AUTOMOBILUL VIITORULUI – DIFERENȚIALUL

Elev: STĂNICEL RADU Elev: BOACĂ REMUS

Prof.dr. HÎNCU CRISTINA, prof.AGACHI LUMINIȚA

Colegiul Tehnic ,,Dimitrie Leonida” Iași B-dul Socola Nr. 188- 190, Iași, E-mail: dleonida_is@yahoo.com

Autovehiculele se compun din mai multe ansambluri, subansambluri și mecanisme care pot fi împărțite în următoarele grupe:

• motorul,

• șasiul (transmisia, sistemul de rulare),

• cabina și caroseria,

• mecanisme de lucru,

• instalații de confort.

Diferențialul este o componentă a cutiei de viteze care asigură rotirea cu turații diferite a roților motoare, lucru necesar pentru deplasarea autovehiculului pe roți.

Diferențialul este un mecanism , la care numai axa centrală este baza ,construcția sa fiind caracterizată de existența forțelor de frecare între elementele aflate în contact. Prin aceste forțe aflate în contact se realizează legătura de bază a elementelor mecanismului şi diferenţialul se blochează. La blocarea diferenţialului, când el se roteşte în jurul axei centrale ca un tot unitar, roţile punţii se rotesc cu viteze unghiulare egale.

Când momentul corespunzător puterii suplimentare (“puterii parazite”), este mai mare decât momentul forţelor de frecare dintre elementele diferenţialului, care reprezintă legătura de blocare a diferenţialului, atunci prin desfacerea legăturii, diferenţialul va intra în funcţiune ca mechanism planetar monomobil şi va permite roţilor punţii să se rotească cu viteze unghiulare diferite în sensul măririi vitezei unghiulare de rotaţie a roţii exterioare virajului şi micşorând-o pe cea a roţii interioare virajului. La autoturismele de performanţe ridicate şi la automobilele de competiţie se folosesc dispozitive automate ( autoblocante ) de blocare şi deblocare a diferenţialului . ISTORIA DIFERENȚIALULUI Istoria afirmă că Leonardo Da Vinci a inventat diferenţialul, însă un mecanism asemănător, datând din anul 87 î.Chr., a fost găsit lângă insula grecească Antikitera. Chinezii susţin că ar fi fost născocit de ei, în sec 3 d.Chr. În anul 1810, au apărut probe care atestă faptul că germanul Rudolph Ackerman a creat un sistem ce a revoluţionat virarea caleştilor.

Oficial ca fiind inventatorul diferenţialului în 1827 este recunoscut francezul Onesime Pecquere .Acesta nu a adus modificări de principiu ci numai îmbunătăţiri tehnologice (materiale, formă, dimensiuni).

La începuturi, automobilele erau prevăzute cu axe-spate rigide ,fapt ce nu era lipsit de pericol la viteze mai mari , deoarece în curbe spatele maşinii avea tendinţa să intre în derapaj . Explicația este faptul că cele două roţi din spate trebuie să descrie în curbă două traiectorii de lungimi diferite .

Spre deosebire de roata din interior ,roata din exterior are nevoie pentru a parcurge exteriorul curbei de mai multe rotaţii. Când ambele roţi sunt prinse de o axă rigidă , roata mai lentă tinde să se rotească la fel de repede ca şi cea mai rapidă . Atunci se roteşte în loc şi nu mai are aderenţă la suprafaţa de rulare . Pentru a împiedica apariţia acestui fenomen , inginerii au inventat diferenţialul, o componentă a transmisiei , care permite roţilor motoare să se rotească în curbe cu turaţii diferite . Întrerupând axa-spate la mijloc şi înlocuind legătura rigidă cu un angrenaj de roţi dinţate au costatat că de îndată ce pinioanele cilindrice cu dinţi drepţi , fixate pe planetare , se rotesc cu viteză diferită , pinioanele conice compensează diferenţa printr-o mişcare de rotaţie suplimentară . Acest mecanism de compensare poartă denumirea de diferenţial .

Fig.1.Transmiterea fluxului de putere , a motorului autovehiculului , roților motoare

În timpul unui viraj roțile unui autovehicul nu se rotesc cu aceeași viteză ,implicit, nici nu parcurg o distanță identică.

Condiţiile esențiale de deplasare pe propria energie ,care impun roţilor să se rotească cu viteze unghiulare diferite sunt următoarele:

deplasarea pe traiectorii curbe, când roata interioară curbei are de parcurs un spaţiu mai mic decât roata exterioară curbei; deplasarea rectilinie pe căi netede, când roţile punţii au de parcurs spaţii egale

iar automobilul, din diverse cauze, are roţile punţii cu raze inegale. Diferenţa dintre raze poate fi datorată fie presiunii inegale din pneuri, sau repartizării

încărcăturii asimetric față de axa longitudinală a automobilului, pneurilor la cele două roţi de simbol diferit, sau grad diferit de uzură;

deplasarea rectilinie pe căi cu denivelări când, datorită distribuţiei aleatoare a denivelărilor sub formă de gropi şi ridicături, roţile au de parcurs drumuri de lungimi diferite.

În condiţiile de mai înainte, în lipsa diferenţialului, în mecanismele punţii apar încărcări suplimentare sub forma unui flux “parazit” de putere.

ROLUL DIFERENȚIALULUI

Autovehiculele sunt dotate cu diferențial pentru a permite turații diferite ale roților punții motoare la parcurgerea virajelor, atunci când roata aflată înspre interior parcurge un drum mai scurt decat cea aflată către exterior.

Practic, în timpul efectuării virajului roțile dinspre interior se rotesc cu viteze inferioare celor din exteriorul virajului. Deși în cazul punților libere acest lucru este posibil fără nici o problemă, în cazul în care puntea este motoare roțile nu se pot roti independent una față de cealaltă fără existența așa-numitului diferențial.

Dacă mișcarea s-ar transmite direct iar roțile ar fi solidare la rotație, ca în cazul karturilor, acestea ar trebui să patineze și, pe lânga solicitările suplimentare asupra pneurilor și elementelor mecanice, mașina ar tinde mereu să ruleze drept, fiind astfel puternic subviratoare.Diferențialul este cel care preia mișcarea de rotație de la arborele de ieșire din cutia din viteze și o repartizează, prin arborii planetari, către roțile motoare. Implicit, roțile nici nu parcurg o distanță identică. La deplasarea automobilului pe drumuri cu neregularități sau la deplasarea în curbă ,roțile motoare parcurg în același timp distanțe diferite. În scopul eliminării acestor fenomene nedorite roțile motoare ale automobilelor se montează fiecare pe un arbore separat ,între care se află un diferențial,care permite roților motoare să se rotească cu turații diferite.

PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE

Componentă importantă a unei mașini puternice, diferențialul funcționează după un principiu destul de simplu. Diferențialul modern de-a lungul timpului și-a păstrat același principiu de funcționare. El este un mecanism epicicloidal la care cele două pinioane planetare comandă semiarborii ce antrenează roţile motoare , iar sateliţii se pot roți în jurul arborilor lor ( uneori un arbore comun ) , ale căror lagăre sunt cuprinse , ca şi ale planetarilor , în caseta diferenţialului . Mecanismul epicicloidal este responsabil de rotirea

roților motoare cu viteze diferite.

Pe casetă este fixată coroana dinţată conică ce primeşte mişcarea de la pinionul arborelui de transmisie ( pinionul de atac ) .

Coroana dinţată şi pinionul de atac formează transmisia principală ( sau finală ), care realizează demultiplicarea turaţiei transmise de la cutia de viteze la roţile motoare .

În momentul în care un automobil efectuează un viraj, roțile trebuie să parcurgă distanțe diferite. Pentru a reuși acest lucru, fiind atașate de automobil, acestea trebuie să se rotească cu viteze diferite. Astfel, la efectuarea unui viraj, roțile din interiorul virajului se rotesc cu viteze mai mici decât cele din exteriorul virajului.

Fig.3. Mecanism epicicloidal

Fig.5. Componentele diferențialului motor montat longitudinal

1. arbore de ieșire din cutia de viteze 2. arbori planetari (antrenează roțile automobilului) 3. pinion transmisie principală (pinion de atac) 4. coroană transmisie principală 5. roți dințate planetare 6. roți dințate sateliți 7. carcasă diferențial Prin intermediul arborelui (1) cuplul și turația este primită de la cutia de viteze.

Pinionul diferențialului (3) angrenează cu coroana (4) și amplifică cuplul de ieșire din cutia de viteze, demultiplicând cu același raport turația arborilor planetari (2).

Carcasa (7), pe care este fixată rigid coroana (4), antrenează în tot acest timp roțile dințate satelit (6) care la rândul lor antrenează și pun în mișcare rotțle dințate planetare (care transmit mai departe forța de tracțiune roților motoare prin intermediul roților dințate planetare (5).Când automobilul se deplasează în linie dreaptă tot ansamblul se rotește cu

aceeași turație. În momentul în care automobilul efectuează un viraj, între roțile dințate satelit (6) și

roțile dințate planetare (5) apare o mișcare relativă care permite rotirea cu turații diferite a celor doi arbori planetari (2).

Deci ,prin intermediul unui arbore diferențialul preia cuplul și turația transmisă de cutia de viteze. Arborele antrenează la rândul său un pinion care pune în mișcare coroana.

Coroana diferențialului are un dublu-rol:

Fig. 4. Traiectoriile parcurse de roțile unui automobil în timpul unui viraj

• amplifică cuplul primit de la cutia de viteze • demultiplică în același timp turația arborilor planetari. Atunci când autovehiculul se deplasează în linie dreaptă, tot ansamblul din care este

compus diferențialul se rotește cu aceeași turație, cuplul fiind astfel distribuit în mod egal roților motoare.

Când însă autovehiculul se află în viraj, apare o mișcare relativă între roțile dințate

satelit și roțile dințate planetare, fapt ce permite rotirea cu turație diferită a arborilor planetari.

Fig. 6. Schema unui diferențial

Schematic, un diferențial se prezintă și functionează astfel:

1. Carcasa diferențialului 2. Coroana de antrenare 3. Pinion satelit 4. Pinioane planetare 5. Arbori planetary

La rularea în linie dreaptă, carcasa, fiind solidară cu coroana antrenată de arborele de ieșire al cutiei de viteze, se rotește împreuna cu întreg ansamblul și antrenează pinioanele planetare, mai departe mișcarea ajungând prin arbori la roțile motoare.

În acestă situație, pinioanele satelit 3 nu se rotesc în jurul axului propriu (X-ul rosu).

Fig. 7. Schema unui diferențial cu pinioane fixe

Atunci când una dintre roți patinează, în timpul mișcării carcasei, în interior se

vor roti și pinioanele satelit în jurul propriului lor ax, cealaltă roată a vehiculului rămânând imobilă.

De aici rezultă principalul inconvenient al diferențialului: dacă una dintre roți pierde aderența, aceasta se va învarti în gol, cuplu motor nu se va mai transfera către cealalta roată iar vehiculul nu va mai putea înainta.

Acest tip de diferențial, numit și diferențial deschis, are dezavantajul că transmite cuplu egal pe cele două roți.

În cazul în care ambele roți au aderență (rulează pe asfalt) cuplul de ieșire din cutia de viteze este divizat egal între cele două roți motoare.

În cazul în care una din cele două roți rulează pe o suprafață cu aderență scăzută (ghiață, zăpadă, nisip) cuplul primit va fi mic (deoarece depășește pragul de aderență) și va fi transmis și roții care rulează pe o suprafață cu aderență mare.

În aceste situații se poate întâmpla ca automobilul să nu se poată deplasa deoarece roțile motoare nu primesc cuplu suficient.

Fig.10. Consrucția și funcționarea mecanismului planetar diferențial

În funcție de arhitectura grupului moto-propulsor diferențialul poate fi montat în aceeași carcasă cu cutia de viteze sau separat.

1. motor termic 2. cutia de viteze 3. diferențial 4. roată motoare

Tipul arhitecturii definește și tipul angrenajului principal al diferențialului care poate fi

Fig. 11. Arhitectură motor montat longitudinal pe puntea față cu puntea motoare spate

conic sau cilindric. Datorită principiului său de funcționare este capabil să distribuie cuplul motor în mod diferit.

OPERAŢII DE ÎNTREŢINERE

Întreținerea diferențialului unui autoturism modern, care este exploatat în condițiile specificate de constructor, prevede verificarea și completarea sau înlocuirea dacă este cazul (nivel scazut) a lubrifiantului, cu un alt lubrifiant care este specificat în cartea tehnică a diferențialului, sau în cazul posesorilor de autoturisme de către producător. MATERIALE UTILIZATE IN CONSTRUCȚIA DIFERENȚIALULUI

În cadrul proiectării, un rol important îl are alegerea materialelor atât din punct de vedere al preţului de cost, cât şi a rezistenţei, a uşoarei prelucrări şi interschimbabilităţii cu alte organe de maşini. Angrenajele dintre elementele componente ale diferențialului sunt supuse unor momente de torsiune și viteze de rotație ridicate.Din acest considerent este foarte impotantă alegerea corectă a materialelor utilizate la construcția elementelor componente a diferențialului simplu .

Pentru construcția, pinionului de atac, axului port-sateliti, arborilor planetari, se utilizează datoritã solicitãrilor la care sunt supuse, oțeluri aliate cu continut redus de carbon.

Dintre acestea se pot utiliza oțeluri aliate de cementare : 17CrNi16 (0.17%C, elememt principal de aliere 0.16%Ni), 13CrNi30, 18MnCr10, 28TiMnCr12 STAS 791.

La construcția roților planetare, sateliților, coroanei dințate a transmisiei principale solidară cu carcasa interioară a diferențialului, se pot utiliza oţelurile de cemenetare.

Acestea se recomandă la angrenajele puternic solicitate şi când se impun restricţii de gabarit. Oţelurile de cementare au conţinutul de carbon < 0,25%. Cele mai utilizate oţeluri de cementare sunt: OLC 15, OLC 20, 15 Cr 08, 18MoCr 10 etc.).

Carcasa diferențialului se poate executa din Fc-200 STAS 1004-75 fiind o fontă cenuşie cu grafit lamelar, cu o rezistenţă la tracţiune de 200 N/mm2, avand un cost de elaborare scăzut sau Fc100, Fc150 STAS 1004-75.

Pentru obținerea caracteristicilor mecanice ridicate (similare sau chiar mai mari decât cele ale oțelurilor cu conținut scăzut de carbon), aceste aliaje trebuie supuse călirii.

Materiale utilizate la rulmenti sunt: Oțelul de rulmenți (STAS 1456/1-80) . Inelele și corpurile de rulare se execută din oțel aliat cu crom (Mn, Ni, în cantități mai mici) iar

coliviile se executa din table de oțel , mase plastice. TEHNOLOGII DE PRELUCRARE

În vederea ridicãrii rezistenței la uzurã, uneori axele sateliților se arãmesc pe toatã suprafața cu un strat de 0,01 mm, sau se acoperã cu un strat de sulfurã de fier.

La construcția roților planetare , sateliților, coroanei dințate a transmisiei principale solidară cu carcasa interioară a diferențialului, se pot utiliza oţelurile de cemenetare.

Prin cementare se obţine o creştere semnificativă a rezistenţei la contact a flancului dinţilor şi o creştere, într-o măsură mai mică, a rezistenţei la încovoiere. Tehnologia de fabricaţie a arborilor (axului port-sateliți, arborilor planetari) constă în:

operaţii executate înainte de tratamentul termic operaţii executate după tratamentul termic

Obținerea semifabricatelor:

Semifabricatele se obțin prin laminare, forjare, forjare liberă și în matriță, extruziune și turnare; Semifabricatele laminate sub formă de bară se debitează la

lungimea corespunzatoare; La arborii forjați sau matritați se debitează capetele rămase din deformări. Debitarea se execută la mașini de tăiat cu discuri abrazive, cu freza disc cu ferastraie, la mașini

de taiat cu bandă , etc. ASAMBLAREA ELEMENTELOR COMPONENTE

Operaţia de asamblare este unitatea de bază la planificarea producţiei, prin stabilirea corectă a duratei şi a succesiunii operaţiilor, influenţând direct productivitatea şi preţul de cost.

Piesele supuse asamblării sunt pregătite în ordinea dată de desenul de ansamblu din procesul de execuţie. Pinionul de atac se montează în carcasa diferențialului, pe un ax, prin intermediul canelurilor.Coroana diferențialului este montată pe cutia sateliților, cu șuruburi, angrenată permanent cu pinionul de atac și antrenată de acesta..Cutia sateliților se montează în carcasa diferențialului pe rulmenți.Cele 4 pinioanele satelite , sunt montate liber pe axul sateliților Axul/crucea sateliților este montat(ă) rigid în cutia sateliților. Cele 2 pinioanele planetare sunt montate liber în cutia sateliților. Aceste pinioane sunt prevăzute cu câte o gaură axială canelată, în care intră axul planetar. și sunt montate pe axa geometrică a diferențialului. Introducerea lubrifiantului corespunzător necesar pentru functionarea corecte a angrenajelor; Montarea carcasei Montajul elementelor componente este supravegheat de către personalul calificat cu mare atenție , asigurându-se că toate elementele angrenajului respectă o angrenare corectă.

- -

Fig. 12 .Asamblarea diferențialului CAUZELE DETERIORĂRII DIFERENȚIALULUI 1. Uzura excesivă sau deteriorarea danturii pinioanelor satelit sau pinioanelor planetare

� defectul se datorează uzurii carcasei; � deplasării îndelungate pe teren greu; � blocării sau reglarii incorecte a frânelor roților din spate; � folosirii la roțile din spate a unor anvelope cu uzuri sau mărimi diferite; � remedierea se face numai la atelierul de reparații.

2. Ruperea axului sau a crucii sateliților: � defectul se datorează suprasolicitărilor organelor respective în condiții speciale de exploatare

(trecerea prin terenuri grele).

3. Arborii planetari pot prezenta defecțiuni: � uzura excesivă a canelurilor; � ruperea arborilor planetari-defectul se produce datorită funcționării îndelungate ,

supraîncărcării automobilului; � remedierea se face la atelierul de reparații.

Caseta diferențialului Defectele posibile ale casetei diferențialului sunt:

� diametrul locașurilor pentru crucea sateliților uzați se recondiționează prin alezare la cota de reparație, folosindu-se o cruce majorată;

� diametrul fusurilor pentru rulmenți uzati se recondiționează prin încărcare cu sudură, strunjire și rectificare la cota nominală;

� filetul găurilor de prindere a semicarcaselor uzate se recondiționează prin majorarea găurilor si rectificare;

� suprafața de sprijin a pinionului planetar uzată se recondiționează prin rectificare Crucea sateliților Defecțiuni posibile ale crucii satelitilor

� la crucea satelitilor se pot uza sau deteriora fusurile. Recondiționarea se poate realiza prin cromarea dură a fusurilor urmată de rectificarea la

cota nominală sau cota treptei de reparație. JUSTIFICAREA SOLUŢIEI CONSTRUCTIVE

Soluția constructivă prezentată în continuare a fost aleasă datorită: • Simplității construcției • Rezistenței la uzură datorată factorilor externi • Costului de fabricație scăzut • Zgomotului redus în funcționare datorat angrenajelor

Fig.13. Construcția diferențialului

IDENTIFICAREA UNEI MODALITĂŢI DE CREŞTERE A CALITĂŢII

DIFERENȚIALULUI

Pentru creșterea calității diferențialului se poate recurge la alegerea unor angrenaje, exemplu dantura hipoidă – este o dantură curbă, care asigură o funcționare cu zgomote mai mici și un moment de transmitere mai mare către roțile automobilului.

De asemenea în vederea creșterii calității diferențialului, se pot alege materiale cu calități superioare .

IDENTIFICAREA UNOR MODALITĂŢI DE

REDUCERE A COSTULUI DIFERENȚIALULUI

• Alegerea unor materiale pentru componentele utilizate cu un cost mai scăzut • Sudarea capacului diferențialului și asigurarea de către producător a unui produs cu

durata limitată de viață dar care prezintă siguranța maximă în exploatare

Fig.14.Diferențialul cu sudarea capacului

ASPECTE ORIGINALE ALE SOLUŢIEI CONSTRUCTIVE

Soluția constructivă aleasă, prezintă o configurare performantă a dispunerii și alegerii tipului de rulmenți.

Carcasa diferențialului are capacul sudat pentru reducerea costurilor, și asigurarea de către producător a unui produs cu durata limitată de viață dar care prezintă siguranța maximă în exploatare.

BIBLIOGRAFIE [1] Untaru,M.ş.a. Calculul şi construcţia automobilelor. E.D.P., Bucureşti, 1982. [2] Gheorghe Fraţilă, Mariana Fraţilă, Ştefan Samoilă – Automobile. Cunoaştere,

întreţinere şi reparare, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 2008

[3] Gherghe Frăţilă ş.a, – Calculul şi construcţia automobilului, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1982

[4] Ovidiu Câmpian ş.a, – Noţiuni de bază privind cunoaşterea automobilelor, Editura Universităţii Transilvania Braşov, 2004

[5] Alexandru-Grigore Pisoschi ş.a, – Cunoaşterea generală a autovehiculelor, Tipografia Universităţii din Craiova, 2002

[6] Gheorghe Pop, Sorin Holotescu – Sisteme de comandă şi control pentru autovehicule, Editura Politehnica, Timişoara, 2009

[7] *** – Norme interne de service auto, cărţi tehnice ale automobilelor, cataloage de componente [8] Angela Osain s.a. – Auxiliar curricular „Exploatarea instalaţiilor electrice ale mijlocului de transport”, 2009, [9] Tabacu I., Transmisii mecanice pentru autoturisme, Ed. Tehnica, Bucuresti, 1999. [10] Frăţilă, G (1977), Calculul şi construcţia automobilelor, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti [11] Guju, M., (1990), Angrenaje conice şi hipoide, Editura Tehnică, Bucureşti. [12] Jula, A.,Lates, M., (2004), Organe de maşini, Editura Universitatii Transilvaniadin Brasov [13] INFLUENCE FACTORS ON GEARBOX POWER LOSS, Paper Ref: S0601_P0216 www.autosaga.ro/lectiaauto/diferentialul www.youtube.com www.wikipedia.com www.scribd.com http://tvet.ro/Anexe/4.Anexe/Aux_Phare/Aux_2006/Mecanica/