11.6. Cutia de distribuţie, arborele cardanic, transmisia centrală

 

Pentru ca mişcarea să ajungă de la cutia de viteze la roţile motoare este nevoie de câteva agregate.

 

11.6.1. Cutia de distribuţie

La autovehiculele care au mai multe punţi motoare este nevoie de o cutie de distribuţie. Aceasta are rolul de a mişcarea mişcarea  de la cutia de viteze spre punţile motoare (vezi figura 11.22).

 

 

 

Fig. 11.22

 

În figura 11.22 este prezentată schematic transmisia unui autovehicul care are două punţi motoare. Acest lucru înseamnă că vehiculul are patru roţi şi toate patru sunt roţi motoare. Uzual aceasta este simbolizată prin 4x4 ,  4wd (four weel drive - patru roţi motoare) sau awl (all weel drive - toate roţile motoare). Simbolizarea unui autovehicul care are două punţi dar numai una singură este motoare se face astfel: 4x2 adică din patru roţi numai două sunt roţi motoare.

Există vehicule care au mai multe punţi cum sunt unele autocamioane,unele  autobuze sau vehiculele speciale (autogredere, vehicule militare...). Nu toate punţile sunt motoare iar acest fapt este simbolizat prin 6x4, 6x6 sau 8x4, 8x6, 8x8...

 

Fig. 11.23. Vehicule 6x6

 

 

 

Fig. 11.24. Vehicule 8x8

 

 

De ce trebuie ca un vehicul sa aibe tracţiunea pe mai multe roţi?? În primul rând trebuie să luăm în considerare faptul că o roată nu poate transmite decât atâta forţă motoare cât îi permite frecarea dintre anvelopă şi calea de rulare (drum) adică forţa maximă de tracţiune (Ft ) este egală cu forţamaximă de frecare (Ff ). Acest lucru înseamnă că dacă avem un vehicul care are 1600 kg iar masa lui este distribuită uniform la cele patru roţi atunci fiecare roată preia o sarcină de 400 kg adică 4000 N (Newtoni).

 

Forţa de frecare este dată de produsul dintre greutatea pe roată şi coeficientul de frecare (m). Adică dacă considerăm că vehiculul nostru merge pe un drum cu gheaţă (m=0,1) atunci: Ft = Ff = 4000 x 0,1 = 400 N.

 

Pentru un vehicul 4x2 forţa totală de tracţiune este: Ft= 2 x 400 = 800 N,

Iar pentru un vhicul 4x4 forţa totală este Ft= 4 x 400 = 1 600 N.

 

Deci un autovehicul 4x4 având acelaşi motor şi aceeaşi distribuţie a maselor poate realiza de două ori mai multă forţă motoare compararativ cu 4x2.

Totodată se îmbunătăţeşte considerabil capacitatea autovehiculului de a circula pe drumuri neamenajate sau chiar în afara acestora (off road - fără drum).

 

Aşadar, pentru a distribui mişcarea de la motor la mai multe punţi motoare se utilizează cutiile de distribuţie.

 

 

 

În figura 11.25 este prezentată o secţiune prin cutia de distribuţie.

 

Există două variante de tracţiune integrală:

4x4 permanent; 4x4 facultativ

 

Ultima variantă presupune că autovehiculul are o punte permanent cuplată (de obicei puntea spate) iar cealaltă punte este cuplată facultativ de către conducătorul auto. În acest caz cutia de distribuţie posedă un mecanism special pentru cuplarea facultativă aşa cum este prezentat în figura 11.25.

În cazul vehiculelor cu mai multe punţi motoare este nevoie şi de un diferenţial interaxial care sa compenseze diferenţa de drum parcursă de cele două punţi (vezi explicaţiile de la subcapitolul 11.6.4. Diferenţialul ). Acest diferenţial este plasat, de cele mai multe ori, în interiorul cutiei de distribuţie ca în figura 11.25.

Rolul diferenţialului interaxial este acela de a compensa diferenţa de drum parcurs dintre punţile motoare. Diferenţa de drum poate să apară atunci când, spre exemplu, puntea faţă trece peste o denivelare iar puntea spate merge încă  pe drum drept. În această situaţie roţile punţii faţă parcurg un drum mai lung. Dacă nu ar exista diferenţialul interaxial atunci roţile uneia din punţi (cea cu aderenţa mai mică) ar aluneca sau ar patina.

Majoritatea cutiilor de distribuţie au posibilitatea de a modifica raportul de transmitere în două trepte: una lentă şi una rapidă.

În figura 11.26 este prezentată o astfel de cutie de distribuţie care are următoarea componenţă:

1.  flanşa de intrare (intrarea mişcării de la cutia de viteze;

2.  arborele de ieşire spre puntea spate;

3.  arborele de ieşire spre puntea faţă;

4.  angrenaj treaptă rapidă;

5.  arbore primar;

6.  inel de cuplare a treptelor;

7.  carcasă

8.  angrenaj treapta lentă;

9.  arbore intermediar;

10.   diferenţial interaxial;

11.   inel de  cuplare facultativă a punţii faţă;

12.   pinion de antrenare a punţii faţă;

13.   pinion vitezometru

 

La anumite construcţii cuplarea punţii faţă se poate face sub sarcină, adică se poate cupla puntea faţă în timpul mersului fără a fi necesară oprirea autovehiculului.

De obicei diferenţialele interaxiale se pot bloca sau autobloca atunci când este nevoie să se transmită un cuplu cât mai mare la toate punţile autovehiculului pentru ieşirea din situaţii dificile (zăpadă, noroi...).

Diferenţialele interaxiale clasice sunt construite cu roţi dinţate conice şi repartizează momentul de torsiune în mod egal la punţile motoare. Există şi alte construcţii (diferenţial cu angrenaje planetare, cu cuplaj visco, diferenţial Torsen, cuplaj Haldex... ) care pot transmite momentul motor diferit la punţile motoare în funcţie de aderenţă.

 

 

 

11.6.2. Transmisia cardanică

De la cutia de viteze sau de la cutia de distribuţie mişcarea de rotaţie şi cuplul motor se transmit spre punţile motoare prin intermediul arborilor cardanici. Denumirea le vine de la cuplajele cardanice care se găsesc la capetele arborilor. Aceste cuplaje pot transmite mişcarea sub diferite unghiuri - compensează abateri unghiulare (vezi fig. 11.27.)

Fig. 11.27. Articulaţie cardanică şi arbore cardanic

 

Ştim că ambele agregate, cutia de viteze şi cutia de distribuţie, sunt montate pe şasiul autovehiculului sau pe caroseria autoportantă a acestuia prin intermediul unor elemente elastice din cauciuc. De asemenea ştim că unele punţi motoare (punţile motoare rigide - ca cele de autocamioane) sunt prinse de caroserie prin intermediul unor bare, a arcurilor şi a amortizoarelor.  Aceste tipuri de punţi au distanţa diferită faţă de caroserie în funcţie de starea de încărcare, denivelări... Acest fapt duce la modificarea distanţei de la cutia de viteze sau de distribuţie la puntea motoare. De aici rezultă o caracteristică a arborilor cardanici şi anume aceea de aşi putea modifica lungimea. Pentru acest lucru există un cuplaj cu caneluri care permite

scurtarea (când puntea se apropie de caroserie) sau lungirea (când puntea se depărtează de caroserie) arborelui.

Fig. 11.28. Transmisie cardanică, diferenţial şi arbore planetar

 

 

În figura 11.28 sunt reprezentate elementele unei transmisii (elementele care se află după cutia de viteze sau de distribuţie).

 

1 - arbore cardanic;

2 - cuplaj cu caneluri;

3 - carcasa diferenţialului unei punţi;

4 - arbore planetar;

5 - cuplaj arbore planetar dinspre diferenţial;

6 - cuplaj  arbore planetar dinspre roată.

 

Arborii cardanici sunt în general tubulari (realizaţi din ţeavă) şi au la capete cuplaje cardanice. Pentru a se asigura o transmitere a mişcării cât mai bună, la montaj se ţine cont ca furcile cardanice care se montează pe arbore să fie în acelaşi plan.

Pentru a vedea componenţa unei articulaţii cardanice urmărim figura 11.29.

1 - furci cardanice;

2 - cruce cardanică;

3 - colivie cu ace (rulment cu ace).

 

 

Pentru echilibrare pe arbore sunt sudate plăcuţe din tablă numite mărci de echilibrare. De asemenea la arborii cu lungimi mari există şi lagăre suport suplimentare. La unele autovehicule există arbori cardanici realizaţi din mai multe tronsoane. Între acestea se montează, de obicei, nişte cuplaje elastice cu elemente din cauciuc armat cu material textil şi bucşe metalice. Şi aceste cuplaje pot compensa o mică abatere unghiulară. Se mai numesc şi cuplaje (sau discuri) Hardy (fig. 11.20).

 

 

Fig. 11.30. Cuplaj cu disc elastic Hardy

 

11.6.3. Transmisia centrală

Transmisia centrală are rolul principal de a schimba direcţia mişcării cu 90o pentru a se putea antrena roţile. De asemenea în transmisia centrală se produce şi o demultiplicare a turaţiei şi deci o amplificare a cuplului. De reţinut este faptul că diferenţialul preia mişcarea de rotaţie de la un singur arbore şi o transmite la doi arbori (arborii planetari).

 

Transmisia centrală este formată, la construcţiile clasice, unde motorul este dispus longitudinal, dintr-un angrenaj conic şi se mai numeşte „grupul conic".

 

Fig. 11.31.a. Grupuri conice cu şi fără axe concurente

 

În figura 11.31.a  sunt prezentate două variante de angrenare ale transmisiei centrale şi anume varianta cu axe concurente (a) şi varianta cu axe neconcurente (deplasate) (b). A doua variantă, numită şi „angrenaj hipoid" se utilizează la acele construcţii unde se doreşte o funcţionare silenţioasă a angrenajului. De asemenea acest tip de angrenare poate suporta o sarcină mai mare deoarece diametrul şi lăţimea dinţilor sunt mai mari. Dacă luăm în considerare faptul că pinionul de atac împreună cu arborele cardanic care îl antrenează sunt plasaţi mai jos, atunci şi stabilitatea autovehiculului se îmbunătăţeşte datorită coborârii centrului de greutate.

Coroana dinţată antrenează carcasa diferenţialului şi din acest motiv se numeşte „coroana diferenţialului".

La autovehiculele la care motorul este amplasat transversal (majoritatea autoturismelor) nu este nevoie de schimbarea direcţiei mişcării cu 90o şi din acest motiv transmisia centrală este formată din două roţi dinţate cilindrice (fig.11.31b).

 

Coroana dinţată se montează pe carcasa diferenţialului.

 

La angrenajele conice există mai multe tipuri de danturi care au diverse avantaje: silenţiozitate, portanţă mai mare, tehnologie mai ieftină sau altele. Grupul conic este prelucrat cu dantură cu dinţi curbi.

 

Prelucrarea roţilor dinţate conice cu dinţi curbi

Curbura dinţilor se poate realiza în: arc de cerc, arc de epicicloidă (eloidă), arc de evolventă (paloidă), arc de spirală.

 

Înălţimea dintelui poate fi constantă sau variabilă.

Dantura în arc de cerc: Arcul de cerc poate avea unghiul zero (dantura Zerol) (fig.11.32.b) sau diferit de zero (bm = 25o... 45o fig.11.32.a). Dantura „Zerol" nu induce forţe axiale, are rezistenţă ridicată, permite rectificarea dar este zgomotoasă.

Scula are formă de disc cu mai multe cuţite (fig.11.32.c) descrie, în mişcarea ei de rotaţie, flancul dintelui de rază rc având centrul pe circumferinţa cercului de rază r având centrul în punctul O al roţii plane imaginare.

Profilul danturii este în evolventă iar înălţimea dintelui este variabilă. danturarea se poate execută prin rulare continuă sau prin metoda "Formate" (fig.11.33).

La procedeul „Formate" prelucrarea dintelui se bazează pe principiul broşării circulare.

Dantura în arc de epicicloidă (eloidă): Dantura este generată, principial, de un punct A situat în exterior şi legat de cercul de rază r care se rostogoleşte peste un cerc fix de rază rb (fig.11.34). Forma dintelui se obţine în urma unei rostogoliri cu divizare continuă, capul portcuţit (considerat ca o parte a roţii plane imaginare) rostogolindu-se pe semifabricat cu o mişcare de rotaţie (1) în sens opus cu cea a piesei (2).

Un caz particular al danturii eloide este dantura tip Fiat (fig.11.35) la care flancul dintelui se prelucrează după o epicicloidă alungită. Cuţitele sunt amplasate pe suprafaţa

 

 

frontală a capului portcuţit după o spirală. Aşchierea se produce în mod continuu astfel că la o rotaţie a capului de frezare se prelucrează complet golul dintre doi dinţi.

 

 

Dantura în arc de evolventă (paloidă): Forma teoretică a curbei constituie traiectoria unui punct A de pe dreapta g care se roteşte pe cercul de rază r (fig. 11.36). Dantura se realizează cu o freză melc, conică, prin metoda rulării, dinţii au înălţime constantă. Productivitate ridicată dar precizia nu foarte bună.

 

Finisarea roţilor dinţate conice

Se realizează prin rectificare sau (şi) prin rodare corp la corp a celor două roţţi care formează angrenajul. Rodarea se face prin angrenarea forţată a perechii de roţi în prezenţa unui lichid abraziv.

După finisare roţile se împerechează, se marchează şi se ambalează împreună astfel încât să nu poată fi despărţite. În cazul defectării unei roţi este nevoie să se schimbe ambele.

11.6.4. Diferenţialul

 

În timpul deplasării în viraje roţile unei punţi se deplasează pe cercuri cu raze diferite. Din acest motiv drumul parcurs de roata din exteriorul curbei este mai lung decât drumul parcurs de roata din interiorul curbei (fig.11.37).

 

La punţile motoare cele două roţi sunt legate între ele. Dacă ar fi legate printr-un arbore rigid atunci, cu siguranţă, una din cele două roţi ar patina sau ar aluneca adică ar pierde aderenţa.

Pentru a anula acest fenomen s-a inventat un mecanism numit „diferenţial" şi care compensează diferenţele de viteze dintre roţi şi le transmite cuplul motor în proporţii egale.

 

 

Fig. 11.38. Plasarea diferenţialelor în cazul diferitelor soluţii de tracţiune

a - tracţiune „totul faţă"; b - tracţiune „clasică (motor faţă şi tracţiune spate)"; c - tracţiune „integrală (4x4)"

Cum funcţionează

Diferenţialul este antrenat de către transmisia centrală (pinionul de atac antrenează coroana diferenţialului şi aceasta, la rândul ei, antrenează suportul sateliţilor). Suportul sateliţilor este un ax fixat în carcasa diferenţialului.

La mers rectiliniu sateliţii acţionează ca două pene şi împing pinioanele planetare cu turaţii egale (şi odată cu acestea arborii planetari şi roţile). În acestă situaţie sateliţii nu au mişcare de rotaţie în jurul propriilor lor axe dar au o mişcare de rostogolire în jurul axei planetare (axă care trece prin centrul pinioanelor planetareşi implicit prin centrul coroanei diferenţialului).

La executarea unui viraj roţile (şi deci pinioanele planetare) au turaţii diferite şi acest fapt duce la rotaţia sateliţilor în jurul propriilor lor axe. Evident că mişcarea de rostogolire a sateloţilor se menţine datorită antrenării suportului acestora de către coroana diferenţialului.

La construcţiile clasice, la care sateliţii şi pinioanele planetare sunt roţi dinţate conice dantura acestora este o dantură cu dinţi drepţi. Dantura dreaptă lucrează cu randamente mici şi cu frecări mari deci şi cu uzuri mari. Este corect să fie aşa deoarece rotirea sateliţilor se face numai la viraje iar turaţia acestora este mică. Am amintit acest lucru deoarece de aici se trage o concluzie simplă: nu trebuie să avem la roţile motoare modele diferite de anvelope (au diametre diferite) şi nici roţi cu presiune diferită în pneuri pentru că, din nou, au diametre diferite şi roţile vor avea turaţii diferite. În această situaţie sateliţii se învârt în jurul propriilor lor axe şi atunci când autovehicului merge rectiliniu. Uzurile sunt mari nu numai datorită celor menţionate cu privire la dantura conică cu dinţi drepţi dar şi datorită faptului că sateliţii nu se învârt pe rulmenţi şi au frecări destul de mari faţă de axul lor şi faţă de carcasa diferenţialului pe care se sprijină.

 

Deşi diferenţialul aduce un mare avantaj (roţile nu alunecă sau nu patinează în viraje) totuşi au şi un mare dezavantaj. Să ne imaginăm un autovehicul oprit pe marginea drumului într-o zi de iarnă. De obicei iarna pe acostament este gheaţă iar pe carosabil este asfalt fără gheaţă. La pornirea de pe loc roata de pe acostament va patina iar roata de pe carosabil va sta pe loc datorită

diferenţialului care permite acest lucru.  În cazul nostru, mişcarea indusă suportului sateliţilor de către coroana diferenţialului se transmite la sateliţi şi de aici spre roţi. O roată (cea de pe carosabil) are rezistenţe la înaintare pe când cealaltă roată (cea de pe acostamentul cu gheaţă) nu are aproape deloc rezistenţe. Conform principiului travaliului minim din natură, energia va urma cursul cel mai uşor. Aşadar mişcarea se va transmite integral la roata care patinează (se învârte mai uşor) iar cealalată roată care are aderenţă bună va sta pe loc. Ca urmare vehiculul nu se va putea deplasa. În concluzie deplasarea este limitată de către roata cu cea mai mică aderenţă. Dar ce facem la un autovehicul 4x4? Şi în acest caz deplasarea este limitată de roata cu aderenţa cea mai mică datorită diferenţialului interaxial şi a celor două diferenţiale de pe punţi (fezi fig.11.38).

Acest dezavantaj este înlăturat de construcţiile care au diferenţiale blocabile (le blochează conducătoru auto), autoblocabile sau diferenţialele cu un anumit grad de rezistenţă internă.

Iată cîteva tipuri de astfel de ambreiaje:

Diferenţialul cu alunecare limitată (fig. 11.39)

Acest diferenţial are aceeaşi componenţă cu diferenţialul clasic dar spre exteriorul pinioanelor planetare sunt montate nişte ambreiaje cu arcuri, care atunci când o roată are o diferenţă de turaţie mare faţă de cealaltă, transmit carcasei diferenţialului (suportul sateliţilor) o parte din momentu de torsiune care, evident, ajunge la cealaltă roată.  În acest fel autovehiculul poate să se deplaseze.

 

Diferenţialul Torsen (fig. 11.40)

 

La acest tip de diferenţial angrenajele sunt cu dantură melcată. Angrenajele melcate funcţionează cu frecări destul de mari şi astfel împiedică patinarea unei roţi şi oprirea celeilalte.

 

11.6.5. Arborii planetari

Au la un capăt pinioanele planetare iar la celălalt capăt roţile şi deci transmit mişcarea de la diferenţial la roţi.

 

Clasificarea arborilor planetariSe face după solicitările la care sunt supuşi Solicitările arborilor planetari depind de modul de montare al capătului lor exterior în carterul punţii motoare. În funcţie de modul de montare al arborilor planetari în carterul punţii motoare ei pot fi total descărcaţi, parţial încărcaţi sau total încărcaţi de momentul încovoietor.Arborii planetari total descărcaţi sunt solicitaţi numai la torsiune. În acest caz, butucul roţii motoare, prin intermediul a doi rulmenţi conici se montează pe trompa carterului punţii motoare. Solicitarea la încovoiere este preluată astfel de carterul punţii motoare, arborele planetar preluând numai momentul motor care îl solicită la torsiune. Soluţia cu arborii planetari total descărcaţi se utilizează la autocamioane si autobuze.Arborii planetarii parţial încărcaţi se montează printr-un singur rulment  dispus între butucul roţii si carterul punţii motoare. Aceşti arbori sunt solicitaţi la torsiune şi parţial la incovoiere. Momentul încovoietor dat de această forţă este preluat atât de arborele planetar cât şi de carterul punţii motoare. Momentele încovoietoare ale fortelor sunt preluate de carter dacă roata se află în

acelaşi plan cu rulmetul în caz contrar momentele sunt preluate parţial şi de arborele planetar . Aceasta soluţie se utilizează la autoturisme şi la autocamioane uşoare.Arborii planetarii total încărcaţi se sprijină printr-un singur rulment  montat între arbore şi carterul punţii motoare. Acesti arbori sunt solicitaţi atât la torsiune cât şi la încovoiere. Soluţia se utilizează în special la autoturisme.

De regulă arborii planetari din această categorie sunt rigizi.

Pentru punţile articulate (suspensie independentă) şi arborii planetari sunt articulaţi.

 

11.6.6. Transmisia finală

Puţine autovehicule au nevoie de o astfel de soluţie tehnică. Transmisia finală este reprezentată de un angrenaj cilindric sau de un mecnism planetar care se găseşte în roata motoare.

Acest tip de transmisie se întâlneşte numai la vehicule grele: autocamioane şi autobuze care au nevoie de amplificarea momentului de torsiune.