Cuplaje Moderne Utilizate In Tehnica Militara
LUCRARE DE LICENȚĂ
CUPLAJE MODERNE UTILIZATE ÎN TEHNICA MILITARĂ.
STUDIU DE CAZ
CUPRINS
INTRODUCERE
1.Funcțiile și sistematizarea cuplajelor utilizate în construcția tehnicii militare
1.1.Cuplaje mecanice permanente
1.1.1.Cuplaje permanente fixe
1.1.2.Cuplaje permanente mobile
1.1.2.1.Cuplaje permanente mobile cu elemente intermediare rigide
1.1.2.2.Cuplaje permanente mobile cu elemente intermediare elastice
1.2. Cuplaje mecanice intermitente
1.2.1.Cuplaje intermitente comandate
1.2.2.Cuplaje intermitente automate
2.Identificarea și determinarea sarcinii de calcul pentru cuplajele utilizate în tehnica militară
2.1.Determinarea sarcinii de calcul a cuplajelor
2.2.Încercarea cuplajelor
2.3.Alegerea tipului de cuplaj
3.Cuplaje permanente fixe și mobile utilizate în tehnica de apărare antiaeriană.Prezentarea algoritmilor de calcul din condiții de rezistență a acestor cuplaje
3.1. Cuplaje permanente fixe utilizate în tehnica de apărare antiaeriană
3.2. Cuplaje permanente mobile utilizate în tehnica de apărare antiaeriană
3.2.1. Structura cuplajelor cardanice
3.2.1.1. Articulații cardanice
3.2.1.2. Arbori cardanici
3.2.2. Cinematica cuplajelor cardanice
3.2.3. Calculul de rezistență al cuplajelor cardanice
3.2.4. Cuplaje cardanice utilizate în tehnica de apărare antiaeriană
4.Cuplaje intermitente utilizate în tehnica de apărare antiaeriană. Prezentarea algoritmilor de calcul din condiții de rezistență a acestor cuplaje
4.1. Structura cuplajelor intermitente rigide
4.2 Calculul de rezistență al cuplajelor intermitente rigide
4.3. Cuplaje intermitente rigide utilizate în tehnica de apărare antiaeriană
5.Studiu de caz privind implementarea unei noi variante constructive de cuplaj la un sistem tehnic de apărare antiaeriană
5.1.Implementarea variantei optime de cuplaj permanent fix
5.2.Implementarea variantei optime de cuplaj permanent mobil
CONCLUZII
BIBLIOGRAFIE
INTRODUCERE
Apariția în anul 1916, în structura armatei române a primelor entități specializate în lupta împotriva aeronavelor, a consemnat, în mod firesc apariția artileriei antiaeriene ca gen de armă de sine stătător, cu rol, misiuni și structură specifice. Evoluția de ansamblu a acestei arme se leagă incontestabil de folosirea în luptă a mijloacelor de atac din aer din ce în ce mai complexe și, implicit, de nevoia apărării împotriva acestora.
Bucurându-se de o istorie de aproape un secol de existență, arma ’artilerie antiaeriană’ a cunoscut o ascensiune foarte rapidă, materializată prin îmbogățirea continuă a caracteristicilor tehnico-tactice și a procedeelor de întrebuințare în luptă. Extinderea posibilităților de combatere și nimicire a mijloacelor adversarului aerian este reflectată prin evoluția tehnică pe cele două componente majore, respectiv evoluția sistemelor de comandă-control și cea a sistemelor de arme.
Pe lângă creșterea eficacității armamentului, caracteristicile de bază ale unui sistem modern de artilerie antiaeriană vizează și funcționarea optimă și îndelungată a acestuia precum și o simplitate constructivă și o fiabilitate mult mai ridicată.
Am ales o temă în domeniul analizei constructiv-funcționale a tehnicii militare, cu referire la cuplajele utilizate în construcția mecanismelor sistemelor tehnice de apărare antiaeriană. Funcționarea optimă și îndelungată a echipamentelor militare depinde în foarte mare măsura de alegerea corectă a cuplajelor întrebuințate. De asemenea, durabilitatea cuplajelor și felul în care influențează lanțul cinematic din care fac parte depinde de corectitudinea montării și amplasării pe arbori.
Lucrarea de licență este structurată în cinci capitole astfel: în primul capitol se prezintă sistematizarea cuplajelor precum și funcțiile pe care acestea le realizează în compunerea unui echipament militar, în al doilea capitol se identifică modalitatea în care de determină sarcina de calcul pentru cuplajele utilizate în tehnica militară, precum și modalitatea în care acestea se aleg și se încearcă pentru adoptarea soluțiilor constructive.
În capitolele trei și patru se prezintă algoritmii de calcul din condiții de rezistență pentru variantele constructive de cuplaje permanente fixe și mobile, respectiv cuplaje intermitente, utilizate în tehnica de apărare antiaeriană.
Lucrarea se încheia cu capitolul cinci, în care s-a efectuat o analiză pe baza unui criteriu stabilit inițial, în vederea implementării de noi variante constructive de cuplaje pentru două sisteme tehnice de artilerie antiaeriană din dotarea României (tunul antiaerian automat calibru 30mm, cu două țevi, tractat, echipat cu corector mecanic și tunul antiaerian automat calibru 57 mm S-60).
Dezvoltarea impetuoasă a tehnicii mondiale a condus la apariția unei mari varietăți de tipuri și soluții constructive de cuplaje, neexistând însă, până în prezent, criterii general valabile pentru optimizarea cuplajeor. Alegerea unui tip neadecvat de cuplaj, pentru un caz concret, poate chiar să dăuneze funcționării tehnicii militare respective.
1. FUNCȚIILE ȘI SISTEMATIZAREA CUPLAJELOR UTILIZATE ÎN CONSTRUCȚIA TEHNICII MILITARE
Cuplajele sunt organe de mașini care realizează legătura permanentă sau intermitentă dintre două elemente consecutive ale unui lanț cinematic în scopul transmiterii mișcării de rotație și momentului de torsiune, fără a fi modificată legea de mișcare. În general, un cuplaj este format din partea conducătoare, element de transmitere a momentului și partea condusă.
Parametrii caracteristici ai unei tipodimensiuni de cuplaj sunt: momentul de torsiune (indicat în standarde sau în documentația tehnică a firmei producătoare –corespunde valorilor maxime care pot fi preluate de cuplaj în regimul staționar de funcționare), viteza unghiulară limită, masa și momentul de inerție masic și cotele de gabarit și de legătură.
Conform fig.1.1., funcțiile simple îndeplinite de un cuplaj sunt [5]:
transmite mișcarea de rotație, respectiv momentul de torsiune;
comandă o mișcare;
limitează o forță sau un moment;
protejează împotriva vibrațiilor și șocurilor;
compensează erorile rezultate în urma montajului sau execuției;
permite montarea paralelă sau concurentă;
permite transmiterea unisens a mișcării.
Fig.1.1. Funcțiile simple îndeplinite de un cuplaj
Aceste funcții simple, ca elemente caracteristice de bază ale cuplajelor, determină o mare varietate de forme constructive de cuplaje. În principal, cuplajele pot fi mecanice, hidraulice și electromagnetice. O clasificare primară, tipologică [5], cuprinsă și în STAS 7082-64 este prezentată în fig.1.2..
Fig.1.2. Clasificarea cuplajelor
1.1.Cuplaje mecanice permanente
1.1.1.Cuplaje permanente fixe
Cuplajele permanente fixe realizează o legătură permanentă rigidă între doi arbori strict coaxiali, mișcarea independentă a acestora fiind imposibilă.
Din punct de vedere constructiv, acestea se caracterizează prin simplitate și robustețe, conferind legăturii dintre cei doi arbori o rigiditate mare. Prin urmare, șocurile și vibrațiile se transmit fără atenuare între elementul conducător și cel condus. În general, acestor cuplaje le sunt impuse condiții severe de aliniere, deorece imperfecțiunile de execuție și montaj au ca efect suprasolicitări în arbori și lagăre.
În tehnica militară, cuplajele permanente fixe sunt utilizate pentru transmiterea mișcării de rotație și a momentului de torsiune de la motorul electric de acționare la primul reductor din lanțurile cinematice de mișcare în înalțare și direcție ale tunurilor antiaeriene (fig.1.3.).
Fig.1.3. Schema de principiu privind rolul funcțional al unui cuplaj permanent fix
M.E.- motor electric; C.P.F.- cuplaj permanent fix; ,- reductoare
Cuplajele permanente fixe pot prelua atât momente de torsiune cât și momente încovoietoare. În scopul reducerii momentelor încovoietoare care acționeaza asupra acestora, se recomandă așezarea lor cât mai aproape de reazem.
În practică, există doua tipuri de cuplaje permanente fixe: cuplaje cu flanșe (fig.1.4.) și cuplaje cu manșon (fig.1.5.).
Cuplajul cu flanșe se utilizează pentru cuplarea a două capete de arbori coaxiali și constă din două semicuple identice ai căror butuci sunt prevăzuți cu flanșe frontale, îmbinate prin șuruburi de fixare montate fără joc sau cu joc. Acesta transmite momentul de torsiune prin frecarea dintre flanșe, în cazul montării cu joc a șuruburilor sau prin șuruburile de fixare, solicitate la forfecare, în cazul montării fără joc a acestora. Montarea fără joc a șuruburilor de fixare permite obținerea de dimensiuni de gabarit reduse, acest tip de cuplaj fiind mult mai răspândit [5].
Cuplajul cu manșon nedivizat (monobloc), format dintr-o bucșă montată pe capetele arborilor, se caracterizează prin simplitate constructivă și dimensiuni de gabarit, diametrale mici. Acesta transmite momentul de torsiune prin intermediul știfturilor, penelor paralele, penelor disc sau canelurilor [10].
Cuplajul cu manșon secționat are o întrebuințare limitată datorită dificultăților de echilibrare și necesității montării unei carcase de protecție. Acesta transmite momentul de torsiune prin intermediul forțelor de frecare care apar ca urmare a strângerii elementelor componente cu șuruburi [5]. Spre deosebire de cuplajul cu manșon-monobloc, acesta permite montarea și demontarea fără a fi necesară deplasarea arborilor.
Fig.1.4. Cuplaj cu flanșe Fig.1.5. Cuplaj cu manșon monobloc
1-semicuplaj; 2- șurub de păsuire; 3- piuliță cu știfturi crestate
1,2- arbori; 3- manșon; 4- știfturi
1.1.2. Cuplaje permanente mobile
Cuplajele permanente mobile realizează legătura dintre doi arbori a căror poziție relativă este, în general, variabilă. Cuplajele permanente mobile cu elemente intermediare (rigide sau elastice) permit atât compensarea abaterilor pozițiilor arborilor (axiale (fig. 1.6, a), radiale (fig. 1.6, b), unghiulare (fig. 1.6, c), combinate (fig. 1.6, d)), cât și montarea paralelă sau concurentă a arborilor. Cuplajele permanente mobile se preferă în exploatare deoarece nu impun centrarea perfectă a arborilor ce se cuplează și oferă siguranță în exploatare.
1.1.2.1.Cuplaje permanente mobile cu elemente intermediare rigide
Cuplajele permanente mobile cu elemente intermediare rigide permit transmiterea mișcării de rotație între arbori a căror coaxialitate variază la montaj sau determinate de condițiile funcționării, datorită modificării poziției relative a elementelor legate prin cuplaj. Poziția relativă a arborilor cuplați determină și clasificarea acestor cuplaje în: axiale, radiale, unghiulare și combinate.
Cuplajele pentru compensări axiale se utilizează în cazul a doi arbori coaxiali a căror poziție relativă axială este variabilă. Variantele constructive existente în practică sunt: cuplajul cu o singură gheară (cuplajul cu știft (fig.1.7.)), utilizat pentru transmiterea momentelor mici de torsiune și pentru compensarea deformațiilor termice și cuplajul cu gheare (fig.1.8.), utilizat pentru compensarea variației lungimii arborilor, produsă de variația de temperatură și transmiterea momentelor mari de torsiune [5].
-poziția de referință a arborilor pentru cuplare
-abateri axiale ale arborilor pentru cuplare
-abateri radiale ale arborilor pentru cuplare
-abateri unghiulare ale arborilor pentru cuplare
este, în general, variabilă. Cuplajele permanente mobile cu elemente intermediare (rigide sau elastice) permit atât compensarea abaterilor pozițiilor arborilor (axiale (fig. 1.6, a), radiale (fig. 1.6, b), unghiulare (fig. 1.6, c), combinate (fig. 1.6, d)), cât și montarea paralelă sau concurentă a arborilor. Cuplajele permanente mobile se preferă în exploatare deoarece nu impun centrarea perfectă a arborilor ce se cuplează și oferă siguranță în exploatare.
1.1.2.1.Cuplaje permanente mobile cu elemente intermediare rigide
Cuplajele permanente mobile cu elemente intermediare rigide permit transmiterea mișcării de rotație între arbori a căror coaxialitate variază la montaj sau determinate de condițiile funcționării, datorită modificării poziției relative a elementelor legate prin cuplaj. Poziția relativă a arborilor cuplați determină și clasificarea acestor cuplaje în: axiale, radiale, unghiulare și combinate.
Cuplajele pentru compensări axiale se utilizează în cazul a doi arbori coaxiali a căror poziție relativă axială este variabilă. Variantele constructive existente în practică sunt: cuplajul cu o singură gheară (cuplajul cu știft (fig.1.7.)), utilizat pentru transmiterea momentelor mici de torsiune și pentru compensarea deformațiilor termice și cuplajul cu gheare (fig.1.8.), utilizat pentru compensarea variației lungimii arborilor, produsă de variația de temperatură și transmiterea momentelor mari de torsiune [5].
-poziția de referință a arborilor pentru cuplare
-abateri axiale ale arborilor pentru cuplare
-abateri radiale ale arborilor pentru cuplare
-abateri unghiulare ale arborilor pentru cuplare
-abateri combinate ale arborilor pentru cuplare
(radiale și unghiulare)
Fig.1.6. Abateri poziționale ale arborilor cuplați
Fig.1.7. Cuplaj cu știfturi
Fig.1.8. Cuplaj cu gheare
Cuplajele radiale (transversale) transmit mișcarea de rotație între arborii montați paralel. Cuplajele pentru compensări radiale se utilizează atunci când între cei doi arbori, în timpul funcționării, apar abateri radiale de poziție, axele arborilor rămânând tot timpul paralele.
Cea mai răspândită variantă o constituie cuplajul cu disc intermediar mobil Oldham (fig.1.9.), datorită simplității constructive și structurale. Cuplajul Oldham, prezent în diferite variante constructive este utilizat pentru transmiterea sarcinilor mari și foarte mari. Cuplajele pentru compensări unghiulare permit transmiterea mișcării și a momentului de torsiune între doi arbori concurenți, a căror poziție relativă poate fi și variabilă. La baza utilizării acestui tip de cuplaj stă cuplajul cardanic (fig.1.10.). În funcție de numărul cuplajelor și de modul de montare, înserierea mai multor cuplaje cardanice asigură transmiterea sincronă a mișcării de rotație [5].
Fig.1.9. Cuplaj Oldham Fig. 1.10. Schema cinematică a unui
1, 1’-arbori; 2,2’- pene paralele; cuplaj cardanic
3,3’-semicuple; 4-bucșă de centrare 1 – arbore motor; 2 – cruce; 3 – arbore condus
Cuplaje pentru compensarea abaterilor combinate se utilizează în cazul în care, în timpul funcționării transmisiei apar abateri combinate între arborii ce trebuie legați într-un cuplaj.
1.1.2.2. Cuplaje permanente mobile cu elemente intermediare elastice
Cuplajele permanente mobile cu elemente intermediare elastice (denumite uzual și cuplaje elastice), permit compensarea abaterilor de dispunere a arborilor cuplați, asigurând totodată și amortizarea șocurilor și oscilațiilor la răsucire. Principalele funcții ale acestor cuplaje sunt: de a atenua șocurile torsionale, de a limita vibrațiile nocive, de rezonanță și sunt mai puțin sensibile la erori de aliniere a arborilor.
Cuplajele elastice pot fi de două feluri: cuplaje elastice cu elemente intermediare metalice și cuplaje elastice cu elemente intermediare nemetalice. Comparativ cu cele nemetalice, elementele metalice sunt sunt mai durabile, permițând astfel realizarea cuplajelor cu gabarit mic și cu capacitate mare de încărcare.
La cuplajele permanente mobile elastice cu elemente elastice metalice, caracteristica elastică a cuplajelor poate fi liniară sau progresivă, după cum rigiditatea arcurilor este constantă sau variabilă. Mobilitatea legăturii între semicuplaje se obține prin deformarea unor grupuri de arcuri metalice dispuse coaxial față de arbori, radial, axial sau tangențial în raport cu semicuplajele.
Spre exemplificare, dintre variantele constructive ale cuplajelor elastice cu elemente metalice, fac parte: cuplajul cu arcuri-bară Forst, cuplajul cu bare de torsiune Voith-Maurer, cuplajul cu arc șerpuit Bibby, cuplajul cu arcuri elicoidale Cardflex (fig.1.11. ) și cuplajul cu arcuri lamelare Elcard [5].
La cuplajele elastice cu elemente intermediare nemetalice, elementul elastic principal îl constituie cauciucul sintetic vulcanizat, cu sau făra inserții metalice, care îi conferă cuplajului următoarele avantaje: elasticitate și capacitate de amortizare mare, deoarece cauciucul are propitatea de a acumula prin deformare o cantitate mare de energie, simplitate constructivă, cost scăzut și insensibilitate totală la acțiunea uleiurilor minerale și la variațiile de temperatură. Arcurile se caracterizează prin: simplitate, capacitate ridicată de înmagazinare a energiei de deformație, amortizare superioară, volum minim și calități de izolare electrică. Au însă o durabilitate și o rezistență mai scăzută, din care cauză se utilizează, de regulă, pentru momente de torsiune mici.
Spre exemplificare, dintre variantele constructive ale cuplajelor elastice cu elemente intermediare nemetalice fac parte: cuplajul elastic cu bolțuri (fig.1.12.), cuplajul elastic cu rozetă, cuplajul elastic cu prisme, cuplajul elastic cu disc frontal, cuplajul elastic cu lamele și cuplajul elastic cu elemente solicitate la torsiune și cuplajul cu bandaj de cauciuc [5].
Fig. 1.11. Cuplaj cu arcuri elicoidale Cardflex Fig.1.12. Cuplaj elastic cu bolțuri
1,4- semicuplaje; 2-șurub special; 4- segmenți 1,4-semicuplaje; 2- bolțuri; 3-manșon de cauciuc
1.2. Cuplaje mecanice intermitente
Cuplajele intermitente se utilizează pentru cuplarea sau decuplarea arborilor fără oprirea arborelui motor. Pentru buna funcționare a acestor tipuri de cuplaje se impun a fi indeplinite următoarele condiții: siguranța cuplări, cuplare și decuplare rapidă cu încălzire și uzură redusă, cuplare fără șocuri, reglare simplă și comandă ușoară. Cuplajele intermitente se clasifică în: cuplaje intermitente comandate și cuplaje intermitente automate.
1.2.1.Cuplaje intermitente comandate
Cuplajele intermitente comandate se utilizează în general unde sunt necesare cuplări și decuplări repetate, modificarea regimurilor de funcționare și schimbarea sensului de mișcare. Din grupa cuplajelor intermitente comandate fac parte cuplajele cu craboți și dinți (cuplaje intermitente rigide) și cuplajele cu fricțiune (ambreiajele). Cuplajele intermitente rigide se utilizează la transmiterea de momente mari în condițiile unor regimuri de cuplări rare, când nu este necesară o cuplare lină. Un dezavantaj al utilizării cuplajelor intermitente rigide îl constituie faptul că se folosesc doar la arbori cu turații reduse, deoarece nu au în construcția lor elemente elastice pentru amortizarea șocurilor și vibrațiilor. Cuplajele intermitente cu craboți se utilizează frecvent la cuplarea unui arbore cu o roată (dințată, de curea) și mai rar la cuplarea a doi arbori.
Cuplajele intermitente cu fricțiune asigură cuplarea și decuplarea lină, fără șocuri a doi arbori sub sarcină la orice turație. Acestea transmit puterea de la un arbore la altul datorită frecării ce se produce între două sau mai multe discuri montate pe arborele condus și cel conducător. Avantajul principal îl constituie faptul că acestea permit schimbarea vitezelor și a sensului de rotație în timpul mișcării elementelor componente, iar dezavantajul principal al unui astfel de cuplaj este legat de uzura elementelor de frecare și încălzirea cuplajului datorită frecării.
Principalele sisteme de acționare ale ambreiajelor automate sunt: acționare mecanică-prin pârghii, acționare electromagnetică-prin intermediul forțelor de interacțiune electromagnetice, acționare hidrostatică- prin intermediul unui fluid și acționare pneumatică [5].
1.2.2.Cuplaje intermitente automate
Cuplajele intermitente automate realizează cuplarea sau decuplarea automată a elementului condus în funcție de sensul de rotație, valoarea vitezei unghiulare sau valoarea momentului de torsiune transmis, toți fiind parametrii impuși lanțului cinematic.
Există, în practică trei tipuri de cuplaje intermitente automate: centrifugale, unisens și de siguranță. Cuplajele de siguranță (sau limitative), se utilizează pentru întreruperea automată a legăturii dintre arborii cuplați, în cazul apariției suprasarcinilor. După principiul de funcționare, acestea se împart în: cuplaje limitative cu element de rupere și cuplaje limitative cu fricțiune.
Cu ajutorul cuplajelor unisens (fig.1.13.) [1] , momentul de torsiune se transmite într-un singur sens, iar dacă turația elementului conducător e mai mică decât a elementului condus, au avantajul ca se decuplaeză automat. Cuplajele centrifugale utilizează acțiunea forței centrifuge pentru a realiza cuplarea sau decuplarea arborilor la o valoare stabilită a turației de funcționare. Din punct de vedere constructiv, se deosebesc: ambreiaje centrifugale cu saboți (fig.1.14.) și ambreiaje centrifugale cu materiale de umplere [1].
Fig.1.13. Cuplaj unisens
1- carcasă; 2- stea; 3 -rolă; 4-furcă cu gheare
Fig.1.14. Cuplaj centrifugal cu saboți
1-partea condusă (rotor); 2- saboți; 3- partea conducătoare (rotor); 4-rulment radial cu bile;
5- material de fricțiune; 6- palete
2. IDENTIFICAREA ȘI DETERMINAREA SARCINII DE CALCUL PENTRU CUPLAJELE UTILIZATE ÎN TEHNICA MILITARĂ
2.1. Determinarea sarcinii de calcul a cuplajelor
Sarcinile care acționează asupra elementelor constructive ale cuplajelor sunt [5]: momentul nominal de torsiune, sarcinile de inerție, sarcinile de șoc și vibratorii, sarcinile datorate deformării forțate a elementelor constructive ale cuplajelor și sarcinile datorate frecării reciproce a elementelor mobile ale cuplajelor. Mărimea acestor sarcini depinde de tipul motorului de acționare si al carecteristicii sale mecanice, construcția sarcinii antrenate și de regimul de lucru.
Momentul de torsiune transmis constituie caracteristica principală a cuplajelor. În general, acesta este o funcție care variază în timp și reprezintă variația momentului de torsiune rezultată din posibilitatea funcționării sistemului de antrenare în diferite regimuri de lucru [5] (șoc de pornire, trecerea prin zona de rezonanță, funcționare continuă sau oprire).
Momentul nominal de torsiune, notat cu se consideră cel mai mare moment mediu care apare în regim staționar de funcționare continuă sau intermitentă și este definit prin relația (2.1.) [5], unde: P reprezintă puterea și n reprezintă turația motorului electric.
(2.1.)
Momentele de torsiune de calcul, notate cu se determină cu relația (2.2.), în care Ks reprezintă coeficientul de siguranță, determinat în funcție de tipul mașinii motoare și al cuplajului și de tipul și regimul de funcționare al mașinii antrenate.
(2.2.)
Valorile pentru coeficientul de siguranță pot fi găsite în STAS 6589-74, 769-73, 870-73 și 5982-78. Valorile orientative ale coeficientului de siguranță se aleg în felul următor:
– pentru cuplajele permanente fixe și pentru cuplajele de siguranță, din tabelul 2.1. [5];
– pentru cuplajele dințate, elastice și cele intermitente cu fricțiune, se recomandă relația (2.3.), [5] unde: K1 reprezintă coeficientul care depinde de mașina motoare și de mașina antrenată, K2 reprezintă coeficientul care depinde de regimul zilnic de funcționare al mașinii antrenate și K3 reprezintă coeficientul care depinde de frecvența cuplărilor pe oră a mașinii antrenate. Valorile acestor coeficienți sunt redate în tabelele 2.2., 2.3., și 2.4. [5]
(2.3.)
Pentru alegerea cuplajelor, este necesar să se urmărească etapele prezentate în diagrama bloc din figura 2.1. Datele inițiale ale sistemului se aleg în funcție de următoarele condiții concrete de lucru: viteza minimă și maximă de lucru, puterea sau momentul de torsiune de calcul, tipul mașinii motoare, tipul mașinii antrenate, tipul sarcinii, durata de funcționare în 24 de ore, poziția arborilor ce vor fi cuplați, temperatură.
Fig.2.1. Schema de lucru
Tabelul 2.1. Valorile orientative ale coeficientului de siguranță pentru cuplajele permanente
Tabelul 2.2. Valorile coeficientului parțial de siguranță K2
Tabelul 2.3. Valorile coeficientului parțial de siguranță K3
Tabelul.2.4. Valorile coeficientului parțial de siguranță K1
2.2. Încercarea cuplajelor
Încercarea cuplajelor urmărește determinarea performanțelor capabile ale soluțiilor constructive încercate. În general, rezultatul încercării cuplajelor confirmă sau infirmă viabilitatea rezolvărilor constructive și tehnologice adoptate, evidențiind deficiențele și sugerând direcțiile de cercetare ulterioară.
În figura 2.2. este prezentată o clasificare a încercării cuplajelor.
Fig 2.2. Clasificarea încercărilor cuplajelor
Încercarea de performanță urmărește determinarea caracteristicilor funcționale capabile ale cuplajului în cazul în care parametrii de solicitare se mențin în limitele admise prin tema de proiectare.
Încercarea de rezistență stabilește cum se comportă cuplajul la creșterea parametrilor de solicitare până la limita rezistenței acestuia.
Încercarea de durabilitate sau de rezistență în timp urmărește cum se comportă cuplajul la o solicitare de durată, fără ca parametrii de solicitare să depășească limitele admisibile, aceștia variind însă analog modului real de funcționare în exploatare. Stabilirea încercării la durabilitate permite determinarea repartiției statistice a duratei de viață a cuplajelor, adică deducerea fiabilității acestora.
Succesiunea etapelor care trebuiesc parcurse pentru cele trei tipuri de încercări sunt redate în figura 2.3. [5].
Fig.2.3. Etapele generale pentru încercările cuplajelor
1) Încercările cuplajelor permanente mobile stabilesc modul în care acestea își îndeplinesc funcția de transmitere sincronă a mișcării, în condițiile existenței abaterilor poziționale ale capetelor arborilor cuplați.
Pentru aprecierea performanțelor unui cuplaj permanent fix este necesară o încercare dinamică , de durată. Pentru aceasta, se verifică funcționarea cuplajului la diverse regimuri de turație și solicitare, utilizând instalații de tipul cu circuit energetic închis.
De exemplu, pe instalația complexă pentru încercări dinamice [5], prezentată în figura 2.4., se pot încerca diferite tipuri de cuplaje permanente mobile. Motorul de curent continuu-1 pune în mișcare circuitul închis format din sistemul de încărcare-2, cuplajul de încercat-3, reductoarele-4, arborele de închidere-5 și cupla torsiometrică-6. Motorul-7 este alimentat de la sursa-7, obținându-se turații variabile. Sistemul de încărcare-2, acționat hidraulic, este alimentat de la agregatul hidraulic-9 (compus din rezervor, pompă, filter, supape de siguranță, instalație de racire), prin servoventilul-10.
Semnalele colectate de la cupla torsiometrică-6 și de la traductorul de unghi de torsiune sunt trecute prin amplificatoarele de măsură-11 și aplicate regulatorului de moment-12 al instalației. Turația măsurată de tahogeneratorul-8 constituie un semnal de intrare pentru regulatorul de turație-13, celălalt semnal fiind generat de unul dintre dispozitivele de comandă: 14-cititor de bandă perforată, 15-calculator, 16-generator de funcții sau 17-cititor de bandă magnetică.
Pentru încercarea cuplajelor permanente în condiții de compensare a abaterilor poziționale este necesar ca unul dintre reductoarele-4 să poată fi deplasat corespunzător și arborele-5 să permită aceste deplasări.
Fig.2.4. Instalația complexă pentru încercări dinamice ale cuplajelor permanente mobile
1-motor de current continuu; 2-sistem de încărcare; 3-cuplaj de încercat; 4-reductoare; 5-arbore de închidere; 6-cuplă torsiometrică; 7-motor și sursă; 8-tahogenerator; 9-agregat hidraulic; 10-servoventil; 11-amplificatoare de măsură; 12-regulator de moment; 13-regulator de turație; 14-cititor de bandă perforată; 15-calculator; 16-generator de funcții; 17-cititor de bandă magnetică
La instalația din figura 2.4., datorită elasticității relativ mari a elementelor circuitului închis, frecvența proprie a sistemului este mică la oscilații torsionale, variația turației ducând la parcurgerea domeniului de rezonanță, ceea ce modifică regimul de încercare preconizat.
Pentru înlăturarea acestui fenomen, se utilizează o instalație cu circuit închis de tip coaxial [5], prezentată în figura 2.5.. Aceasta prezintă o mare rigiditate, frecvență proprie foarte ridicată situată în afara domeniului de funcționare. Instalația cuprinde: motorul de curent continuu-1, carcasa rotitoare-2, cilindrul de încărcare-3, cupla torsiometrică-4, arborele de legătură-5, care se rotește odată cu carcasa, putând oscila față de poziția coaxială cu aceasta, fiind acționat de cilindrul hidraulic liniar-6. Carcasa-2 se rotește pe suportul fix-7, datorită montării sale pe rulmenți. Cu ajutorul acestei instalații se pot efectua cercetări ale performanțelor și durabilitătii cuplajului, în orice regim de funcționare.
Fig.2.5. Instalația cu circuit închis de tip coaxial
1-motor de curent continuu; 2-carcasă rotitoare; 3-cilindru de încărcare;
4-cuplă torsiometrică; 5-arbore de legătură; 6-cilindru hidraulic liniar; 7-suport fix
2) Încercarea cuplajelor intermitente trebuie să rezolve testarea comportării tuturor elementelor componente, precum și a ansamblului cuplajului. În principiu, se urmărește determinarea valorii coeficientului de frecare, a rezistenței la uzură și a capacității de rezistență la temperatură, funcție de diverși parametrii funcționali, cum ar fi: viteză relativă, presiune, temperatură ambiantă, etc.
Instalațiile utilizate pentru aceasta funcționează pe pricipiul tribometrului, prezentat în figura 2.6. [5]. Motorul-1, împreună cu variatorul-2, constituie grupul de acționare care antrenează cu turație variabilă arborele-3, ce pune în mișcare discul canelat interior. Asupra acestuia este presat, prin placa de presiune-4, discul canelat exterior, care este fixat împotriva rotirii, în carcasa băii de ulei-5. Forța de apăsare dintre elementele de fricțiune se poate regla prin sistemul de încărcare-6, acesta putând modela o sarcină pulsatorie prin acțiunea camei-7. Momentul de torsiune transmis prin frecarea dintre cele două discuri, se poate măsura tensometric prin lamela elastică-8, ce leagă baia de ulei de suportul fix. Valoarea momentului este sesizată la puntea tensometrică-9, iar turația, cu ajutorul tahogeneratorului-10, la frecvențmetrul numeric-11.
Fig.2.6. Instalația pentru încercarea cuplajelor intermitente
1-motor; 2-variator; 3-arbore; 4-placă de presiune; 5-carcasa băii de ulei; 6- sistem de încărcare; 7-camă; 8-lamelă elastică; 9-punte tensometrică; 10-tahogenerator; 11-frecvențmetru numeric
Caracteristica mecanică a cuplajelor cu fricțiune se determină pe o instalație de tipul celei prezentate în figura 2.7., în care: 1-motor de acționare, 2-variator, 3-reductor conico-cilindric, 4.cuplajul încercat, 5-sistem de măsurare a momentului transmis.
Caracteristica electrică a cuplajului acționat electromagnetic, se determină prin modificarea curentului de excitație.
Momentul rezidual al cuplajului cu fricțiune se determină pe instalația prezentată în figura 2.8. [5], în care: motorul de curent continuu-1 antrenează semicuplajul conducător la turații variabile, înregistrate prin traductorul fotoelectric-2 la frecvențmetrul numeric-3. Cuplajul este amplasat în cutia de încercare-4, care este conectată la sistemul hidraulic-5, ce poate modifica condițiile funcționale. Dispozitivul de comandă-6 permite alimentarea la diverși parametri a bobinei de excitație a cuplajului, traductorul tensometric-7, prin puntea-8 și aparatul de înregistrare-9 , servind la măsurarea momentului rezidual al cuplajului.
Pentru simularea tuturor situațiilor funcționale și determinarea influenței acestora asupra caracteristicii menționate, instalația își poate modifica poziția față de cea orizontală prin dispozitivul de rotire-10.
Încercarea dinamică complexă a cuplajelor intermitente impune solicitarea acestora în condiții cât mai apropiate de cele reale. Durabilitatea acestor cuplaje se determină prin repetarea încercărilor pâna la 60 000 cicluri. Instalațiile utilizate în acest scop funcționează pe principiul circuitului energetic deschis, în care sistemul de încărcare simulează sarcinile inerțiale și momentele rezistente care solicită transmisiile echipate cu astfel de cuplaje.
Fig.2.7. Instalația pentru determinarea caracteristicii mecanice a cuplajelor intermitente
1-motor de acționare; 2-variator; 3-reductor conico-cilindric;
4-cuplaj încercat; 5-sistem de măsurare a momentului transmis
Fig.2.8. Instalația pentru determinarea momentului rezidual al cuplajelor intermitente
1-motor de curent continuu; 2-traductor fotoelectric; 3-frecvențmetru numeric;
4-cutie de încercare; 5-sistem hidraulic; 6-dispozitiv de comandă;
7-traductor tensometric; 8-punte; 9-aparat de înregistrare; 10-dispozitiv de rotire
2.3. Alegerea tipului de cuplaj
Implementarea unui cuplaj într-o transmisie mecanică constituie o problemă deosebit de importantă, datorită condițiilor multiple care trebuie asigurate de cuplaj, a influenței pe care o exercită cuplajul asupra transmisiei în care este montat și a existenței unei multitudini de soluții constructive, uneori cu caracteristici asemănătoare, care pot satisface, integral sau parțial condițiile impuse de proiectare.
Existența unei multitudini de condiții ce pot fi impuse în proiectarea unei transmisii echipate cu cuplaje, precum și dezvoltarea tehnologiei, fac nerațională elaborarea de către specialiști a unor delimitări stricte a domeniilor de aplicabilitate a unui anumit tip de cuplaj. Astfel, alegerea variantei optime de cuplaj pentru o anumită transmisie impune doar analizarea acestora în scopul departajării celor cu caracteristici apropiate.
În vederea alegerii tipului necesar de cuplaj, se impune precizarea unor date inițiale de proiectare referitoare la caracteristicile mișcării transmise de cuplaj și informații despre părțile componente ale transmisiei legate prin cuplaj. Aceste date, esențiale în stabilirea tipodimensiunii cuplajului sunt [5]:
momentul de torsiune care trebuie transmis de cuplaj, valorile maxime estimate, precum și variația acestuia în diverse regimuri de funcționare;
domeniul de variație al turației arborilor cuplați;
poziția relativă a arborilor: la montaj și în funcționare;
caracteristicile mecanice și funcționale ale celor două părți ale transmisiei, legate prin cuplaj: momentele de inerție ale fiecăreia, reduse la arborele cuplajului și modul de variație al vitezei unghiulare pentru cei doi arbori;
condiții de funcționare: mediul ambiant, durata de funcționare;
caracterul necesar al legăturii realizate de cuplaj: permanentă sau intermitentă;
posibilitățile de legare a cuplajului cu arborii transmisiei: prin pene, caneluri, flanșe, etc.
dimensiunile de gabarit maxim admise pentru cuplaj.
Un criteriu foarte important în stabilirea variantei optime de cuplaj îl constituie funcțiile cuplajelor, definite în capitolul 1. Acest criteriu delimitează cu ușurință tipurile de cuplaje care satisfac condițiile impuse prin proiectare.
Numărul de tipuri de cuplaje adecvate unei anumite transmisii se poate restrânge utilizând criterii suplimentare menite să asigure respectarea datelor de proiectare impuse [5], cum ar fi:
1.Criteriul condițiilor de utilizare, cu ajutorul căruia se identifică în mare măsură caracteristicile tipului de cuplaj cu condițiile impuse cuplajului de funcționarea ansamblului transmisiei, având în vedere următoarele:
1.1.Asigurarea caracterului legăturii impuse de transmisie: rigidă sau elastică;
1.2.Asigurarea unui ansamblu echilibrat dinamic;
1.3.Evitarea încărcării axiale suplimentare sau exagerate a arborilor;
1.4.Funcționarea în regim de avarie (la cuplajele cu n elemente de transmitere a mișcării, funcționarea este posibilă cu n-1 elemente);
1.5.Asigurarea unor caracteristici funcționale care pot fi modificate în timp (modificarea caracteristicii elastice, modificarea mărimii caracteristicilor limitate de cuplaj, etc.);
1.6.Asigurarea funcționării fără uzură sau cu uzură minimă;
2.Criteriul condițiilor de montaj, care definește condițiile impuse cuplajului adoptat pentru a corespunde posibilităților de montare în cadrul transmisiei și anume:
2.1.Dispunerea cuplajului în cadrul transmisiei (în interior sau în exterior);
2.2.Caracteristicile mediului ambiant: temperatură, agresivitate,etc.);
2.3.Poziția arborilor cuplajului (verticali, orizontali, înclinați);
2.4.Posibilitățile de fixare în raport cu arborii cuplați (cu pene, caneluri, flanșe, etc.);
2.5.Dimensiunile de gabarit maxime admise;
2.6.Accesibilitatea la montare și demontare, montare și demontare rapidă, montare și demontare cu sau fără deplasarea axială a arborilor cuplați;
2.7.Înlocuirea rapidă a cuplajului demontat sau deteriorat;
3.Criteriul condițiilor de exploatare-întreținere, care permite analizarea comparativă a variantelor de cuplaje care satisfac criteriile anterioare și anume:
3.1.Accesibilitatea pentru verificare și întreținere;
3.2.Menținerea (reglarea) controlată a proprietăților cuplajului după operațiile de înlocuire a elementelor uzate sau avariate;
3.3.Ireversibilitate la calitatea lubrifiantului;
4.Criteriul condițiilor speciale, impuse de de natura transmisiei și anume:
4.1.Decuplare rapidă, în funcționare sau în repaus;
4.2.Posibilități de telecomandă;
4.3.Izolare electrică între elementele cuplate;
5.Criteriul comportării sistemelor echipate cu cuplaje, în regim tranzitoriu de funcționare, care stabilește dacă utilizarea unui anumit cuplaj asigură funcționarea transmisiei în regimuri depărtate de regimul de rezonanță;
6.Crieteriul economic, cu ajutorul căruia se apreciază comparativ soluțiile constructive rezultate prin evaluarea:
costului diverselor tipuri constructive;
costului raportat la fiabilitatea cuplajului;
costul operațiilor de întreținere, exploatare.
Alegerea variantei oprime de cuplaj pentru o transmisie devine o operție relativ simplă, cu condiția cunoașterii cerințelor impuse cuplajului de funcționarea transmisiei în care se montează și a caracteristicilor proprii fiecărui tip de cuplaj. În aceste condiții, alegerea cuplajului se reduce la depistarea variantei ale cărei caracteristici se suprapun, integral, sau pe cât posibil maxim, cu condițiile impuse de funcționarea corectă și sigură a sistemului mecanic echipat cu cuplaje.
În figura 2.9. se prezintă schema logică a programului de alegere a unui anumit tip de cuplaj, în condițiile unui sistem mecanic concret, utilizând sistemul om- mașină de calcul, respectiv dialogul cu calculatorul [5].
Fig.2.9. Schema logică pentru alegerea cuplajului
3. CUPLAJE PERMANENTE FIXE ȘI MOBILE UTILIZATE ÎN TEHNICA DE APĂRARE ANTIAERIANĂ. ALGORITMUL DE CALCUL DIN CONDIȚII DE REZISTENȚĂ
3.1. Cuplaje permanente fixe utilizate în tehnica de apărare antiaeriană
Din analiza structurii și cinematicii mecanismelor utilizate în construcția lanțurilor cinematice ale tehnicii militare de apărare antiaeriană, au rezultat numeroase aplicații tehnice de utilizare a cuplajelor.
Pentru acționarea electrică a mecanismelor de mișcare în înălțare și în direcție la tunurile antiaeriene din dotarea armatei României (tunul antiaerian automat calibru 30mm, cu două țevi, tractat, echipat cu corector mecanic, tunul antiaerian automat calibru 57 mm S-60), motoarele electrice sunt legate de transmisiile mecanice aferente mecanismelor de mai sus enumerate, prin cuplaje permanente fixe. Astfel, arborii motoarelor electrice utilizați în construcția mecanismelor de mișcare în înălțare la tunul antiaerian automat calibru 57 mm S-60 sunt legați la transmisie printr-un cuplaj permanent fix de tipul manșon monobloc, în varianta cu caneluri (fig.3.1.) [13].
Cuplajul permanent fix cu caneluri (fig.3.2.) se dimensionează funcție de parametrii funcționali ai motorului electric (puterea motorului, turația motorului, regimul de funcționare), conform relației (3.1.), unde -momentul de torsiune capabil, – raza medie a asamblării canelate, L- lungimea manșonului cuplajului, -rezistența admisibilă la strivire iar , momentul de torsiune de calcul care se determină conform relației (2.2.).
(3.1.)
Rezultă relația (3.2.), unde se adoptă pentru valoarea conform Tabelului 2.1.
(3.2.)
Relația (3.1.) se utilizează pentru calculele de verificare a rezistenței cuplajului. Pentru dimensionarea propriu-zisă, se determină lungimea asamblării canelate, conform relației (3.3.) [5].
(3.3)
Se recomandă , și [5] .
Fig.3.1. Secțiune intrare în transmisia de mișcare în înălțare la
tunul antiaerian automat calibru 57 mm S-60
1-motor electric; 2-arbore motor electric; 3-manșon cuplaj;
4-știft crestat filetat; 5-arbore intrare- reductor cilindric vertical
Fig.3.2. Cuplaj permanent cu caneluri Fig.3.3. Cuplaj permanent monobloc
cu știfturi conice
Varianta constructivă de cuplaj permanent fix monobloc cu știfturi conice (fig.3.3.) este utilizată în tehnica militară la tunul antiaerian automat calibru 30mm, cu două țevi, tractat, echipat cu corector mecanic, pentru asigurarea legăturii dintre reductorul conic și cel melcat la mecanismul de mișcare în înălțare (fig.3.4.).
Fig.3.4. Secțiune intrare în reductorul melcat
1-arbore intrare; 2- manșon cilindric; 3- știft conic; 4- bolț; 5- manșon canelat
Relația de calcul pentru un cuplaj permanent fix monobloc cu știfturi conice, este dată de relația (3.4.), unde – momentul de torsiune capabil, d- diametrul arborelui, -diametrul rolei, – rezistența admisibilă la forfecare iar – momentul de torsiune de calcul care se determină conform relației (2.2.).
(3.4.)
Pentru dimensionarea propriu-zisă, se verifică știfturile cuplajului, conform relației (3.5.) [5].
(3.5.)
Se recomandă , și . [5]
3.2. Cuplaje permanente mobile utilizate în tehnica de apărare antiaeriană
3.2.1. Structura cuplajelor cardanice
Cuplajele cardanice au apărut din necesitatea de a transmite la distanță, prin mișcarea de rotație, energia mecanică între diferite organe de mașini care au o poziție relativă variabilă. Cuplajul cardanic se utilizează pentru cuplarea a doi arbori concurenți. În figura fig.3.5. este prezentat un cuplaj bicardanic cu elementele constructive componente specifice.
Utilizarea cuplajelor cardanice este limitată, fiind un mecanism asincron, caracter pus în evidență de variația vitezei unghiulare a arborelui condus, chiar dacă viteza unghiulară a arborelui conducător este constantă.
Fig.3.5. Cuplaj cardanic
1-element intermediar; 2-cruce dreapta; 3-furcă dreapta;
4- articulație dreapta; 5-articulație stânga; 6-furcă stânga
Unghiul α dintre axele arborilor (fig.3.6.) de obicei este limitat la α = 20° – 25°, iar cand cuplajul lucrează la turații mici, α nu va depăși α =45°. Există în practică o multitudine de solutii constructive cu elemente articulate sau de rulare. În fig.3.6. este prezentat un cuplaj format din furcile 1 și 2 și din crucea 3, iar în fig.3.7. crucea este înlocuită prin nuca 3.
Fig.3.6. Cuplaj cardanic cu cruce cardanică
1, 2- furci; 3- cruce cardanică
Fig.3.7. Cuplaj cardanic cu nucă cardanică
1,2- furci; 3- nucă cardanică
Clasificarea cuplajelor cardanice se poate obține în funcție de următoarele criterii:
1. După legea de transmitere a mișcării, pot fi:
– cuplaje cardanice asincrone;
– cuplaje cardanice sincrone;
2. După funcție sau scop, pot fi:
– cuplaje de forță sau de comandă;
– cuplaje extensibile și inextensibile;
3. După poziția relativă a arborilor, pot fi:
– cuplaje cu configurație plană și spațială;
– cu poziție relativă invariabilă sau variabilă;
4. După numărul articulațiilor, pot fi:
– cuplaje bicardanice;
– cuplaje tricardanice;
– cuplaje tetracardanice, etc.
Cerințele generale ce trebuie îndeplinite de un cuplaj cardanic sunt:
1) transmiterea mișcării să fie sincronă;
2) să asigure compensările necesare, precum și amortizarea vibrațiilor;
3) sa atenueze solicitările dinamice și să reducă la minimum solicitările parazite;
4) să asigure unghiurile corespunzătoare între cele două axe ale arborilor;
5) să asigure o durabilitate mare și un randament cât mai mare;
6) să aibe o construcție simplă, economică și să prezinte siguranță ridicată în exploatare;
7) să asigure o montare și o demontare cât mai ușoare și să aibe piese ușor de înlocuit;
8) să fie ușor de întreținut;
9) să aibe tehnologie de execuție cât mai simplă.
3.2.1.1. Articulații cardanice
Articulațiile cardanice sunt cuplele cinematice în care sunt posibile numai mișcări relative de rotație. În funcție de numărul posibil de mișcări de rotație, articulațiile pot fi: monoaxiale, biaxiale sau triaxiale. Când mișcarea de rotație se poate transmite printr-o articulație biaxială, apare denumirea de articulație universală. Articulațiile universale se clasifică în funcție de cinematica și construcția acestora.
În industria tehnică, datorită tendinței de dezvoltare a economiei, articulațiile cardanice
se întâlnesc sub forme din ce în ce mai variate, după cum se vor prezenta în continuare.
Articulațiile cardanice în cruce (fig.3.8.) [8] sunt cele în care elementul intermediar are forma unei cruci cu brațele perpendiculare. Crucea constă din două bolțuri de diametre diferite, cel mic fiind montat în interiorul celui mare.
Articulațiile cardanice în cruce au apărut din necesitatea transmiterii mișcării de rotație între arbori concurenți și au căpătat în timp o mare răspândire în practică. Se utilizează pentru unghiuri, sarcini și viteze unghiulare mici.
În scopul reducerii zgomotului și solicitărilor dinamice, a fost propusă varianta în care fusurile crucii să fie montate în bucșe elastice, iar pentru transmiterea mai eficientă a sarcinilor importante s-a propus înlocuirea bucșelor cu rulmenți [8].
Propunerea de noi variante constructive duce la îmbunătățirea eficienței articulațiilor cardanice, deci la apariția unor importante avantaje, cum ar fi: amortizarea zgomotului în transmisie, simplitatea construcției sau lipsa ungerii.
Fig.3.8. Articulație cardanică în cruce Fig.3.9. Articulație cardanică cu inel
1,2- semicuplaje; 3- bucșă interioară; 1,2- furci; 3- inel; 4- șuruburi
4- bucșă verticală; 5-bucșă intermediară
Articulațiile cardanice cu inel (fig.3.9.) [8] au structura și legea de mișcare aceleași cu ale articulațiilor cardanice în cruce, diferența o constituie faptul că elementul intermediar are forma unui inel și sunt utilizate pentru sarcini și viteze unghiulare moderate.
Variantele constructive propuse pentru creșterea eficacității acestor articulații aduc avantaje ca: transmiterea sarcinii la turații ridicate, amortizarea zgomotului și a vibrațiilor de răsucire sau reducerea șocurilor.
Articulațiile cardanice cu galet (fig.3.10.) [8] sunt cele în care elementul intermediar este un galet. Acestea se utilizează în cazul unor regimuri de lucru ușoare, datorită frecării între furci și galet.
Fig.3.10. Articulație cardanică cu galet
1-arbore conducător; 2- furcă; 3,3’- semigaleți cilindrici; 4- bolț; 5- caneluri
Articulațiile cardanice culisante (fig.3.11.) [8] diferă de celelalte prin faptul că, pe lângă cele două rotații relative existente în general la o articulație cardanică, sunt posibile și deplasări axiale, laterale sau axiale și laterale.
Fig.3.11. Articulație cardanică culisantă
1- carcasă; 1c- găuri de prindere; 2- arbore canelat; 3- piesă;
4- rulmenți cu ace; 5- manșon de cauciuc; 6- capac
3.2.1.2. Arbori cardanici
În general un arbore cuprinde o piesă cilindrică centrală și mai multe piese auxiliare, care ajută la prinderea articulațiilor. Arborele transmisiei cardanice are rolul de a transmite la distanță momente de răsucire și forțe axiale. Arborii cardanici se clasifică în funcție de cinematica și construcția acestora în arbori cu lungime invariabilă (fig.3.12.) [8] și arbori cu lungime variabilă.
Fig. 3.12. Arbore tubular de lungime constantă
Elasticitatea la răsucire a arborilor are o importanță deosebită în tehnica militară. Mărirea elasticității la răsucire se poate obține prin introducerea elementelor elastice în arbore au prin utilizarea barelor de torsiune. În fig.3.13. [8] este prezentat un arbore elastic obținut prin montarea unor inele de cauciuc între două tuburi metalice. Avantajele acestei construcții sunt: elasticitate mare la răsucire și amortizarea zgomotelor și vibrațiilor.
Fig.3.13. Arbore elastic
O variantă constructivă utilizată atunci când se dorește întreruperea automată a legăturii în cazul apariției suprasarcinilor este arborele cardanic limitator de cuplu, reprezentat în fig.3.14. [8].
Fig.3.14. Arbore cardanic limitator de cuplu
1- țeava; 2- arbore telescopic; 3- piese; 4- arcuri; 5,6- țevi telescopice; 7- carcase; 8- rulmenți;
3.2.2. Cinematica cuplajelor cardanice
Cuplajul cardanic reprezentat în fig.3.15. se compune din furcile 1 și 2, având axele și ce formează planul P de referință al articulației. Legătura dintre cele două furci se face prin crucea cardanică 3. Mecanismul din figură este un mecanism sferic cu centrul în O, datorită faptului că toate axele cuplelor de rotație sunt concurente în punctul O.
Fig.3.15. Cinematica cuplajului cardanic
Analiza cinematică a cuplajului cardanic se rezumă la determinarea legii de transmitere a acestuia și a vitezei unghiulare [8]. Atunci când planul al furcii de intrare este în planul , planul este identic cu planul perpendicular pe planul P și conține axa . De aceea, unghiul de rotație a furcii de intrare se va măsura față de iar unghiul față de . Legea de transmitere se scrie exprimând versorii brațelor crucii și , în sistemul x,y,z al articulației, conform relațiilor (3.6.) și (3.7.).
(3.6.)
(3.7.)
Punând condiția de perpendicularitate între doi versori , se obține relația (3.8.)
(3.8.)
Prin împărțirea relației (3.8.) la , obținem legea de transmitere conform relației (3.9.).
(3.9.)
Viteza unghiulară a furcii conduse se obține prin derivarea legii de transmitere în raport cu timpul, obținându-se relația (3.10.).
(3.10.)
Considerând =ct., valorile maxime ale vitezelor unghiulare,rezultă pentru , iar cele minime pentru . Gradul de neuniformitate al mișcării se evidențiază prin relația (3.11.), unde și
(3.11.)
În practică, pentru exprimarea gradului de neuniformitate, se utilizează coeficientul de heterocinetism, exprimat în relația (3.12.).
(3.12.)
Faptul că elementul condus are mișcare neuniformă constituie un dezavantaj. Acesta se poate elimina prin înserierea adecvată a mai multor articulații cardanice.
Pentru mecanismele bicardanice (fig.3.16.) [8], funcția de poziție este reprezentată de relația (3.13.), pentru cazul general și de relația (3.16.), pentru cazul în care mecanismul este bicardanic coplanar ().
; ; și
;
I: ; II: ; (3.14.)
Fig.3.16. Mecanism bicardanic
Fig.3.17. Transmisie tricardanică
Pentru transmisia tricardanică reprezentată în fig.3.17. [8], funcția de poziție este dată de relația (3.15.), unde ;;.
(3.15.)
3.2.3. Calculul de rezistență al cuplajelor cardanice
Calculul de rezistență al unui cuplaj cardanic constă în verificarea fusurilor crucii cardanice la strivire și încovoiere [5]. Fusurile care au rolul de a lega crucea cardanică de arborele conducător sunt solicitate de forța , conform fig.3.18.. Această forță este dată de relația (3.16.), unde reprezintă momentul pe arborele conducător. Fusurile care leagă crucea de arborele condus vor fi solicitate de forța variabilă , a cărei valoare maximă este dată de relația (3.17.).
(3.16.)
(3.17.)
unde: și reprezintă momentele de torsiune de calcul, și reprezintă momentele de torsiune ce apar datorită forțelor și , R reprezintă raza fusurilor crucii, reprezintă unghiul de înclinare a unui cuplaj față de celălalt iar k coeficientul de corecție ce ține cont de condițiile de funcționare ale cuplajului.
Tensiunile maxime care iau naștere în fus sunt: tensiunea la strivire (relația (3.18.)) și tensiunea la încovoiere (relația (3.19)) [5].
(3.18.)
(3.19.)
unde: -tensiunea la strivire, -tensiunea admisibilă la strivire, – forța maximă ce acționează asupra fusurilor crucii, d- diametrul fusului, l- lungimea fusului, – modulul de rezistență, – tensiunea admisibilă la încovoiere.
Fig.3.18. Schema de încărcare a fusurilor crucii cardanice
3.2.4. Cuplaje cardanice utilizate în tehnica de apărare antiaeriană
În tehnica de apărare antiaeriană, în etapa de proiectare, specialiștii au adoptat ca variante constructive de transmitere a mișcărilor sincrone, de asigurare a compensării abaterilor unghiulare și axiale, de atenuare a solicitărilor dinamice în timpul funcționării, utilizarea cuplajelor unghiulare de tip cardanice.
Aceste cuplaje asigură conexiunile dintre diferite subsisteme mecanice (reductoare, amplificatoare mecanice) din componența lanțurilor cinematice de mișcare în înălțare și direcție a tunurilor antiaeriene.
În fig.3.19. se prezintă în secțiune conexiunea dintre reductorul conic și reductorul melcat din componența mecanismului de mișcare în înălțare al tunului antiaerian automat calibru 30mm, cu două țevi, tractat, echipat cu corector mecanic [13].
Varianta adoptată se remarcă prin siguranță în exploatare, simplitate constructivă, întreținere ușoară și o tehnologie de execuție simplă pentru elementele componente.
Fig.3.19. Reductorul conic al tunului antiaerian automat calibru 30mm, cu două țevi, tractat, echipat cu corector mecanic și cuplajul cardanic
1- arbore tubular al cuplajului cardanic; 2- pinion conic; 3- șurub;
4– garnitură; 5- casetă pinion; 6- rulment radial; 7- carcasă
În construcția mecanismelor de mișcare în înălțare și direcție ale tunurilor antiaeriene se regăsesc sisteme hibride de genul cuplaj permanent fix-cuplaj cardanic-cuplaj permanent fix. O asemenea aplicație este prezentată în fig. 3.20., ce reprezintă reductorul auxiliar și schimbătorul de viteze al mecanismului de mișcare în înălțare al tunului antiaerian automat calibru 30mm, cu două țevi, tractat, echipat cu corector mecanic [13].
Astfel, conexiunea dintre motorul electric ce asigură acționarea rapidă a mecanismului de mișcare în înălțare și cuplajul cardanic, se realizează printr-un cuplaj permanent fix, varianta constructivă- manșon și știfturi tronconice transversale. Mișcarea de rotație și momentul de torsiune preluat de la cuplajul permanent fix este transmis cuplajului cardanic ce are rolul de a compensa abaterile unghiulare de execuție și montaj. Acești parametri de funcționare (mișcarea de rotație și momentul de torsiune) sunt preluați de arborele de intrare din reductorul auxiliar și schimbătorul de viteze.
Legătura dintre cuplajul cardanic și arborele de intrare în acest reductor se realizează tot printr-un cuplaj permanent fix cu manșon și știfturi tronconice transversale.
Fig.3.20. Reductor auxiliar și schimbător viteze
1, 5, 12, 20- capac; 2, 11- roată dințată; 3, 7- rulment radial;
4, 6- garnitură; 8, 17, 21- ax; 9, 13, 15 – șurub; 10, 18, 19- știft conic;
14- capac reductor; 16- articulație cardanică; 22- inel de siguranță
Mecanismul de mișcare în direcție al tunului antiaerian automat calibru 30mm, cu două țevi, tractat, echipat cu corector mecanic (fig.3.21.) [13] are în structura sa trei subsisteme tehnice mecanice formate din reductorul schimbător de viteze-1, reductorul conic-2 și reductorul melcat-4. Legăturile dintre cele trei subsisteme sunt asigurate prin două cuplaje duble cardanice, unul vertical și celălalt orizontal.
Variantele constructive adoptate privind construcția cuplajelor cardanice asigură transmiterea sincronă a mișcării de rotație și a momentului de torsiune și de asemenea, asigură unghiurile corespunzătoare între axele arborilor care sunt conectați.
Varianta adoptată asigură ca elementele constructive componente, în cazul uzurii, să fie ușor înlocuibile. De asemenea, mentenanța celor două cuplaje cardanice este facilă iar tehnologia de execuție a lor este relativ simplă.
Fig.3.21. Mecanism de mișcare în direcție
1-reductor cilindro-conic; 2- reductor conic; 3- reductor inelat; 4- furcă superioară; 5- cruce superioară;
6- arbore tubular vertical; 7- cruce inferioară; 8- furcă inferioară; 9- furcă dreapta; 10- cruce dreapta;
11- arbore tubular orizontal; 12- cruce stânga; 13- furcă stânga; 14- știfturi
Aceeași variantă constructivă a fost adoptată în etapa de proiectare și a mecanismului de ochire în înălțare al tunului antiaerian automat calibru 30mm, cu două țevi, tractat, echipat cu corector mecanic (fig.3.22.) [13]. În cadrul acestui mecanism, cuplajul cardanic analizat este orizontal și asigură conexiunea dintre reductorul conic-8 și reductorul melcat-1.
Fig.3.22. Mecanism de mișcare în înălțare
1- reductor melcat; 2- furcă stânga; 3- știfturi; 4- cruce stânga; 5- arbore tubular orizontal;
6- cruce dreapta; 7- furcă dreapta; 8- reductor conic
4. CUPLAJE INTERMITENTE UTILIZATE ÎN TEHNICA DE APĂRARE ANTIAERIANĂ. ALGORITMUL DE CALCUL DIN CONDIȚII DE REZISTENȚĂ
4.1. Structura cuplajelor intermitente rigide
La cuplajele intermitente rigide, momentul de torsiune Mt se transmite prin contactul direct dintre proeminențele cu formă conjugată aflate pe cele două semicuplaje. În condițiile existenței unor șocuri generate de mișcări nesincrone între aceste semicuplaje este necesară introducerea unor dispozitive suplimentare de sincronizare a vitezei care îmbunătățesc comportarea dinamică în regimurile tranzitorii [5].
Cuplajele intermitente rigide au următoarele avantaje: realizarea unui moment de torsiune capabil mare la dimensiuni reduse, simplitate constructivă și nu necesită reglări pentru compensarea uzurii. Singurul dezavantaj îl constituie faptul că, pentru evitarea apariției șocurilor, necesită o centrare foarte precisă a celor două semicuplaje.
În practică există două variante constructive de cuplaje intermitente rigide: cu gheare frontale și cu dinți (cu dantură radială sau frontală) [5].
La cuplajele intermitente dințate cu dantură radială, pentru pentru ușurarea procesului de cuplare, se practică rotunjirea frontală a dinților și scurtarea, în lungime, a fiecărui al doilea dinte de pe un semicuplaj, precum și eliminarea fiecărui al doilea dinte de pe celălalt semicuplaj [5].
Cuplajele intermitente cu dantura frontală (cu craboți) realizează cuplarea și decuplarea prin deplasarea comandată a unuia dintre cele două semicuplaje. În secțiune axială, craboții pot avea înălțimea constantă (fig.4.1.a) sau variabilă (fig.4.1.b, c) iar în secțiune transversală, aceștia pot avea profil dreptunghiular (fig.4.2.), trapezoidal simetric (fig.4.3.) sau asimetric (fig.4.4.), triunghiular (fig.4.5.) sau poligonal (fig.4.6.) [5].
Forma profilului se alege de obicei în funcție de sensul vitezei relative și de valoarea forței de apăsare reciprocă la cuplare. De exemplu, profilele asimetrice se utilizează adesea când momentul de torsiune trebuie să fie transmis într-un singur sens.
Se recomandă următoarele unghiuri de înclinare ale flancurilor: α=(2…8)° și β=(50…70)°. Semicuplajele se execută din oțeluri carbon de calitate sau aliate tratate chimic sau termochimic pentru obținerea durității de 52-62 HRC în zona activă a danturii. Numărul craboților, notat cu Z se stabilește orientativ, în funcție de timpul de cuplare tc admis [5].
Calculul de rezistență al craboților se efectuează la solicitările de contact, încovoiere și forfecare, presupunând că momentul de lucru se transmite numai prin 75% din numărul total al craboților.
Fig.4.1. Secțiune axială în crabot Fig.4.2. Secțiune transversală- profil dreptunghiular
Fig.4.3. Secțiune transversală- Fig.4.4. Secțiune transversală-
profil trapezoidal simetric profil trapezoidal asimetric
Fig.4.5. Secțiune transversală- Fig.4.6. Secțiune transversală-
profil triunghiular profil poligonal
4.2. Calculul de rezistență al cuplajelor intermitente rigide
Relațiile și recomandările necesare pentru calculul cuplajelor intermitente rigide (fig.4.7.) [5], sunt prezentate în succesiune mai jos.
Relația (4.1.) se utilizează atunci când cuplarea se realizează în condiții de funcționare nesincronă a semicuplajelor și se cunosc parametrii respectivi.
(4.1.)
unde reprezintă momentul de torsiune de calcul, reprezintă viteza unghiulară relativă, k reprezintă coeficientul de rigiditate iar reprezintă momentele de inerție masice ale semicuplajelor.
Fig.4.7. Calculul cuplajelor intermitente rigide
Pentru numărul de gheare, notat cu z, se adoptă numărul întreg imediat superior celui calculat cu relația (4.2.), unde – timpul de cuplare preconizat în cazul cuplărilor nesincrone. În cazul cuplărilor sincrone, = 0, pentru z = 3…7.
(4.2.)
Elementele geometrice se adoptă; este necesar ca unghiul de înclinare a flancurilor active α să nu depășească valorile rezultate din relțiile (4.3.) și (4.4.),
(4.3.)
unde μ- coeficientul de frecare pe flancul activ iar μ1- coeficientul de frecare dintre butucul semicuplajului mobil și pană.
Pentru , rezultă (4.4.)
Pentru verificarea cuplajului intermitent rigid, se ține cont de solicitările ce apar în timpul funcționării și anume verificare la strivire prin relația (4.5.).
(4.5.)
unde p reprezintă presiunea efectivă, reprezintă tensiunea la strivire și reprezintă tensiunea admisibilă la strivire.
Verificarea la încovoiere se realizează cu ajutorul relației (4.6.).
(4.6.)
unde reprezintă tensiunea la încovoiere, reprezintă momentul de torsiune de calcul, reprezintă diametrul mediu, z -numărul de gheare, h – înălțimea ghearei, b- lățimea ghearei, f- lungimea ghearei măsurată de diametrul mediu și reprezintă tensiunea admisibilă la încovoiere.
Forța de cuplare a cuplajului intermitent rigid se determină funcție de momentul de torsiune de calcul , parametrii geomerici ai cuplajului (α, , ,d) și coeficientul de frecare pe flancuri , cu relația (4.7.).
(4.7.)
unde reprezintă forța de cuplare, μ reprezintă coeficientul de frecare pe flancuri, d reprezintă diametrul arborelui pe care se montează cuplajul iar α reprezintă unghiul de înclinare al flancurilor active ale ghearelor.
Forța necesară pentru decuplare ține cont de aceiași parametrii menționați mai sus și se calculează conform relației (4.8.).
(4.8.)
Se recomandă pentru tehnica militară: = 900…1200 daN/cm2 pentru cuplări sincrone, = 500…700 daN/cm2 pentru cuplări la viteză relativă redusă și = 350…450 daN/cm2 pentru cuplări la viteză relativă ridicată.
În figura 4.8.este prezentată schema logică de calcul a cuplajelor intermitente rigide. [5]
Fig.4.8. Schema logică de calcul a cuplajelor intermitente rigide
4.3. Cuplaje intermitente rigide utilizate în tehnica de apărare antiaeriană
O aplicație a cuplajelor intermitente comandate o regăsim în cadrul transmisiei mecanice manuale de mișcare în direcție al tunului antiaerian automat calibru 57 mm S-60 (fig.4.9.) [20]. La acest tun, având posibilitatea de acționare atât manuală cât și electrică, se pot realiza rapoarte de transmitere totale diferite, funcție de acționarea sa.
Pe arborele de ieșire al reductorului schimbător de viteze -3 se află montat un cuplaj intermitent care poate fi acționat mecanic prin intermediul unei pedale. Proiectantul a adoptat varianta constructivă astfel încât roțile 1 și 9 cu număr diferit de dinți să aibă pe suprafața frontală dantură dreptunghiulară, realizând cuplarea respectiv decuplarea funcție de cazul concret (manual, electric) de funcționare a lanțului cinematic analizat. Cele două roți dințate de pe arborele de ieșire se pot roti liber peacesta iar semicuplajul central -7 este montat pe același arbore prin intermediul unei asamblări cu caneluri dreprunghiulare.
Fig.4.9. Reductor conico-cilindric al mecanismului de mișcare în direcție
al tunului antiaerian automat calibru 57 mm S-60
1,9-roți dințate; 2,8- bucșe; 3- arborele de ieșire; 4-parghie;
5-ax; 6-pana paralela; 7-semicuplaj central
O variantă constructivă asemănătoare de cuplaj intermitent o regăsim în cadrul mecanismului transmisiei manuale de mișcare în înălțare al tunului antiaerian automat calibru 30mm, cu două țevi, tractat, echipat cu corector mecanic (fig.4.10.) [13].
Spre deosebire de varianta constructivă prezentată în figura 4.9.,în acest caz nu mai există semicuplaj central. Pe arborele de intrare al reductorului schimbător de viteze (reductor cilindro-conic), în partea stângă, este montată roata dințată -1 care are și rol de semicuplaj stânga. Acest element constructiv este montat liber pe arborele de intrare, între roată și arbore regăsind un cuzinet. Roata dințată -1, pe suprafața frontală dreaptă are realizați dinți de profil dreptunghiular. Roata dințată -7, care este și semicuplaj dreapta este montată pe arborele de intrare dreapta în mecanism prin intermediul asamblărilor cu caneluri dreptunghiulare.
Prin intermediul manetei -5 acționată de servant, se poate realiza deplasarea axială a roții dințate -7, până în momentul în care cuplajul intermitent este cuplat. În acest caz, se realizează un nou raport de transmitere total al reductorului schimbător de viteze față de cel inițial, când cuplajul analizat era decuplat.
Fig.4.10. Reductorul schimbător de viteze al mecanismului de mișcare în înălțare la
tunul antiaerian automat calibru 30mm
1- roată dințată- semicuplaj stânga; 2- cuzinet; 3- pană paralelă; 4- ax;
5- manetă;6- arbore canelat; 7- roată dințată- semicuplaj dreapta
5. Studiu de caz privind implementarea unei noi variante constructive de cuplaj la un sistem tehnic de apărare antiaeriană
5.1. Implementarea variantei optime de cuplaj permanent fix
În vederea optimizării de variante constructive de cuplaje în componența mecanismelor sistemelor tehnice de apărare antiaeriană, s-a efectuat o analiză privind construcția acestora. La această analiză efectuată s-au avut în vedere o serie de criterii care să conducă la adoptarea de soluții constructive mai ușoare și cu o fiabilitate mai ridicată.
În analiza pe care am efectuat-o, ca și criteriu principal în alegerea variantei optime de cuplaj permanent fix potrivit în componența mecanismelor sistemelor tehnice de apărare antiaeriană, am utilizat criteriul „funcțiile cuplajului”. Funcțiile simple ce pot fi îndeplinite de un cuplaj sunt: de a transmite mișcarea de rotație, respectiv momentul de torsiune, de a comanda o mișcare, de a limita o forță sau un moment, de a proteja împotriva vibrațiilor și șocurilor, de a compensa erorile rezultate în urma montajului sau execuției, de a permite montarea paralelă sau concurentă și de a permite transmiterea unisens a mișcării [10]. Aceste funcții sunt esențiale în stabilirea performanțelor unui cuplaj și deci în alegerea corectă a variantei optime care să satisfacă condițiile impuse prin datele de proiectare într-o transmisie echipată cu cuplaje.
Precizarea funcțiilor realizate de fiecare dintre cele două tipuri de cuplaje permanente fixe existente (cuplajul-manșon și cuplajul cu flanșe) este redată în tabelul 5.1., în care s-a notat prin 1 existența funcției și prin 0, absența acesteia la cuplajul respectiv, iar funcțiile celor două cuplaje s-au notat în felul următor:
F1- funcția de a transmite mișcarea de rotație, respectiv momentul de torsiune, F2- funcția de a comanda o mișcare, F3- funcția de a limita o forță sau un moment, F4- funcția de a proteja împotriva vibrațiilor și șocurilor, F5- funcția de a compensa erorile rezultate în urma montajului sau execuției, F6- funcția de a permite montarea paralelă sau concurentă [10] și F7- funcția de fiabilitate rezultată în urma cercetărilor experimentale. [19]
În urma analizei comparative, s-a constatat ca cele două tipuri de variante constructive ale cuplajului permanent fix îndeplinesc aceeași funcție simplă, aceea de transmitere a mișcării și momentului (F1), însă diferă din punct de vedere al construcției, cuplajul manșon- monobloc având un gabarit radial mult mai mic decât cuplajul cu flanșe și o simplitate constructivă superioară celui cu flanșe. În plus față de cuplajul cu flanse, cuplajul- manșon îndeplinește și funcția F7, aceea de fiabilitate De asemenea, cuplajul manșon-monobloc, transmite momentul de torsiune prin intermediul știfturilor, penelor paralele, penelor disc sau canelurilor. Toate acestea constituie avantaje importante care au contribuit la alegerea cuplajului-manșon ca variantă optimă în construcția mecanismelor sistemelor de apărare antiaeriană.
Tabelul 5.1. Funcțiile realizate de cele două tipuri de cuplaje permanente fixe
Astfel, la tunul antiaerian automat calibru 30mm, cu două țevi, tractat, echipat cu corector mecanic, propun adoptarea variantei constructive de cuplaj permanent fix cu pene paralele (prezentat în figura 5.1.).
Fig.5.1. Cuplaj permanent fix cu pene paralele
Prin adoptarea acestei soluții constructive nu mai este necesară efectuarea unei găuri transversale pentru știft la arborele motorului electric, aceste cuplaje fiind remarcate în literatura de specialitate ca având o fiabilitate și siguranță foarte mare în timpul funcționării.
Relațiile și recomandările pentru proiectarea cuplajului permanent fix cu pene paralele sunt prezentate mai jos. [5]
pentru verificarea cuplajului – momentul de torsiune capabil, notat cu se calculează conform relației (5.1.),
(5.1.)
în care, pe cazul analizat: d reprezintă diametrul arborelui motorului electric, h reprezintă înălțimea canalului de pană, reprezintă lungimea canalului penei, reprezintă tensiunea admisibilă la strivire;
Se recomandă , în care D reprezintă diametrul manșonului cuplajului. [5]
În cazul analizat, diametrul arborelui motorului electric are valoarea d= 30mm. Rezultă ca valoarea diametrului manșonului cuplat se va calcula cu relația (5.2.). Se adoptă ca cele două pene paralele să fie confecționate din OL70, care pentru sarcini alternante cu șocuri are valoarea tensiunii admisibile la strivire N/mm2. [5]
mm (5.2.)
pentru dimensionare:
Conform STAS 1004-82 pentru valoarea de d= 30mm a diametrului arborelui motorului electric, se adoptă înălțimea canalului de pană de h= 5 mm [5]. Momentul de torsiune de calcul se va determina cu relația (5.3.),
(5.3.)
unde: reprezintă momentul de torsiune nominal și are valoarea . Se consideră puterea motorului electric P= 1,75 kW și turația n= 2000 rot/min. Rezultă ca momentul de torsiune nominal se va calcula conform relației (5.4.).
. (5.4.)
Coeficientul de siguranță pentru cazul analizat se determină cu relația (5.5.).
(5.5.)
Se consideră =3,25, =0,90 și =1,37. Rezultă ca valoarea coeficientului de siguranță se va calcula conform relației (5.6.). [5]
(5.6.)
Conform relației (5.3.), momentul de torsiune de calcul va avea valoarea calculată în relația (5.7.).
(5.7.)
În continuare, se determină lungimea necesară penelor paralele din interiorul cuplajului cu relația (5.8.).
(5.8.)
Pentru cazul analizat, lungimea penelor paralele din interiorul cuplajului vor avea valoarea rezultată din relația (5.9.).
mm (5.9.)
Pentru siguranță se adoptă lungimea penei paralele l= 20 mm.
5.2. Implementarea variantei optime de cuplaj permanent mobil
La acest capitol al lucrării s-a efectuat și o analiză privind varianta constructivă adoptată de constructor pentru cuplajele cardanice, care realizează conexiunile necesare între diferitele reductoare în cadrul transmisiilor mecanice de mișcare în înălțare și direcție ale tunurilor antiaeriene.
Având în vedere ca atât tunul antiaerian automat calibru 57 mm S- 60 cât și tunul antiaerian automat calibru 30mm, cu două țevi, tractat, echipat cu corector mecanic, realizat la S.C.CARFIL S.A. (fosta Întreprindere Mecanică 2), au fost materializate în anii 1970- 1980, la o diferență de 40 de ani se poate constata o dinamică privind apariția de cuplaje cardanice moderne care asigură o sincronizare mai precisă a transmiterii mișcării de rotație (atenuează mai pregnant solicitările dinamice ce apar în momentul efectuării tragerilor).
În vederea implementării variantei optime de cuplaj permanent mobil, în analiza pe care am efectuat-o, materializată prin tabelul 5.2., am utilizat același criteriu principal, și anume criteriul „funcțiile cuplajului”. Funcțiile simple ce pot fi îndeplinite de un cuplaj cardanic constituie un criteriu esențial în realizarea conexiunilor necesare între diferitele reductoare în cadrul transmisiilor mecanice de mișcare în înălțare și direcție ale tunurilor antiaeriene [5]. Alegerea corectă a variantei optime care să satisfacă condițiile impuse prin datele de proiectare într-o transmisie echipată cu cuplaje asigură o sincronizare mai precisă a transmiterii mișcării de rotație și de asemenea atenuează mai pregnant solicitările dinamice ce apar în momentul efectuării tragerilor.
În tabelul 5.2. sunt precizate funcțiile realizate de fiecare dintre cele trei tipuri de cuplaje permanente mobile, rigide și unghiulare existente (cuplajul cardanic, cuplajul bicardanic cu arbore intermediar și cuplajul sinron ), în care s-a notat prin 1 existența funcției și prin 0, absența acesteia la cuplajul respectiv. Funcțiile celor trei tipuri de cuplaje s-au notat în felul următor:
F1- funcția de a transmite mișcarea de rotație, respectiv momentul de torsiune, F2- funcția de a comanda o mișcare, F3- funcția de a limita o forță sau un moment, F4- funcția de a proteja împotriva vibrațiilor și șocurilor, F5- funcția de a compensa erorile rezultate în urma montajului sau execuției, F6- funcția de a permite montarea paralelă sau concurentă [5] și F7- funcția de fiabilitate rezultată în urma cercetărilor experimentale. [19]
Tabelul 5.2. Funcțiile realizate de cele trei tipuri de cuplaje permanente mobile, rigide, unghiulare
În urma analizei comparative, s-a constatat ca cele trei tipuri de variante constructive ale cuplajului permanent mobil, rigid și unghiular, îndeplinesc aceleași funcții simple (de transmitere a mișcării și momentului de torsiune (F1) și permit montări paralele sau concurente (F6)). În plus față de celelate două, cuplajul bicardanic cu arbore intermediar îndeplinește și funcția de compensare a erorilor (abateri de poziție axiale, radiale, unghilare sau combinate ) de execuție și montaj (F5) și cea de fiabilitate (F7), ceea ce conferă un avantaj acestei variante constructive.
De asemenea, aceste tipuri de cuplaje unghiulare se preferă în exploatare deoarece nu impun centrarea perfectă a arborilor ce se cuplează, au costuri scăzute și oferă siguranță în exploatare. Toate aceste avantaje au contribuit la alegerea cuplajului unghiular cu arbore intermediar ca variantă optimă în construcția transmisiilor mecanice de mișcare în înălțare și direcție ale tunurilor antiaeriene.
Transmisiile bicardanice (fig.5.2.) utilizate în construcția tunurilor antiaeriene sunt sincrone dacă axele furcilor montate pe arborele intermediar sunt paralele și unghiurile dintre arborele conducător și cel intermediar, respectiv dintre arborii intermediari și cel condus, sunt egale.
Fig.5.2. Transmisie bicardanică
Transmiterea mișcării între arbori cu poziție relativă variabilă, în timpul funcționării este posibilă, la transmisiile bicardanice, datorită existenței unei cuple de translație. În general, aceasta este reprezentată de o asamblare prin caneluri.
În fig.5.3. și fig.5.4. se prezintă câteva soluții constructive de transmisii bicardanice utilizabile în domeniile tehnicii militare și care pot fi aplicate și la tunul antiaerian automat calibru 30mm, cu două țevi, tractat. Acestea se utilizează la = 13,5…400 daN·m și, respectiv = 14 000…120 000 daN·m [5].
Cele două variante constructive propuse spre adoptare prezintă următoarele avantaje: costul de achiziție relativ egal cu cel existent, asigură mai bine compensările (unghiulare și axiale) necesare, respectiv asigură amortizarea și izolarea vibrațiilor, asigură o durabilitate și un randament ridicate și prezintă siguranță în exploatare.
Fig.5.3. Cuplaj bicardanic cu cruce cu caneluri, cu reglaj axial
Fig.5.4. Cuplaj bicardanic cu cruce cu diametrul fusurilor constant, cu reglaj axial
Pentru variantele propuse, relațiile și recomandările necesare pentru calculul furcii și al crucii cardanice sunt prezentate mai jos [5].
pentru furca cuplajului cardanic:
Se verifică la solicitarea de încovoiere furca cuplajului cardanic (fig.5.5.) ce leagă reductorul schimbător de viteze cu reductorul conic conform relației (5.10.).
(5.10.)
unde reprezintă modulul de rezistență și se calculează în secțiune dreptunghiulară cu relația (5.11.).
(5.11.)
în care, pe cazul analizat se recomandă: = 170 N,= 243 mm, b=8 mm; h=14 mm;=2 200 daN/cm2= 220 N/mm2, [5] unde:
reprezintă tensiunea la încovoiere, reprezintă forța maximă, , l reprezintă lungimi de poziționare a forșei, reprezintă modulul de rezistență, reprezintă tensiunea admisibilă la încovoiere, b reprezintă lățimea furcii iar h reprezintă înălțimea furcii.
Fig.5.5. Calculul furcii cardanice
Înlocuind valorile în relația (5.11.), obținem =261,3 mm3 și înlocuind toate valorile în relația (5.10.), se obține relația (5.12.) pentru verificarea solicitării la încovoiere.
(5.12.)
În continuare se verifică solicitarea de torsiune a furcilor în momentul funcționării transmisiei, conform relației (5.13.).
(5.13.)
reprezintă modulul de rezistență polar și se calculează în secțiune dreptunghiulară cu relația (5.14.).
(5.14.)
în care, pe cazul analizat se recomandă: =0,08 și , [5] unde: -reprezintă tensiunea la torsiune ; reprezintă forța maximă, reprezintă modulul de rezistență polar, reprezintă tensiunea admisibilă la torsiune, reprezintă , b reprezintă lățimea furcii iar h reprezintă înălșimea furcii.
Înlocuind valorile în relația (5.14.), obținem =71,68 mm3 și înlocuind toate valorile în relația (5.13.), se obține relația (5.15.) pentru verificarea solicitării la torsiune.
(5.15.)
b) pentru crucea cuplajului cardanic
Se verifică efortul unitar la fusurile cu lagăre de alunecare pentru solicitarea de încovoiere conform relației (5.16.) [5].
(5.16.)
reprezintă modulul de rezistență și se calculează cu relația (5.17.).
(5.17.)
în care, pe cazul analizat se recomandă: = 170 N, d= 12 mm; = 14 mm, l= 6 mm;=2 200 daN/cm2= 220 N/mm, [5] unde: – reprezintă tensiunea la încovoiere, reprezintă forța maximă, reprezintă modulul de rezistență, d reprezintă diametrul fusului, reprezintă
lungimea fusului, reprezintă lungimea fusului crucii, reprezintă tensiunea admisibilă la încovoiere.
Înlocuind valorile în relația (5.17.), obținem =169,56 mm3 și înlocuind toate valorile în relația (5.16.), se obține relația (5.18.) pentru verificarea solicitării la torsiune.
(5.18.)
Fig.5.5. Calculul furcii cardanice
CONCLUZII
În lucrarea de licență pe care am realizat-o am efectuat o analiză constructiv-funcțională a sistemelor de apărare antiaeriană, cu privire la cuplajele utilizate în construcția mecanismelor acestora, în scopul propunerii adoptării de noi soluții constructive de cuplaje care pot oferi avantaje în modalitatea de transmitere a mișcării de rotație, compensând totodată abaterile ce apar în timpul funcționării.
În primul capitol al lucrării am realizat un studiu teoretic cu privire la funcțiile și sistematizarea cuplajelor utilizate în construcția mecanismelor sistemelor tehnice de apărare antiaeriană și am prezentat variantele constructive cele mai răspândite de cuplaje.
În capitolul doi am prezentat modalitatea de determinare a principalilor parametrii în funcție de sarcinile care acționează asupra elementelor constructive ale cuplajelor, parametrii care depind în general de condițiile de funcționare (tipul mașinii motoare și al cuplajului și de tipul și regimul de funcționare al mașinii antrenate). De asemenea, în acest capitol am analizat modalitățile de alegere și încercare a cuplajelor pentru adoptarea soluțiilor constructive optime, ceea ce constituie o etapă foarte importantă în determinarea performanțelor capabile ale soluțiilor constructive încercate.
În capitolul trei am efectuat o analiză a structurii și cinematicii mecanismelor utilizate în construcția lanțurilor cinematice ale tehnicii militare de apărare antiaeriană și am prezentat algoritmii de calcul din condiții de rezistență ale variantelor constructive de cuplaje permanente fixe și mobile existente în construcția acestora. anțurilor cinematice ale tehnicii militare de apărare antiaeriană.
Analog cu capitolul trei, în capitolul patru am prezentat algoritmii de calcul în condiții de rezistență ale variantelor constructive de cuplaje intermitente existente în construcția l
În capitolul cinci am efectuat un studiu de caz privind adoptarea de noi variante constructive de cuplaje pentru două sisteme tehnice de artilerie antiaeriană din dotarea României (tunul antiaerian automat calibru 30mm, cu două țevi, tractat, echipat cu corector mecanic și tunul antiaerian automat calibru 57 mm S-60). Pentru alegerea variantei optime, am efectuat studiul de caz în baza celui mai important criteriu stabilit inițial, și anume ’funcțiile cuplajului’, prezentate pe larg în primul capitol.
În urma analizei pentru propunerea de adoptare a unor noi soluții constructive, au reieșit o serie de avantaje ca: fiabilitate și siguranță mai mari în timpul funcționării, atenuarea mai pregnantă a solicitărilor dinamice ce apar în momentul efectuării tragerilor, sincronizare mai precisă a transmiterii mișcării de rotație, compensare a erorilor constructive și tehnologice (abateri de poziție axiale, radiale, unghilare sau combinate), costuri mai scăzute și siguranță mai mare în exploatare.
Preocupările mele științifice au fost reflectate și în participările la două sesiuni de comunicări științifice studențești organizate de Academia Forțelor Navale “Mircea cel Bătrân” din Constanța și Academia Tehnică Militară din București, în anul 2014.
BIBLIOGRAFIE
Apetrei, Gh. (1991). Organe de mașini și mecanisme. Brașov: Universitatea „Transilvania”.
Daj, I. , Staretu, I. (2000). Mecanisme și organe de mașini. Brașov: Editura Lux Libris.
3. Demian, T. , ș.a. (1982). Mecanisme de mecanică fină. București: Editura Didactică și Pedagogică.
4. Drăghici, I. (1980). Organe de mașini. Probleme. București: Editura Didactică și Pedagogică.
5. Drăghici, I. , ș.a. (1978). Calculul și construcția cuplajelor. București: Editura Tehnică.
6. Drăghici, I. , ș.a. (1981,1983). Îndrumar de proiectare în construcția de mașini. Volumul I și II. București: Editura Tehnică.
7. Dudiță, Fl. (1966). Transmisii cardanice. București: Editura Tehnică.
8. Dudiță, Fl. , ș.a. (2001). Cuplaje mobile articulate. Brașov: Editura Orientul Latin.
9. Gafițanu, M. (1994, 2002). Organe de mașini. Volumele I și II. București: Editura Tehnică.
10. Luculescu, D. , Lazăr, I. (2001). Angrenaje. Transmisii cu roți dințate. Curs. Brașov: Academia Forțelor Aeriene “Henri Coandă”.
11. Luculescu, D. , Lazăr, I. (2008). Cinematica mecanismelor plane. Brașov: Academia Forțelor Aeriene “Henri Coandă”.
12. Luculescu, D. , Târziu, H. (1994). Proiectarea transmisiilor mecanice utilizate în artilerie și rachete antiaeriene. Volumul I. Brașov: Institutul militar de artilerie și rachete antiaeriene “General Bungescu”.
13. Manole, C. (1975, 1980). Organe de mașini. Volumele I, II, III. București: Academia Militară Generală.
14. Mironeasa, S. (2010). Elemente de inginerie mecanică. București: Editura Matrix Rom.
15. Muhs, D. (2008). Organe de mașini. București: Editura Matrix Rom.
16. Oana, M. , Șandru, V. , Ene, C. (2013). Tunul antiaerian automat calibru 57 mm S-60. Volumul I. Brașov: Academia Forțelor Aeriene “Henri Coandă”.
17. Rădulescu, O. (2003). Proiectarea optimală a organelor de mașini. București: Editura Tehnică.
18. Tudor, A.,ș.a. (1982). Durabilitatea și fiabilitatea transmisiilot mecanice. București. Editura Tehnică.
19. ***. (1958). Tunul antiaerian automat calibru 57 mm S-60. Album cu scheme. Editura Militară a Ministerului Forțelor Armate ale R.P.R.
20. ***. (1976). Principii de organizare și exploatare a gurilor de foc de artilerie. București: Editura Militară.
21. ***. (1988). Tunul antiaerian automat calibru 30 mm, cu două țevi, tractat, echipat cu corector mecanic. Cunoașterea, exploatarea, întreținerea și instrucția la material. București: Editura Militară.
22. ***. (2005). Sisteme de armament antiaerian. București: Centrul de Informare Documentare al Ministerului Apărării Naționale.
BIBLIOGRAFIE
Apetrei, Gh. (1991). Organe de mașini și mecanisme. Brașov: Universitatea „Transilvania”.
Daj, I. , Staretu, I. (2000). Mecanisme și organe de mașini. Brașov: Editura Lux Libris.
3. Demian, T. , ș.a. (1982). Mecanisme de mecanică fină. București: Editura Didactică și Pedagogică.
4. Drăghici, I. (1980). Organe de mașini. Probleme. București: Editura Didactică și Pedagogică.
5. Drăghici, I. , ș.a. (1978). Calculul și construcția cuplajelor. București: Editura Tehnică.
6. Drăghici, I. , ș.a. (1981,1983). Îndrumar de proiectare în construcția de mașini. Volumul I și II. București: Editura Tehnică.
7. Dudiță, Fl. (1966). Transmisii cardanice. București: Editura Tehnică.
8. Dudiță, Fl. , ș.a. (2001). Cuplaje mobile articulate. Brașov: Editura Orientul Latin.
9. Gafițanu, M. (1994, 2002). Organe de mașini. Volumele I și II. București: Editura Tehnică.
10. Luculescu, D. , Lazăr, I. (2001). Angrenaje. Transmisii cu roți dințate. Curs. Brașov: Academia Forțelor Aeriene “Henri Coandă”.
11. Luculescu, D. , Lazăr, I. (2008). Cinematica mecanismelor plane. Brașov: Academia Forțelor Aeriene “Henri Coandă”.
12. Luculescu, D. , Târziu, H. (1994). Proiectarea transmisiilor mecanice utilizate în artilerie și rachete antiaeriene. Volumul I. Brașov: Institutul militar de artilerie și rachete antiaeriene “General Bungescu”.
13. Manole, C. (1975, 1980). Organe de mașini. Volumele I, II, III. București: Academia Militară Generală.
14. Mironeasa, S. (2010). Elemente de inginerie mecanică. București: Editura Matrix Rom.
15. Muhs, D. (2008). Organe de mașini. București: Editura Matrix Rom.
16. Oana, M. , Șandru, V. , Ene, C. (2013). Tunul antiaerian automat calibru 57 mm S-60. Volumul I. Brașov: Academia Forțelor Aeriene “Henri Coandă”.
17. Rădulescu, O. (2003). Proiectarea optimală a organelor de mașini. București: Editura Tehnică.
18. Tudor, A.,ș.a. (1982). Durabilitatea și fiabilitatea transmisiilot mecanice. București. Editura Tehnică.
19. ***. (1958). Tunul antiaerian automat calibru 57 mm S-60. Album cu scheme. Editura Militară a Ministerului Forțelor Armate ale R.P.R.
20. ***. (1976). Principii de organizare și exploatare a gurilor de foc de artilerie. București: Editura Militară.
21. ***. (1988). Tunul antiaerian automat calibru 30 mm, cu două țevi, tractat, echipat cu corector mecanic. Cunoașterea, exploatarea, întreținerea și instrucția la material. București: Editura Militară.
22. ***. (2005). Sisteme de armament antiaerian. București: Centrul de Informare Documentare al Ministerului Apărării Naționale.
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: Cuplaje Moderne Utilizate In Tehnica Militara (ID: 162288)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.