1

Capitolul 2. PRINCIPIUL DE FUNCTIONARE AL AMBREIAJULUI MECANIC

2.1. Functionarea propriuzisa a ambreiajului pe automobil Functionarea ambreiajului in transmisia automobilului este prezentata in figura 2.1 pentru un ambreiaj monodisc uscat cu arcuri elicoidale periferice si cu arc central diafragma.

Fig.2.1. Functionarea ambreiajului in transmisie In starea cuplat, discul condus legat cinematic de restul transmisiei prin intermediul arborelui ambreiajului este apasat intre volant si discul de presiune de catre arcurile de presiune. Ambreiajul transmite moment de la motor la schimbatorul de viteze, moment care depinde de: ° coeficientul de frecare dintre suprafetele in contact; ° presiunea de contact; ° numarul suprafetelor de contact; ° diametrul discului. In aceasta stare, ansamblul nu exercita eforturi axiale asupra arborelui cotit al motorului sau asupra arborelui ambreiajului. Pentru decuplarea ambreiajului (debreiere), mansonul de decuplare sub actiunea pedalei ambreiajului, care nu este reprezentata, apasa asupra

2

parghiilor de debreiere. Acestea, in numar de cel putin 3, lucreaza ca parghii de gradul unu adica, au articulatia centrala de sprijin pe carcasa interioara a ambreiajului, la capatul interior sunt apasate de manson care exercita forta activa, iar la capatul exterior prin intermediul tirantului fixat pe discul de presiune (in schema tirantul realizeaza si solidarizarea la rotatie a discului de presiune cu volantul) deplaseaza discul spre dreapta, arcurile de presiune sunt comprimate (se exercita forta rezistenta la capatul parghiilor), discul condus este liber (culiseaza pe canelurile arborelui ambreiajului) si legatura cinematica dintre motor si schimbatorul de viteze este intrerupta. Ambreiajul este decuplat, iar momentul transmis de acesta este nul, astfel ca se pot face manevrele de schimbare a treptelor de viteza. Actiunea de decuplare a ambreiajului provoaca un efort axial asupra arborelui cotit al motorului. De exemplu pentru un ambreiaj la care forta de apasare a arcurilor de presiune este de 300 daN, iar raportul bratelor parghiilor este 3:1, efortul axial exercitat de manson asupra arborelui cotit este de 100 daN. La recuplarea ambreiajului (ambreiere) actiunea asupra pedalei ambreiajului inceteaza, mansonul de decuplare revine in pozitia initiala, parghiile de debreiere elibereaza tirantii, iar arcurile de presiune exercita din nou forta de apasare, prin intermediul discului de presiune, asupra discului condus. Procesul decurge la fel si la ambreiajul cu arc central diafragma cu taieturi pe generatoare, dar rolul parghiilor de decuplare este luat de lamelele arcului. 2.3. Functionarea ambreiajului la pornirea din loc a automobilului Particularitatile functionarii ambreiajului la pornirea din loc a automobilului sunt caracterizate de diagrama cuplarii la plecarea din loc a automobilului, prezentata in figura 2.2. Aceasta are reprezentat pe abscisa timpul, iar pe ordonata momentul de frecare al ambreiajului (momentul capabil al ambreiajului) aM , momentul rezistent la arborele primar al schimbatorului de viteze (este cel mai adesea si arborele ambreiajului)

pM , viteza unghiulara a partii conducatoare a ambreiajului m

ω , care in momentul inceperii cuplarii ambreiajului se roteste deja cu o viteza unghiulara 0ω , viteza unghiulara a partii conduse a ambreiajului pω . Daca se considera ca procesul cuplarii ambreiajului dureaza timpul cat , acesta consta din doua etape.

3

Fig.2.2.Diagrama cuplarii la pornirea din loc Prima etapa incepe din momentul atingerii suprafetelor de frecare, cand momentul de frecare al ambreiajului este zero (originea) si se termina cind acesta este egal cu momentul de rezistenta la deplasarea automobilului, adica pa MM = (punctul A). In aceasta etapa partea condusa a ambreiajului nu se roteste, iar ambreiajul patineaza total. Etapa a doua a cuplarii ambreiajului e caracterizata de inceperea miscarii automobilului si de reducerea treptata a patinarii pana la disparitia ei completa in punctul C. Aceasta este etapa patinarii partiale a ambreiajului. Lucrul mecanic de patinare din cele doua etape ale cuplarii ambreiajului se transforma in caldura, conduce la cresterea temperaturii pieselor ambreiajului si prin aceasta la micsorarea valorii coeficientului de frecare si la intensificarea procesului de uzare. Pentru a determina expresia lucrului mecanic de patinare si a evidentia factorii care-l influenteaza se foloseste modelul dinamic simplificat al automobilului redus la doua mase in miscare de rotatie legate intre ele prin intermediul ambreiajului, model care este prezentat in figura 2.3. In aceasta schema semnificatia notatiilor este:

mM - momentul apicat partii conducatoare a ambreiajului adica momentul motorului;

mI - momentul de inertie al maselor mobile ale motorului reduse la axa arborelui cotit;

mω - viteza unghiulara a partii conducatoare a ambreiajului adica a arborelui cotit;

aM - momentul de frecare (momentul capabil) al ambreiajului;

4

pI - momentul de inertie corespunzator masei in miscare de translatie a automobilului am si a maselor in miscare de rotatie din transmisie, inclusiv ale rotilor, redus la arborele ambreiajului. Daca se considera numai rotile el se poate calcula cu relatia:

Fig.2.3. Modelul dinamic simplificat al automobilului

rotitrtr

rap I

iirmI Σ⋅+⋅= 22

2 1 (2.1)

unde: rr - este raza de rulare a rotilor; tri - este raportul de transmitere al transmisiei.

pM - momentul rezistent la arborele primar al schimbatorului de viteze (corespunde rezistentei specifice a drumului ψ , care pentru o pornire din loc obisnuita se poate considera cu valoarea 0,1). El se poate calcula cu relatia:

trtr

rap i

rGM

⋅⋅⋅

=ηψ (2.2)

unde: aG - este greutatea automobilului, trη - este randamentul transmisiei. In etapa de cuplare a ambreiajului se poate considera o variatie liniara a momentului ambreiajului cu timpul, adica: tkM a ⋅=

unde constanta de proportionalitate are valoarea ( )s

mNk ⋅= 50....30 si

caracterizeaza viteza de cuplare a ambreiajului. Daca se scriu ecuatiile de miscare se obtine: pentru partea conducatoare amm M

dtdIM =⋅−ω (2.3)

pentru partea condusa

5

ppa MdtdIM +⋅=ω (2.4)

Lucrul mecanic de patinare din ambreiaj este:

∫ ⋅=α

α0

dML a unde αd este unghiul elementar de patinare a

ambreiajului si se poate exprima in functie de viteza de patinare a ambreiajului, adica: ( ) dtd pm ⋅−= ωωα . Expresia lucrului mecanic de patinare devine:

( ) dtMLcat

pma ⋅−⋅= ∫0

ωω (2.5)

Dificultatea rezolvarii acestor ecuatii in ω este ca momentele pam MMM ,, variaza in timp, cel mai adesea neliniar. Daca se ignora

influenta conducatorului auto, se presupune ca ambreiajul se cupleaza repede, se considera momentele constante se obtine: Din (2.3)

( ) ( ) ( ) ( )00 0

ωωωωω

ω

−⋅=⋅−⇒⋅=⋅−⇒⋅=⋅− ∫∫ mmamm

t

ammam ItMMdIdtMMdIdtMMm

sau

tI

MM

m

mm

a ⋅−

+= 0ωω (2.6)

Din (2.4)

( ) ( ) ( ) pppap

t

pappa ItMMdIdtMMdIdtMMp

ωωωω

⋅=⋅−⇒=⋅−⇒⋅=⋅− ∫∫00

sau

tI

MM

p

pap ⋅

−=ω (2.7)

Dar cand ambreiajul este cuplat pm ωω = si se obtine:

( ) ( )ampam

pmca MMIMMI

IIt

P−−−⋅

⋅⋅= 0ω

(2.8)

Daca se considera variatii liniare ale vitezelor unghiulare mω si pω , asa cum se vede in figura 2.4 si .ctM a = integrala (2.5) reprezinta aria triunghiului pentru variatia in timp a vitezei unghiulare de patinare a ambreiajului, adica:

2

0 caa

tML

⋅⋅=ω (2.9)

6

Fig.2.4. Variatia vitezelor unghiulare si a momentelor in timpul cuplarii ambreiajului

Se inlocuieste (2.8) in (2.9), se tine cont ca 30

00

n⋅=π

ω si se obtine:

m

p

a

m

a

p

p

II

MM

MM

InL

⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

⋅=

11180

20 (2.10)

Dar β

β 1=⇒⋅=

a

mma M

MMM si (2.10) devine:

m

p

a

p

p

II

MM

InL⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

⋅=

β111

180

20 (2.11)

Discutie:1° Lucrul mecanic ce se pierde la cuplarea ambreiajului prin patinarea dintre partea comducatoare si partea condusa la pornirea din loc a automobilului creste: °foarte mult daca turatia motorului la inceputul cuplarii ambreiajului este mare; °mult daca masa automobilului este mare (automobil incarcat sau care tracteaza remorca); °mult daca pornirea de pe loc se face intr-o treapta de viteza superioara, adica tri are valoare mica; °daca rotile au momente de inertie mari; °daca pornirea din loc se face pe drumuri cu rezistente specifice mari, de exemplu la urcarea unei pante. 2° Un ambreiaj „tare” cu un coeficient de siguranta ridicat patineaza putin la pornirea din loc a automobilului, deci lucrul mecanic la patinare se micsoreaza.

7

2.3. Functionarea ambreiajului la schimbarea treptelor de viteza Pentru a evidentia rolul ambreiajului la schimbarea treptelor de viteza se va folosi modelul fizic prezentat in figura 2.5, dezvoltat din modelul prezentat in figura 2.3 la care s-a adaugat reprezentarea schematica a unui scimbator de viteze cu trei arbori (P- primar, I – intermediar, S – secundar).

Fig.2.5. Modelul dinamic al automobilului Cuplarea treptei de viteza se realizeaza prin deplasarea axiala spre motor a rotii dintate 3, solidarizata cinematic la rotatie cu arborele secundar prin caneluri, pina angreneaza cu roata 4 fixa pe arborele intermediar. Se stabileste astfel lantul cinematic arborele P, angrenajul rotilor dintate 1 si 2, arborele intermediar I, angrenajul rotilor dintate 3 si 4, arborele secundar S. Raportul de transmitere dupa cuplare este:

1

1

3

4

1

2

s

msv z

zzzi

ωω

=⋅= 2.12.

unde 1mω si 1sω sunt vitezele unghiulare ale arborelui cotit al motorului, respectiv arborelui secundar al schimbatorului de viteze dupa cuplarea treptei. Momentul de inertie al volantului aplicat arborelui primar este:

2sv

sap i

III +=

unde aI este momentul de inertie al partii conduse a ambreiajului si al mecanismului reductor al schimbatorului de viteze (roti si arbori) reduse la arborele primar;

sI este momentul de inertie corespunzator pieselor in miscare de rotatie din transmisie, inclusiv rotile si a masei automobilului in miscare de translatie.

8

Se va considera cuplarea treptei de viteza in doua variante: 1° fara decuplarea ambreiajului Deoarece vitezele tangentiale in punctele de contact ale rotilor 3 si 4 sunt cel mai adesea diferite, angrenarea este echivalenta cu o cicnire neelastica dintre doua corpuri rigide, timpul este foarte scurt si fortele care apar sub influenta momentului motorului si momentului rezistent se pot neglija. Avind in vedere ca energia totala a sistemului se conserva se poate scrie: ccfci EEE Δ=− 2.13.

unde ( ) 22

21

21

ssamci IIIE ωω ⋅+⋅+= este energia cinetica initiala a

aistemului, ( ) 2

12

1 21

21

ssmamcf IIIE ωω ⋅+⋅+= este energia cinetica finala a

sistemului, ( ) ( ) ( )21

21 2

121

sssmmamc IIIE ωωωω −⋅+−⋅+=Δ este energia pierduta

prin ciocnire. Daca se tine cont ca 11 ssvm i ωω ⋅= si se inlocuieste totul in 2.13, dupa efectuarea calculelor se obtine viteza unghiulara a arborelui secundar dupa cuplarea treptei: ( )

( ) ssvam

ssmsvams IiII

IiII+⋅+

⋅+⋅⋅+= 21

ωωω 2.14.

Se noteaza cu medF forta medie care actioneaza in timpul cicnirii (cuplarii), se considera timpul t cit dureaza ciocnirea foarte mic si se aplica teorema momentului cinetic pentru un sistem de particule, adica: viteza de variatie in timp a momentului cinetic total al unui sistem de particule in raport cu originea unui reper inertial este egala cu suma momentelor externe care actioneaza asupra sistemului. ( )sssmed IrtF ωω −⋅=⋅⋅ 14 2.15. Produsul tFmed ⋅ este impulsul fortei care actioneaza in timpul cuplarii sau percutia. Inlocuind pe 2.14 in 2.15 se obtine: ( ) ( )

( ) ssvam

svssvmsammed IiII

iiIIIrtF+⋅+

⋅−⋅⋅+=⋅⋅ 24

ωω 2.16.

2°cu decuplarea ambreiajului Daca rotile 3 si 4 sunt cuplate dupa decuplarea ambreiajului, in relatia 2.16 0=mI si se obtine:

( )ssva

svssvmsamed IiI

iiIIrtF+⋅

⋅⋅−⋅⋅=⋅⋅ 24

`` ωω 2.17.

Daca se face raportul relatiilor 2.17 si 2.16 si se tine cont ca am II >> se obtine raportul percutiilor din cele doua cazuri, J`/J, adica:

9

a

ssv

m

ssv

a

ssv

m

a

m

ssv

m

a

med

med

IIi

IIi

IIi

II

IIi

II

JJ

tFtF

+

+≅

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

+⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

==⋅⋅

2

2

2

2```

1

1 2.18.

Discutie:

- prin decuplarea ambreiajului inaintea schimbarii treptei de viteza socurile dinamice din transmisie (percutiile) se pot reduce de pana la de 50...200 ori fata de cele din cazul schimbarii treptei cu ambreiajul cuplat;

- percutia J` este cu atat mai mica, in raport cu percutia J, cu cat momentul de inertie al partii conduse a ambreiajului aI are o valoare mai redusa;

- deoarece m

s

a

sI

II

I >> , percutia J` se micsoreaza daca rapoartele de

transmitere ale schimbatorului de viteze au valori mai reduse, adica o parte din valoarea totala necesara a rapoartelor de transmitere se realizeaza in puntea motoare prin asa numitul raport de transmitere al transmisiei principale;

- reducerea percutiei, pana la anularea sa, se realizeaza daca cuplarea se face dupa egalizarea vitezelor periferice ale rotilor care urmeaza sa se cupleze, adica decuplarea ambreiajului trebuie sa fie completa, iar schimbatorul de viteza sa fie echipat cu sincronizatoare.

2.4. Influenta ambreiajului asupra solicitariloe dinamice ale transmisiei Transmisia automobilului este solicitata dinamic la doua doua solicitari principale:

- solicitari prin soc la torsiune; - solicitari la vibratii torsionale.

Ambele solicitari sunt influentate semnificativ de catre ambreiaj, iar aceste influente vor fi analizate in continuare. 2.4.1. Influenta ambreiajului asupra socurilor la torsiune Socurile la torsiune apar la cuplarea brusca a ambreiajului, care face ca discul de presiune sa capete o deceleratie puternica in momentul contactului cu discul condus, iar forta de inertie sa mareasca forta de

10

apasare dintre suprafetele de frecare si prin aceasta momentul de frecare al ambreiajului. Aceste incarcari se maresc daca cuplarea se face la turatii mari ale motorului, datorita energiei cinetice mari a volantului. Socuri torsionale de valoare mai mica pot sa apara si la franarea violenta cu ambreiajul cuplat. Evidentierea influentei ambreiajului asupra socurilor torsionale se face determinand expresia momentului dinamic ce se transmite prin transmisie la cuplarea brusca a ambreiajului. Pentru aceasta se va utiliza modelul dinamic simplificat prezentat in figura 2.3 la care se introduce in plus rigiditatea la rasucire a transmisiei

tc si unghiul de rasucire al transmisiei ϕ. Daca nu exista amortizare, cuplarea brusca a ambreiajului este echivalenta cu o ciocnire neelastica dintre partea conducatoare si partea condusa a ambreiajului, pentru care se aplica:

- conservarea impulsului sistemului care da viteza unghiulara rezultata dupa cuplare

( )pm

ppmmrezrezpmppmm II

IIIIII

+⋅+⋅

=⇒⋅+=⋅+⋅ ⋅

ωωωωωω 2.19.

- conservarea energiei totele a sistemului care da pierderea de energie cinetica prin cuplare

( ) 222

21

21

21

rezpmppmmc IIIIE ωωω ⋅+−⋅+⋅=Δ 2.20.

Inlocuind pe 2.19 in 2.20 si efectuand calculele se obtine:

( )221

pmpm

pmc II

IIE ωω −⋅

+⋅

⋅=Δ 2.21.

La cuplarea brusca a ambreiajului, pierderea de energie cinetica se transforma in lucru mecanic de rasucire a arborilor transmisuei. Acesta este dat de relatia: ϕϕ dcdL t ⋅⋅= care prin integrare conduce la:

2

2ϕ⋅= tcL 2.22.

Egaland pe 2.21 cu 2.22 se obtine:

( ) ( )pm

pm

tpmpm

pm

pmt II

IIcII

IIc

+⋅

⋅⋅−=⇒−⋅+⋅

⋅=⋅⋅1

21

21 22 ωωϕωωϕ 2.23.

Dar momentul dinamic care se transmite la cuplarea brusca a ambreiajului prin transmisie este: ϕ⋅= td cM 2.24. Inlocuind pe 2.23 in 2.24 se obtine:

( ) tpm

pmpmd c

IIII

M ⋅+⋅

⋅−= ωω 2.25.

11

Concluzie: Pentru a micsora momentul dinamic din transmisie, care apare la cuplarea brusca a ambreiajului, trebuie sa se reduca rigiditatea totala a arborelui p. Aceasta se realizeaza prin divizarea discului condus al ambreiajului in doua componente care se pot roti una fata de cealalta (butucul discului 1 solidarizat cu arborele ambreiajului si discul cu garniturile de frecare 2 care ia primul contact cu partea conducatoare a ambreiajului), rotire care este atenuata de arcurile elicoidale 3 dispuse tangential in ferestre decupate in cele doua componente. Se obtine astfel discul condus cu element elastic suplimentar, a carei schema este prezentata in figura 2.6.

Fig.2.6. Schema discului condus cu element elastic suplimentar Observatie: Daca elementul elastic suplimentar are o rigiditate prea redusa (arcurile sunt prea moi sau sunt montate netensionat) sarcinile dinamice care apar pot depasi ca valoare chiar sarcinile obtinute in lipsa elementului elastic suplimentar, deoarece se creaza astfel un „gol suplimentar” care amplifica socurile in transmisie. O solutie constructiva suplimentara care reduce socurile torsionale la cuplarea brusca a ambreiajului este marirea elasticitatii axiale a discului condus, care diminuiaza efectul fortei de inertie a discului de presiune la contactul cu discul condus. Aceasta se realizeaza prin montarea unor lamele elastice intre garniturile de frecare si discul metalic propriuzis.

12

2.4.2. Influenta ambreiajului asupra vibratiilor torsionale Transmisia automobilului impreuna cu masele motorului in miscare de rotatie, cu rotile si cu masa intregului automobil formeaza un sistem elastic complex supus permanent actiunii oscilatiilor torsionale. Pentru motorul cu ardere interna sursa principala de oscilatii este momentul motor. Acesta este o marime periodica, care se poate dezvolta in serie Fourier si are un spectru larg de frecvente, multipli intregi ai turatiei motorului. Alta sursa continua de oscilatii este momentul rezistentelor la inaintare determinat de caracteristicile drumului si de regimul deplasarii, care are un caracter aleator. Toate acestea pe fondul variatiei turatiei intre anumite limite. Deoarece si transmisia are mai multe frecvente proprii, exista posibilitatea ca frecventele unor armonici ale surselor perturbatoare sa coincida cu frecventele proprii ale trnasmisiei si sa apara rezonanta, care are drept efect ruperea organelor metalice (arbori, roti dintate etc.). Inlaturarea posibilitatilor de aparitie a fenomenelor de rezonanta se poate realiza prin:

- variatia caracteristicilor elastice ale transmisiei astfel ca rezonanta sa nu apara in cazul regimurile de exploatare;

- introducerea in transmisie a unui element de amortizare capabil sa absoarba energia oscilatiilor;

- introducerea in transmisie a unui element care sa asigure caracterul neliniar al caracteristicii elastice a transmisiei.

Metoda cea mai simpla, avand in vedere ca exista deja elementul elastic suplimentar, este combinarea acestuia cu un element de amortizare, amplasat intre cele doua parti ale discului condus. Pentru inbunatatirea calitatilor de izolare la vibratii torsionale se recomanda ca elementul elastic suplimentar sa aiba o caracteristica elastica neliniara (o caracteristica franta), obtinuta prin inserierea a mai multor arcuri tangentiale diferite, cu intrare succesiva in functiune. Schema discului condus cu element elastic suplimentar si amortizor de vibratii torsionale este prezentata in figura 2.7.

13

Fig.2.7. Schema discului condus cu element elastic suplimentar si amortizor de vibratii torsionale

Amortizorul 1 este montat in paralel cu arcurile 2 ale elementului elastic suplimentar, formand inpreuna amortizorul de vibrarii torsionale al ambreiajului. Deoarece in interiorul discului condus spatiul disponibil este redus, amortizorul trebuie sa aiba dimensiuni reduse. Din aceasta cauza, cel mai adesea, amortizorul este cu frecare uscata, sub forma unui pachet de discuri strans axial intre cele doua parti mobile ale discului condus si cu miscari relative de rotatie.