curs tractiune
DESCRIPTION
Elemente de tractiuneTRANSCRIPT
-
5CAPITOLUL I
PROCESUL RULARII ROTII DE AUTOVEHICUL
La rostogolirea unei roi pe o cale nedeformabil, la prima vedere s-ar putea
crede c distana parcurs de roat este egal cu produsul dintre lungimea
circumferinei roii i numrul de rotaii fcute de aceasta. Calculul acesta estevalabil doar n cazul unei roi rigide care se rostogolete fr alunecare. n
realitate, distana parcurs de o roat n rulare este diferit de mrimea rezultat
din produsul dintre lungimea circumferinei i numrul de rotaii. Aceast
diferen variaz n funcie de mrimea forelor i momentelor care acioneaz
asupra roii, care produc deformri i alunecri ale elementelor pneului n rulare.
Fig. 1 Rularea rotii elastice cu deformare (alunecare)
n procesul de alunecare dintre pneu i calea de rulare se disting dou cazuriprezentate n fig. 2. Dac roata este antrenat (fig.2, a) , capt o turaie mai mare
-
6dect cea corespunztoare vitezei de translaie v n direcia micrii. Este situaia
cnd roata patineaz la rotaie. Dac roata este frnat (fig.2, b) fenomenul sepetrece invers, roata nu se rotete, dar alunec pe cale ca o sanie. Este situaia cnd
roata este blocat.
Figura 2 Alunecarea roii antrenate i a roii
frnate Figura 3 Rularea roilor cu alunecare
n ambele situaii a fost depait aderena dintre pneu i cale, ca urmare a
unei fore tangeniale la roat mai mare dect limita impus de aderen.
Trecerea de la situaia de aderare a roii la cale la cea de alunecare se poate
explica cu ajutorul fig. 3, unde se prezint cazul deplasrii unui autovehicul cupuntea motoare dispus n spate. Cele dou roi parcurg evident aceeai
distan S. Roata din fa se rotete cu un unghi 0 , iar roata din spate, ncarcat cu
momentul M, se rotete cu un unghi , diferit ca mrime de 0 . Se consider c
asupra roii din spate acioneaz dup caz, fie momentul de antrenare fie momentul
de frnare. La variaia momentului M i repectiv a reaciunii tangeniale X se
modific i unghiul . Acest lucru se poate vedea n fig. 4, unde se prezint
dependena dintre reaciunea tangenial X i unghiul de rotaie raportat la distana
parcurs. Se observ c la fore tangeniale mici, ntre X i s/ exist dependena
liniar. Alunecarea ncepe dup ce reaciunea tangenial a atins valoarea maxim
maxX . La roata antrenat, alunecarea ncepe din punctul ak , iar la roata frnat din
-
7punctul fk , dar spre stnga. Cnd reaciunea tangenial se reduce ca urmare a
alunecrii pn la valoarea Raa ZX la roata antrenat raportul s/ , iar laroata frnat 0/ s .
ntr-adevr, la alunecare, conform fig. 2, n cazul roii antrenate, 0v , decii 0s , iar n cazul roii frnate 0R , deci i 0 .
Figura 4 Dependena unghiului de rotire a roii raportat la distana parcurs
fa de reaciunea tangenial la roat
Prin urmare, revenind la figura 3, rezult c cele dou roi prezentate, deiparcurg aceeai distan (ca roi ale aceluiai autovehicul), ele se rotesc cu
unghiuri diferite. Diferena dintre cele dou unghiuri, raportat la unghiul celmare, se numete alunecare i se noteaz cu a. Astfel, raportul:
0
0
0
0
///
s
ssa f (1)
Reprezint alunecarea unei roi frnate, iar raportul:
00
///
s
ssat (2)
reprezint alunecarea unei roi antrenate.
-
8Deoarece procesul alunecrii este variabil n timp, este necesar ca definirea
acesteia s se fac i prin variaia unghiurilor de rotire d i 0d raportat la
variaia distanei de deplasare ds . Se obine, astfel, pentru alunecarea la frnare
pornind de la relaia (1):
0
0
0
0
0
0
R
RRf
dsdt
dtd
dsdt
dtd
dsdt
dtd
dsd
dsd
dsd
a
(3)
i prin alunecarea la antrenare, procedndu-se la fel, se obine:
R
RRta
0 (4)
unde R este viteza unghiular a roii ncrcate cu momentul M i 0R - viteza
unghiular a roii conduse.
Dac se are n vedere c viteza de translaie a roilor este aceeai, atunci:
rrv Rrr 0 (5)
unde: rr este raza de rulare a roii antrenate sau frnate, r raza de rulare a roii
conduse. La roile conduse (libere) diferena dintre raza de rulare i raza dinamiceste mai mic dect la roile antrenate sau frnate. Din aceast cauz n relaiile
care definesc procesul de alunecare se folosete uneori, n locul razei de rulare a
roii conduse, raza dinamic a roii conduse dr .
Astfel egalitatea (5) devine:
rrdR rrv 0 . (6)
-
9Pentru a exprima alunecarea n funcie de raza de rulare rr a roii antrenate sau
frnate i de raza dinamic a roii conduse se nlocuiete viteza v din relaia (6)( rR rv ) n relaia (3) i se obine:
r
df
r
ra 1 ,
d
rt
r
ra 1 (7)
Fora tangenial specific. Caracteristica de rulare
In suprafaa de contact dintre pneu i cale apar eforturi tangeniale, ( xp ),care nsumate dau fora tangenial X, respectiv
A x dApX0 (8)
unde A este aria suprafeei de contact dintre pneu i cale.
Raportul dintre fora tangenial la roata X i reaciunea normal RZ se
numete fora tangenial specific i se noteaz cu , respectiv
RZX
(9)
-
10
Figura 5 Dependena dintre fora tangenial specific i alunecarea pneului pecale (caracteristica de rulare)
Dependena dintre fora tangenial specific i alunecarea a reprezint
caracteristica de rulare (fig.5), care are aproximativ aceeai variaie att laantrenare ct i la frnarea roii. Se observ c fora tangenial specific crete
proporional cu alunecarea, pn la o anumit valoare a alunecrii, dup care
creterea este mai redus pn ce atinge valoarea maxim
RZX max
max
vezi
relaia (10).
Dac alunecarea crete n continuare i capt valoarea a=1 (sau n procente
100%) fora tangenial specific devine egal cu coeficientul de frecare de
alunecare a . Prin urmare fora tangenial specific are o valoare maxim max
egal cu coeficientul de aderen cnd fora tangential la roat are valoarea
maxim i o valoare egal cu coeficientul de frecare la alunecare a cnd
alunecarea a=1 i aXX . Caracteristica de rulare depinde de o serie de factori cum
-
11
sunt: caracteristicile i starea drumului; viteza de deplasare a autovehiculului,marimea sarcinii normale pe roat etc.
Cu ajutorul relaiilor (10) se poate obine expresia forei tangeniale specifice n
funcie de alunecare i deformare:
aZ
EFZX
RR
(11)
Reprezentarea grafic a dependenei (11) este aratat n fig.6 cu linie ntrerupt.Cu linie continu este prezentat variaia forei de traciune specific funcie de
alunecare, aa cum s-a artat n fig.5. Rezult c numai la valori mici ale alunecriiexist o coresponden ntre cele dou dependene.
Deoarece relaia (11) a fost dedus n ipoteza c n suprafaa de contact nu
apare alunecare, ci numai deformaie, nseamn c la alunecri mici predomin
deformaiile elementelor pneului. La valori mai mari ale alunecrii, atunci cnd
fora tangenial specific crete apar alunecri pariale n suprafaa de contact.
Evidenierea mai clar a proceselor care au loc n suprafaa de contact dintre pneu
i cale se poate face prin divizarea curbei caracteristicii de rulare n trei domenii:
Figura 6 Caracteristica de rulare n condiii de deformare i alunecare aelementelor pneului
-
12
n domeniul I se produce deformarea tangenial a pneului datorit
elasticitii materialului. Este de fapt o alunecare de deformare sau alunecare
elastic numit i pseudoalunecare (fals alunecare).
n domeniul II apare alunecarea parial, ceea ce nseamn c elemente ale
benzii de rulare ncep s alunece pe suprafaa de contact.
n domeniul III numrul elementelor care alunec crete pn la a=1 cnd se
poduce alunecarea total, adic toate elementele benzii de rulare din suprafaa de
contact alunec. Valoarea maxim a forei tangeniale specifice max i deci i a
coeficientului de aderen se gsete la limita dintre domeniile II i III, adic n
zona unde destul de multe elemente ale benzii de rulare au nceput s alunece.
Coeficientul de aderen
Inceputul alunecrii se produce n domeniul II al curbei caracteristicii de
rulare (fig.6).Se noteaz cu efortul tangenial specific aferent zonei aderente, cu coeficientul de aderen i cu 'a coeficientul de frecare la alunecare referitoare
la o poriune elementar A a benzii de rulare a pneului i se analizeazcomportarea acestei poriuni elementare la trecerea prin suprafaa de contact. Se
consider c asupra pneului acioneaz un moment de frnare.
-
13
Figura 7 Limita de variaie a eforturilor
tangeniale specifice n cazul unei roi
frnate
Figura 8 Valoarea maxim a efortuluitangenial specific
Dac se d epura presiunilor normale (fig.7, a), atunci coeficientul
determin valoarea maxim a eforturilor tangeniale.
nx pp max (12)
Dac pentru o anumit valoare a momentului de frnare valoarea real a eforturilor
tangeniale este mai mic dect aceast valoare limit, elemental de pneu analizat
va fi solicitat de un efort tangenial
nx pp . (13)
Dac momentul de frnare crete, cresc i eforturile tangeniale px i ntr-un anumit
punct 1 ale suprafeei de contact (fig.8, b) se atinge valoarea limit dat de relaia(12) i toate elementele aflate n spatele acestui punct ncep s alunece. Din acestmoment, eforturile tangeniale care solicit elemental de pneu au valoarea
-
14
naxap (14)
Punctul 1 reprezint grania dintre aderen i alunecare. Dac momentul de
frnare crete n continuare, atunci punctul de grani se deplaseaz nspre partea
din fa a suprafeei de contact (fig. 8, a). Forta tangenial corespunzatoarentregii suprafee de contact dintre pneu i cale este:
A x dApX0 (15)
Dac se noteaz cu A1 (fig.7, b) zona din suprafa n care mai exist starea deaderen, atunci expresia forei tangeniale poate fi scris sub forma:
AA
na
A
n dApdApX1
1
0
(16)
Pentru o anumit mrime A1 a suprafeei n care mai exist aderen (fig.8, a),eforturile tangeniale px ating valoarea maxim n mod corespunztor i fora
tangenial X va atinge valoarea maxim:
Rn
A
Aa
A
n ZdApdApX
1
1
0max
(17)
Expresia (17) evideniaz faptul ca aa-numitul coeficient de aderen se referla toat suprafaa de contact alcatuit din dou zone : o zon n care predomin
aderena A1 i o zon n care predomin alunecarea total:
1AA
Astfel se explic noiunea de alunecare parial n domeniul II al curbei din fig. 6.Pentru a=1, cazul alunecrii totale, fora tangential (fig.8, b) atinge valoarea:
-
15
Ra
A
naa ZdApX 0 (18)
Coeficientul de aderen reprezint valoarea maxim a forei tangeniale
specifice raportat la ntreaga suprafa de contact cuprinznd i alunecrile
pariale, iar coeficientul este valoarea coeficientului de aderen corespunztor
unei poriuni elementare A din suprafaa de contact i care are viteza dealunecare 0av .
La deplasarea automobilului in viraj, simultan cu actiunea fortei tangenialelongitudinale XR va actiona si forta lateral de ghidare Y. Pentru o fort lateraldata exist o forta longitudinal maxima care poate fi transmis rotii si invers.
Daca una dintre forte se mreste, apare alunecarea sau deraparea rotii. Din
definirea elipsei aderentei, descris de ecuatia 122
RtRlR
ZY
ZX
, unde
l - este coeficientul de aderent longitudinala iar
t - este coeficientul de aderent transversal, rezult c, dac asupra rotii
apare o forta lateral Y, valoarea maxima a fortei longitudinale pe care o poateprelua fara sa alunece se micsoreaza la valoarea:
2
1
RtRlR ZYZX
sau
2, 1
RtlRR
ZY
ZX
De exemplu, in cazul unui autovehicul care franeaza in viraj la dreapta, fortade franare maxima pe care o poate dezvolta fara alunecare la deplasarea in liniedrepta se compune cu forta laterala din pata de contact ce apare in viraj, rezultantaacestora fiind o forta care depaseste limita de aderenta si produce deraparea (fig. 9)
-
16
Fig. 9 Deplasarea in viraj cu franarea autovehiculului
O alta situatie este trecerea autovehiculului de pe o cale de rulare uscata pe ocale de rulare cu aderenta scazuta (gheata), cand forta de tractiune ramane laaceeasi valoare, dar scade limita de aderenta si apare patinarea rotilor motoare (fig.10).
Fig. 10 Deplasarea pe o suprafata cu gheata
Fig. 11 Deplasarea in viraj stanga
-
17
Fig. 12a Deplasarea unui autovehicul subvirator cu p.f.m. in viraj
Caracterul subvirator sau supravirator al unui autovehicul influenteazastabilitatea acestuia in viraj, prin atingerea limitei de aderenta mai repede. In cazulunui autovehicul subvirator cu p.f.m., la intrarea in viraj in regim de tractiune,fortele laterale nu depasesc limita de aderenta (fig. 12a), pentru ca in cursulvirajului fortele laterale la puntea fata sa creasca si sa depaseasca limita deaderenta (fig. 12b). Pentru ca miscarea sa redevena stabila trebuie eliberata pedalade acceleratie, in acest fel nu se mai dezvolta forte longitudinale in pata de contact(fig. 12c).
-
18
Fig. 12b Deplasarea unui autovehicul subvirator cu p.f.m. in viraj
Fig. 12c Deplasarea unui autovehicul subvirator cu p.f.m. in viraj
-
19
In cazul unui autovehicul supravirator cu p.s.m., la intrarea in viraj in regimde tractiune, fortele laterale nu depasesc limita de aderenta (fig. 13a), pentru ca incursul virajului fortele laterale la puntea spate sa creasca si sa depaseasca limita deaderenta (fig. 13b). Pentru ca miscarea sa redevena stabila trebuie eliberata pedalade acceleratie, in acest fel nu se mai dezvolta forte longitudinale in pata de contact(fig. 13c).
Fig. 13a Deplasarea unui autovehicul supravirator cu p.m.f. in viraj
-
20
Fig. 13b Deplasarea unui autovehicul supravirator cu p.s.m. in viraj
Fig. 13c Deplasarea unui autovehicul supravirator cu p.s.m. in viraj
-
21
n cazul alunecrii ( 0av ) intervine coeficientul de frecare la alunecare a'corespunztor poriunii elementare A i a pentru ntreaga suprafa de contact.ntre i a' exist inegalitatea a'' . Coeficientul este n majoritatea cazurilormai mare dect a ; ambii coeficieni depind n mare msur de categoria i starea
drumului; coeficienii scad odat cu creterea vitezei de deplasare, o reducere mai
pronunat obinndu-se de coeficientul de frecare la alunecare a pe drumuri n
stare umed.
Coeficientul ' care, dei se refer la solicitarea elementului de pneu n zona
aderent (suprafaa A), atinge valoarea maxim nu la 0av , ci la o anumitvaloare a vitezei de alunecare. Experimental s-a gsit c valoarea coeficientului '
este alctuit din dou componente: o component de adeziune ad' i o
component de histerezis h' . Prima component este determinat de legturile
moleculare ce se produc ntre cauciuc i vrfurile asperitilor drumului, iar a doua
rezult din deformarea cauciucului, la trecerea peste asperiti (diferena dintre
energia consumat la comprimare i cea recptat la destindere).
Coeficientul de aderen este influenat n mare msur de construcia i
materialul anvelopei.
La pneurile radiale se obin coeficieni de aderen de valori mai mari i
coeficieni de frecare la alunecare a mai mici dect la pneurile diagonale.Exlicaia este dat de faptul c la pneurile radiale suprafaa de contact dintre pneu
i cale este mai mare, iar presiunea normal este mai uniform.
Folosirea pneurilor cu bande de rulare profilate conduce la creterea
coeficientului de aderen la rularea pe suprafee umede. Mrimea numrului de
caneluri de lime egal este favorabil la viteze mari, iar creterea limii
canelurilor nlesnete evacuarea peliculelor de fluid subiri captate n suprafaa de
contact.
-
22
Utilizarea unor crestturi (fante) pe suprafaa nervurii conduce la
mbuntirea coeficientului de aderen att n direcie longitudinal ct i
transversal. Influena crestturilor este mai pronunat la rularea pe suprafee de
drum netede cnd asperitile acestuia nu sunt mari i ascuite. Fantele nchise
exercit o funcie de rezervoare cu presiune redus care absoarbe pelicula de fluid
de pe suprafaa drumului. Efectul de rezervor al crestturilor este mai redus n
cazul roii frnate, deoarece lipsa forei centrifuge face ca apa din cresttur s nu
poat fi eliminat. S-a constatat c un numr mai mare de crestturi, dar mai
nguste, este preferabil unui numr redus de crestturi cu suprafa de deschidere
mai mare.
Asupra coeficientului de aderen influeneaz i calitatea materialului
benzii de rulare. Banda de rulare fabricat din materiale mai elastice duce la
deformri mai mari n contact cu calea i ca urmare se mrete componenta dehisterezis Coeficientul de aderen variaz odat cu modificarea presiunii
interioare a aerului din pneu. n cazul unui pneu care ruleaz pe o cale dur,
uscat, micorarea presiunii interioare duce la mrirea suprafeei de contact i la
reducerea presiunii normale pe cale, nsoit de o cretere oarecare a coeficientului
de aderen prin componenta de aderenta ad' .
Pe o cale de rulare cu suprafaa dur i umed influena este invers;
sporirea presiunii interioare are ca rezultat o mrire a coeficientului de aderen
explicat prin subierea i eliminarea peliculei de ap care acioneaz ca un
lubrifiant.
La rularea roilor pe drumuri deformabile coeficientul de aderen crete
odat cu micorarea presiunii aerului din pneu. Aceasta este determinat de
mrirea suprafeei de contact i de mbuntirea caracterului de interaciune a
pneului cu drumul.
-
23
CAPITOLUL II
SISTEME DE CONTROL AL TRACTUNII
Sistemele de control al traciunii sunt cunoscute sub siglele ASR(antiwhell spin regulation), ATC, TRAC etc. si au intrat in productia de serieincepnd cu anul 1986. Un bun sistem ASR trebuie sa indeplineasc functiile:
- corijarea comenzilor efectuate de conductor in raport cu regimul de deplasare alautomobilului si cu aderenta rotior la sol;
-asigurarea stabilitatii si maniabilitatii automobilului;
-imbunatarea tractiunii la demarare si in conditii dificile de drum;
-informarea conductorului auto asupra aparitiei situatiilor deosebite care conducla patinarea uneia sau mai multor roti.
Considernd pentru organizarea traciunii cazul 4x4, automobilele cu controlultractiunii la limita de aderen se echipeaz cu un dispozitiv de limitare aalunecrii care cuprinde traductoare de turatie 1, blocuri de decizie 2,3,4 deniveluri diferite si un bloc de comand 5.
-
24
Fig. 1 Dispozitiv de limitare a deraparii
Cu valorile vitezelor unghiulare de rotatie ale rotilor se determinalunecrile relative si se compar cu limitele de prag ap, a1 si a2 in functie dedeciziile luate, prin blocul de comand 5 se regleaz momentele la roata depropulsie.
Dupa modul de reglare a momentului la roat pentru automobile 4 x 4 suntposibile mai multe scheme (fig.2) si anume:
reglarea independenta a tuturor rotilor (fig.2,a) este complicat, cu costuriridicate, in schimb valorific integral aderenta dintre roti si cale; la deplasarea pecai cu aderente diferite, la rotile puntii fat apare un moment destabilizator de petraiectorie datorat celor doua reactiuni tangentiale diferite;
reglarea independent a rotilor spate si comun a rotior fat ( fig. 2b ), reglarearotilor fat trebuie fcuta dupa roata cu aderenta minima; solutia valorific eficientaderenta si in plus nlatura tendinta de destabilizare de pe traiectorie;
-
25
reglarea independenta a rotilor fata si comuna a rotilor spate dup roata cuaderenta minima (fig.2,c) reprezinta o solutie de compromis a tractiunii simaniabilitatii;
reglarea comun pentru rotile fata si rotile spate dup roata fata si respectiv spatecu aderenta minima (fig.2,d) este o solutie care asigura o foarte bun maniabilitate.In schimb se valorific insuficient posibilitatile de tractiune;
reglarea comun a tuturor rotilor din conditii de maniabilitate, dup roata cuaderenta minima (fig.2,e), valorific insuficient posibilitatile de tractiune inlimitele aderentei fiind astfel o solutie nerecomandat.
Fig.2 Scheme de reglare a momentului la roata pentru vehicule 4x4
Ca posibilitati tehnice de reglare sunt enuntate urmtoarele:
Reglarea independent a rotilor prin franarea rotilor reglate cu un moment de
franare MMM Rf In cazul in care rotile intalnesc suprafete cu coeficienti de aderenta diferiti,
forta de tractiune va fi conditionat de valoarea aderentei minime. In acest cazfrnnd, roata motoare care are tendinta de patinare, se inseal difentialul, careredistribuie fortele intre roti. Dac si dup aceasta manevra roata continua spatineze, sau cealalt roata tinde sa patineze, se aplic si acesteia un moment de
-
26
frnare, rezultand, prin momentul exterior de frnare, reducerea momentului depropulsie. Metoda se extinde prin franarea elementului conducator al tansmisiei
principale cu un moment de frnare 0/)(2 iMMM Rf unde i esteraportul de transmitere al transmisiei principale.
La viteze mari, prin frnarea rotilor se pot depasi cu usurinta limiteletemperaturii de regim a franelor. De aceea, metoda se foloseste limitat, pna laviteze de 30... 40 km/h.
reglarea comun a rotilor prin folosirea diferentialelor cu grad reglabil deblocare
Metoda se utilizeaz cnd puntea este prevazuta cu diferentiale autoblocabile cufrecare marit cu suprafete multiple de frecare, prevzute cu sisteme hidraulice deactionare independent a fiecarui cuplaj. Principiul de functionare este asemanatorcazului precedent, dar franarea rotilor nu se face prin generarea unor momenteexterioare de frnare, ci prin generarea unor momente inteme. In acest mod sepermite transmiterea unui moment mai mare celeilalte roti.
reglarea comun a tuturor rotilor prin actionarea organului de comand almotorului
Prin acest sistem se intervine asupra regimului de functionare a motorului pana la
atingerea caracteristicii partiale la care tkda irGM / unde itk este raportul detransmitere al transmisiei in treapta k a cutiei de viteze; - coeficientul de
aderenta la roata dup a crui aderenta se face reglarea; G0 - greutateaautomobilului. Sistemul cuprinde o legtura electric intre pedala de acceleratie siaxul obturatorului sau al cremalierei pompei de injectie, inlocuind legatura princablu sau tij. Semnalul electric primit de servomotorul de actionare, prinintermediul unui BEC (bloc electronic de comand), este proportional cu cursa
-
27
pedalei, asigurnd functionarea ca in cazul legturii mecanice. Daca turatia uneiadintre rotile motoare, sau, la tractiunea integral, media turatiilor rotilor puntii,este mai mare dect turatia determinat de turatia motorului si raportul detransmitere stabilit, atunci se sesizeaza fenomenul de patinare si se comandainchiderea obturatorului. Alte avantaje oferite de solutie sunt: limitarea vitezeimaxime; mentinerea constant a vitezei dorite (tempomat); reglarea turatiei demers in gol functie de regimul termic al motorului;
reglarea comuna a tuturor rotilor prin actionarea ambreiajului
Metoda permite interventia asupra intregii transmisii, prin limitareamomentului transmis in transmisie, cand se sesizeaza tendinta de patinare la rotilemotoare. Acest lucru se face prin decuplarea partiala a ambreiajului, motiv pentrucare metoda nu s-a promovat ca varianta constructiva la automobile.
Construcia unui sistem de control al traciunii
Sistemul ESP de control al traciunii care actioneaz pe toate roile are
structura din figura:
-
28
Prin dispozitivele care il compun urmareste sa determine viteza dedeplasare, alunecarea rotilor pe cale (alunecare laterala sau in miscarea de giratie),intentia de deplasare a conducatorului prin unghiul de bracare a rotilor.
Dispozitivele componente sunt:
- senzor pentru sesizarea miscarii de giratie
-
29
- dispozitiv pentru unghiul de bracare
- senzor pentru acceleratia laterala
-
30
Functionarea unui astfel de sistem pentru controlul tractiunii si controlulstabilitatii se bazeaza pe informatiile primite de la acesti senzori: viteza dedeplasare, alunecarea rotii, unghiul de bracare, viteza sau acceleratia in miscareade giratie, acceleratia laterala. Toate aceste informatii sunt procesate de o unitatecentrala, care compara valorile instantanee furnizate de senzori cu valorilenominale ale alei stari. Diferentele dintre aceste doua seturi de valori conduc ladecizia de a comanda marirea sau micsorarea fortelor de franare la roti saumodificarea fortelor de tractiune prin modificarea puterii motorului.
-
31
CAPITOLUL III
TRACIUNEA INTEGRAL
Rularea roilor de automobil este o consecin a forelor i momentelor care
acioneaz asupra lor, iar autopropulsarea automobilului este rezultatul
interaciunii dintre roile motoare cu calea de rulare i dintre roi i automobil.
Transmiterea puterii motorului la roile motoare prin componentele transmisiei
este caracterizat de pierderi datorate frecrilor. Aceste pierderi, apreciate prin
randamentul transmisiei, fac ca puterea transmis roilor motoare s fie:
trmR PP
Asemntor relaiei dintre componentele fluxului de putere al motorului, putere,
moment i turaie, i pentru fluxul de putere primit de roata motoare poate fi scriso relaie de forma:
R RR MP
unde: M R este momentul la roata de propulsie; R - viteza unghiular a roii;
M - este momentul motorului;
Pentru roata motoare rigid, (figura 1) n rulare pe o cale neted, nedeformabil,
considernd numai aciunea momentului de propulsie la roat (MR), n acelai senscu viteza unghiular a roii , ce determin rularea n sensul vitezei v a
autovehiculului, din condiii statice de echilibru rezult, pentru cuplul de fore FRI
expresia:r
FM RR
unde: r - raza roii motoare rigide.
-
32
Fig.1. Aciunea momentuluide propulsie asupra rotii
rigide
Fora FR, aplicat tangenial cu raza, reprezint
aciunea momentului la roat asupra roii motoare i
se numete fora la roat. Pentru roata considerat
rigid, fora FR aplicat n centrul O al roii reprezint
aciunea roii motoare asupra autovehiculului.
n cazul roilor reale ale autovehiculului, cnd roile sunt deformabile,
procesul rulrii roilor pe cale este nsoit de deformaii consumatoare de energie,
astfel c aciunea roii motoare asupra autovehiculului va fi o for F, mai mic
dect fora FR d , unde: FR este fora de traciune a autovehiculului.
Diferen FR-F, datorat exclusiv rulrii roilor pe cale, reprezint rezistena
la rulare RR. In cazul roilor motoare ia natere o for de traciune, aceast for
activ reprezint aciunea roii motoare asupra autovehiculului i ia natere ca
urmare a aciunii energiei mecanice a motorului asupra roii motoare a
automobilului.
In figura 2 se prezint un model mecanic echivalent roii motoare n regim
de mers accelerat.
Fig.2. Modelul mecanic echivalental roii motoare n micareaccelerat
-
33
Aciunea de propulsie a grupului motopropulsor se manifest asupra roii prin
momentul la roat de propulsie MR. Legtura roii cu automobilul, prin fuzeta O,este nlocuit cu fora de greutate GR i fora de traciune Fb prima reprezentndpartea din greutatea autovehiculului repartizat roii, iar cea de-a doua, fora cu
care autovehiculul se opune micrii dup definiia i sensul axei O x.
Legtura roii cu calea, prin suprafaa de contact, s-a nlocuit cu reaciunea
normal ZR i reaciunea tangenial XR, fore ce reprezint rezultatele presiunilor
normale i respectiv tangeniale ce iau natere n suprafaa de contact roat-cale.
Reaciunea tangeniala se numete for de aderen.
Rularea roii pe cale determin, la reducerea componentei ZR n centrul
contactului roat cale, momentul Mr numit momentul rezistenei la rulare. MR=XR -rd +M n l , relaie care reprezint o expresie a momentului aplicat roii n
funcie de fora de aderen XR i momentul rezistenei la rulare. Deoarece fora de
aderen XR este limitat de valoarea ei maxim numit aderen, se deduce este c
rularea roii motoare este posibil cnd asupra ei se exercit din partea transnisiei
un moment mai mare dect momentul rezistenei la rulare, de la a crui valoare
este posibil rostogolirea roii pe cale, dar cel mult egal cu momentul aderenei,
peste a crui valoare ncepe patinarea roii.
Din aceste considerente, pentru autoturismele echipate cu motoare de puterimari i foarte mari, valorificarea performanelor de demarare este posibil numai
prin organizarea traciunii ca traciune integral. Aceasta aduce urmtoarele
avantaje:
- la autoturismele de teren se obine sporirea capacitii de trecere n terengreu i o bun stabilitate n teren cu aderen sczut;
-la autoturismele de ora i competiii se obin acceleraii mari att pe ci
aderente ct i pe ci alunecoase, cu meninerea unei traiectorii stabile.
-
34
Definirea categoriilor de performan, a valorilor de performan precum i a
ponderii performanelor de un anumit tip (n cazul de fa dinamice de trecere sau
de demarare), sunt impuse de destinaia automobilului i de interesele industriei deautomobile, fundamentate pe dorinele utilizatorului.
n construcia transmisiei automobilelor de tipul 4x4 se ntlnete unsubansamblu numit distribuitor (sau cutie de distribuie), care realizeaz divizarea
fluxului de putere pentru autopropulsare, aval de cutia de viteze, n dou ramuritransmise direct (sau prin intermediul unor transmisii longitudinale), cte unulfiecreia dintre punile fa i spate.
Pornind de la avantajele traciunii integrale, firmele constructoare de
automobile au dezvoltat o serie de soluii de realizare a traciunii 4x4 i anume:
sisteme de distribuire mecanic fix, predeterminat, a momentului motor
(legtur cinematic rigid);
sisteme de distribuire adaptiv limitat a momentului motor (dispozitive fr
blocare sau cu blocare parial);
sisteme cu transfer variabil al momentului motor, controlat din exterior
(difereniale cu autoreglare vscoas);
sisteme de transfer variabil al momentului motor dup criterii predeterminate
(dispozitive cu control electronic al traciunii).
Soluiile tehnice de realizare a traciunii integrale cu dispozitive cu blocare,
cu blocare parial sau fr blocare prezint, n funcie de soluia adoptat,
inconveniente legate de fluxurile parazite de putere sau de limitarea traciunii la
nivelul forei de traciune dezvoltate ia puntea sau roata cu cea mai mic aderen.
-
35
Obinerea performanelor maxime presupune valorificarea integral a
limitelor oferite de aderen n toate condiiile, pentru toate
roile motoare, respectiv asigurarea unei traciuni integrale la
limita aderenei prin control automat al momentului la roata
de propulsie.
Traciunea integral cu legtur cinematic rigid ntre
puni (dispozitiv cu blocare). n cazul automobilelor 4x4 culegtur cinematic rigid ntre puni (dispozitive cu blocare), toate roile sunt
antrenate cu viteze unghiulare egale. Cu toate c roile au viteze unghiulare egale,
n anumite condiii de deplasare vitezele lor tangeniale pot fi diferite. In asemenea
situaii roile uneia dintre puni, nsemnate n transmisie. Toate aceste dezavantajeau fcut ca soluia s aib utilizare izolat n construcia de autoturisme de teren.
n cazul diferenialelor autoblocabile cu frecare interioar, atunci cnd aparevitez relativ de rotaie ntre arborii de antrenare a punilor fa i spate,
momentul forelor de frecare ce apar determin un transfer de moment de la
arborele cu turaia mai ridicat spre arborele cu turaia mai mic. Pentru un
diferenial interaxial, la care raportul razelor de divizare ale roilor planetare este
2
1
RRk din condiia de echilibru a roilor planetare, momentele statice repartizate
punilor vor fi:
- pentru puntea motoare fa PMF: CVMkkM 11
- pentru puntea motoare spate (PMS): CVMkM 11
2
unde Mcv este momentul primit de carcasa diferenialului de la cutia deviteze.
Fig. 3 Dinamicadiferenialuluiinteraxial
-
36
In cazul n care diferena dintre turaiile arborilor 1 i 2 de antrenare apunilor fa i respectiv spate este 21 >0, notnd M transferul demoment ntre puni, noua distribuie va fi:
- pentru puntea motoare fat : MMk
kM CV 11
- pentru puntea motoare spate: MMk
M CV 11
2
Cnd turaiile arborilor sunt egale, transferul de momente nu mai este definit,
el situndu-se n intervalul +M...-M, valoarea lui real fiind definit decondiiile de aderen la cele dou puni n raport cu momentele transmise
punilor.
Transferul maxim de momente se produce cnd diferena de turaii ale
arborilor este maxim, sitaie ce corespunde blocrii carcasei diferenialului.
Pentru a obine un transfer maxim de 20%, respectiv distribuia momentelorn raportul 30% puntea faj i 70% puntea spate (sau 30% puntea spate i 70%puntea faa), randamentul mecanismului trebuie s fie 0,43. Un astfel derandament nu se obine prin angrenaje obinuite, ci numai prin angrenaje speciale.
-
37
Diferenialul Torsen
Un diferenial autoblocabil cu angrenaje speciale care echipeaz tot mai
multe autoturisme cu traciune integral, fie n poziie interaxial (AUDI
QUATRO), fie ca difereniai al punii (LANCIA DELTA HF 4WD, RENAULT
ESPACE QUADRA), este diferenialul autoblocabil TORSEN.
Fig. 4
Dac diferenialele interaxiale clasice blocabile sau autoblocabile pot fi
considerate ca fcnd parte din prima generaie, diferenialele cu frecare intern
mrit i vscocuplajele pot constitui cea de-a doua generaie de difereniale, a
treia generaie reprezentnd-o diferenialele autoblocabile cu detectare de cuplu
denumite TORSEN (SENsibil la momentul de TORsiune).
Funcionarea diferenialului TORSEN utilizeaz ireversibilitatea
angrenajului elicoidal roat-urub fr sfrit, n sensul c transmiterea micrii de
-
38
la roat la urub se face la randamente comparabile celorlalte angrenaje de roi
dinate, n schimb funcionarea reversibil devine posibil, cu randamente foarte
reduse, numai dac elicea danturii are anumite valori.
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 reacioneaz 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.
Setarea de baz la unele difereniale Torsen este selectat astfel nct forele
de propulsie s fie repartizate, n situaii normale, ntr-o pondere de 50:50 ntre axafa 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 creteautomat 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.
Diferenialele Torsen mbuntesc maniabilitatea autovehiculelor si
comportarea acestora in viraje. Cu un diferenial, o masina va oferi putere roii
care are cea mai buna aderenta. O astfel de situaie este atunci cand una din roi
este n noroi sau nisip n timp ce celelalte roi sunt pe un teren cu aderen mai
-
39
mare, dar acest lucru se produce de asemenea, n viraje, cnd roata din interiorulvirajului are o turaie mai mare.
Cu toate acestea, atunci cnd se produce virajul, este mai bine ca roataexterioara virajului s beneficieze de for mai mare. Roata exterioar virajului se
comport ca o prghie i va "mpinge" greutatea autovehiculului n direcia sa, iar
roata interioar virajului, care are mai puin aderen, (pentru c se schimb
poziia centrului de greutate i se incarc roata exterioar), ar avea vitez
unghiular mai mare, dar aderen mai mic. Aceasta are ca rezultat reducerea
drastica a puterii sau capacitate de virare brusc, n special la vehiculele cu puntemotoare fa, dei nici autovehiculele cu punte motoare spate nu sunt favorizate de
distribuia greutii.
Printr-un dispozitiv de limitare a alunecrii, acesta ar interveni ori de cteori o roata se nvrte mai lent dect celelalte. Cele mai multe diferene de acest tip
sunt VLSDs - Viscous Limited Slip Differentials. Acestea au dou plcue, fiecareconectate la o roata, separate printr-o pelicul de ulei cu grosime mic. Cnd unadin roi se nvrte mai repede, una din plcue are o micare relativ fa de
cealalt, datorita frecarii, genereaz cldur i forteaza cealalt plac la o miscare
cu aproximativ aceeai vitez.
Exist, de asemenea,diferentiale mecanice cu discuri de ambreiaj, carefolosesc o serie de discuri n loc de placute si uleiul dintre acestea, pentru a fora
transmisia sa distribuie cuplul la roi aproximativ egal. Diferentialele cu ambreiaje
au performante ridicate, dar trebuie s se intervina pentru schimbarea discurilor incazul in care se uzeaza si sunt ceva mai scumpe. n funcie de setri precum i de
reactiunea drumului, aceste diferentiale poat chiar face masina mult mai dificil decondus. Un diferential cu un reglaj mai tare poate face virajele normale mai greude abordat, deoarece ambele roi vor dori s se roteasca la aceeai vitez. Este
aproape ca de conducere cu un diferenial sudat.
-
40
Un diferential Torsen nu realizeaza o adevarata limitare a alunecarii, pentruc, dac asezam o roat pe un loc neted pe ghea i o alta pe un trotuar uscat,cea
asezata pe gheata va avea o miscare de rotatie in gol. Diferentialulu Torsen cu rotidintate este un echipament ce functioneaza dupa principiile mecanismuluidiferenial, rotile pot avea dantura elicoidala. Atunci cnd o main vireaza,
datorita frecarii dintre rotile dintate acestea capata miscare de rotatie relativa,si sedistribuie cuplul n cel mai bun mod posibil pentru a parcurge virajul. Acest lucrueste un avantaj pentru autoturismele cu punte motoare pe fata, care au tendina dea imprima rotii din interiorul virajului o viteza unghiulara mai mare, capatand uncaracter subvirator. Un Torsen nu va schimba caracterul subvirator, dar va facevirajul mult mai stabil
Exist mai multe variante constructive de difereniale interaxiale Torsen,
care se pot mpri pe trei generaii, cu evoluii remarcabile, dar cu anumite
restricii n utilizare.
Varianta Torsen 1 este un sistem avansat de control al tractiunii, furnizandcontinuu, fr ntreruperi, moment motor la punile motoare, transfer de cuplu i
diferenial ntr-un singur sistem. Este activ tot timpul deplasrii, i rspunde
instantaneu la schimbrile intervenite pe calea de rulare
Fig. 5
-
41
Fig. 6
O a doua variant de diferenial Torsen este cu angrenaje cu axe paralele.Este o variant care se preteaz autovehiculelor cu punte motoare pe fa sau pe
spate, realizeaz un bun control al forelor de traciune i este un ansamblu foarte
silenios i permite, in cazul utilizrii unor arbori cu lungimi mai mari, o mai mare
flexibilitate de amplasare pe puntea motoare, iar numrul roilor din mecanismulplanetar poate fi crescut sau micorat dup cerine. Spere deosebire dediferenialele convenionale, pentru diferenierea vitezelor unghiulare, diferenialul
T2 realizeaz distribuia de momente ntre puni. Momentul i turaia sunt
continuu controlate ntre cele dou puni i modificate instantaneu la schimbarea
condiiilor de rulare. Este un sistem cu o fiabilitate foarte bun, depind durata de
via a automobilului pe care funcioneaz.
-
42
Diferenialul Torsen2 are capacitatea de a modifica momentul ntre puni n
intervalul 1.4:1; 3.1 i nu necesit modificri ale punilor, este compatibil cu
sistemele ABS i TCS, fiind foarte util ntr-un sistem de control al traciunii.
Fig. 7
Fig. 8
-
43
Fig. 9
Derivate din diferenialele de generaie 2, au
aprut diferenialele de generaie 3 (T3) care sunt foarte
potrivite pentru amplasarea central, ntre puni,
distribuind momentul motor i fora de traciune ntre
punile fa, spate la autovehiculele 4x4. Similarmodelului T2, i diferenialul T3 folosete mecanism
planetar cu roi melcate, foarte compact, capabil s
divid momentul motor interaxial n raport diferit de
50:50, realiznd o divizare a momentului motor n raport 65:35 pna la 35:65 ntrefa spate. Este proiectat s se utilizeze pe toate tipurile de transmisii, fr s
necesite modificri. De asemenea, este compatibil cu sistemele ABS i TCS, fiind
foarte util ntr-un sistem de control al traciunii.
-
44
Fig. 10
Fig. 11
-
45
Fig. 12
Diferenialele T3 reacioneaz rapid la schimbarea condiiilor de drum
pentru a crete fora de traciune, dar au i avantajul de a mbunti performaele
autovehiculului. mbuntirile aduse n tansmisie i utilizarea puterii, combinate
cu un timp de rspuns foarte scurt duc la obinerea unei maniabiliti mai bune,
creterea acceleraiei i a stabilitii.
Funcionarea diferenialului Torsen
Fig. 13
-
46
Fig. 14
Compunerea unui diferenial TORSEN este prezentat n figura 14. Fiecare
din arborii de ieire 1 i 2 sunt solidari cu uruburile far sfrit 3 i respectiv 4, cu
funciile roilor planetare din mecanismul diferenial. Sateliii, n numr de trei,
sunt montai echidistant n carcasa diferenialului, care reprezint elementul
conductor al mecanismului. Fiecare satelit este un ansamblu compus din dou
roi elicoidale 5 i 5 i patru roi cilindrice 6-6 i respectiv 7-7. dac n lipsaaderenei o roat, fie roata antrenat de arborele 1, ar tinde s patineze, atunci
accelerarea vitezei de rotaie s-ar transmite prin angrenajul urub fr sfrit 3,
roat elicoidal 5 i angrenajele cilindrice 6-6 i 7-7, angrenajului format din roataelicoidal 5 i urubul 4 de pe arborele 2. Datorit ireversibilitii ultimuluiangrenaj, funcionarea lui nu este posibil, astfel c n lipsa aderenei devine
imposibil patinarea uneia dintre roile punii. Are astfel loc transferul de cuplu de
-
47
la roata neaderent la roata aderent iar sistemul este blocat; la decelerareaautomobilului n linie dreapt i n aceleai condiii de aderen la ambele roi,
arborii i i 2 au aceiai tendin de rotaie. Ca urmare roile 6-6 i 7-7 aflate nangrenare, tind s se roteasc n acelai sens orar. Ca urmare, funcionarea este
imposibil, rezultnd blocarea sistemului. In acest mod, diferenialul TORSEN se
comport ca un sistem ABS, evitnd practic orice blocare intempestiv a roilor.
Acest efect pozitiv prezint pentru securitatea activ a automobilului un avantaj
imposibil de negat.
In plus, la diferenialele TORSEN sunt de considerat i urmtoarele aspecte:
-randamentul mecanic la transmiterea puterii de autopropulsare, uor inferiordiferenialelor simple, rmne superior randamentelor diferenialelor cu frecare
mrit;
-ca dimensiuni este comparabil diferenialelor simple;
-performanele dinamice, cu coeficientul de blocare k=5...7, sunt comparabile cucele ale diferenialelor cu discuri multiple de frecare.
-
48
Fazele funcionrii unui diferenial Torsen
In cazul n care la ambele puni sunt
aceleasi conditii de aderen, momentele vor fi distribuite in mod egal la cele dou
puni, si vitezele unghiulare vor fi egale.
La parcurgerea unui viraj, deferenialul
intervine modificnd cuplul pe puni, momentul pe puntea fa crete n raport cu
cel de pe puntea spate pn la de trei ori. Se produce, de asemena, o cretere a
turaiei pe puntea fa, care devine mai mare dect cea a punii spate.
-
49
Intervenia diferenialului interaxial este
foarte important n cazul cnd cele dou puni ruleaz pe teren cu aderene
diferite. Astfel, dac puntea fa este pe o suprafa cu aderen foarte mic
(ghea), diferenialul transmite spre puntea spate ( care are o aderen mai mare)
un moment de pn la 3 ori mai mare dect puntea fa, n timp ce turaia la puntea
fa rmne crescut in raport cu puntea spate.
Dac puntea spate este pe o suprafa cu
aderen foarte mic (ghea), diferenialul transmite spre puntea fa ( care are o
aderen mai mare) un moment de pn la 3 ori mai mare dect puntea fa, n
timp ce turaia la puntea fa este mai mic n raport cu puntea spate.