcția carcasei anvelopei
Obs : trebuie trecute pozitiile a) si b) !!!
Datorită unei durabilitați și economicități mai ridicate, anvelopele radiale au capătat o utilizare mai largă în comparație cu cele diagonale. Micșorarea unghiului are ca urmare scăderea coeficientului de rezistență la rulare pentru viteze mari, stabilitate laterală bună și o reducere a elasticității radiale, fapt care face ca astfel de anvelope să fie folosite la automobilele sport ( = 30-550) și la automobile de curse ( = 260).
13.1.2.3. Cordonul de protecție sau brekerul are rolul de a prelua și amortiza șocurile care se transmit în timpul rulării pneului, realizând o legătură rezistentă între banda de rulare și carcasă. El se execută dintr-o rețea de cord acoperită de un strat de cauciuc, de grosime 3-7 mm. Anvelopa se fabrică din cauciuc natural sau sintetic.
Materialul pentru breker trebuie să aibe proprietăți dinamice superioare în faza vulcanizată, să se încălzească cât mai puțin, să fie rezistent la temperaturi de 100 – 1200C si să aibă o bună conductivitate termică.
13.1.2.4. Flancul anvelopei este format din stratul superficial care acoperă pereții laterali ai carcasei, de obicei formând un tot unitar cu banda de rulare și asigurând protecția acesteia la solicitările mecanice primite din exterior și la umiditate.
13.1.2.5.Taloanele constituie partea rigidă a anvelopei (marginea întărită a bordurii anvelopei) și fac posibilă montarea rezistentă și etanșă a anvelopei pe jantă. În interiorul talonului se găsește o inserție metalică, construită din cercuri de sârmă de oțel și izolată cu amestec de cauciuc, care îi asigura rigiditatea necesară.
În cazul autovehiculelor cu destinație speciala se utilizează și pneuri cu profil lat, care prezintă următoarele avantaje: micșorează masa nesuspendată a autovehiculelor, reduce rezistența la rulare pe căi deformabile, au elasticitate mai mare, asigură o capacitate de trecere mai bună pe drumuri desfundate prin mărirea coeficientului de aderență.
În țara noastră producția de anvelope și camere de aer este reglementată de STAS 6386, STAS 6387 și normele interne ale întreprinderilor producătoare.
Condiții impuse pneurilor. Pentru a asigura capacitatea de lucru normală a unui autovehicul, pneurilor li se impun urmatoarele cerințe principale:
să amortizeze șocurile;
sa aibă o bună aderență la calea de rulare;
să prezinte siguranță și rezistență la deplasarea cu viteză mare;
să preia sarcinile repartizate pe roată;
să contribuie la asigurarea confortului călătorilor.
Factorii principali care influențează durata de exploatare a pneurilor sunt: sarcina și repartiția acesteia pe roți; presiunea de regim; viteza de deplasare; cauze accidentale care reduc rulajul anvelopei; montarea, demontarea și permutarea pneurilor; starea tehnică a autovehiculului; modul de conducere; condițiile drumului; factorii climatici.
13.1.3. Razele roților
În suprafața de contact cu calea de rulare pneul se poate deforma sub influența forțelor tangențiale (longitudinale și/sau transversale) și verticale care acționează asupra sa după aceste direcții. Datorită elasticității variabile la roata autovehiculului se deosebesc următoarele raze: raza nominală, raza liberă, raza statică, raza dinamică, raza de rulare.
Raza nominală – rn – a unei roți este raza cercului exterior al pneului, dedusă din calcul, utilizând mărimile indicate pe pneu, sau luată din standardele de pneuri. Calculul razei nominale a unei roți de automobil se poate face pe baza notațiilor existente pe anvelopă.
Raza liberă – r0 – reprezintă raza cercului exterior a benzii de rulare a pneului, la presiune prescrisă, măsurată fără încărcarea pneului, aflat în stare de repaus.
Raza statică – rc – se definește ca fiind distanța dintre centrul roții și suprafața de sprijin, în cazul în care roata este încărcată cu sarcina nominală, în repaus.
Raza dinamică – rd – este distanța dintre centrul roții și calea de rulare, în timpul mișcării autovehiculului, încărcat la sarcina nominală, fig.13.14.
Raza dinamică depinde de o serie de factori cum sunt: sarcina GR normală pe pneu, presiunea interioară a aerului din pneu, elasticitatea materialului pneului, mărimea și sensul momentului la roată MR etc.
Se disting două cazuri: când asupra roții acționează un moment motor MR, fig. 13.14. (cazul roții motoare), care generează o forță tangențială FR și cazul când asupra roții nu acționează un moment la roată (cazul roții nemotoare).
În primul caz, sub acțiunea momentului MR, va rezulta o deformare tangențială a pneului, care conduce la o apropiere a centrului roții de suprafața căii de rulare. Ca urmare a acțiunii forței centrifuge mărirea diametrului roții este mai mică decât micșorarea acestuia, cauzată de influența momentului motor.
În cazul roții nemotoare creșterea razei datorată acțiunii forței centrifuge scade sensibil odată cu creșterea presiunii aerului din pneu, iar pentru valorile nominale ale presiunii această creștere este neînsemnată.
Raza de rulare – rr – reprezintă raza unei roți imaginare, nedeformabile, care se rotește fără alunecări, a cărei circumferință este egală cu deplasarea S a centrului roții pe drum orizontal în timpul unei rotații complete a roții:
Raza de rulare se poate calcula cu relația:
, [m] (14.1)
Folosirea noțiunii de “rază de rulare” a roții de automobil este necesară la studiul mișcării autovehiculului, deoarece pneul, fiind deformabil în direcțiile radială și tangențială, face ca viteza de translație a centrului roții să fie mai mică decât viteza de translație corespunzătoare razei libere ro, pentru aceeași turație a roții.
Raza de rulare depinde de sarcina verticală pe roată, de presiunea interioară a aerului din pneu, de starea căii de rulare și, în special, de mărimea momentului motor aplicat roții.
Raza dinamică și raza de rulare, determinate experimental, se folosesc numai în calcule de mare exactitate, specifice cercetării științifice de profil. În lipsa datelor experimentale se folosește „ raza de lucru” a roții, care se poate determina, în funcție de raza liberă a roții ro și de coeficientulλde deformare a pneului, cu relația:
, [m] (14.2)
Coeficientul de deformare λ depinde de presiunea interioară a aerului din pneu și are valorile următoare:
– λ = 0,930 – 0,935 – pneuri utilizate la presiuni mai mici de 600 KPa (6 bari);
– λ = 0,945 – 0,950 – pneuri utilizate la presiuni mai mari de 600 KPa (6 bari).
Dacă în standardul de pneuri se precizează mărimea circumferinței de rulare, atunci raza de lucru se poate calcula cu relația:
, [m] (14.3)
unde Lr este circumferința de rulare citită în standard .
Pentru calcule aproximative se poate considera raza liberă egală cu raza nominală:
, [m] (14.4)
Fig.13.15.Dimensiunile principale ale pneului
Raza nominală are expresia:
, [m] (14.5)
unde: D – diametrul exterior (nominal) al anvelopei umflate, [m], fig.13.15.
d – diametrul interior al anvelopei (diametrul de calare pe jantă), [m];
H – înălțimea profilului (balonului), anvelopa fiind umflată [m]; ;
B – lățimea profilului (balonajul maxim =distanța liniară între pereții exteriori al flancurilor anvelopei, excluzând protuberanțele datorate marcajului), [m].
Din fig.13.15 se constată că:
, [m] (14.6)
După raportul anvepele pot fi:
toroidale, la care ;
late, la care ;
superbalon, la care
De obicei . Anvelopele care au acest raport se găsesc în seria 80 și poate lipsi de pe marcajul acestora. Limita inferioară este pentru pneurile de autoturisme, iar limita superioară pentru pneurile de autovehicule grele.
13.1.4. Simbolizarea pneurilor
Exemple de inscripționare a anvelopelor:
1) 185/70 R 14 89/T TUBELESS M+S
Semnificația notațiilor este următoarea:
– are lățimea profilului (balonajul) de 185 mm;
– are un raport nominal de aspect de 70;
– are structură radială (R);
– are diametrul interior sau diametrul exterior al jantei pneului de 14 inch sau țoli, adică 356 mm (1 inch = 25,4 mm);
– are capacitatea de a prelua o sarcină de 580 kg, care corespunde indicelui capacității de sarcină 89;
– aparține categoriei de viteză T – viteză maximă 190 km/h;
– poate fi montată fără cameră de aer (Tubeless);
– aparține tipului de zăpadă (M+S).
Înălțimea profilului anvelopei H se determină din raportul:
Conform relației 4.6 se poate calcula diametrul exterior al anvelopei:
Conform relației 4.5 se calculează raza liberă a roții:
Conform relației 4.2 raza de rulare rr a roții va fi:
2) 250/70 R 20 149/145 J 146 L TUBELESS M+S 257 90PSI 143
Inscripțiile de pe anvelopă au următoarea semnificație:
– lățimea profilului (balonajul) de 250 mm;
– raport nominal de aspect de 70;
– structura radială (R);
– diametrul interior al pneului sau diametrul exterior al jantei pneului de 20 inch sau țoli, deci de 508 mm (1 inch = 25,4 mm);
– sarcina verticală de 3250 kg – simplu – și 2900 kg – jumelat, corespunzând indicilor capacității de sarcină 149 și 145;
– categoria de viteză J – viteză maximă 100 km/h;
– poate să fie utilizată de asemenea în categoria de viteză L (viteză maximă 120 km/h), cu sarcină de 3000 kg – simplu – și 2725 kg – jumelat, corespunzând respectiv indicilor capacității de sarcină de 146 și 143;
– poate fi montată fără cameră de aer (Tubeless);
– aparține tipului de zăpadă (M+S);
– este fabricată în a douăzeci și cincea săptămână a anului 1977;
– trebuie să fie umflată la presiunea de 620 kPa pentru încercările de anduranță sarcină/viteză, al cărei indice PSI este 90.
Razele roții echipate cu o astfel de anvelopă se calculează ca și în cazul exemplului 1. Astfel:
Pentru o valoare a coeficientului de deformare λ= 0.93 raza de rulare rr va fi:
3) 205/55 R 16
Notarea 205/55 R 16 are următoarea semnificație:
205 – lățimea anvelopei în mm;
55 – raportul înălțime/ lățime în %, ( H/B % )
R – radial
16 – diametrul jantei ( 16inch = 406 mm );
4) 195/65 R 15 91 H
Notarea 195/65 R 15 91 H are următoarea semnificație:
195 – lățimea anvelopei în mm;
65 – raportul înălțime/ lățime în %, ( H/B % );
R – tip radial;
RF – tip cu flancuri întărite ( Runflat );
15 – diametrul jantei ( în inch );
91 – indice de încărcare (de ex. valoarea 91 corespunde masei de 618 daN);
H – litere cod de viteză.
În practică se utilizează și alte moduri de simbolizare a pneurilor, care țin seama de caracteristicile funcționale ale autovehiculelor, de vitezele maxime de deplasare ale acestora, de orientarea straturilor de cord din compoziția anvelopei (radial sau diagonal), de numărul pliurilor echivalente – PR ( numărul convențional de straturi de rețea de cord, corespunzătoare anvelopei încărcate cu sarcina maximă) etc.
În acest sens se poate arăta exemplul de notare a pneurilor de autoturisme și autoutilitare, la care apar literele S, H și V și care indică mărimea limită a vitezei de exploatare a pneului respectiv. Astfel pentru viteze mai mici de 180 km/h se folosește litera S, pentru viteze cuprinse între 180-210 km/h se folosește litera H, iar pentru viteze mai mari de 210 km/h se folosește litera V.
În cazul anvelopelor fabricate de firmele străine intervin anumite particularități de notare specifice. Anvelopele fabricate de firma Michelin sunt marcate și cu simboluri privind marca, limita de uzură până la care pneul poate fi folosit, sarcina maximă admisă pe pneu (kg/pneu), destinația (pentru autoturisme, tractoare, ș.a.) etc .
Fig.13.17.Normativul Comisiei Europene privind impactul SEC (2008) 2860
Începând cu data de 1 noiembrie 2012 toate anvelopele pentru autovehicule vândute în Uniunea Europeană trebuie însoțite de o etichetă, fig.13.17, care conține informații privind următoarele 3 criterii:
a) – zgomotul exterior – de la 1 (cel mai silențios) la 3 ( cel mai puțin silențios);
b) – eficiența consumului de combustibil – de la A ( cel mai eficient) la C (cel mai puțin eficient);
c) – aderența pe suprafața umedă – de la A ( cel mai bun) la G (cel mai slab).
13.2.PARTEA APLICATIVĂ ȘI DESFĂȘURAREA TEMEI
Etapele desfășurării temei sunt:
identificarea elementelor componente ale sistemelor de rulare pe standurile și machetele existente în laborator;
prezentarea compunerii generale a unui sistem de rulare cu indicarea elementelor componente;
prezentarea rolului funcțional al componentelor sistemelor de rulare;
scheme ale diferitelor sisteme de rulare analizate în cadrul laboratorului;
Fig.13.18. Machete didactice
13.3. AUTOEVALUAREA CUNOȘTINȚELOR DOBÂNDITE
1. Calculati raza de rulare a unei roți de automobil pe baza simbolului pneurilor indicate în continuare: 215/55 R16 W; 225/40 R18 W; 235/65 R17 T; 245/70 R16 D; 205/55 H R15; 215/65 R 16
2. Măsurați razele statice a 3 roți de autoturisme de mărci diferite și determinați razele lor libere cunoscând coeficientul de deformare λ care depinde de presiunea interioară a aerului din pneu: λ = 0,930 – 0,935 – pentru pneurile utilizate la presiuni mai mici de 600 KPa (6 bari). Comparați razele determinate experimental cu cele teoretice calculate pentru pneurile respective.
3. Să se determine razele dinamice la diferite tipuri de autovehicule, efectuându-se măsurători la cel puțin 5…6 presiuni de umflare a anvelopelor, autovehiculul încercat deplasându-se cu viteză constantă. Numărul de rotații efectuate de roata încercată va fi . Se va înntocmi un tabel care să cuprindă: presiunea de umflare a pneurilor pi [Mpa], spațiul măsurat Si [m], raza dinamică calculată rdi [m], tipul de autovehicul, marca anvelopei. După determinarea experimentală a razelor dinamice ale roților autovehiculelor, se va reprezenta grafic variația acestora pentru fiecare roată, în funcție de presiunea de umflare a pneului.
4. Să se calculeze raza de rulare pentru roțile a căror anvelope au marcajele și presiunile de umflare prezentate în tabelul 13.1.
Tabelul 13.1. Marcajul și presiunile de umflare ale anvelopelor
Atlas de soluții constructive
Bibliografie
Bibliografie
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Bazele Ingineriei Autovehiculelor Rutiere (ID: 161999)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.