Calculul si construcia diferentialului autoblocabil

Calculul si construcia diferentialului autoblocabil5.1 Generalitati. Folosirea diferenialului n cazul tractiunii integrale cu dispozitive fara blocare, n situatiile cinematice de deplasare care impun viteze tangeniale diferite la roile motoare, are loc modificarea vitezelor unghiulare de rotatie ale rotilor. Se evita astfel aparitia conditiilor generatoare de circulatie parazita de putere. Pentru a permite antrenarea puntilor motoare cu viteze unghiulare diferite, n constructia cutiilor de distribuie i a reductoarelor centrale se introduc mecanisme diferentiale.

Fig. 5.1 Dispunerea diferenialelor pe automobil

n funcie de tipul constructiv, elementul central al unui sistem de traciune integral este reprezentat de un diferenial ntre axa fa i cea spate, este vorba despre aa-numitul diferenial de distribuie. Sarcina acestuia este de a repartiza variabil forele de propulsie ctre axa fa i spate. n cazul n care apar turaii diferite ntre axe, de exemplu datorit patinrii unei axe pe carosabilul alunecos sau neconsolidat, sistemul repartizeaz corespunztor cuplurile motoare ctre ambele axe. Aceasta nseamn c diferenialul intermediar transmite o cot corespunztoare din cuplul motor ctre cealalt ax. Simultan este necesar compensarea micilor diferene de turaii la parcurgerea virajelor sau la efectuarea de manevre, pentru a evita apariia unor pretensionri ale sistemului de traciune . n mod suplimentar, diferenialul nu trebuie s limiteze funciile sistemelor de reglare a dinamicii de rulareESP,ASRiEDS.La deplasarea automobilului in viraj, roatamotoare exterioara parcurge un spatiu mai mare decat roata motoare interioara virajului. Diferenialul permite ca rotile motoare ale aceleasi punti sa se roteasca cu viteze unghiulare diferite, dand astfel posibilitatea ca la deplasarea automobilului in viraje sa parcurga spatii de lungimi diferite.

Daca rotile motoare ar fi montate pe acelasi arbore deplasarea automobilului in conditiile mentionate nu este posibila fara alunecarea i patinarea rotilor ceea ce conduce la uzura rapida a anvelopelor, la cresterea consumului de combustibil i la manevrarea mai dificila a directiei.

Fig. 5.2 Diferential dispus in cutia de viteze

Diferentialul ca mecanism distribuitor pentru fluxul de putere ntre punti ce permite antrenarea puntilor motoare cu viteze unghiulare diferite este caracterizat de frecare ntre elementele aflate n contact. Daca momentul corespunza tor circulatiei de puteri parazite este mai mare dect momentul de frecare al diferentialului, acesta va intra n functiune i va modifica vitezele unghiulare de rotatie transmise puntilor motoare n relatia impusa de realizarea vitezelor tangentiale ale rotilor determinate de conditiile deplasarii. n caz contrar, diferentialul realizeaza o legatura rigida ntre arborii de antrenare ai puntilor.

Pentru eliminarea acestor dezavantaje, respective pentru a da posibilitate rotilor motoare sa se roteasca cu viteze unghiulare diferite, in functie de conditiile de deplasare ale automobilului, fiecare roata se va monta pe cate un arbore, arborii fiind legati prin intermediul diferentialului.

5.1.1 Conditiile impuse diferentialului:

Sa distribuie momentul motor intre roti sau intre punti intr-un raport care sa asigure automobilelor cele mai bune calitati de exploatare;

Sa aiba dimensiuni de gabarit cat mai reduse.

Dimensiunile de gabarit ale diferentialului au o importanta deosebita, acesta fiind dispus in carterul puntii din spate sau in interiorul reductorului distribuitor. Conditiile deosebit de severe in aceasta privinta sunt impuse diferentialelor montate intre roti, deoarece dimensiunile sunt in stransa legatura cu dimensiunile coroanei transmisiei principale care are dimensiunile de gabarit riguros limitate.

Fig. 5.3 Dispunerea diferenialului in carterul punii spate

Odat montat pe automobile un diferenial poate indeplini patru stri de funcionare: viteze unghiulare egale; viteze unghiulare diferite; viteze unghiulare egale dar cu sens contrar; o viteza unghiulara nula i alta dubla fata de valoarea de intrare n diferential. Cea de-a treia stare cinematica, cnd vitezele unghiulare sunt egale dar de sensuri opuse nu se poate manifesta la diferentialele interaxiale. Starea a patra se ntlneste n practica atunci cnd rotile uneia din punti se afla pe o portiune de cale cu aderenta sca zuta, iar rotile celeilalte punti ruleaza pe o cale cu aderenta suficienta. n acest caz, la o anumita valoare a fortei la roata , fluxul de putere parazita transmis de la puntea cu aderenta spre cealalta poate sa depaseasca puterea corespunza toare fortelor de frecare din diferential, astfel nct rotile puntii cu aderenta devin imobile iar cele ale puntii cu aderenta insuficienta patineaza . Ca urmare automobilul si pierde capacitatea de autopropulsare. 5.2 Clasificarea diferenialelor

Diferentialele se clasifica dupa mai multe criterii:

Dupa tipul angrenajelor folosite diferentialele pot fi:

cu roti dintate conice;

cu roti dintate cilindrice.

Dupa principiul de functionare diferentialele pot fi:

simple;

blocabile;

autoblocabile.

Dupa valoarea momentului transmis la rotile motoare:

diferentiale simetrice;

diferentiale asimetrice.

Dupa locul de dispunere a diferentialelor in transmisia automobilului pot fi:

diferentiale dispuse intre rotile aceleasi punti motoare;

diferentiale dispuse intre puntile automobilelor cu mai multe punti motoare.La diferentialele cu frecare interioara mare (cu blocare partiala ), n cazul deplasarii pe cai bune, cnd fluxul posibil al puterii parazite este mare, se realizeaza totdeauna conditii de functionare cinematica a diferentialului. La deplasarea pe cai de rezistenta mare i cu aderenta scazuta, cnd fluxul puterii parazite este mic, aceste diferentiale nu vor functiona, transmisia comportndu-se ca n cazul analizat anterior cu legatura rigida (cu blocare) . Se evita astfel situatia patinarii totale a uneia din punti i a blocarii rotilor celeilalte punti. Pentru automobilele 4x4 cu repartitie egala a greutatii pe punti se utilizeaza diferentiale simetrice asema natoare diferentialelor puntii motoare. Cnd nsa greutatea este repartizata inegal pe punti, se utilizeaza diferentiale asimetrice.Utilizarea n cadrul transmisiei autovehiculelor 4x4 a diferentialelor interaxiale simple ofera avantajul eliminarii circulatiei puterii parazite n sistemul transmisiei, dar conduce - n acelasi timp - i la reducerea calitatilor de tractiune n cazul deplasarii pe drumuri grele, aceste calitati fiind conditionate de forta de tractiune dezvoltata la puntea motoare cu aderenta redusa. Acest dezavantaj poate fi limitat, sau chiar eliminat, prin utilizarea diferentialelor cu blocare partiala.5.2.1 Diferentialul conic simetric

Cea mai larga raspandire in constructia automobilului o au diferentialele cu angrenaje conice i cu dinti drepti. Daca cele doua pinioane planetare au acelasi diametru i acelasi numar de dinti diferentialul se numeste conic simetric.

Fig. 5.4 Schema cinematic a diferenialului conic simetric

5.2.2 Diferentialul conic asimetric

Se poate recunoaste dupa diametrele i numarul de dinti ai pinioanelor planetare.

In acest caz diametrele acestor pinioane difera intre ele, iar cuplul transmis carcasei se repartizeaza la cei doi semiarbori in mod proportional cu diametrele i numarul de dinti ai pinioanelor planetare.

Acest diferential se monteaza de obicei intre puntile motoare ale automobilelor cu mare capacitate de trecere, in scopul repartizarii cuplului transmis in mod proportional cu greutatea adecvata corespunzatoare fiecarei punti motoare.

5.2.3 Diferentialul cilindricDiferentialul cilindric poate fi: simetric

asimetric

Diferentialul simetric se recunoaste dupa pinioanele planetare cilindrice care sunt montate pe semiarbori i care in acest caz sunt egale cu diametrul i numarul de dinti.

Diferentialul cilindric asimetric are un pinion planetar mai mare in diametru decat celalalt pinion planetar de pe celalalt semiarbore.

Diferentialele cilindrice au dimensiuni mai mari in comparative cu cele conice ceea ce face ca utilizarea acestora sa fie limitata de capacitatea de trecere impusa constructiv motiv pentru care astazi nu se mai intalnesc la automobile.5.2.4 Diferentialul blocabil

Pe parcurs cand una din rotile motoare ale aceleasi punti se gaseste pe un teren cu aderenta mai mica (noroi, zapada, gheata, polei, ulei) aceasta roata incepe sa patineze, iar cealalta potrivit principiului de functionare a diferentialului , desi are o aderenta mai mare, nu se mai roteste deoarece este retinuta de valoarea mare a fortei de aderenta. In aceasta situatie automobilul nu mai poate inainta i pentru a evita acest neajuns autocamioanele grele in special, sunt prevazute cu mecanism de blocare rigidizeaza cei doi semiarbori planetari asigurand rotirea cu aceeasi turatie a rotilor motoare.

Fig. 5.5 Diferential blocabil Blocarea se mentine atat timp cat dureaza terenul cu aderenta foarte mica, apoi se procedeaza la deblocare. Aceste difereniale pastreaz avantajele diferenialelor simple i in plus asigur posibilitatea deplasrii automobilului cand una din roi a intrat pe o poriune cu aderen sczut.Dezavantajul diferenialului blocabil const n acionarea dispozitivului de blocare de ctre conductorul auto i complicarea construciei prin necesitatea introducerii unui dispozitiv de acionare care poate fi de tip mecanic, pneumatic, hidraulic sau electric.5.2.5Diferentialul autoblocabil

Diferentialul autoblocabil are acelasi rol ca cel blocabil avand o constructie mai complicata i realizand rigidizarea celor doi semiarbori planetari in mod automat.

Blocarea diferentialului autoblocabil se face tot automat scutind pe conducatorul auto de aceasta operatie in timpul conducerii (figura 5.6).

Fig. 5.6 Diferential autoblocabil

Pentru inlaturarea inconvenientelor artate la automobilele speciale cu capacitate mare de trecere, se folosesc mai nou diferenialele autoblocabile (difereniale cu frecare mrit).

n fig. 5.6 este prezentat un diferenial autoblocabil cu suprafee de blocare multiple. ntre roile planetare i carcasa diferenialului se introduc cuplaje de friciune formate din discuri.O parte din discuri sunt montate pe canelurile arborilor planetari, iar celelalte suprafee de friciune sunt montate pe canelurile executate pe carcasa diferenialului. Fora de apasare a discurilor este realizat de roile planetare sub aciunea forei axiale din angrenajul conic satelii- roi planetare.

Montarea unui asemenea diferenial pe automobil d posibilitatea deplasrii in orice condiii de exploatare. Dac una din roi patineaz, momentul transmis acesteia de catre diferenial se anuleaz, fiind transmis integral celeilalte roi. Deci coeficientul de blocare este = . De asemenea, daca se modific turaia uneia dintre roi, cealalt va continua s se roteasc cu turaia carcasei.

Montare diferenialului ca mecanism interaxial ofer avantajul eliminrii circulaiei puterilor parazite n transmisia automobilului. 5.2.6 Diferentialul Torsen

Diferenialul Torsen este un diferenial intermediar cu autoblocare mecanic (diferenial), care regleaz, n funcie de necesiti, fora dintre axa fa i cea spate. Noiunea de Torsen este alctuit din termenii n limba englez torque (cuplul motor) i sensoring (sensibil). Diferenialul funcioneaz sensibil la cuplul motor.Sistemul re acioneaz la diferitele fore de torsiune ntre arborele de intrare i arborele de ieire (ax fa, respectiv spate). Astfel exist posibilitatea unei repartizri variabile a cuplului motor ntre axe. La diferenialul Torsen, cele dou roi conduse sunt legate ntre ele prin transmisie elicoidal. Acestea limiteaz turaiile ridicate ale diferenialului, asigurnd ns echilibrul necesar la parcurgerea virajelor.

Fig. 5.7 Diferentialul Torsen

La modelul Phaeton, setarea de baz a diferenialului Torsen este selectat astfel nct forele de propulsie s fie repartizate, n situaii normale, ntr-o pondere de 50:50 ntre axa fa i cea spate. n caz de derapare, diferenialul Torsen transmite direct i imediat pn la 20 de procente din puterea de antrenare ctre axa cu traciune mai bun (max. 70:30, respectiv 30:70). Efectul de blocare al diferenialului Torsen crete automat n funcie de sarcin, acesta funcioneaz sensibil la cuplul motor, spre deosebire de diferenialul vscos sensibil la turaii. Avantajul este reprezentat de lipsa pretensionrii la parcurgerea virajelor, avnd n vedere c sunt admise turaiile diferenialului impuse de autovehicul.

5.3 Parti componente ale diferentialului i functionarea acestuia

5.3.1 Parti componente ale diferentialului

Pe carcasa este fixata coroana transmisiei principale, iar in caseta crucea pe care sunt montati liberi sateliii. Sateliii in numar de patru fac legatura cu pinioanele planetare montate pe arborii planetari. Miscarea de rotatie se transmite casetei diferentialului prin transmisia principala formata din pinionul de atac i coroana (figura 5.8).

aibele din oel moale sau bronz servesc la micorarea frecrii dintre pinioanele planetare i carcasa.

Fig. 5.8 Transmisie Principala Diferential

Principalele parti componente ale subansamblului sunt:

1 coroan;

11 rulmeni cu role conice;

2 satelii;

12 aibe de reglaj;

3 carcas diferenial;

13 deflectoare de ulei;

4 semilagre;

14 arbore pinion;

5 sigurane;

15 aibe de reglaj;

6 rulmeni cu role conice;

16 rulmeni cu role conice;

7 pinioane planetare;

17 deflectoare de ulei;

8 piulie de reglaj;

18 flan;

9 ax satelii;

19 piuli;

10 pinion;

20 carter.

5.3.2 Functionarea diferentialului

Cand autovehicolul se deplaseaza pe linie dreapta deoarece drumurile descrise de cele doua roti motoare sunt egale i vitezele unghiulare ale lor vor fi aceleasi. In acest caz pinioanele planetare vor avea viteze unghiulare egale cu ale coroanei iar satelitii sunt imobilizati (acestia raman in permanenta angrenati) executand o miscare de revolutie impreuna cu caseta diferentialului.

La deplasarea autovehicolului in viraj coroana transmisiei principale i caseta se vor roti cu aceeasi viteza unghiulara ca i in linie dreapta din cauza ca roata exterioara virajului va avea de parcurs un drum mai lung decat roata interioara virajului, inseamna ca vitezele unghiulare ale celor doua pinioane planetare vor trebui sa fie diferite. Acest lucru este posibil datorita existentei satelitilor.

Cand autovehicolul intra in viraj, roata din interiorul virajului impreuna cu pinionul planetar are o viteza unghiulara mai mica decat roata din exteriorul virajului impreuna cu pinionul planetar. Pentru a realiza aceste diferente de viteze unghiulare intre cele doua pinioane planetare satelitii vor capata o miscare de rotatie in jurul axei lor proprii care va fi cu atat mai mare cu cat diferenta intre vitezele unghiulare ale pinioanelor planetare este mai mare.

Deci la deplasarea in curba a automobilului sau pe un drum cu neregularitati una din rotile motoare parcurge un drum mai scurt i de aceea se va roti mai incet . In acest caz satelitii pe langa miscarea de transport in jurul arborilor planetari vor primi i o miscare de rotatie in jurul axelor lor. Astfel diferentialul asigura posibiliatea ca rotile motoare sa parcurga, in acelasi interval de timp drumuri diferite. In afara de aceasta diferentialul poate influenta i n rau functionarea automobilului, ceea ce se intampla la deplasarea automobilului pe drumuri alunecoase.

Daca una dintre rotile motoare intra pe o portiune alunecoasa aderenta acesteia cu drumul scade i incepe sa patineze. In acest caz, datorita proprietatii diferentialului la roata a doua care are o aderenta mai buna nu se poate transmite o forta de tractiune mult mai mare decat la roata care patineaza forta acesteia ramanand limitata la aderenta cu drumul a rotii care patineaza.

Daca forta de tractiune la roata care patineaza este egala cu zero, atunci roata a doua se opreste n timp ce prima se rotete cu o turatie de doua ori mai mare i automobilul nu se mai poate deplasa. Din aceasta cauza la automobilele special destinate exploatarii in conditii grele de lucru se folosesc diferentiale care se blocheaz.

5.4 Calculul diferentialului

5.4.1 Alegerea schemei constructive

Se alege diferenial autoblocabil cu frecare interioar mrit cu cuplaje cu discuri de friciune (fig. 5.14).

Fig. 5.9 Construcia diferenialului cu frecare interioar mrit cu cuplaje cu discuri de friciune Lok-O-Matic1 roat planetar; 2 carcasa diferenialului; 3 i 5 discuri de presiune; 4 satelii; 6discuri de friciune solidare cu carcasa diferenialului; 7 discuri de friciune solidare cu pinioanele planetare; 8 axul satelitilor. 5.4.2 Determinarea momentului motor de calcul

(Nmm)

Pentru calcule se adopt:

cv=0,97...0,98 ( pentru priz direct)

cv=0,92...0,94 (pentru celelalte trepte)

c=0,990...0,995 (transmsie longitudinal)

0=0,92...0,94

(Nm)

Raportul de transmitere din angrenajul conic

Fig. 5.10 Schema de calcul a diferentialului 5.4.3 Stabilirea momentelor de calcul pe baza fluxului de putere

Numrul satelitlor:

Coeficientul de blocare al diferentialului

Semiunghiul conului de divizare al satelitului:

Inaltimea pinionului planetar:

Inaltimea carcasei:

Momentul de calcul pentru rotile dintate (MC)

Momentul de calcul pentru imbinarea rotilor planetare cu arborii planetari

5.4.4 Calculul arborelui de iesire al diferentialuluiArborele planetar este solicitat la torsiune de momentul:

-coeficientul de siguranta

Momentul nominal de transmis

Calculul canelurii arborelui de iesire

Se alege canelura in evolventa cu urmatoarele dimensiuni

- diametrul exterior

- diametrul interior

- numarul de caneluri

- tesitura canelurii

- modulul canelurii

Arborele planetar este solicitat la torsiune de momentul:

(Nm)

(Nm)

-tensiunea admisibila la torsiune

Efortul unitar de torsiune

Raza medie a profilului canelat

Tensiunea admisibila la strivire a flancurilor canelurilor:

Suprafata portanta necesara:

Forta pentru calculul la strivire i forfecare:

Suprafata portanta a flancurilor canelurii pe unitatea de lungime a imbinarii:

Lungimea minima necesara a imbinarii canelate:

Se adopta

Efortul de strivire este:

Efortul de forfecare este

Momentul de torsiune transmisibil:

Coeficientul de siguranta:

5.4.5 Calculul axului satelitilorRaza medie a pinionului planetar

(mm)

(mm)

(mm)

(mm)

Forta tangentiala care solicita dintii pinioanelor diferentialului:

Efortul unitar de forfecare:

Presiunea specifica dintre butucul satelitului i ax:

Presiunea specifica dintre axul satelitilor i caseta diferentialului:

Suprafata de contact dintre satelit i caseta diferentialului se calculeaza la strivire:

5.4.6 Verificarea danturii la incovoiereEfortul unitar la incovoiere:

- coef. ce tine seama de concentrarile de eforturi ce au loc la baza dintelui

- coef. de concentrare a sarcinii pe lungimea dintelui

- coef. de incarcare dinamica

- coef. de forma

- pasul normal

- coef. de acoperire

- latimea danturii

5.4.7 Verificarea danturii la presiunea de contactCalculul presiunii de contact

- lungimea generatoarei conului de divizare

- coeficientul de elasticitate

- raza de curbura redusa

Presiunea de contact este data de relatia:

5.4.8 Determinarea coeficientului de blocare

Fig. 5.11 Schema pentru calculul momentelor de torsiune ale arborilor planetari ai unui diferential cu frecare mrit, cu cuplaje de frictiune

- greutatea pe puntea spate

- coeficient de aderenta

- raza dinamica

- raportul de transmitere al transmisiei finale

- randamentul transmisiei finale

Fig. 5.12 Schema diferentialului autoblocabil

- raza medie a discurilor de frecare

- numarul suprafetelor de frecare

- coeficientul de frecare

M

M

204.63

10

3

M

c

7.181

10

5

i

cv1

4.1

i

0

3.5

G

2

27450

N

r

0.30

m