Etajarea Cutiei de Viteze

Cap.3 Etajarea cutiei de viteze

Performanțele dinamice sau de consum a unui automobil depind în mare măsura de motorul cu, care este echipat. De asemenea o influență considerabilă asupra acestor performanțe o are si etajarea cutiei de viteze. Etajarea cutiei de viteze reprezintă modul de variație a rapoartelor de transmisie de la o treapta la alta.

3.1 Criteriile de calcul al treptelor de viteze:

Calculul raportului de transmitere al primei trepte de viteze se face pentru a îndeplini primul criteriu, cel al pantei maxime. Viteza maximă a automobilului se obține de obicei cu ajutorul raportului de transmitere în priză directă (1,00) sau în jurul acestei valori (0,97…1,03). Utilizarea a unei trepte cu raport subunitar, cel al ultimei trepte, permite funcționarea motorului în domeniul turațiilor economice, și care ajută la realizarea unui consum redus de carburant la deplasări cu viteze relativ mari [e-automobil].

Etajarea unei cutii de viteze nu poate fi făcută optim pentru a avea cel mai bun consum de carburant și în același timp cele mai bune reprize de accelerații pe fiecare treaptă, iar ca urmare, constructorii de automobile optează pentru un compromis, accelerații bune în primele trepte și consum redus în ultimele doua trepte.[e-automobile]

Pentru realizarea etajării cutiei de viteze, în prima fază, trebuie să se determine câmpul de lucru al cutiei de viteze: raportul maxime imax, respectiv raportul minim imin al cutiei de viteze.

3.1.1 Determinarea raportului maxim si a raportului minim de transmitere din transmisia automobilului

Determinarea raportului maxim de transmitere din transmisia automobilului

Valoare maximă a raportului de transmitere se obține când este cuplata prima treapta din cutia de viteze și in anumite condiții de performantă dinamica:

– pantă maximă sau rezistență maximă specifică caii de rulare

– plecare de pe loc cu accelerație maximă

Pentru autoturismul studiat în care forma de organizare a transmisiei este totul față, valoarea raportului de transmitere maxim imax este exprimată astfel:

unde:

– icv1 – este raportul de transmitere din prima treaptă ;

– i0 – este raportul de transmitere al transmisiei principale;

Pentru determinarea valorii maxime a raportului de transmitere se pune condiția plecării de pe loc la limita de aderenta [tabacu]

unde:

– φ=0,8 – reprezintă coeficientul de aderenta

– Gad – reprezintă greutatea aderentă și se determina cu relația X

Greutatea aderentă a unui automobil se determina în funcție de modul de organizare generală a transmisiei, iar pentru automobilul studiat în care tracțiune este de forma 4×2 totul-față, greutatea aderentă se obține din relația:

unde:

– Ga – greutatea automobilului exprimată în [N]

– b – coordonata a centrului de greutate exprimată în [m]

– A – ampatamentul exprimat în [m]

– m1 – reprezintă coeficientul de incarnare dinamică în regim de demaraj la limita de aderentă:

– hg – înălțimea centrului de greutate în [m]

-Mmax – reprezintă valoarea momentului maxim în [Nm] ce se determină din caracteristica externa a motorului

Determinarea raportului minim de transmitere din transmisia automobilului

Valoarea raportului minim de transmitere it,min se obține din condiția de deplasare a automobilului cu viteza maxima.

Valoarea raportului minim de transmitere este calculat în condiția de deplasare a automobilului cu viteza maximă ce poate fi realizată la turația maximă a motorului, fără a se lua în considerare posibilitatea utilizării unei ultime trepte de viteze cu raport de transmitere subunitar.

În figura 3.1 sunt reprezentata grafic limitele impuse rapoartelor din cutia de viteze.

Fig.3.1 Limitele impuse rapoartelor cutiei de viteze

Conform graficului din fig.3.1 se poate observa limitele rapoartelor de transmitere, imax si imin, acestea definesc zona de funcționare si de variație a rapoartelor de transmitere din cutia de viteze.

3.1.1 Determinarea raportului de transmisie al angrenajului principal

Transmisia principala i0 cuprinde toate mecanismele din punte care realizează o demultiplicare a turației motorului.

Rolul transmisiei principale este de a mări momentul motor primit de la transmisia longitudinala sau de la arborele primar al cutiei de viteze și de a-l transmite, prin intermediul diferențialului și a arborilor planetari, la rotile motoare.[tabacu]

Valoarea raportului de transmitere a transmisie principale se definește astfel:

unde:

iVCn – reprezintă valoarea raportului de transmitere din cutia de viteze în priza directă.

3.2 Metode de etajare a cutiilor de viteze

Cutiile de viteze pentru automobile sunt proiectate astfel încât să îndeplinească diferite cerințe, adică, sa realizeze accelerații puternice pe fiecare treapta de viteze ducând si la un consum ridicat de carburant (sunt specifice autoturismelor sport), sau sa realizeze performanțe de consum (în general se realizează demaraj pe primele trepte, iar ultimele fiind utilizate pentru viteze relativ constante, practic cutia de viteze este împărțita in doua domenii).

Etajarea după criteriul intervalului constant de viteze

Astfel de etajări sunt utilizate la autoturismele ce au ca scop realizarea performanțelor de demaraj pe fiecare treapta a cutiei de viteze, ele sunt caracterizate de intervale de viteze egale pe fiecare treaptă și de intervale restrânse de turații.

Fig.3.2 Etajarea după criteriul intervalului constant de viteza

Avantajul utilizării acestui tip de etajare consta în realizarea unor performante considerabile a accelerațiilor pe fiecare treaptă a cutiei de viteze

Dezavantajul fiind însă legat de domeniul de funcționare a motorului, pentru a exploata la maxim avantajele unei astfel de cutii de viteze, motorul trebuie sa lucreze mai mult spre zona de putere maximă ce se regăsește la turații mari, ducând astfel la un consum mai ridicat ce combustibil

Etajarea după criteriul constant de turații al motorului

Acest tip de etajare a cutiilor de viteze este caracterizata de un interval constant de turații, iar determinarea rapoartelor se realizează în progresie geometrica.

Fig.3.3. Etajarea după criteriu intervalului constant de turație al motorului

Avantajul acestui tip de etajare este dat de faptul ca se pot obține viteze mari în zona turațiilor de ce consum economic, aceste turații se regăsesc în intervalul turațiilor de funcționare stabila a motorului.

Dezavantajul utilizării unei astfel de etajării este dat lipsa accelerațiilor în regim de demaraj in ultimele trepte.

3.3 Determinarea numărului de trepte si a rapoartelor de transmitere din cutia de viteze

Determinarea numărului de trepte

Etajarea cutiei de viteze se realizează în progresie geometrică și este încadrată între limitele impuse de valoarea raportului maxim imax si a valorii raportului minim imin din transmisia automobilului.

Raportul maxim din transmisia automobilului studiat se compune din produsul raportului de transmitere al angrenajului permanent i0 (în cazul nostru i0=imin) și a raportului de transmitere din prima treaptă din cutia de viteze:

Numărul de trepte pentru demaraj din cutia de viteze se obțin cu relația:

Pentru autoturismul studiat sunt necesare n=4 trepte de vieze pentru a realiza performanța de viteză maximă, iar ultima treaptă este în priză directă cu valoarea raportului de transmitere egala cu 1. Deci se adopta 4 trepte de viteze pentru regimul de demaraj plus o treaptă de consum economic.

Determinarea rapoartelor de transmitere din cutia de viteze

Rapoartele de transmitere din cutia de viteze se determină utilizând metoda etajării după criteriul intervalul constant al turațiilor:

Cu relația 3.8 sa putut determina numărul minim de trepte din cutia de viteze, iar pentru determinarea valorilor rapoartelor de transmitere pe fiecare treapta se utilizează relația:

Pentru o prezentare amănunțită funcție de zonele de funcționare stabilă a motorului date de aria cuprinsă între turația de moment maxim și de turația maximă de funcționare, respectiv putere maximă. In figura 3.4 este reprezentată diagrama ferestrău, care indică variațiile vitezelor pe fiecare treaptă (n-1 trepte) din cutia de viteze pe caracteristica externă a motorului:

Fig.3.4.a Diagrama ferăstrău pe caracteristica externă

În graficul din figura 3.4.a se poate observa că pentru a se menține o viteza aproximativ egala de la trecerea dintr-o treaptă în alta, aceasta trebuie sa se realizeze la o turație a motorului apropiată de 4000 [rot/min]

Sa plecat de la ideea că automobilul poate prinde viteza maximă in ultima treaptă de demaraj la turația maximă de funcționare a motorului. Din condiții pur tehnice motorul nu poate atinge în permanență turația maximă de funcționare, iar aici intervine treapta cu raportul subunitar (treapta a V-a), figura.3.4.b .

Fig.3.4.b Diagrama ferăstrău pe caracteristica externă

În figura 4.3.b evidențiată treapta cu raport subunitar care ajută automobilul și face posibilă obținerea vitezei maxime impuse. O analiză mai amănunțită se va realiza in capitolul 5 (Analiza performanțelor dinamice), unde se va realiza studiul comportării dinamice a automobilului și simularea acestuia pentru diferite condiții de exploatare în Lotus Vehicle Simulation.

În cele expuse mai sus s-a admis că schimbarea treptelor de viteze se realizează instantaneu și fără decuplarea motorului. Dar în realitatea trecerea de la o treaptă de viteze la alta se face într-un interval de 1…5 s, timp în care, motorul este decuplat, iar viteza automobilului se micșorează sub influența forțelor de rezistență la înaintare. Datorită acestui lucru, viteza în momentul cuplării treptei următoare este mai mică față de viteza obținută la sfârșitul demarajului din treapta anterioara [Brasov]:

Din inegalitățile exprimate în relația 10, reiese că este necesar să se realizeze o abatere de la progresia geometrică astfel încât să se obțină rapoartele:

Prin efectuarea raportului dintre valorile a doua trepte vecine (conform relației 11 ) se obține saltul dintre trepte. Înlocuind în relația 11, sau realizat mici modificării ale rapoartelor de transmitere:

Valorile obținute ne ajută la evaluarea calități procesului de schimbare al treptelor de viteze. De precizat faptul că, cu cât valorile salturilor devin mai mici spre treptele superioare, cu atât trecerea de la o treapta icv,n la o treaptă superioară icv,n+1 se realizează mai ușor.

Dacă saltul dintre trepte are valori mai mari, atunci sincronizatoarele trebuie să elimine o diferența de turații mai mare între arbori, deci procesul de schimbare este mai intens din punct de vedere al frecărilor.

Ca urmare a modificărilor aduse valorilor rapoartelor de transmitere, pentru realizarea proiectării cutiei de viteze se vor utiliza următoarele valori:

Aceste valori ale rapoartelor de transmitere reprezintă minimul pentru fiecare treaptă, ele vor mai întâmpina mici modificării în etapa calculului de proiectare a cutiei de viteze.

Daca se dorește totuși realizarea unei etajării pe criteriul turațiilor constante, acest lucru se poate realiza astfel:

1) se stabilesc numărul de trepte din cutia de viteze astfel încât sa se îndeplinească pe cat posibil condiția:

unde: n –este numărul de trepte.

Daca valoarea raportului din relația 3.13 se apropie prea mult de valoarea maximă recomandată, performantele automobilului scad sub cele date de o etajare pe criteriul turațiilor constante.

2) Determinarea rapoartelor de transmitere:

Se pornește de la ideea că automobilul îndeplinește performanța vitezei maxime în ultima treaptă la turația maximă, deci pentru o cutie de viteze cu 5 trepte, ultima treaptă va avea raportul 1, sau valori cuprinse între 0,85…1. Dacă în cazul etajării după criteriul intervalului constant al turațiilor se lua în considerare o treaptă de consum economic, iar analiza performanțelor dinamice se realizau practic pentru n-1 trepte, în cazul etajării după criteriul constant al vitezelor, nu se urmărește acest lucru.

pentru autoturismul studiat ∆Vn are valoarea:

Vitezele maxime pe fiecare treaptă:

– valorile vitezelor obținute: V1=37, V2=74, V3=111, V4=148, V5=185.

Dacă se ține cont de coeficientul de încarnare dinamică în regim de demaraj la limita de aderentă, valoarea raportului pentru treapta I are expresia:

3) Exprimarea vitezelor pe fiecare treapta (diagrama fierăstrău).

Fig.3.5 Diagrama fierăstrău

3.3.1 Justificarea numărului de trepte din cutia de viteze

In vederea adoptării corecte a numărului de trepte din cutia de viteze, se va face o analiza a influentei numărului acestora asupra vitezei de deplasare a automobilului cat si asupra timpului de demaraj. Autovehiculele moderne au in general 5+1, sau 6+1 (fiind dedicate automobilelor ce au performante de viteze ridicate, iar acest lucru depinde de puterea pe care o dezvoltă motorul termic.

Pentru automobilul studiat se va face o analiza a performantei atât pentru tipul de cutie de viteze adoptata cat si pentru posibilitatea utilizării a unei cutii de viteze cu 6 trepte sau chiar 4 trepte.

Pentru cutiile de viteze cu 4 respectiv 6 trepte sau utilizat aceleași metode de obținere a rapoartelor de transmitere.

In cele ce urmează vor fi exprimate grafic caracteristicile dinamice ale pentru fiecare model de cutie de viteze si se vor determina timpului si spațiului de demarare. Calculul se va realiza pentru n-1 trepte, se consideră ca viteza maxima a automobilului se poate obține in zona valorii raportului de transmitere 0,97…1,03.

Caracteristica de performanță în cazul utilizării a unei cutii de viteze cu 4 trepte

Caracteristica dinamica

Fig.3.6 Caracteristica dinamică

Inversul accelerațiilor

Fig.3.7 Caracteristica inversului accelerației

Timpul și spațiul de demarare:

– timpul de demarare demaraj de 0-100 [km/h]

– spațiul de demaraj demarare de 0-100 [km/h]:

Caracteristica de performanță în cazul utilizării cutii de viteze cu 5 trepte

Caracteristica dinamica

Fig.3.8 Caracteristica dinamică

Inversul accelerațiilor

Fig.3.9 Caracteristica inversului accelerației

Timpul si spațiul de demarare:

– timpul de demarare: 0-100 [km/h]

– spațiul de demaraj: 0-100 [km/h]:

Caracteristica de performanță în cazul utilizării a unei cutii de viteze cu 6 trepte

Caracteristica dinamica

Fig3.10. Caracteristica dinamică

Determinarea parametrilor capacitații de demarare

Fig.3.11 Caracteristica inversului accelerației

Timpul si spațiul de demarare

– timpul de demarare demaraj de 0-100 [km/h]

– spațiul de demaraj demarare de 0-100 [km/h]:

Influența numărului de trepte din cutia de viteze asupra timpului de demaraj este arătată cu ajutorul graficelor (fig. 3.7, 3.9, 3.11) unde sunt trasate inversul accelerațiilor, si cu ajutorul relațiilor 3.15…3,19 care definesc parametrii importanți din procesul demarajului.

Determinarea parametrilor capacitații de demarare