Simularea comportamentului termic al unui cuplaj [306654]

[anonimizat] a [anonimizat] a modifica legea de mișcare.

Această lucrare are ca scop simularea comportamentului unui cuplaj folosit în industria auto și observarea temperaturilor din timpul funcționării.

Lucrarea a fost structurată în 5 capitole.

Capitolul 1 [anonimizat].

Capitolul 2 dezvoltă noțiunile generale despre cuplaje în general.

Capitolul 3 abordează noțiuni despre tipul de cuplaj cu frecare vîscoasă.

În capitolul 4 este explicată simularea și prezentate rezultatele obținute.

În capitolul 5 sunt cuprinse concluziile generale referitoare la acest proiect.

[anonimizat] a [anonimizat] a modifica legea de mișcare.

Fig. 2.1 [6]

[anonimizat].

[anonimizat] a acestora: transmiterea mișcării și a momentului de torsiune. Marea diversitate a domeniilor de folosire ale cuplajelor a impus atașarea acestora și a altor funcții suplimentare:

compensarea abaterilor de poziție a elementelor legate prin cuplaj (axiale, radiale, unghiulare sau combinate), datorate erorilor de execuție și/sau montaj;

protecția împotriva șocurilor și vibrațiilor;

întreruperea legăturii dintre cele două elemente;

limitarea sarcinii transmise;

limitarea turației;

limitarea sensului de transmitere a sarcinii.

Fig. 2.2 [6]

În Fig. 1.2. se prezintǎ poziția relativǎ a doi arbori aflați în mișcare de rotație. Datoritǎ [anonimizat] o eroare radialǎ (Fig. 1.2.a), axialǎ (Fig. 1.2.b) sau unghiularǎ (Fig. 1.2.c).

Cuplajele trebuie să îndeplineasca urmatoarele condiții :

să lucreze cu uzură cât mai mică;

să fie silențioase;

să aibă întreținere ușoară;

montarea, demontarea și schimbarea pieselor componente să se facă ușor;

[anonimizat];

[anonimizat];

să asigure securitatea muncii.

[anonimizat]:

După modul în care se realizează transmisia momentului de torsiune și a mișcării de rotație:

[anonimizat] a [anonimizat], transmisii dințate sau gheare;

[anonimizat] a [anonimizat]:

presiunea – cuplaje hidrostatice;

[anonimizat];

[anonimizat].

După modul în care se realizează legătura între capetele arborilor:

[anonimizat]are, deci ele nu pot fi desfăcute în timpul funcționării lor;

cuplaje fixe – la care arborii sunt legați rigid, ei funcționând ca unul singur;

cuplaje mobile – la care arborii au posibilitatea să realizeze mici deplasări relative, axiale, radiale sau unghiulare.

Cuplajele permanente se deosebesc între ele după poziția relativă a celor doi arbori între care se face transmisia mișcărilor; din acest punct de vedere avem:

cuplaje coaxiale – la care arborii au aceeasi axa;

cuplaje articulate – la care axele celor doi arbori sunt concurente.

cuplaje intermitente – cu aceste cuplaje legătura dintre arbori poate fi stabilită sau întreruptă în repaus sau în timpul funcționării prin comanda exterioara sau automată, fără a fi necesară demontarea componentelor. Aceste cuplaje se mai numesc ambreiaje.

comandate – la care actionarea și intreruperealegaturii dintre arbori se face cu ajutorul unei comenzi exterioare;

cuplaje cu comanda mecanica;

cuplaje cu comanda electrica;

cuplaje cu comanda hidrostatica;

cuplaje cu comanda pneumatica.

automate – la care actionarea sau intreruperea legaturii se face la depasirea valorii unui parametru functional, cum ar fi: turatie, moment, viteza.

Din grupa cuplajelor intermitente fac parte și cuplajele de siguranta, care se desfac la depasirea unor valori ale turatiei sau solicitarii, precum și cuplajele cu actionare rapida, ce realizeaza un numar mare de cuplari și decuplari în unitatea de timp și care sunt frecvent utilizate în constructiile de mecanica fina și automatica.

Cuplaje permanente fixe

Cuplajele permanente fixe realizeaza legatura permanenta rigida a arborilor coaxiali, la care abaterile maxime de la coaxialitate nu trebuie sa depaseasca 0,002 … 0,05 mm, pentru a nu crea suprasolicitari în arbori și lagare. Se folosesc la arbori de transmisie lungi, formati din tronsoane, la poduri rulante, macarale portal etc., la turatii mici (n<200 … 250 rot/min) și în transmisiile care lucreaza cu turatie variabila sau în regim de cuplari repetate, unde momentul de inertie relativ mic al acestor cuplaje constituie un avantaj important.

Cuplajele cu manson monobloc – formate dintr-o bucsa (manson) montata pe capetele arborilor de asamblat – transmit momentul de torsiune prin intermediul unor organe de asamblare, cum ar fi: stifturi cilindrice crestate, stifturi conice netede, pene paralele (Fig. 2.3.a), pene disc, caneluri (Fig. 2.3.b). Fixarea axiala a bucsei, în exemplele prezentate în Fig. 2.3, se realizeaza cu ajutorul unor stifturi filetate.

Momentul de torsiune se transmite de la arborele conducator la manson și de la acesta la arborele condus, mansonul fiind solicitat la torsiune.

Fig. 2.3 [1]

Calculul cuplajelor cu manson monobloc consta în alegerea și verificarea elementelor asamblarilor dintre arbori și manson (stifturi, pene, caneluri).

Cuplajele cu manson monobloc se folosesc rar, acestea având gabarit mare în lungime și necesitând, la montare și demontare, deplasari axiale mari ale unuia din arbori.

Cuplajele manson sunt formate dintr-un manson sectionat, montat pe capetele arborilor de asamblat prin intermediul suruburilor, care asigura strângerea necesara transmiterii momentului de torsiune prin frecarea dintre manson și capetele celor doi arbori.

Cuplajele manson sunt standardizate în doua variante constructive: pentru arbori orizontali (Fig. 2.4.a) și pentru arbori verticali (Fig. 2.4.b). Pentru siguranta în functionare, se prevad pene paralele – în cazul arborilor orizontali (v. Fig. 2.4.a) și pana paralela cu cep – în cazul arborilor verticali (v. Fig. 2.4.b).

Aceste cuplaje permit montarea și demontarea fara deplasarea axiala a arborilor, dar prezinta dificultati la echilibrare și necesita masuri speciale de protectie (carcase de protectie).

Fig. 2.4 [1]

Datorita dezavantajelor pe care le prezinta cuplajele permanente fixe în general și a dezavantajelor specifice acestui tip de cuplaj, el se foloseste pe scara redusa, în special la turatii mici.

Cuplajele cu flanse sunt formate din doua semicuplaje – montate pe capetele arborilor de asamblat, de regula, prin pene paralele – solidarizate prin suruburi, montate cu joc sau fara joc. În cazul montajului cu joc, momentul de torsiune se transmite prin frecarea dintre suprafetele în contact ale flanselor (Fig. 2.5.a) sau prin bucse (Fig. 2.5.b), care descarca suruburile de solicitare. Cuplajele cu flanse la care suruburile sunt montate fara joc sunt standardizate în doua variante constructive: pentru arbori orizontali și pentru arbori verticali; acestea transmit momentul de torsiune prin tija suruburilor.

Fig. 2.5 [1]

Cuplajul cu flanse și suruburi montate fara joc (Fig. 2.5.c), datorita dimensiunilor de gabarit mai mici decât în cazul cuplajului cu flanse și suruburi montate cu joc și a unei sigurante în functionare ridicate, este mult mai frecvent folosit.

Cuplajele cu dinti frontali (cuplaje tip Hirth) transmit momentul de torsiune prin intermediul dintilor frontali, executati, de regula, pe elementele care trebuie legate (roti dintate, arbori, flanse, discuri etc.).

În Fig. 2.6 se prezinta exemple de folosire a cuplajului Hirth: la executarea unui tren de roti dintate din mai multe elemente (Fig. 2.6.a); la asamblarea unei roti dintate conice pe capatul unui arbore (Fig. 2.6.b). Mentinerea contactului dintre dintii cuplajului se realizeaza cu ajutorul surubului 1 și a piulitei 2 (v. Fig. 2.6.a) sau cu surubul 3 (v. Fig. 2.6.b). Dantura cuplajului poate fi simetrica (v. Fig. 2.6.a) sau asimetrica (v. Fig. 2.6.b).

Fig. 2.6 [1]

Dantura cuplajului este solicitata la strivire, încovoiere și forfecare, calculul efectuându-se doar la încovoiere, considerând dintele o grinda încastrata, încarcata cu forta tangentiala, aplicata pe diametrul mediu, la jumatatea înaltimii dintelui.

Aceste cuplaje se folosesc pe scara larga, datorita faptului ca transmit momente de torsiune mari, în ambele sensuri, au dimensiuni de gabarit reduse, prezinta siguranta mare în functionare, asigura o precizie mare la coaxialitatea arborilor, iar montarea și demontarea se realizeaza usor.

Cuplaje permanente mobile rigide

Aceste cuplaje permit legarea arborilor a caror coaxialitate nu poate fi riguros respectata la montaj și a celor a caror pozitie relativa se modifica în timpul functionarii.

Fig. 2.7 [10]

Fata de o pozitie de referinta a doi arbori (Fig. 2.7.a), în functie de abaterile pe care le pot compensa, cuplajele permanente mobile cu elemente intermediare rigide se clasifica în cuplaje pentru compensarea abaterilor: axiale (Fig. 2.7.b); radiale (transversale, Fig. 2.7.c); unghiulare (Fig. 2.7.d); combinate (Fig. 2.7.e).

Cuplaje pentru compensarea abaterilor axiale

Se folosesc pentru transmiterea momentului de torsiune între arbori coaxiali, a caror pozitie relativa axiala este variabila. Un exemplu de astfel de cuplaj este prezentat în Fig. 2.8 – cuplajul cu stift transversal. Acest tip de cuplaj se executa în mai multe variante, fiind folosit pentru diametre de arbori d≤30 mm, pentru transmiterea momentelor de torsiune mici. Abaterile axiale pe care le pot compensa aceste tipuri de cuplaje se datoresc deformatiilor termice. Calculul acestor cuplaje consta în verificarea stiftului transversal la forfecare și strivire.

Fig. 2.8 [10]

Cuplaje pentru compensarea abaterilor radiale

Aceste cuplaje leaga arbori cu axele paralele, varianta cea mai raspândita, datorita simplitatii constructive și structurale, constituind-o cuplajul Oldham. Diversele variante ale cuplajului Oldham se diferentiaza dupa forma cuplelor dintre elementul intermediar și semicuplaje. La cuplajul prezentat în Fig. 2.9, cele doua semicuplaje sunt prevazute, pe fetele laterale, cu câte un canal diametral, de sectiune dreptunghiulara, în care patrund nervurile decalate la 90° ale discului intermediar. Cuplajul permite compensarea abaterilor radiale și a unor mici abateri axiale. Valorile maxime ale abaterilor radiale se limiteaza la 0,04D, D fiind diametrul exterior al cuplajului; functionarea cu excentricitati mai mari, datorita alunecarilor mari, produce uzuri importante ale suprafetelor în contact.

În timpul functionarii, discul intermediar executa o miscare planetara, centrul sau deplasându se pe un cerc cu diametrul egal cu excentricitatea e a arborilor ().

Fig. 2.9 [1]

Suprafetele functionale sunt solicitate la strivire, calculul efecutându-se în ipoteza repartitiei triunghiulare a presiunilor, în situatia compensarii abaterii axiale maxime, când lungimea de contact este minima (Fig. 2.10).

Fig. 2.10 [1]

Cuplaje pentru compensarea abaterilor unghiulare

Aceste cuplaje realizeaza legatura dintre doi arbori concurenti, a caror pozitie – în timpul functionarii – poate fi variabila.

Sub diverse forme constructive, aceste cuplaje se folosesc în transmisiile autovehiculelor, la transmisiile masinilor unelte, a masinilor agricole, a masinilor de ridicat și transportat etc.

Cuplajul cardanic din Fig. 2.11 se compune dintr-un element conducator 1, un element condus 2 – care au, în general, forma unor furci – și un element intermediar 3, de forma unei cruci. Acest cuplaj este un mecanism heterocinetic, legatura dintre vitezele unghiulare ale elementelor conducator și condus fiind functie de unghiul de rotire al elementului conducator și de unghiul α dintre axele celor doi arbori.

Fig. 2.11 [10]

Pentru realizarea homocinetismului (egalitatea dintre vitezele unghiulare ale arborelui conducator și condus), se foloseste solutia cu doua cuplaje cardanice (bicardanica) și arbore intermediar (Fig. 2.12).

Transmisia bicardanica este homocinetica daca sunt îndeplinite doua conditii: axele furcilor de pe arborele intermediar sunt paralele și unghiul dintre axele arborelui conducator și cel intermediar este egal cu unghiul dintre axele arborelui intermediar și cel condus.

Fig. 2.12 [1]

Pe lânga legarea a doi arbori concurenti, transmisiile cardanice permit și compensarea abaterilor axiale ce apar în timpul functionarii; deplasarea relativa dintre cuplajele transmisiei bicardanice este posibila ca urmare a existentei unei cuple de translatie (în general o asamblare prin caneluri – Fig. 2.13).

Fig. 2.13 [1]

Pe lânga solutiile clasice de cuplaje cardanice, mai exista și alte solutii de cuplaje care permit compensarea abaterilor unghiulare: cuplaje podomorfe, Weiss și Rzeppa.

Cuplaje pentru compensarea abaterilor combinate

Aceste cuplaje pot compensa abateri axiale, radiale (transversale) sau unghiulare ale arborilor cuplati sau combinatii ale acestor abateri.

Din aceasta categorie fac parte cuplajele dintate, care pot compensa, concomitent, toate tipurile de abateri. Se folosesc pe scara larga în constructia de masini grele (laminoare, utilaje siderurgice, utilaje miniere, pompe, compresoare etc.), datorita capacitatii de a transmite momente de torsiune mari, la dimensiuni de gabarit reduse, și a functionarii sigure, la viteze mari de rotatie.

Cuplajul prezentat în Fig. 2.14 este format din doi butuci 1, cu dantura exterioara, montati pe capetele celor doi arbori, și din doua mansoane 2, cu dantura interioara, solidarizate prin suruburile 3, centrarea mansoanelor realizându-se cu ajutorul inelului 4. Deoarece cuplajul functioneaza cu ungere, pentru micsorarea uzurii, sunt prevazute etansari cu inele O.

Fig. 2.14 [1]

Momentul de torsiune se transmite de la butuc la manson (sau invers) prin intermediul danturii (prin contact direct fara frecare), forma acesteia influentând atât capacitatea de transmitere cât și pe cea de compensare a abaterilor.

Profilul dintilor se executa în evolventa, având, de regula, unghiul profilului de referinta ; se întâlnesc și cazuri cu și chiar cu , putându-se folosi și dantura modificata.

În plan axial, forma dintilor poate fi dreapta sau curba (Fig. 2.15.a, respectiv b), iar linia flancului dintelui, pe lungime, poate fi dreapta sau bombata (Fig. 2.16.a, respectiv b). Din figurile 2.15 și 2.16, rezulta ca dantura curba și bombata este solutia optima, deoarece, în comparatie cu celelalte danturi, prezinta o serie de avantaje: creste capacitatea cuplajului de a compensa abateri unghiulare; se uniformizeaza repartitia sarcinii pe dintii cuplajului, datorita contactului mai corect dintre acestia, ceea ce duce la micsorarea uzurilor; conditiile de ungere sunt superioare; se pot alege jocuri minime între flancuri, reducându-se astfel socurile și zgomotul.

Pentru functionarea corespunzatoare a acestor cuplaje, este necesara o buna ungere, folosindu se urmatoarele sisteme de ungere:

ungere cu unsoare consistenta, la turatii joase și momente de torsiune mari; se asigura o buna ungere la pornire, deoarece unsoarea se mentine usor între dinti și schimbarea ei se face cu usurinta;

ungere cu ulei stationar, la temperaturi mici, turatii sub 5500 rot/min și diametre ale cuplajului sub 300 mm; uleiul, introdus initial în carcasa cuplajului dintat, este centrifugat, în functionare, între dintii în contact, asigurând o ungere corespunzatoare;

ungere cu circulatie de ulei, la temperaturi și turatii mari, acestea marind foarte mult presiunea de centrifugare a uleiului.

Un calcul exact al danturii acestor cuplaje nu se poate face, datorita imposibilitatii luarii în considerare, cu precizie și în totalitate, a conditiilor reale de functionare, fenomenele care intervin fiind multiple și complexe. Printre altele, capacitatea portanta a danturii este influentata sensibil de înclinarea arborilor și de precizia de executie.

Cuplajele dintate se executa într-o mare varietate de forme constructive, putând fi adaptate tuturor cerintelor impuse transmisiei din care fac parte

Cuplaje permanente mobile elastice

Aceste cuplaje, denumite în mod curent cuplaje elastice, se caracterizeaza prin existenta unui element elastic (metalic sau nemetalic) între semicuplaje, care participa la transmiterea momentului de torsiune și determina proprietatile cuplajului: amortizarea socurilor și vibratiilor torsionale, prin acumularea temporara a lucrului mecanic și redarea acestuia sistemului pe care îl echipeaza, printr-o revenire treptata a elementului elastic la forma și pozitia sa initiala; limitarea vibratiilor de rezonanta, prin schimbarea frecventei proprii a sistemului mecanic; compensarea elastica a abaterilor de pozitie a arborilor, datorate impreciziilor de executie și montaj.

Cuplajele elastice sunt caracterizate prin rigiditate și prin capacitatea de amortizare.

Caracteristica elastica a cuplajelor reprezinta dependenta dintre unghiul de rotire relativa a celor doua semicuplaje și momentul de torsiune transmis de cuplaj; cuplajele pot fi cu rigiditate constanta, caracteristica acestora fiind liniara, și cu rigiditate variabila, caracteristica, în acest caz, fiind neliniara (v. Fig. 2.17.a).

Fig. 2.17 [1]

Capacitatea de amortizare a socurilor de torsiune este caracteristica cuplajelor elastice de a transforma în caldura o parte a energiei acestora, restul fiind transformata în energie de deformatie, care este redata sistemului în urma încetarii actiunii socului. La cuplajele elastice cu elemente intermediare metalice, frecarea are loc între elementele elastice (frecare exterioara), iar la cele cu elemente intermediare nemetalice, frecarea are loc în interiorul elementului elastic (frecare interioara); lucrul mecanic de frecare este definit de suprafata cuprinsa între caracteristica de încarcare și cea de descarcare (Fig. 2.17.b).

Existenta cuplajelor elastice în sistemele mecanice influenteaza favorabil comportarea acestora la solicitari oscilatorii, frecvent întâlnite în exploatare, valori mari ale gradului de amortizare ducând la o functionare mai linistita a sistemelor mecanice echipate cu astfel de cuplaje.

Cuplaje elastice cu elemente intermediare nemetalice

Elementul intermediar elastic se executa, în cele mai multe cazuri, din cauciuc (mai rar se utilizeaza pielea, tesaturile cauciucate sau masele plastice), datorita avantajelor pe care le prezinta, în comparatie cu elementele intermediare metalice: elasticitate mare, capacitate mare de amortizare, simplitate constructiva, cost redus. Fata de cuplajele elastice cu elemente intermediare metalice, au durabilitate și capacitate de încarcare mai reduse, fapt pentru care se recomanda la transmiterea de momente de torsiune mici – medii. Aceste cuplaje asigura și izolarea electrica a arborilor cuplati.

Cuplaje elastice cu bolturi. Se executa într-o mare varietate de solutii constructive, care se deosebesc, în principal, prin forma elementului elastic. Doua din aceste variante sunt standardizate: varianta N – normala (Fig. 2.18.a) și varianta B – cu bucse distantiere (Fig. 2.18.b).

Fig. 2.18 [1]

Cuplajele elastice cu bolturi se compun din doua semicuplaje – identice daca bolturile sunt montate alternativ (v. Fig. 2.18) sau diferite daca bolturile sunt montate doar pe un semicuplaj – legate elastic prin intermediul bolturilor, pe care sunt montate mansoane (sau inele din cauciuc), de diferite forme. La toate variantele, trebuie sa se asigure posibilitatea de deformare a elementului elastic.

Aceste cuplaje permit compensarea abaterilor radiale, în limitele , unghiulare și a unor abateri axiale, în limitele mentinerii contactului dintre elementul elastic și alezajul în care acesta este montat, pe o lungime suficient de mare.

Cuplajele se aleg din standarde sau din cataloagele firmelor producatoare – în functie de momentul de torsiune de calcul – calculul acestora reducându-se la verificarea elementelor componente.

Cuplajul cu bolturi și disc elastic (tip Hardy). Este format din doua semicuplaje, legate prin intermediul unui disc elastic, de cauciuc, cu ajutorul unor bolturi, montate alternativ în cele doua semicuplaje (Fig. 2.19). Pentru marirea capacitatii portante și a durabilitatii cuplajului, se folosesc armaturi metalice pentru gaurile prin care se introduc bolturile. Cuplajul se caracterizeaza prin elasticitate torsionala și deformabilitate mari. La transmiterea momentului de torsiune, portiunile din discul elastic dispuse în fata bolturilor de pe semicuplajul conducator sunt supuse la compresiune, iar cele din spatele acestor bolturi la tractiune.

Fig. 2.19 [1]

Cuplaje elastice de tip Periflex. Aceste tipuri de cuplaje se executa într-o mare varietate de forme constructive, care se deosebesc, în principal, prin forma elementului elastic, care impune și forma semicuplajelor.

Cuplajul Periflex se compune din bandajul de cauciuc 3 – cu insertii textile – montat pe semicuplajele 1 și 2, prin intermediul discurilor 4, strânse cu suruburile 5 (Fig. 2.20); bandajul poate fi continuu sau format din mai multe segmente.

Fig. 2.20 [10]

Aceste cuplaje asigura o buna amortizare a socurilor și vibratiilor, având o mare capacitate de acumulare a energiei de soc, datorita volumului mare al elementului elastic. De asemenea, aceste cuplaje pot compensa abateri axiale , radiale , și unghiulare .

Momentul de torsiune se transmite prin frecarea dintre bandaj, pe de o parte, și semicuplaje și discuri, pe de alta parte, forta de apasare fiind creata prin strângerea suruburilor la montaj.

De regula, suruburile se adopta constructiv – atât numarul cât și diametrul acestora – și se verifica la solicitarea de tractiune, produsa de forta , și la cea de torsiune, produsa de momentul de însurubare; de regula, calculul se efectueaza numai la tractiune, cu o forta de calcul .

Bandajul din cauciuc este solicitat suplimentar la tractiune, de catre fortele centrifuge, solicitarea la tractiune devenind periculoasa la viteze periferice mari. Din acest motiv, se limiteaza viteza periferica a bandajului la valori , pentru care tensiunea efectiva de tractiune nu depaseste rezistenta admisibila la tractiune a cauciucului

O alta varianta a cuplajului cu bandaj de cauciuc este prezentata în Fig. 2.21 (cuplajul Vulkan). La acest cuplaj, bandajul este sectionat, executia sa fiind mai usoara si, deci, costul acestuia este mai scazut. Momentul de torsiune se repartizeaza uniform pe cele doua jumatati ale bandajului, montate în paralel, fortele centrifuge fiind preluate de prinderea superioara a acestora. Cuplajul transmite momente de torsiune mai mari decât cuplajul Periflex, la aceleasi dimensiuni de gabarit.

Fig. 2.21 [1]

Ca și la cuplajul Periflex, momentul de torsiune se transmite prin frecare și prin urmare suruburile de strângere și bandajul se calculeaza în mod similar, calculul efectuându-se pentru o jumatate de bandaj, prin care se transmite jumatate din momentul de torsiune.

Cuplajul Vulkan, ca și unele variante ale cuplajului Periflex, se poate utiliza și la legarea arborilor de flanse sau volanti, forma unuia din semicuplaje fiind adaptata acestui scop.

Cuplajul Holset face parte din categoria cuplajelor elastice cu gheare și blocuri de cauciuc pe mai multe rânduri (Fig. 2.22). Între ghiarele radiale a celor doua semicuplaje se monteaza blocuri de cauciuc de forma prismatica, solicitate, în timpul transmiterii momentului de torsiune, la compresiune. Blocurile se monteaza cu precomprimare, pentru a permite cuplajului transmiterea momentului de torsiune în ambele sensuri, fara socuri.

Fig. 2.22 [1]

Cuplajul Vibrostop este un cuplaj elastic cu element de cauciuc solicitat la torsiune (Fig. 2.23). Este alcatuit din elementul elastic 3, vulcanizat pe inelele metalice tronconice 4 și 5, asigurându-se, astfel, o stare tensionala uniforma a cauciucului. Legarea elementului elastic de cele doua semicuplaje identice 1 și 2 se face prin intermediul suruburilor 6.

Fig. 2.23 [1]

Cuplaje elastice cu elemente intermediare metalice

Elementul intermediar elastic se executa din otel de arc, în diverse forme constructive, ca: arcuri bara, arcuri în foi (lamelare), arcuri elicoidale, arcuri manson.

Aceste cuplaje se folosesc pentru transmiterea de momente de torsiune mari, la dimensiuni de gabarit reduse, de regula în medii și conditii de functionare incompatibile cu elementele nemetalice (de cauciuc). Comparativ cu cuplajele elastice cu elemente nemetalice, au o durabilitate mai mare, în schimb gradul de amortizare al elementului elastic este mai redus. Se recomanda sa se utilizeze în transmisiile de puteri mari ale utilajelor tehnologice (laminoare) etc.

Cuplajul cu arc serpuit (de tip Bibby). Este format din doua semicuplaje identice 1 și 2, cu dantura exterioara, de profil special, montate pe capetele celor doi arbori (Fig. 2.24). În golurile dintre dintii celor doua semicuplaje, plasate fata în fata, este montat arcul serpuit 3, de forma unei benzi cu sectiune dreptunghiulara. Carcasele 4 și 5 au rol de protectie a partii active a cuplajului, în interiorul acestora introducându-se unsoare consistenta, pentru reducerea uzurii dintilor și a elementului elastic și a micsorarii zgomotului. Etansarea carcasei se face fara contact (cu fanta, Fig. 2.24.a) sau cu contact (cu element din cauciuc, Fig. 2.24.b).

Fig. 2.24 [1]

Cuplajul permite compensarea abaterilor combinate: axiale , radiale și unghiulare .

Cuplajele cu arc serpuit pot avea caracteristica neliniara sau liniara, în functie de forma dintilor pe lungime. Pentru varianta la care flancurile dintilor sunt curbilinii pe lungime, caracteristica este neliniara, datorita modificarii distantei dintre punctele de contact ale arcului cu dintii semicuplajelor (Fig. 2.25). Pentru varianta la care flancurile dintilor sunt rectilinii pe lungime, caracteristica este liniara, deoarece distanta dintre punctele de contact ale arcului cu dintii semicuplajelor este constanta, nedepinzând de valoarea momentului de torsiune transmis (Fig. 2.26.a).

Fig. 2.25 [1]

În timpul functionarii cuplajului, sarcina preluata de elementul elastic este variabila, cu posibile socuri. Pozitia benzii de otel (a arcului serpuit), la diferite încarcari ale cuplajului din Fig. 2.24, este prezentata în Fig. 2.25. Se observa ca odata cu cresterea sarcinii arcul se aseaza pe flancurile dintilor celor doua semicuplaje, luând forma acestora și punctele de aplicatie ale fortelor tangentiale se apropie.

La preluarea socurilor mari, distanata dintre punctele de aplicatie ale fortelor tangentiale, corespunzatoare acestor sarcini, este egala cu distanta a (v. Fig. 2.25 și Fig. 2.26.c) dintre cele doua semicuplaje situatie în care rigiditatea cuplajului este maxima (portiunea cuprinsa între j1 și jmax din caracteristica prezentata în Fig. 2.26.d).

Fig. 2.26 [1]

La varianta cu caracteristica liniara, arcul se comporta ca o grinda încastrata, punctele de încastrare fiind punctele de contact ale arcului cu dintii (v. Fig. 2.26 a și b), iar forta tangentiala actioneaza la mijlocul grinzii; sub aceasta forta, arcul se deformeaza liber pâna la aparitia unor socuri mari, când punctele de aplicatie ale fortelor se afla la o distanta egala cu distanta a dintre cele doua semicuplaje (v. Fig. 2.26.c).

Cuplajul cu arcuri elicoidale (de tip Cardeflex). Este format din semicuplajele 1 și 2, identice, pe care sunt montati, alternativ, segmentii 3, prin intermediul bolturilor speciale 4. Între segmenti sunt montate, cu precomprimare, arcurile 5, centrate pe segmentii 3, prin intermediul stifturilor 6, ce apartin acestor segmenti și care limiteaza deformatiile arcurilor (Fig. 2.27). Cuplajul transmite momentul de torsiune în ambele sensuri, fara socuri, datorita pretensionarii arcurilor. Deoarece în regim tranzitoriu sau la preluarea sarcinilor apare o rotire relativa între cele doua semicuplaje , segmentii prezinta (în timpul functionarii) o miscare oscilatorie, de mica amplitudine, fapt pentru care se recomanda ungerea zonei de contact cu bolturile.

Fig. 2.27 [1]

Cuplajul permite compensarea abaterilor combinate: axiale , radiale (D – diametrul exterior al cuplajului) și unghiulare , valorile fiind acceptate pentru turatii minime ale cuplajului; la turatii mari, abaterile posibil a fi compensate, în conditiile unei functionari corespunzatoare a cuplajului, sunt indicate de firmele constructoare de cuplaje.

Caracteristica cuplajelor cu arcuri elicoidale depinde de caracteristica arcurilor utilizate, în cazul arcurilor elicoidale cilindrice de compresiune fiind liniara. În functionarea unui cuplaj Cardeflex, se întâlnesc urmatoarele etape (Fig. 2.28.c): o prima etapa (I) – Fig. 2.28.b), în care functioneaza toate arcurile, arcurile din fata segmentilor de pe semicuplajul conducator (în sensul miscarii) comprimându-se, iar cele din spate destinzându-se; etapa se încheie atunci când aceste arcuri s-au destins complet, în cea de a doua etapa (II) functionând numai arcurile dispuse în fata segmentilor de pe semicuplajul conducator; etapa se încheie atunci când stifturile pe care sunt centrate arcurile respective vin în contact, moment din care cuplajul devine rigid. Când nu se transmite moment (Fig. 2.28.a), pentru , , respectiv .

Fig. 2.28 [1]

Cuplaje intermitente

Cuplajele intermitente realizeaza o legatura nepermanenta între doua elemente succesive ale lanturilor cinematice în care sunt înglobate. Aceste cuplaje trebuie sa îndeplineasca unele cerinte functionale și constructive, printre care: capacitate de transmitere a momentului de torsiune; realizarea cuplarii/decuplarii sigure, la comanda exterioara sau la atingerea valorii corespunzatoare a parametrului decizional; dimensiuni, greutate și moment de inertie minime; durabilitate corespunzatoare; constructie simpla, întretinere usoara, cost redus etc.

Cuplaje intermitente comandate

Aceste cuplaje se folosesc mult în sistemele de actionare care necesita cuplari și decuplari repetate, modificarea regimurilor de functionare, schimbarea sensului de miscare etc.

Cuplajele cu frictiune intermitente comandate pot fi clasificate dupa:

forma suprafetelor de frecare: plane, conice;

natura frecarii: uscata sau cu ungere;

numarul suprafetelor de frecare: o suprafata sau mai multe.

În ceea ce priveste natura frecarii, ea este determinata de conditiile de functionare (mediu, sistem de comanda etc.) și determina, la rândul ei, natura materialelor de frictiune utilizate. La frecarea în conditii de ungere, desi coeficientul de frecare – și în consecinta momentul de torsiune capabil al cuplajului – este mai mic, conditiile de evacuare a caldurii rezultate în procesul de cuplare sunt favorabile, ceea ce este foarte important în cazul cuplajelor cu frecventa mare de lucru.

Numarul suprafetelor de frecare influenteaza direct capacitatea de transmitere a momentului de torsiune al cuplajelor cu frictiune, utilizarea suprafetelor multiple ducând la reducerea gabaritului diametral deci a momentului de inertie si, indirect, la reducerea costului cuplajului.

Asupra performantelor cuplajelor cu frictiune influenteaza mult atât calitatea materialelor utilizate pentru materializarea suprafetelor de frecare, prin care se transmite momentul de torsiune, cât și geometria acestor suprafete.

Materialele folosite pentru realizarea suprafetelor de frecare trebuie sa raspunda unor cerinte speciale:

coeficient de frecare cât mai mare – valoarea coeficientului de frecare depinde de cuplul de materiale în contact, micro și macrogeometria suprafetelor, starea de miscare relativa a suprafetelor în contact si, eventual, calitatile uleiului dintre suprafetele care functioneaza cu ungere;

caracteristici stabile, în domenii largi de variatie a conditiilor de lucru – coeficientul de frecare variaza în functie de unii parametrii functionali (viteza relativa, temperatura și presiunea pe suprafetele de contact); se recomanda, pentru o buna functionare, utilizarea de materiale cu variatii minime ale coeficientului de frecare;

durabilitate ridicata – uzare redusa, la un numar mare de cicluri de functionare și mentinerea caracteristicilor functionale initiale;

adaptare pe suprafata suport și compatibilitate reciproca – asamblarea garnitura de frictiune-piesa suport trebuie sa reziste atât la solicitarile mecanice cât și la cele termice iar materialele aflate în contact nu trebuie sa prezinte agresivitate chimica reciproca sau cu mediul ambiant;

conductibilitate termica ridicata – în special pentru cuplajele care functioneaza în regim de cuplari frecvente sau de patinare continua;

greutate cât mai redusa și cost scazut.

De regula, una din suprafetele de frecare se realizeaza din fonta sau otel, cealalta putând fi din acelasi material sau o garnitura speciala, care, de regula, se realizeaza din materiale sinterizate sau din materiale metalo-ceramice.

În Fig. 2.29 se prezinta un cuplaj cu frictiune cu suprafete plane (multidisc), cu comanda mecanica. Pachetul de discuri conducatoare 1 și conduse 2, montate alternativ, având caneluri interioare, respectiv exterioare, este apasat axial, între discul de presiune 3 și discul de reazem 4, de catre pârghiile de comanda 5 (în numar de minim trei, dispuse echidistant), care pot oscila în jurul bolturilor 6; apasarea pârghiilor se realizeaza prin deplasarea axiala a mufei 7. Pentru ca la decuplare discurile sa se desprinda (momentul rezidual sa fie cât mai redus), se utilizeaza arcurile de decuplare 8. Discul de reazem 4, filetat la interior, permite reglarea jocului în pachetul de discuri, astfel încât sa poata fi compensata uzura ce apare în exploatare.

Fig. 2.29 [1]

Un exemplu foarte raspândit de cuplaj monodisc comandat mecanic este ambreiajul principal al automobilului (Fig. 2.30). Discul de frictiune 1, care constituie discul condus, este strâns între placa de presiune 2 și volantul motorului 3, de catre arcul diafragma 4, articulat la carcasa ambreiajului 5; discul de frictiune 1, prevazut cu un amortizor pentru oscilatii torsionale 6, este legat – prin caneluri – de arborele primar al cutiei de viteze.

Fig. 2.30 [1]

Ambreiajul principal este un cuplaj normal cuplat, decuplarea lui reaalizându-se prin apasarea și deformarea arcului diafragma 4, de catre rulmentul de presiune 7, cu ajutorul unor pârghii de comanda, actionate de la pedala corespunzatoare.

Dimensionarea cuplajelor cu frictiune consta în stabilirea dimensiunilor principale, a numarului de discuri – conducatoare și conduse – și a fortei de cuplare necesare, din conditia transmiterii fara patinare a momentului de torsiune de calcul . Pentru un cuplaj existent sau adoptat, se determina momentul capabil, fiind necesar ca valoarea acestuia sa fie cel putin egala cu aceea a momentului de torsiune de calcul.

Distributia presiunii pe suprafetele de frecare (în contact) – esentiala în calculul acestor cuplaje – nu poate fi riguros evaluata, motiv pentru care, de obicei, aceasta se admite, pe baza unor ipoteze: ipoteza distributiei uniforme a presiunii sau ipoteza uzarii uniforme. Se pot însa stabili relatii de calcul cu valabilitate generala, relatii ce se vor particulariza atunci când se adopta una sau cealalta din ipotezele amintite.

Distributia uniforma a presiunii se apropie de realitate doar în cazul suprafetelor de frecare în stare noua sau în cazul constructiilor la care exista un element elastic ce mentine – în tot timpul exploatarii – presiunea uniform distribuita. Pentru cuplajele uzuale, pe masura exploatarii acestora, distributia presiunii se modifica, de la cea uniforma catre cea corespunzatoare uzarii uniforme. Pentru deducerea relatiilor – cu carcater general – referitoare la capacitatea de transmitere a momentului de torsiune de catre cuplajele cu suprafete de frecare conice sau plane, se utilizeaza schema de calcul din fig.5.30.

Fig. 2.31 [1]

Proiectarea în ipoteza distributiei uniforme a presiunii poate duce, în exploatare, la deteriorarea rapida a suprafetelor de frecare, în cazul în care aceasta ipoteza nu corespunde fenomenelor reale, de exemplu în cazul cuplajelor cu garnituri rigide (caz cvasigeneral), deteriorarea datorându-se depasirii presiunii admisibile între suprafetele în contact.

Ipoteza uzarii uniforme fiind acoperitoare, apare rational ca dimensionarea cuplajelor cu frictiune sa se faca pornind tocmai de la aceasta ipoteza.

Datorita patinarii suprafetelor în contact – în procesul de cuplare – momentul de frecare genereaza un lucru mecanic de frecare, care se transforma în caldura. Tinând seama de acest considerent, pentru cuplajele care transmit sarcina prin frictiune se poate face și un calcul termic.

Cuplaje limitatoare de sarcina (de siguranta)

Aceste cuplaje îndeplinesc, pe lânga functia principala de transmitere a momentului de torsiune, și functia de limitare a valorii acestuia. Se evita astfel suprasolicitarea elementelor lantului cinematic echipat cu un astfel de cuplaj și deterioarea acestor elemente.

Suprasarcinile care apar în transmisii pot fi dinamice (cu soc), cu actiune foarte scurta (suprasarcini de scurta durata), în regimurile tranzitorii de functionare sau cvasistatice, cu actiune îndelungata, ca urmare a încarcarii prea mari a masinii antrenate. Luarea în considerare, în totalitate, a acestor suprasarcini, la proiectarea transmisiilor, ar duce la o supradimensionare a acestora, iar neglijarea influenetelor suprasarcinilor ar duce la scoaterea din functiune a transmisiilor. Montarea unor cuplaje de siguranta în transmisiile mecanice ar raspunde cerintelor impuse, masina functionând în deplina siguranta, elementele componenete ale transmisiei fiind dimensionate astfel încât sa se utilizeze la maxim proprietatile mecanice ale materialelor din care sunt executate.

Utilizarea cuplajelor de siguranta este justificata în urmatoarele situatii: în transmisiile masinilor la care sarcina actioneaza cu soc; în transmisiile cu mase inertiale mari; în transmisiile masinilor care prelucreaza medii neomogene (exacavatoare, masini agricole etc.); în transmisiile masinilor automate; în lanturile cinematice cu mai multe ramuri etc.

Conditiile pe care trebuie sa le îndeplineasca cuplajele de siguranta sunt: fiabilitate și functionare sigura; precizie de limitare a momentului de torsiune, la o anumita valoare impusa; sensibilitate la decuplare; posibilitatea reglarii momentului de torsiune transmis; posibilitatea restabilirii automate a fluxului cinematic, dupa încetarea actiunii suprasarcinii.

În functionarea cuplajelor de siguranta, se deosebesc trei situatii functionale distincte:

situatia de functionare complet cuplat, când momentul din transmisie Mt tr este mai mic decât momentul de torsiune capabil a fi transmis de cuplaj: ;

procesul de decuplare, care începe când momentul de torsiune din transmisie depaseste momentul de torsiune și între semicuplaje apare o miscare relativa; momentul transmis de cuplaj variaza dupa o anumita lege, care depinde de tipul cuplajului, stabilizându-se, la sfârsitul procesului, la o valoare , numit moment de torsiune remanent;

procesul de cuplare, care se desfasoara automat, prin egalizarea vitezelor unghiulare ale semicuplajelor, ca urmare a micsorarii momentului de torsiune din transmisie sau printr o interventie exterioara – comanda de cuplare, înlocuirea stiftului rupt etc.; la sfârsitul procesului de cuplare se obtine, din nou, situatia de functionare complet cuplat.

În Fig. 2.32 se prezinta variatia momentulsui de torsiune , în procesul decuplarii, în urmatoarele situatii posibile: cu întreruperea transmisterii momentului de torsiune (Fig. 2.32.a); cu întreruperea temporara a transmiterii momentului de torsiune (transmitere intermitenta Fig. 2.32.b); cu transmiterea continua a momentului de torsiune (Fig. 2.32.c).

Fig. 2.32 [1]

Variatia momentului de torsiune dupa diagrama din Fig. 2.32.a (cu întreruperea transmiterii momentului de torsiune) este caracteristica cuplajelor de siguranta cu elemente de rupere (stifturi solicitate la forfecare sau tractiune) sau cuplajelor echipate cu sisteme de întrerupere a legaturii cinematice în cuplaj. La momentul când , se produce decuplarea legaturii între cele doua semicuplaje (ruperea stifturilor), iar momentul la semicuplajul condus devine .

În cazul cuplajelor de siguranta cu gheare frontale, cu galeti și cu bile (cu transmiterea intermitenta a momentului de torsiune), legea de variatie a momentului corespunde cu cea prezentata în Fig. 2.32.b în zona cuprinsa între și valoarea maxima a momentului exista posibilitatea ca procesul de decuplare sa se desfasoare incomplet, fapt ce duce la o instabilitate în functionarea transmisiei, putând aparea cuplari și decuplari incomplete. Dupa depasirea acestei zone, momentul de torsiune scade la valoarea , valoare care se mentine pâna la o noua cuplare (pâna când galetii sau bilele patrund în locasurile active urmatoare celor din care au iesit la decuplare).

Forma optima de variatie a momentului de torsiune, în procesul decuplarii, caracteristica cuplajelor de siguranta cu frictiune, (cu transmiterea continua a momentului de torsiune) este prezentata în Fig. 2.32.c. Valoarea mare a momentului explica utilizarea pe scara larga a acestor cuplaje.

Cuplaje de siguranta cu stifturi de forfecare

Fac parte din grupa cuplajelor de siguranta care întrerup transmiterea momentului de torsiune (v. Fig. 2.32.a) și se utilizeaza când suprasarcinile actioneaza rar, întâmplator, dar sunt de valori mari. Simplitatea constructiva și gabaritul redus au determinat folosirea pe scara larga a acestor cuplaje, cu toate ca pentru repunerea în functiune a cuplajului este necesara înlocuirea stiftului forfecat.

Fig. 2.33 [1]

Solutiile constructive existente pot realiza legatura între capetele a doi arbori (Fig. 2.33.a) sau între o roata dintata, de curea sau de lant, și arborele pe care aceasta este montata (Fig. 2.33.b).

Stifturile, executate din otel cu continut mediu de carbon, pot fi lise (v. Fig. 2.33.a și b), crestate (Fig. 2.34.a) sau crestate și cu mai multe tronsoane (Fig. 2.34.b).

Fig. 2.34 [1]

Stifturile sunt montate în bucse calite la 50 … 60 HRC, evitându-se astfel solicitarea suplimentara a acestora la încovoiere. Se pot utiliza unul sau mai multe stifturi, montate axial sau radial. Precizia de decuplare se mareste prin utilizarea unui singur stift, dar apare dezavantajul dezechilibrarii cuplajului; de asemenea, precizia de decuplare se mareste în cazul montarii unor stifturi crestate, comparativ cu situatia montarii stifturilor lise.

Cuplaje de siguranta cu galeti

Aceste cuplaje fac parte din categoria cuplajelor de siguranta cu transmiterea intermitenta a sarcinii. În procesul decuplarii, transmit intermitent momentul de torsiune (v. Fig. 2.32.b) și se utilizeaza, cu precadere, la masini agricole, fiind încorporate în transmisia cardanica dintre tractor și masinile agricole.

La aceste cuplaje, momentul de torsiune se transmite, între semicuplajele 1 și 3, prin intermediul galetilor 2 (Fig. 2.35), dispusi radial sau axial, pe unul sau mai multe rânduri. Constructia acestor cuplaje nu permite reglarea continua a valorii momentului de torsiune transmis, modificarea acestuia putându-se obtine doar prin schimbarea arcurilor 4 (v. Fig. 2.35.a).

Fig. 2.35 [1]

Cuplaje de siguranta cu frictiune

Fac parte din categoria cuplajelor de siguranta care transmit în mod continuu momentul de torsiune (v. Fig. 2.32.c). Se executa într-o multitudine de variante constructive, fiind folosite pe scara larga, datorita multiplelor avantaje pe care le au, comparativ cu alte tipuri de cuplaje de siguranta; dintre acestea, cele mai importante sunt: transmit momente de torsiune mari, la gabarite relativ mici; au durabilitate ridicata; pot functiona uscat sau cu ungere; permit schimbarea garniturilor de frictiune, în cazul uzarii acestora.

Cuplajele de siguranta cu frictiune pot fi cu suprafete plane (cu discuri), cu suprafete conice, cu suprafete cilindrice sau cu suprafete combinate.

Materialele folosite pentru garniturile de frictiune, prin calitatile pe care le poseda, determina, în principal, dimensiunile de gabarit ale cuplajelor. Dintre aceste calitati, doua sunt importante: coeficientul de frecare static și durabilitatea.

Coeficientul de frecare static trebuie sa fie cât mai mare și mai stabil, în domenii largi de variatie a conditiilor de functionare, pentru marirea preciziei și sensibilitatii la decuplare a cuplajului.

Rezistenta la uzura a elementelor de frictiune trebuie sa fie cât mai mare, asigurând, în acest fel, o durabilitate ridicata și permitând alegerea unor presiuni admisibile mari între suprafetele de frecare.

Una din suprafetele de frictiune este, de obicei, din otel calit sau fonta, iar cealalta poate fi de aceeasi natura sau formata dintr-o garnitura de frictiune, executata din bronz sinterizat sau materiale metaloceramice.

Cuplajele de siguranta cu discuri de frictiune sunt utilizate în cazul turatiilor și momentelor de torsiune mari, în cazul actionarii unor suprasarcini de scurta durata și frecventa ridicata sau în cazul suprasarcinilor cu caracter de soc.

În Fig. 2.36 se prezinta un cuplaj de siguranta cu discuri de frictiune, compus din semicuplajul 1, canelat la interior, semicuplajul 2, canelat la exterior, discurile de frictiune 3 canelate la exterior și solidarizate de semicuplajul 1 – și discurile de frictiune 4 – canelate la interior și solidarizate de semicuplajul 2. Apasarea discurilor se realizeaza cu ajutorul arcului central 5, a carui forta se poate regla cu ajutorul piulitei sectionate 6, asigurata împotriva autodesfacerii prin surubul 7.

Fig. 2.36 [1]

Varianta reprezentata în figura 5.37 se foloseste la momente de torsiune mari, forta de apasare fiind asigurata de mai multe arcuri, dispuse periferic.

Fig. 2.37 [1]

La aceste cuplaje, momentul de torsiune se transmite prin frecarea dintre suprafetele discurilor, iar atunci când momentul de torsiune din transmisie depaseste valoarea momentului de torsiune limita , discurile patineaza, surplusul de moment transformându-se – prin frecarea dintre discuri – în caldura; se evita astfel deterioararea transmisiei în care este încorporat cuplajul.

Cuplaje limitatoare de turatie (centrifugale)

Aceste cuplaje fac parte din categoria cuplajelor intermitente automate, care realizeaza legatura între doua elemente ale unui lant cinematic în momentul în care turatia elementului conducator atinge o valoare (initial stabilita) la care, prin frecare, turatia elementului condus, treptat și fara socuri, ajunge la turatia elementului conducator, transmitându-se integral momentul de tosiune.

Principiul de functionare al acestor cuplaje este asemanator cuplajelor intermitente (ambreiajelor), forta de cuplare fiind data de forta centrifuga a elementelor centrifugate, motiv pentru care se mai numesc și ambreiaje centrifugale. Se folosesc atât ca ambreiaje de pornire situatie în care, practic, motorul este accelerat în stare neîncarcata – cât și ca ambreiaje de siguranta, care protejeaza – prin alunecarea celor doua semicuplaje, în conditii de suprasarcina – atât masina motoare cât și cea antrenata.

Solutiile constructive sunt multiple, elementul care, centrifugat, creeaza legatura cinematica între cele doua semicuplaje putând fi: element (material) de umplere, sub forma de pulberi sau bile; saboti, în diverse forme constructive.

Caracteristica principala a acestor cuplaje este turatia – indicata în cataloagele firmelor – la care cuplajul transmite o anumita valoare a momentului de torsiune, în functie de natura elementului centrifugat și de masa acestuia.

Una din variantele constructive de cupaj centrifugal este prezentata în Fig. 2.38. Varianta de cuplaj centrifugal cu saboti se executa într-o mare diversitate de solutii constructive. De regula, odata cu cresterea fortei centrifuge, sabotii se rotesc în jurul unei articulatii, materializata printr-un bolt sau printr-un punct de reazem între semicuplajul conducator și saboti (v. Fig. 2.38), readucerea sabotilor în pozitia decuplat putându-se realiza prin greutatea proprie a acestora sau cu ajutorul unor arcuri elicoidale de tractiune, ca în Fig. 2.38.

Fig. 2.38 [1]

Calculul acestor cuplaje se reduce la stabilirea fortei cu care un sabot actioneaza asupra carcasei, în functie de forta centrifuga a acestuia și (daca este cazul) de forta arcurilor de readucere. Aceasta forta serveste la dimensionarea suprafetelor în contact. Arcurile se dimensioneaza la o forta stabilita functie de turatia la care se doreste a fi realizata cuplarea (arcuri moi pentru turatii mici și arcuri tari pentru turatii mari).

La varianta de cuplaj centrifugal cu saboti, prezentata în figura 5.39, segmentele de saboti sunt mentinute în pozitia decuplat de arcuri elicoidale de tractiune. La turatia de lucru impusa, forta centrifuga învinge forta arcurilor, sabotii deplasându-se radial vin în contact cu semicuplajul condus, realizându-se – prin frecare – transmiterea momentului de torsiune. Aceste cuplaje au un domeniu larg de utilizare.

Fig. 2.39 [1]

Cuplaje limitatoare de sens (unisens)

Cuplajele unisens sunt cuplaje intermitente ce transmit miscarea într-un singur sens, intrând în actiune automat, prin intermediul corpurilor de blocare, care realizeaza legatura între cele doua semicuplaje – de fapt doua inele – ca urmare a formei de pana a spatiului dintre acestea; în urma blocarii, cele doua parti ale cuplajului se rotesc sincronizat.

Corpurile de blocare pot fi executate sub forma unor role cilindrice sau sub forma unor piese profilate. De regula, corpurile de blocare sunt montate în colivii, exceptie facând corpurile de blocare sub forma rolelor cilindrice, care pot functiona în colivii (Fig. 2.40.b) sau individual

(Fig. 2.40.c).

Fig. 2.40 [1]

Cel mai frecvent se folosesc cuplajele unisens cu role cilindrice (Fig. 2.40.a), de fapt role de rulmenti, spatiul în forma de pana realizându-se prin intermediul unor suprafete profilate, executate pe unul din cele doua inele.

Aceste cuplaje – transmitând miscarea într-un singur sens – au un domeniu de folosire limitat: transmisii ale laminoarelor; transportoare cu role; transmisii ale meselor rotitoare și instalatiilor de ridicat; sisteme de avans pentru presele de debitat; cutii de viteze pentru autovehicule, când este necesara cuplarea automata a unei trepte de viteza, la decuplarea alteia, într-o situatie cinematica în care este satisfacuta conditia intrarii în functiune a cuplajului; transmisii fata ale autovehiculelor cu doua punti motoare, în scopul evitarii circulatiei parazite de putere etc.

De regula, cuplajele unisens se aleg din cataloagele firmelor producatoare, verificându-se la contact suprafetele functionale și la solicitari compuse inelul exterior.

Cuplaje combinate și cu funcții multiple

Rolul functional complex impus transmisiilor a dus la realizarea de cuplaje cu functii multiple, cuplaje care, constructiv, se obtin prin legarea, într-un anumit mod, a doua sau mai multe cuplaje simple. Functiile cuplajelor combinate rezulta prin reuniunea functiilor cuplajelor simple componente.

Legarea în serie sau în paralel a doua cuplaje de acelasi tip nu duce la marirea numarului de functii pe care ansamblul de cuplaje, astfel obtinut, le poate realiza, influentând însa caracteristicile transmisiei. Astfel, legarea în serie a doua cuplaje elastice identice duce la dublarea unghiului de rotire între arborele de intrare și cel de iesire. Legarea acestora în paralel are drept efect dublarea momentului de torsiune transmis și marirea rigiditatii transmisiei; acest mod de legare poate duce la micsorarea diametrului cuplajului.

În practica, cel mai frecvent de întâlneste combinatia cuplaj limitativ-elastic, cuplajul limitativ alegându-se dintre un cuplaj de siguranta cu stifturi de forfecare și unul intermitent cu frictiune – comandat sau automat – iar cuplajul elastic fiind cu elemente metalice sau nemetalice, alegera acestuia facându-se în functie de marimea momentului de transmis și de marimea necesara a rigiditatii; cuplajul astfel obtinut cumuleaza functiile celor doua cuplaje componente. În acest sens, este prezentat cuplajul combinat din Fig. 2.41 la care, partea limitativa este de tip cu discuri de frictiune și arcuri disc dispuse periferic, iar partea elastica este de tip Periflex.

Fig. 2.41 [1]

În Fig. 2.42 este prezentat un cuplaj elastic și de siguranta cu elemente intermediare elastice metalice, fara posibilitatea reglarii momentului de torsiune transmis. Cuplajul este compus din semicuplajele 1 și 2, cama echiungiulara 3, montata pe semicuplajul 2, trei pachete de lamele din otel de arc 4, trei bucse 5, montate pe trei suruburi de fixare 6, dispuse la 120ș, sase saibe distantiere 7 și un capac de inchidere 8, prevazut cu sistemul de etansare 9.

Sarcina se transmite prin intermediul pachetelor de lamele 4, aflate în contact cu cama echiunghiulara 3, cu profil în arc de cerc, solidara cu semicuplajul 2. Se pot utiliza came cu mai mult de trei fete și cu diferite forme ale profilului. Lamelele de arc pot avea diferite grosimi și latimi, functie de momentul de torsiune ce trebuie transmis. Cama echiunghiulara poate fi prelucrata direct pe arbore sau prelucrata din alt material și asamblata pe arbore. Forma curba a suprafetelor de contact ale camei permite și compensarea de abateri unghiulare, în limite relativ mari.

Fig. 2.42 [1]

CUPLAJE CU FRECARE VÎSCOASĂ

Istoricul cuplajelor cu frecare vîscoasă

Frecarea fluida (viscoasa) a fost și este utilizata, în special, pentru micsorarea puterii consumate prin frecarea și reducerea sau eliminarea uzarii elementelor unei masini care au ca rol functional transmiterea sau franarea miscarii prin forte de frecare, exceptie facand transmisiile prin tractiune elastohidrodinamica (variatoarele EHD). Trebuie amintite în acest context și cuplajele hidrodinamice clasice (Föttinger), care au o arie mare de raspandire (transmisii auto, feroviare, navale, actionari industriale, etc.). Asa cum se cunoaste, acestea din urma au ca principiu functionare transmiterea momentului de torsiune prin intermediul energiei cinetice a unui fluid, de la elementul conducator (pompa), la elementul condus (turbina), Fig. 3.1. Cuplajul poate transmite miscare în ambele sensuri, cele doua elemente inversandu-si rolurile.

Fig. 3.1 [2]

O aplicatie speciala în domeniul cuplajelor hidraulice a fost realizata de firma Hawker Siddeley Dynamics Ltd. Specializata în echipamente aeronautice. Dispozitivul, numit “Inpower”, este o combinatie dintre un cuplaj hidrodinamic și un mecanism planetar cu roti dintate, Fig. 3.2. Carcasa (elementul conducator), prin miscarea de rotatie, antreneaza prin efecnt centrufugal (Fc) fluidul care la randul sau actioneaza asuprea rotii satelit prin intermediul unor cupe (palete) deformabile. Acestea transmit prin agnrenare momentul de otrisune la roata solara (elementul condus). Avantejele constau în gabaritul axial redus, functionarea silentiaosa și protejarea trasnmisiei la suprasarcina prin patinarea datorita deformarii cupelor. O aplicatie a acestui cuplaj s-a intalnit la sistemul de actionare a ventilatoarelor de la instalatia de climatizare a aeronavelor Concorde.

Fig. 3.2 [2]

Procesul frecarii uscate conduse insa, odata cu resterea parametrilor regimului de functionare, la cresterea temperaturii de functionare, la uzarea suprafetelor și implicit la scaderea fiabilitatii sistemelor. O solutie adoptata pentru cresterea performantelor unor sisteme mecanice de tip cuplaj cu discuri multiple, consta în introducerea de lubrifiant intre partile cuplei aflate în stare decuplata, în vederea intensificarii racirii. S-a constatat aparitia unui moment rezidual rezistent care, pe langa efectul pozitiv al intensificarii racirii, datorat frecarii fluide, joaca și rol de lement negativ în functionarea cuplajelor cu frecare uscata. Datorita valorilor destul de mari ale acestui moment rezistent, a aparut posibilitatea folosirii fortelor de frecare fluida pentru transmiterea momentelor utile sau franarea momentelor active.

Din punct de vedere constructiv, cuplajele cu film fluid sunt similare cuplajelor cu discuri multiple, folosind spre deosebire de acesta, frecarea fluida pentru transmiterea momentlor de torsiune. Acest fapt implica existenta unui spatiu intre discuri, umplut cu fluid. în acest caz, fortele de frecare sunt cele care se manifesta în interiorul fluidului și sunt cunoscute sub denumirea de forte de frecare fluida.

Fig. 3.3 [2]

In sistematica clasica a cuplajelor, cuplajele cu film fluid (uzual numite și cuplaje vascoase) pot fi introduse în grupul mai larg al cuplajelor hidraulice (avand în vedere nu principiul fizic de functionare, ci doar existenta fluidului) cu o subclasificare în cuplajele permanente (capsulate) sau intermitente. Cele din urma se pot clasifica la randul lor în cuplaje comandate (prin circuit exterior) sau automate. Toate aceste tipuri pot fi considerate cuplaje de siguranta, deoarece pot patina la suprasarcini.

Exista de asemenea și cuplaje vascoase care functioneaza atat cu frecare fluida ca și cu freare limita sau mixta, cunoscute sub denumirea de „Synchrodrive” sau „Viskohydraulische Regelkupplung” (prospectele firmei Carl Hurth Maschinen und Zahnradfabrik). Domeniul de utilizare al acestora s-a extins foarte mult și la transmisiile auto datorita simplitatii constructive și reducerii pana la eliminare a fenomenelor specifice legate de uzare. Avand în vedere principiile de functionare enuntate mai sus, aceste cuplaje au un camp larg de utilizare: cuplaje de pornire și de siguranta, frane etc., unele dintre ele avand capacitatea de a controla variatia turatiei. Trebuie amintita aici o aplicatie veche dar functionala care se regaseste în Olanda, unde aceste cuplaje sunt folosite și ca generatoare de caldura la morile de vant.

Clasificarea generala a cuplajelor

Mecanice

Permanente

Fixe

Mobile

– Rigide

– Elastice

Intermitente

Comandate

Automate

Hidraulice

Hidrostatice

Hidrodinamice

Viscoase

Permanente

Intermitente

– Comandate

– Automate

Electromagnetice

In ultimele decenii a existat tendinta de dezvoltare a utilizarii cuplajelor “cvasi-permanente”, cu sau fara posibilitati de reglare a turatiei transmise, numite generic, cuplaje viscohidrodinamice. Ideea unui astfel de tip de cuplaje a aparut prin anii ’60, pornindu-se de la viscozimetrele cu cilindru sau con rotitor. Scurt timp dupa aceea s-a renuntat la aceasta geometrie, care nu permitea inserierea mai multor suprafete (din considerente constructive și de gabarit) pentru transmiterea unor momente mari. Primele realizari industriale au aparut în SUA, la inceputul deceniului al saptelea, în cadrul firmei “Philadephia Gear”, licenta fiind transferata și în Germania, firmei “Carl Hurth Maschinen und Zahnradfabrik”. Conceptul transmiterii momentului prin frecare fluida a fost brevetat în anul 1965. Se pare ca primul brevet al unui cuplaj cu frecare fluida apartine Germaniei prin DBP – Nr. 1192887 din 23.02.1965. De astfel, intr-o prima etapa, majoritatea studiilor în acest domeniu au provenit din aceasta tara. Acest lucru a fost posibil și datorita dezvoltarii cercetarilor în domeniul lubrifiantilor sintetici. în timpul celui de-al doilea razboi mondial, în SUA s-a dezvoltat la scara industriala producerea lubrifiantilor sintetici pe baza de fluide siliconice. Acestea sunt cele mai indicate fluide pentru cuplajele cu frecare viscoasa, datorita rezistentei lor la temperaturi ridicate și a proprietatilor fizico – chimice. Aceste cuplaje denumite „Syncrodrive” erau destinate pentru actionarea masinilor a caror turatie la pornire, oprire sau în functionare trebuie reglata continuu, fara trepte.

Au domenii de utilizare cum ar fi: sistemele de actionare a pompelor, compresoarelor, suflantelor, instalatii de transport, mori, turbine cu gaze, dinamometre etc. Un astfel de cuplaj inclus intr-o transmisie mecanica este prezentat în Fig. 3.4.

Fig. 3.4 [2]

Regimul de functionare se situeaza intr-o plaja larga de valori, permitand transmiterea unor puteri de pana la 15.000 kW (in cazuri de exceptie se pot distinge și valori de 140.000 kW, care constituie aplicatii la transmisia portavioanelor marinei americane) la turatii sincrone de pana la 3600 rot/min. S-au realizat de asemenea conbinatii de tipul frana – cuplaj viscos, Fig. 3.5, în care frana este independenta de cuplaj, avand un sistem pneumatic de actionare.

Fig. 3.5 [2]

In SUA, Japonia și mai recent în China se produc în serie cuplaje viscoase și pentru sistemul de antrenare a macaralelor. Macaralele fin Fig. a3.6 (a,b) au patru sau mai multe roti de antrenare independente

Fig. 3.6.a [2]

Fig. 3.6.b [2]

Fiecare transmisie are un cuplaj, care impiedica deplasarea cu socuri a macaralei, evitand astfel pendularea sarcinii. Cuplajul functioneaza astfel și ca un cuplaj de siguranta, deoarece transmite un anumit moment de torsiune, la depasirea lui aparand fenomenul de patinare, Fig. 3.7.

Fig. 3.7 [2]

In Fig. 3.8 este prezentat un cuplaj de siguranta reglabil, care transmite momente de torsiune chiar la pornire. Acest lucur este posibil datorita unui piston cu care se realizeaza comprimarea fluidului pe cele doua semicuple.

Fig. 3.8 [2]

Un alt exemplu de utilizare este cel în care principiul cuplajului viscos este folosit pentru realizarea unor siteme de antrenare, precum cel prezentat principal în Fig. 3.9.

Fig. 3.9 [2]

Fig. 3.10 [2]

Aici cuplarea este realizata prin intermediul unui sistem pneumatic, ce forteaza fluidul sa patrunda, mai mult sau mai putin, în zona de lucru, permitand realizarea corespunzatoare a frecarii fluide și deci a variatiei momentului transmis. Pentru marirea suprafetelor de frecare la sistemul de antrenare a ventilatoarelor unor motoare diesel (SUA, Germania, Japonia) se utilizeaza constructii de tip labirint (cu suprafete cilindrice concentrice multiple), Fig. 3.10, Fig 3.11, Fig. 3.12. Conform Fig. 3.10, umplerea acestor cuplaje cu fluid este partiala, el aflandu-se în spatiul 3. Arborele motor 1 este solidar cu elementul 8 și se roteste continuu. La o anumita temperatura, lamela bimetalica 5 roteste discul 6 care permite patrunderea fluidului prin niste fante în interstitiul tip labirint 4. Umplerea completa a labirintului se realizeaza prin efect centrifugal, obtinandu-se totodata și recircularea fluidului, ceea ce permite racirea lui. Astfel se realizeaza, prin frecarea fluida, antrenarea corpului ventilatorului 2, pe care sunt fixate palete prin intermediul bolturilor 7.

Fig. 3.11 [2]

Fig. 3.12 [2]

Din analiza bibliografica a rezultatelor existente unui numar foarte mare de brevete de inventie în domeniul cuplajelor cu film fluid pentru ventilatoarele automobilelor, depuse în mare majoritate în SUA.

Anumite tipuri de frane cu role, utilizate în special la benzi transportoare, unde momentul de torsiune trebuie sa fie constant, indiferent de incarcare, utilizeaza principiul suprafetelor de frecare de tip labirint prezentat anterior, Fig. 3.13. Efectul de franare poate fi influentat prin viscozitatea sau cantitatea de fluid viscos introdus.

Fig. 3.13 [2]

Principiul de funcționare

Cuplajele cu film fluid se deosebesc de alte cuplaje prin faptul ca transmit momentul de torsiune util prin intermediul fortelor de frecare fluida (viscoasa). Functionarea unui astfel de cuplaj se bazeaza pe efectul de forfecare a unui strat permanent de fluid situat intre doua suprafete solide aflate în miscarea relativa. Daca se considera cazul fluidelor ideale, conform legii fundamentale a lui Newton, tensiunile tangentiale din fluid sunt direct proportionale cu gradientul de viteza pe grosimea filmului, prin intermediul viscozitatii dinamice, ec. 3.1.

In Fig. 3.14 se prezinta distributia de viteze intre doua discuri aflate la distanta h, ce se rotesc cu turatii diferite. Se accepta o variatie liniara a distributiei de viteze (curgerea de tip Couette, fara gradient de presiune).

Fig. 3.14 [2]

Conform cu ipotezele anterioare, ec. (3.1) devine :

Momentul de torsiune este dependent de valoarea tensiunilor de forfecare din fluid, iar daca distanta dintre discuri este constanta, valoarea acestuia este dependenta de diferenta de turatie dintre discuri și viscozitatea uleiului. Pentru a mari valoarea momentului de torsiune ce poate fi transmis, se utilizeaza mai multe asemena perechi de suprafete de frecare. Astfel un set de discuri se fixeaza pe arborele interior al cuplajului, iar al doilea set de discuri se fixeaza pe carcasa exterioara, discurile fiind asezate alternativ. La un numar total z+1 de discuri, vor exista z filme de fluid, Fig. 3.15.

Fig. 3.15 [2]

Expresia momentului ce se poate transmite prin frecare fluida a fost propusa de Basedow și se obtine prin integrare tensiunilor tangentiale pe suprafetele frontale ale discurilor aflate în miscare relativa. Se considera ipotezele anterior partial prezentate și anume fuid newtonian în regim de curgere laminar și izoterm, și astfel rezulta ec. (2.3).

Tipul fluidului de lucru utilizat este un element determinant pentru marirea momentului transmis. Efectul sau este luat în considerare prin intermediul viscozitatii fluidului. Dependenta viscozitatii de temperatura este influentata și de factorul timp prin intermediul vitezei unghiulare relative. Se poate considera o dependenta de tipul : .

Acest tip de cuplaj se regaseste, în general, amplasat în trasmisia unui automobil în doua pozitii distincte.

In mecanismul diferential, cu regim de functionare preponderent tranzitoriu;

In transmisia integrala, cu un regim de functionare preponderent stationar.

Utilizarea cuplajului pentru actionarea unui ventilator, implica functionarea acestuia intr-un regim tranzitoriu la pornire și oprire, nesemnificativ ca durata, majoritar fiind în acest caz regimul stationar. Regimurile tranzitorii de functionare sunt definitorii pentru cuplajele montate în mecanismele diferentiale ale automobilelor. Pornind de la o temperatura initiala, variatia acesteia în timp influenteaza comportarea cuplajului. Campul de temperaturi și valoarea maxima a acestuia constituie parametrii importanti pentru cuplajele interaxiale care au preponderent, un regim stationar de functionare. și aici, durata de intrare în regim stationar are un rol important. Stabilirea rolului pe care il au parametrii dimensionali și functionali ai cuplajului poate fi realizat prin intermediul unei ecuatii de echilibru energetic. Deducerea ecuatiei de echilibru energetic de forma , unde este puterea consumata prin frecare, iar este puterea evacuata convectiv prin carcasa, poate fi realizata pornind de la urmatoarele relatii:

unde: .

Ecuatia de echilibru energetic poate avea urmatoarea forma:

Expresiile simplificate ale suprafetelor cuplajului care intervin în relatiile anterioare sunt de forma:

Algoritmul de rezolvare a sistemului format din ecuatiile (3.3) și (3.5), la care se asociaza o lege de variatie a viscozitatii cu temperatura, consta în identificarea temperaturii medii a lubrifiantului și apoi în determinarea succesiva a momentului de torsiune transmis și a puterii a cuplajului, apeland și la relatiile (3.4).

Datele impuse unei teme de proiectare pot fi: tipul transmisiei (diferential autoblocabil sau transmisie integrala), parametrii generali de functionare ( și amplasamentul care impune modul de racire. Datele alese pentru proiectare pot fi: fluidul de lucru (η, ρ, λ, etc.), grosimea filmului fluid (h), materialele din care se confectioneaza piesele componente, numarul suprafetelor de frecare (z).

Dimensiunile geometrice și numarul de discuri influenteaza direct momentul transmis de cuplaj (), puterea consumata prin frecarea fluida (), cu consecinte directe asupra temperaturii de functionare. Identificarea valorii coeficientului global de transfer de caldura are de asemenea o importanta deosebita, datorita unei circulatii mai bune a aerului, decat în cazul cuplajelor care functioneaza montate în diferential sau în cutia de viteze.

Se poate afirma ca problema termica este un factor determinant în proiectarea cuplajelor cu frecare fluida. Aceasta constatare a impus ca studiul teoretic al problemei termice sa ia în considerare și aspectele de neizotermicitate și nestationaritate, respectiv și calculul timpului de intrare în regim stationar, t. Schema din Fig. 3.16 fixeaza interdependentele prezentate anterior și efectul asupra puterii transmise de cuplaj.

Fig. 3.16 [2]

Datorita modului în care realizeaza functia de transmitere a miscarii și a momentului de torsiune, cuplajele viscoase (cu film fluid) fac parte din categoria cuplajelor hidraulice. în plus, deoarece principiul de functionare presupune existenta unei diferente de turatie intre arbori (discuri), cuplajele viscoase pot fi de asemena considerate cuplaje intermitente, automate. în cazul utilizarii în diferentiale cu alunecare limitata, cuplajele viscoase indeplinesc și rolul de limitatoare de turatie.

Caracterizarea fluidului de lucru

O problema fundamentala în cazul utilizarii acestor tipuri de cuplaje o constituie alegerea fluidului corespunzator, cu proprietati adecvate acestui scop, cum ar fi:

viscozitatea ridicata pentru a se transmite momente de torsiune mari, cu numar redus de suprafete de frecare;

variatia redusa a viscozitatii cu temperatura;

stabilitatea și conservarea în timp a proprietatilor fizico – chimice.

Similar substantelor organice, atomii de siliciu au posibilitatea formarii unor lanturi de baza cu atomi de oxigen. Legaturile libere ale siliciului sunt saturate cu grupari metilice, conducand astfel la denumirea stiintifica “polimetil siloxan”, Fig. 3.17. Viscozitatea creste direct proportional cu lungimea lanturilor moleculare. Viscozitatea cinematica v, a fluidelor siliconice uzuale variaza intre , iar densitatea intre 650 și 980 . Fluidele cu viscozitati mai mari, pana la cSt au utilizari speciale.

Fig. 3.17 [2]

Punctul de inflamabilitate este cuprins intre 300°C și 400°C, iar punctul de congelare intre -40°C și -60°C. în ceea ce priveste variatia viscozitatii cu temperatura, aceasta este mai putin pronuntata la uleiurile siliconice decat la cele minerale Fig. 3.18. Acest fenomen poate fi pus în evidenta utilizandu-se o relatie analitica pentru aproximarea variatiei viscozitatii dinamie a uleiurilor cu temperatura. Una dintre cele mai simple relatii este cea a lui Reynolds, de forma:

Fig. 3.18 [2]

Valoarea coeficientului β se determina prin prelucrarea datelor experimentale (aplicand metoda celor mai mici patrate) care, pentru un ulei siliconic de larga utilizare de tipul AK 12500, are valoarea . Comparand aceasta valoare cu cele obtinute pentru uleiurile minerale uzuale de tipul L, Tb, H, și TIN (), se constata aplicabilitatea acestei relatii și la uleiurile siliconice. La unele uleiuri siliconice cu viscozitate mai mare s-a observat insa, o comportare ce le incadreaza în categoria fluidelor newtoniene. Ele au o comportare care se departeaza de legea lui Newton (), caracterizata pe de o parte de aparitia anizotropilor (proprietati directionale) sau neliniaritati în relatia constitutiva. Aceste fluide au o viscozitate directionala, datorita lungimii moleculare care se ordoneaza pe directia miscarii, raspunzand unei legi de forma:

Unde y este viteza de deformatie (), iar A este o constanta, Fig. 3.19.

Fig. 3.19 [2]

In anumite etape ale functionarii cuplajului, fluidul poate avea un comportament diferit și anume pentru m>1 fluidul este dilatat iar pentru m<1 fluidul este pseudoplastic, Fig. 3.20.

Fig. 3.20 [2]

Experimental s-a mai constatat ca tensiunile de forfecare din film variaza și în functie de timp Fig. 3.21. Astfel de proprietati definesc tixotropia fluidului.

Fig. 3.21 [2]

Din punct de vedere chimic, aceste uleiuri sunt inerte, nu ataca metalul, impiedica coroziunea, sunt hidrofuge și nu sunt toxice. Iata deci un cumul de avantaje care a impus prioritar utilizarea lor.

Transmisii auto

Generalitati, istorie, clasificari

Analiza din punct de vedere tribologic a componentelor unui automobil a devenit în ultimul timo o practica frecventa în comunitatea stiintifica internationala. Utilizarea frecarii fluide ca inlocuitor al frecarii uscate, dar avand acelasi obiectiv, transmiterea de torsiune si-a dovedit pe deplin utilitatea. în Japonia numerosi cercetatori au studiat diversele aspecte ale acestei probleme.

Pentru prima data, în jurul anului 1900, s-a pus problema ungerii discurilor unui cuplaj (ambreiaj) multidisc în scopul reducerii temperaturii de functionare, la cuplajele de tip Hele-Shaw. Cuplajul a fost numit astfel dupa inventatorul sau, profesorul Henry Selby Hele-Shaw de la University College Liverpool. Acesta este autorul modelului teoretic de curgere nenewtoniana a unui fluid printre doua placi separate de un spatiu foarte mic, model ce-i poarta numele. Acest tip de cuplaj multidisc este similar constructiv cu alte tipuri de cuplaje, Fig. 3.23.

Fig. 3.22 [2]

Popularitatea sa constructiva consta în forma tronconica a sectiunii transversale a discurilor prevazute și cu gauri pentru ungere, Fig. 3.24.a,b.

Fig. 3.23 [2]

Cuplajul a fost introdus în transmisia automobilelor și brevetat în anul 1905. Fabricatia în serie a fost realizata de firma British Hele-Shaw Patent Cluch Co. Ltd. Of Oldham. La expozitia auto de la Paris în 1907, aproximativ 80% din masinile expuse foloseau ambreiaj de tip Hele-Shaw. Ulterior, pentru o perioada de timp au fost utilizate la autobuzele pentru transport în comun parizian. La Marele Premiu al Italiei din 1908, un automobil a utilizat un astfel de cuplaj care continea 64 de discuri. Ambreiajul Hele-Shaw a fost de asemenea utilizat pentru puteri mari, de 1000 CP și chiar mai mult, atat în industrie cat și pentru transmisii navale.

Fata de avantajul major anterior mentionat, aceste cuplaje necesitau o tehnologie de executie peste nivelul tehnologic al perioadei respective, fapt ce genera un pret de cost ridicat. Acest dezavantaj a limitat în timp extinderea utilizarii lor. Aplicatiile moderne în domeniul transmisiilor auto au la baza patente elaborate în cadrul firmei Harry Ferguson Ltd. din Anglia, incepand cu anul 1960. Punctul de pornire a fost studiul diferentelor blocabile comandate care, asa cum se cunoaste, contin un cuplaj cu frictiune mutidisc. Datorita temperaturilor ridicate în functionare, s-a impus ungerea discurilor, constatandu-se existenta unui moment rezidual, generat de tensiunile de forfecare din lubrifiant. Din acel moment a aparut și în acest domeniu posibilitatea transmiterii momentelor de torsiune prin film fluid. Efectele au fost spectaculoase și extinderea aplicabilitatii pe masura, datorita urmatoarelor avantaje: executie relativ simpla, în cazul gamei de puteri mici și mijlocii (spre deosebire de primele aplicatii) și eliminarea aproape totala a fenomenelor de uzare. Au rezultat solutii constructive și de intretinere simple. în octombrie 1969, grupul industrial GKN (Guest, Keen and Nettlefolds) – Anglia a preluat toate patentele Ferguson. în anul 1984, în Germania ia fiinta firma Viscodrive GmbH, filiala a grupului GKN, specializata inclusiv în realizarea unor transmisii ce inglobeaza astfel de cuplaje, iar în 1985 se deschide o filiala în Japonia, Viscodrive Japan and Translite. Ulterior, productia acestor cuplaje s-a extins și diversificat la marile companii constructoare de automobile (grupul VW, Volvo, Ford, Land Rover, Saab, grupul GM, Bugatti, Subaru, Toyota, Tata, etc.). Un caz particular de aplicatie l-a dezvoltat grupul Behr pentru ventilatoarele auto, preluat și dezvoltat ulterior și de grupul Borg-Warner.

Clasificare cuplajelor cu film fluid din industria auto

Pentru o descriere coerenta a locului și rolului cuplajelor cu film fluid în domeniul foarte dezvoltat al industriei de automobile este necesara o clasificare a acestora, avand la baza criteriul rolului functional. Astfel, în clasificarea generala a cuplajelor cu film fluid s-a avut în vedere introducerea unei terminologii rezultata din nevoia de tipizare (tendinta remarcata de astfel și la producatori). în consecinta, se pot defini urmatoarele categorii de aplicatii:

Vc – Viscous coupling (Viscous clutch), care defineste generic tipul de cuplaj cu frecare fluida sau mixta;

VF – Viscous fan, cuplajul cu frecare fluida folosit la antrenarea ventilatorului din sistemul de racire al motorului;

VC – Viscous control, cuplaj cu frecare fluida sau mixta folosit ca sistem de limitare a alunecarii în diferentialele din puntea-fata, puntea-spate sau transmisia integrala.

VT – Viscous transmission, cuplaj cu frecare fluida sau mixta folosit ca o transmisie viscoasa propriu-zisa pentru autovehiculele cu tractiune integrala permanenta.

Aceste variante de clasificare sunt prezentate generic în Fig. 3.25, fara pretentia de a include toate combinatiile posibile de realizat. Este de remarcat faptul ca în majoritatea aplicatiilor sunt utilizate cuplaje care functioneaza atat cu regim de frecare fluida cat și cu regim de frecare mita.

Fig. 3.24 [2]

Cuplaj cu film fluid pentru actionarea ventilatoarelor automobilelor – VF

Cuplajul asigura în acest caz, antrenarea ventilatorului în functie de temperatura degajata de radiatorul de racire al motorului. Principiul de functionare este cel prezentat în capitolul 2. Trecerea fluidului dintr-un rezervor în zona de lucru prin efect centrifugal și invers conduce la cuplarea și decuplarea ventilatorului. Acest mod de lucru este asigurat de un element bimetalic care este expus la fluxul de aer care trece prin radiator și care actioneaza ca o supapa. Daca nu este necesara racirea, supapa se inchide iar ventilatorul continua sa se roteasca cu o turatie mult redusa (fenomen datorat frecarii dintre rulmenti). Utilizarea cuplajelor cu film fluid în aces caz aduce numeroase imbunatatiri fara de sistemele clasice (mecanice) de antrenare. Pierderile prin frecare sunt mici rezultand un randament mai bun iar functionarea cu turatie variabila reduce substantial consumul și zgomotul. Temperatura motorului creste, generand o functionare mai buna la turatii joase și la regimul de mers în gol. în cazul autoutilitarei Unimog Daimler, consumul este mai mic cu pana la 2L de combustibil la 100 km, iar puterea este mai mare cu 5kW. La autoturisme, aceste valori sunt chiar mai mari, mergand în procente pana la 10% din puterea motorului în anumite regimuri de functionare. Dezavantajele utilizarii unor astfel de cuplaje deriva din modul de amplasare longitudinal, Fig. 3.26, datorita modului de antrenare.

Sistemele de etansare ale cuplajului sunt mai pretentioase dar, pe ansamblu sistemul este mult simplificat. în cazul în care autoturismul este echipat cu instalatie de aer conditionat (majoritatea automobilelor moderne), este necesara utilizarea suplimentara a unuia sau mai multor ventilatoare electrice (pentru aceasta instalatie).

Fig. 3.25 [2]

In Fig. 3.27 este prezentat unul dintre primele modele de ventilatoare BEHR, cu functionare exclusiv mecanica.

Fig. 3.26 [2]

Pozitiile 1-12 din Fig. 3.27 sunt identice cu cele din Fig. 3.29 și 3.31 unde sunt prezentate explicit. Au fost elaborate numeroase brevete de inventie care aduc imbunatatiri sistemelor mecanice de comanda a functionarii ale unor astfel de ventilatoare – U.S. Patent.

Fig. 3.27 [2]

In prezent tendinta este de a implementa sisteme logice pentru optimizarea functionarii cuplajelor de acest tip. Behr a lansat cuplajul controlat electronic pentru antrenarea ventilatorului. în cazul acestuia gestionarea se realizeaza prin intermediul unui traductor de temperatura, semnalul fiind interpretat de o unitate de control care emite o tensiune cu frecventa variabila catre un electromagnet integrat în cuplaj. Campul magnetic astfel generat regleaza deschiderea supapei și implicit, care monitorizeaza turatia ventilatorului. Acest lucru imbunatateste dinamica ventilatorului cat și timpul de cuplare-decuplare. Sistemul a fost aplicat și de firma Borg Warner, care a pastrat ambele sisteme de comanda, Fig. 3.28.

In raport cu alte variante constructive insa, solutia dezvoltata de Behr în special pentru autovehiculele de fabricatie germana, vin cu avantaju simplitatii principiului de functionare, Fig. 3.28. Acest lucru se reflecta în mod decisiv în pretul redus de fabricatie și în fiabilitate. Fiabilitatea a fost factorul determinant care a condus la aplicarea acestui model de ventilator pe toate autovehiculele VW, Audi, Skoda și Seat, cu motorul amplasat longitudinal. Ventilatorul este alcatuit din doua categorii de elemente: unele permanent antrenate, (arborele de antrenare și discul de antrenare) și unele antrenate partial, cum ar fi carcasa de cu palele ventilatorului, care este montata prin intermediul unui rulment radial cu bile pe arborele cuplajului și care incorporeaza restul componentelor. în principiu, cuplajul este compus din doua camere distincte: camera de lucur, delimitata de carcasa și de discul intermediar, și rezervorul de ulei delimitat de capac și discul intermediar, Fig. 3.31. Spre exterior discul intermediar are prelucrat un orificiu iar diametral opus un element de pompare. Culbutorul (parghia) care regleaza debitul de fluid, este lamelar și se asambleaza nedemontabil pe disc prin intermediul unor nituri. Celalalt capat al sau se poate aseza pe disc obturand orificiul. Se poate spune ca ansamblul constituie o supapa, controlata de deplasarea axiala a boltului și de deformatia elementului bimetalic. Suprafetele de lucru ale discurilor și carcasei sunt texturate, avand prelucrate cavitati cu geometrie controlata, pentu a mari frecarea.

Fig. 3.28 [2]

La discurile de antrenare și cel intermediar aceste cavitati au forma unor alveole, iar pe carcasa sunt de forma unor inele concentrice. Discul de antrenare are prelucrare perforatii și fante pentru a facilita umplerea uniforma și evacuarea camerei de lucru în timpul regimurilor tranzitorii. Totodata, perforatiile pot conduce la cresterea tensiunilor de forfecare din fluid și implicit a momentului de torsiune transmis. Carcasa și capacul cuplajului sunt fabricate din aluminiu și au prevazute o serie de nervuri pentru evacuarea caldurii rezultate în urma frecarii vascoase, dar și a caldurii preluate de la radiator. Pentru asigurarea etanseitatii, asamblarile se realizeaza cu strangere iar carcasa este deformata în zona capacului și a rulmentului, în final aplicandu-se o pasta de etansare. Visco-cuplajele pentru ventilatoare functioneaza fara mentenanta. Etalonarea se face de producator o singura data prin pozitionarea corespunzatoare a surubului de reglaj. Pentru antrenare, fluidul de lucur este circulat din rezervor în camera de lucur prin intermediul supapei și a elementului de pompare. Cu cat este permisa scurgerea unei cantitati mai mari de fluid în camera de lucru cu atat mai amre este forta de frecare viscoasa dintre discul de antrenare și corpul cuplajului și prin urmare turatia ventilatorului este mare. Amplasamentul unui VF pentru aplicatiile anterioare este prezentat în Fig. 3.30

Fig. 3.29 [2]

Schema functionala de principiu și etapele de functionare sunt prezentate în Fig. 3.31 și Fig. 3.32. Cand motorul este rece discul antrenat impinge fluidul spre elementul de pompare fiind expulzat din camera de lucur. Placuta bimetalica fiind rece preseaza cubutorul iar supapa este inchisa. în acest fel debitul de fluid care poate patrunde în spatiul de lucru este nul. Intre elementele de antrenare nu exista frecare fluida tocmai datorita lipsei fluidului. Ventilatorul se roteste cu viteza foarte mica datorita frecarilor din rulment. Cand motorul se incalzeste, elementul bimetalic se dilata (se curbeaza) ridicand culbutorul de pe orificiu, și permitand uleiului sa patrunda în camera de lucru. Astfel se asigura o legatura intre discuri și carcasa, iar turatia ventilatorului incepe sa creasca. Dupa aceea fluidul este pompat intre cele doua incinte cu un debit variabil în functie de diferenta de turatie dintre discul de antrenare și discul intermediar/carcasa. Cand motorul este foarte cald, deformatia elementului bimetalic este mare iar sectiunea de trecere a supapei este maxima.

Fig. 3.30 [2]

In aceasta situatie fluidul este pompat aproape în intregime în incinta de lucru atingandu-se turatia maxima de functionare a ventilatorului. Diferenta de turatie intre discuri este mica și deci cantitatea de ulei pompata inapoi în rezervor este redusa. La motoarele cu aprindere prin scanteie regimul termic este mai ridicat. în consecinta, visco-cuplajele pentru aceste motoare, Fig. 3.31, contin un al doilea element bimetalic în interior, asamblat pe culbutor, care la temperaturi foarte mari se dilata și inchide supapa.

Fig. 3.31 [2]

In Fig. 3.33 sunt prezentate caracteristicile de functionare ale unui astfel de ventilator. Sunt reprezentate turatia și puterea ventilatorului în functie de turatia elementului conducator. Curba A corespunde situatiei cand temperatura elementului bimetalic extern este mai mare sau egala cu 85°C, iar cuplarea ventilatorului este maxima. Curba B corespunde situatiei cand temperatura lamelei bimetalice externe este mai mica sau egala cu 400°C, iar ventilatorul este decuplat.

Fig. 3.32 [2]

Fig. 3.33 [2]

La temperaturi ambiante mari și turatii de antrenare mai mari de 4000 rpm turatia ventilatorului scade, deoarece în aceste conditii viscozitatea fluidului scade, datorita temperaturilor ridicate din filmul de fluid. Ca o consecinta, temperatura de functionare a motorului creste, mentinandu-se insa în limite admise de producator. Evident, pentru motoarele puternic solicitate (de competitie), constructia acestor cuplaje este redimensionata.

Schema generala a unui circuit de racire este prezentata în Fig. 3.34. Aceasta include și circuitul de racire a fluidului transmisiei automate (ATF) a autoturismului, daca acesta este dotat cu o astfel de transmisie. în acest din urma caz, ventilatorul este redimensionat pentru a face fata solicitarii termice suplimentare.

Cuplajul cu film fluid inclus în diferential, folosit ca sistem de limitare a alunecarii de tip VC

Diferentialul este un mecanism avand ca scop divizarea unei miscari la doi receptori sau cuplarea a doua miscari și transmiterea la un receptor. Diferentialul automobilului are ca scop adaptarea miscarilor rotilor motoare la configuratia drumului. Astfel, rularea în linie dreapta nu aduce niciun fel de complicatii din punct de vedere cinematic, insa în cazul în care automobilul trebuie sa ruleze pe o traiectorie circulara, sau pe un drum accidentat, rotile vor intampina rezistente diferite și vor tinde sa se roteasca neuniform (de exemplu, executarea virajului presupune ca rotile aflate pe interiorul curbei sa se roteasca la turatii mai mici decat cele aflate pe exterior, datorita drumului mai scurt pe care trebuie sa il parcurga). Diferentialul rezolva problema deplasarii în conditiile normale, insa introduce un neajuns: innn cazul în care una dintre rotile motrice pierde contactul cu suprafata drumului, datorita unei gropi, sau în situatia pierderii aderentei (noroi, zapada, gheata, pete de ulei, etc.) pe una din parti, roata fara aderenta se va supratura în timp ce cealalta va transmite doar o mica parte din puterea motorului la sol, ducand la imobilizarea autovehiculului. Pentru rezolvarea acestei probleme, initial s-au utilizat solutii de tipul blocarii manuale (comandate de catre conducator) a diferentialului și transmiterea fortata a puterii în mod egal intre roti. Lumea curselor auto a impulsionat dezvoltarea diferentialelor, iar un prim pas, dictat de puterea crescanda a motoarelor, a fost introducerea conceptului de alunecare limitata, controlata în diverse moduri: mecanic (cu frecare uscata) sau hidrodinamic (cu frecare fluida). Controlul mecanic al alunecarii, desi foarte precis și avand avantajul raspunsului instantaneu, s-a dovedit a fi foarte costisitor, aplicabilitatea lui la automobilele de serie fiind limitata. Varianta controlului hidrodinamic insa, beneficiind de avantajul relativei simplitati constructive și a pretului de cost mai scazut, este aplicata cu succes la majoritatea autovehiculelor de productie recenta care au tractiune integrala. Principiul de functionare al diferentialului cu alunecare limitata, controlat hidrodinamic, este descris în cele ce urmeaza. în timpul rularii normale a autovehiculului, ambele parti ale trenului de rulare se rotesc cu aceeasi turatie, iar diferentialul cu alunecare limitata (LSD) functioneaza similar cu cel standard. Momentul motor este distribuit în mod egal intre roti. în Fig. 3.35 este prezentat un exemplu de montaj al unui cuplaj viscos intr-un diferential LSD aflat pe puntea spate.

Fig. 3.34 [2]

Arborele interior al cuplajului este atasat la semiaxa stanga, în timp ce carcasa exterioara solidara cu angrenajul principal al diferentialului. La aparitia unei diferente de turatie intre roti, se produce implicit și o alunecare relativa a discurilor de cuplaj viscos. Aceasta conduce la generarea unor tensiuni de forfecare în uleiul siliconic care umple spatiul dintre discuri și respectiv la transmiterea unui moment de torsiune de la un set de discuri la celalalt. Fig. 3.36 (a și b) prezinta cele doua situatii posibile de functionare, cu supraturarea rotii din stanga, respectiv din dreapta.

In cazul a), discurile fiate pe arborele interior al cuplajului viscos so rotesc mai rapid, deci momentul de torsiune este transmis discurilor angrenate pe carcasa exterioara, respectiv angrenajului principal și mai departe rotii din dreapta. în aceasta situatie b), discurile fixate în carcasa se rotesc mai repede, deci momentul de torsiune generat de frecarea viscoasa din fluidul de lucru se transmite în sens invers, catre arborele interior și în final rotii din stanga. Desigur ca eficienta acestui sistem nu este ideala, o anumita parte din puterea motorului ramanand neutilizata, dar în conditiile de functionare intalnite în utilizarea unui autovehicul obisnuit cuplul transmis este suficient pentru punerea în miscare, respectiv mentinerea stabilitatii de rulare. Aceasta functionare este caracterizata prin termenul “Viscous mode operation”, VM.

Fig. 3.35 [2]

Exista situatii în care, în timpul functionarii, valorile momentului transmis pot creste de cateva ori mai mult ca în cazul cuplajelor Vc. Evident, acest aspect genereaza valori ridicate ale regimului termic de functionare. Cresterea temperaturii conduce în acest caz la dilatarea considerabila a fluidului. Cresterea temperaturii conduce în acest caz la dilatarea considerabila a fluidului siliconic, accentuata și de prezenta aerului rezidual (in filmul de fluid). Acest fenomen provoaca cresterea presiunii pe discuri putand conduce la deformarea lor permanenta și distrugerea cuplajului. Cum cresterile de moment apar numai în unele situatii (existenta accidentala a unei diferente de turatii intre axele motoare), s-a realizat un cuplaj care sa combine cele doua moduri de functionare (regim de frecare fluida-mixta), în care un set de discuri este fixat axial în carcasa, iar celalalt este mobil în directia axiala, pe arbore. Acest mod de functionare a fost denumit “Hump”. Perforarea discurilor permite egalizarea presiunii exercitate de fluid pe toate suprafetele, realizand astfel un contact simultan.

Fig. 3.37 prezinta cele trei etape de functionare ale modului “Hump”.

Fig. 3.36 [2]

In Fig. 3.38 este prezentata variatia parametrilor caracteristici în timp pentru acest tip de cuplaj. Cresterea diferentei de turatie în diferential genereaza moment de frecare viscoasa, (a). Cat timp aceasta diferenta de turatie este constanta (b), temperatura creste iar valoarea momentului de frecare fluida, dependent de temperatura prin intermediul viscozitatii scade. Cresterea temperaturii genereaza cresterea brusca a presiunii care genereaza fenomenul “Hump”. Este de remarcat faptul ca, odata atins momentul maxim, diferenta de turatie în diferential dispare, cuplajul revenind în regim normal de functionare (VM)(c), dependenta cauza – efect anulandu-se intr-un timp foarte scurt.

Fig. 3.37 [2]

Un exemplu de configuratie geometrica a perforatiilor discurilor unui astfel de cuplaj este prezentata în Fig. 3.39. De regula discul interior, montat pe un arbore, este disc conducator iar cel exterior, montat în carcasa, este disc condus.

Fig. 3.40 prezinta intr-o forma calitativa, principiile de utilizare ale cuplajelor cu film fluid utilizate în transmisiile automobilelor, în functie de caracteristica de functionare a acestora și de domeniul de utilizare al automobilului. Este de remarcat faptul ca modul de functionare “Hump”, care are ca principal obiectiv protectia transmisiei, este dorit numai în acele situatii în care exista posibilitatea aparitiei suprasolicitarii cuplajului.

Fig. 3.38 [2]

Fig. 3.39 [2]

Cuplajul de tip VC – Viscous Control, inclus în puntea-fata, puntea-spate și transmisia integral

In cazul utilizarii ca system de control al alunecarii intr-un diferential clasic cu angrenaje conice, montat pe axa motoare superioara, în functie de sensul fluxului de putere (moment) transmis, exista doua variante de montaj: “arbore – arbore” prezentat în Fig. 3.41, și “arbore – carcasa” prezentat în Fig. 3.42. Ambele solutii implica modificarea constructive a carcasei diferentialului automobilului.

Fig. 3.40 [2]

In primul caz, carcasa cuplajului care contine discurile exterioare este fixata pe semiaxa motoare stanga, iar discurile interioare sunt fixate prin intermediul unui arbore tubular pe semiaxa motoare dreapta. Solutia are ca principal dezavantaj existenta unui gabarit mai mare. Solutia “arbore – carcasa” rezolva aceasta problema fiind în acelasi timp și mai rentabil din punct de vedere economic.

Fig. 3.41 [2]

Exista insa un dezavantaj major al acestei a doua solutii generat de cinematica mecanismului și anume, pentru a obtine acelasi efect de blocare, momentul de torsiune transmis de cuplaj trebuie sa fie de aproximativ trei ori mai mare în cazul “arbore – carcasa”. în Fig. 3.43 sunte prezentate caracteristicile de functionare (variatia momentului de torsiune transmis în functie de turatia de alunecare) pentru cele douza cazuri prezentate. Rezulta ca montajul “arbore – arbore”, chiar cu dezavantajul anterior mentionat al gabaritului, este preferat în cazul în care momentul transmis are valori ridicate.

In situatia în care automobilul are tractiune frontala, spatiul foarte restrans impune solutia unui mecanism diferential de tip planetar cu roti dintate cilindrice, solutie prezentata în Fig. 3.44.

Fig. 3.42 [2]

In aceasta schema, roata solara este fixata pe semiaxa stanga iar rotile planetare (satelitii transmit momentul la semiaxa din partea dreapta.

Fig. 3.43 [2]

Solutia constructiva necesita un set suplimentar de roti planetare pentru ca roata solara și carcasa rotilor planetare sa transmita acelasi moment și sa aiba acelasi sens de rotatie. în Fig. 3.45, care prezinta o sectiune transversala prin diferential (Fig. 3.44 A-A), se pune în evidenta complexitatea constructiva mult mai ridicata în raport cu mecanismul diferential clasic cu roti conice.

Desi în acest caz cuplajul cu film fluid VC beneficiaza de un spatiu destul de mic, el poate functiona acceptabil, dupa o curba caracteristica cu valori mai reduse, specifica diferentialelor din axa motoare frontala.

Fig. 3.44 [2]

In Fig. 3.46 este prezentata schema amplasamentului unui cuplaj cu film fluid de tip VC în mecanismul diferential central al unui sistem cu tractiune integrala, precum și fluxul de putere transmis de acesta. Solutia utilizarii unui mecanism planetar este impusa de pozitia longitudinala a motorului, amplasat în acest caz, în partea frontala a automobilului.

Fig. 3.45 [2]

Asa cum se cunoaste din solutia clasica, rolul mecanismului diferential intr-o transmisie integrala este de a asigura corect, din pnct de vedere cinematic, virajul automobiluilui și de asemenea, de a elimina efectul fenomenului de crestere accidentala a momentului de torsiune transmis (wind-up torque). Acest din urma fenomen, apare atunci cand automobilul ruleaza cu diferentialul blocat pe o suprafata denivelata și cu zone cu coeficienti de frecare diferiti. El genereaza atat suprasolicitarea transmisiei cat și disconfortul pasagerilor prin cresterea nivelului de zgomot.

Aceste neajunsuri sunt eliminate prin introducerea unui cuplaj cu film fluid de tip VC, care redistribuie momentul de torsiune suplimentar intre cele doua axe motoare. Din schema mai sus prezentata, rezulta ca roata dintata interior (inelara) este conectata la axa posterioara iar roata solara este conectata la axa frontala repartizand momentul de torsiune transmis, în general intr-un raport de 2/3 axa spate – 1/3 axa fata.

Schema de montaj “arbore – arbore” a unui astfel de cuplaj, în transmisia derivata din varianta standard a unui autoturism, este prezentata în Fig. 3.47. Cuplajul face legatura în acest caz intre roata solara și cea inelara, deci intre cele doua axe motoare.

Fig. 3.46 [2]

Diferenta de turatie intre axe este preluata de cuplaj, iar diferenta de moment de torsiune transmis de axe este de doua ori mai mare decat momentul transmis de cuplaj.

In Fig. 3.48 este prezentata schema de montaj “arbore – arbore” a unui cuplaj cu film fluid, în transmisia derivata din varianta cu tractiune pe fata, a unui autoturism. în acest caz motorul și cutia de viteze sunt montate transversal, iar cutia de viteze și diferentialul au carcasa comuna. Solutia are simplitate constructiva generata și de gabaritul redus, dar are dezavantaje semnificative în cazul rularii pe teren denivelat datorita repartitiei predominante a momentului de torsiune transmis, pe axa posterioara.

Fig. 3.47 [2]

Aceste conditii creeaza premizele pentru proiectarea unui cuplaj cu film fluid de tip VC, pentru un mecanism diferential central. Pot fi evidentiate trei cazuri mai importante:

Cazul “arbore – arbore”, prezentat schematic în Fig. 3.49. în acest caz roata solara și cea inelara (axele motoare) sunt legate direct de cuplajul cu film fluid. în cazul în care raportul de transmitere intre cele doua axe motoare este diferit de 1, turatia de alunecare a cuplajului are expresia:

Fig. 3.48 [2]

Cazul “intrare – axa frontala”, prezentat schematic în Fig. 3.50. Carcasa rotilor planetare (cuplata la cutia de viteze) și respectiv roata solara (cuplata la axa posterioara) sunt conectate la cuplajul cu film fluid. în acest caz raportul de transmitere al diferentialului, genereaza o turatie de alunecare a cuplajului mai mica decat turatia de alunecare dintre axe, descrisa de relatia:

Fig. 3.49 [2]

Cazul “intrare – axa posterioara”, Fig. 3.51. Cuplajul viscos realizeaza legatura intre roata dintata inelara (cuplata la axa posterioara) și arborele de intrare în cutia de viteze. în acest caz expresia turatiei de alunecare în cuplaj devine:

Fig. 3.50 [2]

Alegerea uneia dintre cele trei solutii depinde de domeniul de utilizare al automobilului și de factorii economici.

Cuplaj cu film fluid, folosit ca o transmisie viscoasa propriu-zisa de tip VT

Aceasta solutie consta în utilizarea unui cuplaj cu film fluid montat în serie cu mecanismul diferential și axul cardanic al unei transmisii integrale, Fig. 3.52. și este intalnita de regula la automobilele de performanta. S-a urmarit eliminarea dezavantajelor pe care le are o transmisie 4×4 permanent cuplata, care utilizeaza un diferential central cu blocare.

Fig. 3.51 [2]

Axa frontala, care este axa motoare conducatoare, transmite momentul de torsiune la axa posterioara prin intermediul cuplajului cu film fluid și al unui cuplaj unisens. Cuplajul unisens are rolul de a decupla axa posterioara atunci cand transmisia este suprasolicitata, în timpul virajului, precum și atunci cand automobilul se deplaseaza cu spatele. în conditii normale de deplasare, cand rotile celor doua punti ruleaza cu aproximativ aceeasi turatie nu exista diferenta de turatie intre discurile cuplajului. Daca apare patinare la una din punti, din multiple motive, momentul va fi transmis la puntea cu turatia mai mica. Cu cat diferenta de turatie este mai mare cu atat este mai mare valoarea momentului transmis, teoretic distributia de puteri putand fi 100% catre oricare dintre punti. Aceasta ar putea fi caracterizata ca un sistem cu tractiune integrala nepermanenta, iar ca un prim neajuns, directia nu asigura un comportament neutru ca în cazul celor cu transmisie integrala permanenta. Solutiile care deriva din modele cu tractiune fata au dezavantajul ca autoturismul are un caracter subvirator neschimbat.

Un alt dezavantaj il constituie intarzierea la cuplarea datorata perioadei necesare antrenarii fluidului, timp în care rotile patineaza inutil. Pentru a micsora aceasta perioada cat mai mult, rapoartele de transmitere finale la cele doua punti trebuie astfel alese incat și în conditii normale de deplasare sa existe o diferenta de turatie intre cele doua punti și implicit intre discurile cuplajului. S-a adoptat astfel un raport al distributiei de puteri în mod uzual 95%-5% (axa conducatoare – axa condusa). Desi se poate spune ca manevrabilitatea autoturismelor echipate astfel este similara celor cu tractiune pe o singura axa, solutia aduce avantaje semnificative din punct de vedere al tractiunii, al fiabilitatii, al dimensiunilor reduse si, poate cel mai important, al pretului în comparatie cu solutii mecanice alternative.

Fig. 3.53 prezinta intr-o forma simplificata, variatia unor perametrii ai unei astfel de transmisii, atunci cand axa frontala incepe sa patineze datorita unor conditii grele de deplasare, cum ar fi de exemplu escaladarea unui obstacol. Pana în punctul A deplasarea se realizeaza cu raportul 95% – 5%, în care axa posterioara are un rol redus în tractiune. în punctul B, rotile din fata incep sa patineze, iar diferenta de turatie dintre axe devine semnificativa în cuplajul cu film fluid. în acest caz, tensiunile de forfecare din filmul fluid ating valori mai mari, conducand la cresterea momentului de torsiune transmis axei posterioare, punctul C. Astfel automobilul se deplaseaza în continuare, patinarea pe axa frontala reducandu-se corespunzator, punctul D.

Fig. 3.52 [2]

Daca patinarea în cuplaj este mare, aceasta poate trece în modul “hump” de functionare protejand astfel elementele transmisiei mecanice și motorul. în final automobilul revine la parametrii initiali de functionare, punctul E. Rezulta ca acest cuplaj asigura automat o distributie a momentului de torsiune transmis, adecvata conditiilor de conducere.

Incepand cu anii ’80 cererea pentru autoturisme performante și accesibile în acelsi timp a fost din ce în ce mai mare, lucru care a impulsionat dezvoltarea cercetarilor în domeniu. Transmisii de acest gen au fost dezvoltate de grupul VW pentru modelele Golf Syncro și Transporter Syncro, fiind aplicate și pentru modelele foarte performante ca Porsche 993/996 Carrera 4 și Turbo, și Lamborghini Diablo VT. Printre pionierii acestei solutii constructive sunt inginerii de la Volkswagen care au dezvoltat transmisia de tip Syncrodrive, utilizata initial pentru modelul Transporter, Fig. 3.54. în acest caz, cercetarile experimentale au fost baza studiilor în aceasta directie, firma utilizand numeroase standuri care au fost succesiv dezvoltate.

Fig. 3.53 [2]

Fig. 3.54 [2]

O realizare deosebita a fost aplicatia pe modelul Golf Syncro, datorita extinderii acesteia la productia de masa. Varianta constructiva este prezentata în Fig. 3.54. Derivata din modelul cu tractiune fata, cu motorul amplasat longitudinal, solutia a impus montarea unei cutii de transfer cu angrenaj conic. Puntea spate este antrenata prin intermediul cuplajului cu film fluid prezentat în Fig. 3.55. Arborele cardanic antreneaza carcasa și cele 30 de discuri exterioare. Acestea, prin frecarea fluida pun în miscare discurile interioare în numar de 29, care sunt fixate prin intermediul canelurilor pe un arbore care antreneaza axul și diferentialul spate.

Fig. 3.55 [2]

Printr-un sistem de actionare electro-pneumatic care comanda un cuplaj de tip roata libera, rotile pot fi decuplate în functie de regimul de functionare. Porsche a utilizat o solutie similara pentru modelele 959, 966 Carrera 4 și Turbo. Dimensionat corespunzator acesta poate transmite 40% din cuplul dezvoltat de motor, în cazul modelului GT2 mergand pana la 450 Nm.

Cercetarile în domeniu au fost realizate de Volkswagen și în colaborare cu firma Steyr-Daimler-Punch din Germania și au constatat în studiul posibilitatii de reglare externa a unui Vc. Variantele constructive sunt prezentate în Fig. 3.56.

Fig. 3.56 [2]

Aceste reglari sunt necesare pentru eliminarea unor mici incoveniente generate de sistemele anterioare, cum ar fi: usoara tensionare a transmisiei la curbe stranse și stabilitatea franei în situatii extreme. Reglarea propriu-zisa consta în modificarea dinstantei dintre discurile cuplajului printr-un sistem hidraulic, obtinandu-se astfel valori optime ale momentului de transmis. O solutie tehnica de actionare în vederea realizarii deplasarii axiale a discurilor unui cuplaj cu film fluid destinat acestui tip de transmisie atuo a fost brevetat în SUA prin U.S. Patent, Nr. 5.203.439.

O varianta imbunatatita a transmisiei viscoase este obtinuta prin introducerea în structura a unei transmisii 4×4, în axa condusa, a unui mecanism care contine doua cuplaje cu film fluid și care inlocuieste mecanismul diferential, solutie care poate revolutiona domeniul transmisiilor auto. Aceasta joaca rolul de distribuitor de moment de torsiune transmis , preluand astfel functia diferentialului. O schema a montajului unui astfel de dispozitiv este prezentata în Fig. 3.57.

Fig. 3.57 [2]

Carcasa dispozitivului contine discuri exterioare ale celor doua cuplaje care se rotesc antrenate direct de axul cardanic prin intermediul unui angrenaj conic. Discurile interioare sunt montate pe semiaxele rotilor, Fig. 3.56. Sistemul reactioneaza la miscarea de rotatie a axei motoare (axa frontala) în acelasi mod ca transmisia viscoasa propriu-zisa.

El suplineste în totalitate functiile unui mecanism diferential central cu sistem de blocare și ale unui mecanism diferential montat pe o axa. în acest domeniu au fost depuse numeroase brevete, în special în SUA. Evident, exista combinatii intre aceste scheme de transmisii care au la baza diverse consideratii tehnico-economice ale producatorilor, o solutie a firmei Mitsubishi fiint prezentata în Fig. 3.57, în care diferentialul clasic este asistat visco. Ultimele aplicatii în domeniu apartin firmei Haldex, care a realizat un cuplaj pentru traciunea integrala prezentat schematic în Fig. 3.58, folosind acelasi principiu de repartitie a puterii ca la sistemul VW Synchro. Principiul de functionare este urmatorul: la deplasarea în conditii normale discurile cuplajului se rotesc sincron; în momentul în care apare alunecarea pe o axa sau pe o roata, arborele cuplat la axa motoare, care are suprafata frontala inclinata, actioneaza asupra unui piston care creeaza o presiune asupra fluidului din cuplaj, actionand asupra unui piston care creeaza o presiune asupra fluidului din cuplaj, actionand asupra unui al doilea piston circular care modifica distanta dintre discuri pana în momentul atingerii turatiei sincrone.

Sisemul poate fi comparat ca principiu de functionare cu o pompa hidraulica. Este de asemenea utilizata o supapa reglabila pentru varierea presiunii fluidului, în sensul reducerii timpului de raspuns al cuplajului. Sistemul nu necesitam ca în cazul anterior descrise, cuplaj de sens unic, deoarece la deplasarea cu spatele, deci la inversarea sensului de rotatie, cuplajul practic nu functioneaza. Acelasi fenomen se produce la rularea cu viteze ridicate, dar fara alunecare intre roti. Cuplajul functioneaza practic necomandat (automat), dar cu oarecare inertie. Eliminarea acesteia s-a facut prin trecerea la cuplajul Haldex ECU. Evident, sistemele electronice de comanda fac ca actionarea sa devina mult mai rapida, dar au efecte negative asupra fiabilitatii sistemului și a factorului economic.

Fig. 3.58 [2]

Aceste cuplaje au evoluat pe parcursul a patru generatii incepand cu anul 1998 și au fost aplicate pe marci de automobile germane, suedeze, americane și britanice.

SIMULAREA UNUI CUPLAJ CU FRECARE FLUIDĂ

Pentru simularea cuplajului au fost folosite mai multe soft-uri de proiectare/simulare. Pentru realizarea geometriei 2D utilizata la simulare a fost folosit modulul integrat în Ansys Workbench, “Design Modeler”, pentru mesh-area geometriei am folosit Gambit iar pentru simularea propriu-zisa am folosit Fluent, de asemenea integrat în Ansys Workbench.

Geometria 3D

Geometria 3D a cuplajului a fost realizata în soft-ul de modelare 3D Solidworks. Ansamblul este compus din 4 piese, dupa cum urmeaza:

Ax (Fig. 4.1);

Discul antrenat de ax (Fig. 4.2);

Discul care antreneaza carcasa (Fig. 4.3);

Carcasa cuplajului (Fig. 4.4 și Fig. 4.5).

Fig. 4.1

Axul central (Fig. 4.1) este antrenat din exterior de o sursa iar acesta la randul sau antreneaza discurile cu caneluri interioare (Fig. 4.2). Asamblarea dintre cele 2 componente, ax și disc, se face prin caneluri în evolventa.

Asamblările prin caneluri sunt un tip de asamblări cu pene longitudinale, fixe, monobloc formând corp comun cu angrenajul cu caneluri. Dintre dezavantajele acestor asamblări se menționează tehnologia de execuție mai pretențioasă și prețul de cost mai ridicat decât al asamblărilor prin pene paralele. Sunt folosite la cutiile de viteze ale autovehiculelor și mașinilor-unelte, la cuplaje etc.

Asamblările prin caneluri în evolventa au o buna rezistenta, în special, la solicitări variabile; se folosesc în construcția de autovehicule, centrarea realizând-se pe diametrul exterior al arborelui sau pe flancuri.

Fig. 4.2

Discurile cu caneluri interioare antreneaza la randul sau, prin intermediul filmului de fluid viscos, discurile cu caneluri exterioare (Fig. 4.3) care la randul sau antreneaza prin caneluri carcasa cuplajului (Fig. 4.4 și Fig. 4.5). La randul sau și carcasa antreneaza, prin acelasi tip de asamblare cu caneluri, un al doilea arbore. Astfel miscare de rotatie se transmite de la primul arbore catre al doilea prin intermediul cuplajului cu frecare viscoasa.

Fig. 4.3

Fig. 4.4

Fig. 4.5

Fig. 4.6

Fig. 4.7

Fig. 4.8

Geometria 2D

Pentru realizarea geometriei 2D s-a utilizat modulul integran în Ansys Workbench pentru realizarea de geometrii denumite “Design Modeler”. Pentru simulare s-a creat geometria partii superioare a sectiunii transversale pentru cuplajul cu frecare viscoasa.

Fig. 4.9

Discurile sunt asezate intermitent, unul fix, celalalt mobil iar intre ele este prezenta pelicula de fluid viscos. Grosimea discurilor este de 2 mm iar cea a filmului de fluid este de 0,5 mm. Pentru simulare s-a folosit doar zona activa dintre discuri, de aceea discurile sunt aparent egale.

Meshul geometriei

Pentru mesh-area geometriei 2D s-a folosit Gambit.

Fig. 4.10

Mesh-ul este unul de tipul progresie aritmetica cu ratie variabila în ambele directii, astfel ca reteaua este mai deasa pe margine și mai rara spre mijloc. Fiecare element este mai mare decat cel precedent de r (ratie) ori. în acest caz ratia este 1,2 și intervalul de 0,025.

Suprafetele circumferentiale, atat cele interioare cat și cele exterioare, sunt setate ca wall, astfel ca nu avem curgere. Pentru a avea racire putem seta acele suprafete ca presure inlet/outlet, varianta aceasta fiind mai realista insa mult mai complicat de simulat.

Fig. 4.11

Simularea cuplajului

Modelul folosit pentru simulare este cel multidisc capsulat prezentat mai sus. Scopul acestei simulari este de a observa temeperaturile din interiorul cuplajului în timpul functionarii.

Dupa importarea geometriei 2D în fluent, sectiunii transversale create anterior ia fost imprimata o miscare de rotatie în jurul axei cu o viteza unghiulara de 10 rad/s. Discurile au fost considerate ca fiind confectionate din otel iar uleiul folosit a fost un ISO VG 32.

Viscozitatea fluidului de lucru variaza în raport cu temperatura dupa o ecuatie de tip Slotte.

In acest caz temperatura de referinta

Fig. 4.12

Dupa cum se poate observa în imaginea de mai sus, în timpul functionarii temperatura este mai mare spre exterior și mai mica spre axul cuplajului. Acelasi lucru și pe orizontala. Temperatura mai ridicata spre interior și mai mica spre exterior.

Fig. 4.13

In cazul presiunii situatie este similara ca și în cazul temperaturii. Presiunea este mai ridicata spre extremitati și mai scazuta spre interiorul cuplajului.

CONCLUZII

In urma simularii efectuate asupra cuplajului cu frecare viscoasa folosit la autoturisme am putut observa comportamentul acestuia în timpul functionarii și variatia temperaturii și presiunii.

S-a observat ca în timpul functionarii temperatura discurilor este mai ridicata la marginea cuplajului și mai scazuta la mijlocul cuplajului, spre ax. Temperatura maxima a discurilor din timpul functionarii este de 305 K.

Acelasi lucru se poate spune și despre presiunea fluidului de lucru. în timpul functionarii presiunea fluidului este mai ridicata la extremitati și mai scazuta spre centrul cuplajului. Presiunea maxima a fluidului de lucru din timpul functionarii este de 28,3 Pa.

Bibliografie

A. JULA, M. LATES, Organe de masini, Editura Universitatii Transilvania, Brasov, 2004

A. PREDESCU, Cuplaje cu frecare viscoasa, Editura Printech, Bucuresti, 2011

M.D. PASCOVICI, T. CICONE, Elemente de tribologie, Editura BREN, Bucuresti, 2001

M. CONSTANTIN, A. VASILESCU, Organe de masini și mecanisme, Editura ALL, Bucuresti, 2002

V. PALADE, N. DIACONU, Organe de masini, Galati University Press, Galati

V. DOLGA, Curs Fundamente de inginerie mecanica, 2013 – 2014

http://www.desen.utcluj.ro/curs/Asamblari%20cu%20pene%20si%20caneluri.pdf

https://profpopescum.wikispaces.com/file/view/Cuplaje.doc

http://www.qreferat.com/referate/mecanica/ASAMBLAREA-CUPLAJELOR728.php

http://omtr.pub.ro/didactic/om_aeronave/om2/cuplaje_desene.pdf

I. ANDRITESCU, A. PREDESCU, Modelarea și simularea numerica a unui cuplaj viscos multidisc, Lucrare de disertatie, UPB, Bucuresti, 2010

V. N. CONSTANTINESCU, M.D. PASCOVICI, s.a, Lagare cu alunecare, Editura tehnica, Bucuresti, 1980

I. DRAGHICI, s.a, Calculul și constructia cuplajelor, Editura tehnica, Bucuresti, 1978

V. DOLGA, A. TEODORESCU, Actionari de mecanica fina, Editura Eurobit, Timisoara, 1999

A. Tudor, Organe de mașini – Note de curs, 2004

Gafitanu, M. ș.a. Organe de mașini. Vol. I. II, Ed. Tehnică, București 1981, 1983