Automobile proiect

Automobile proiect | 2013

Capitolul 8. Calculul ambreiajului corespunztor pentru autovehicul

Ambreiajul este un mecanism care permite solidarizarea a dou piese care se afl pe aceeai ax, pentru a putea transmite micarea de rotaie a uneia celeilalte, apoi s le desolidarizeze (decupleze) cnd nu se mai dorete transmiterea acestei micri.La automobile acest mecanism servete la decuplarea arborelui cotit al motorului termic de arborele primar al cutiei de viteze i apoi la recuplarea progresiv a acestor doi arbori dup fiecare schimbare de treapt de vitez.Ambreiajul cu friciune se bazeaz pe unirea prin frecare a dou suprafee plane sau conice care se apas una peste cealalt cu o anumit for. Aceste ambreiaje au avantajul cuplrii progresive si al decuplrii cnd fora de apsare scade sub o anumit limit. Suprafeele de frecare pot fi fie metalice (font sau bronz pe font sau oel), fie acoperite cu materiale textile sau corozive avnd n contact cu suprafeele metalice un coeficient de frecare ridicat si o rezisten foarte ridicat la cldur (solicitri termice). Aceste ambreiaje sunt fie cu un disc fie cu discuri multiple. Discul ambreiajului, frecvent la automobile ambreiajul cu disc, au cele dou suprafee acoperite cu garnituri de friciune i este montat printr-un butuc canelat pe arborele primar al cutiei de viteze. O plac de presiune, prevzut cu arc/arcuri de apsare i comandat de o pedal, permite apsarea discului ambreiajului pe volantul motorului. n cazul ambreiajelor cu discuri multiple o parte din discuri sunt solidare cu arborele de antrenare iar cealalt parte sunt solidare cu arborele antrenat. Decuplarea este uurat de elemente elastice intercalate ntre discuri pentru a separa suprafeele de frecare. La automobile se utilizeaz frecvent arcul central tip diafragm.n cazul in care momentul de transmis depete capacitatea ambreiajului acesta patineaz ndeplinind i rolul de organ de protecie a transmisiei la suprasarcini.Condiiile impuse ambreiajului:La decuplare:- s asigure decuplarea complet i rapid a motorului de transmisie;- efort redus la decuplare i curs redus a pedalei;La cuplare:- s asigure o cuplare progresiv a motorului cu transmisia pentru a evita plecarea brusc din loc a automobilului i ocurile din transmisie;- n starea cuplat s nu permit patinarea ambreiajului, dac nu sunt suprasarciniCondiii generale:- durat de funcionare i rezisten la uzur ct mai mari;- greutate i dimensiuni reduse;- siguran n funcionare;- construcie ieftin i simpl;- s transmit un moment mare;- s fie echilibrat dinamic;- s fie uor de ntreinut.Rolul ambreiajului:Ambreiajul este inclus n transmisia automobilului n scopul compensrii principalelor dezavantaje ale motorului cu ardere intern, care constau n: imposibiliatatea pornirii sub sarcin, existena unei zone instabile de funcionare i mersul neuniform al arborelui cotit. Necesitatea includerii ambreiajului n transmisia automobilului este determinat de particularitile funcionarii acesteia, caracterizate mai ales de cuplarea si decuplarea cu motorul. Decuplarea este necesar la oprirea si frnarea total a automobilului sau la schimbarea treptelor de viteze, iar cuplarea este necesar la pornirea din loc i dup schimbarea treptelor de viteze. Cuplarea lin a arborelui primar al cutiei de viteze cu arborele cotit al motorului,care are o turaie ridicat, asigur cresterea treptat i fr ocuri a sarcinii la dinii roilor dinatei la piesele transmisiei,fapt care reduce uzura i elimin posibilitatea ruperii lor. Prin decuplarea transmisiei de motor, roile dinate din cutia de viteze nu se mai afl sub sarcin i cuplarea lor se poate face fr eforturi mari ntre dini. n caz contrar, schimbarea treptelor de viteze este aproape imposibil, funcionarea cutiei de viteze fiinf nsoit de zgomot puternic, iar uzura dinilor este deosebit de mare putnd avea loc chiar distrugerea lor.Clasificarea si modul de funcionare al ambreiajuluiAmbreiajele folosite n construcia de automobile se clasific dup modul de transmitere momentului i dup modul de acionare.Din punctul de vedere al modului de transmitere a momentului, ambreiajele se mpart n ambreiaje simple i ambreiaje combinate. La rndul lor ambreiajele simple se mpart n ambreiaje mecanice (de friciune), hidraulice i electromagnetice. Cele mecanice potavea unul sau mai multe discuri de friciune, pot fi cu arcuri dispuse periferic, cu arc central spiral sau diafragm i centrifuge sau semicentrifuge. Ambreiajele hidraulice pot fi prag fix, cu prag mobil sau cu camer de colectare, iar cele electromagnetice pot fi cu sau fr pulbere feromagnetic. Ambreiajele combinate pot fi mecano-centrifuge, mecano-hidraulice sau mecano-electromagnetice.Din punctul de vedere al modului de acionare, ambreiajele de automobile se mpart n: ambreiaje neautomate, puse n funciune de fora muscular a conductorului auto prin acionare mecanic sau hidraulic; ambreiaje automate, acionate hidraulic, pneumatic, electric sau vacuumatic, n funcie de pedala de acceleraie, turaia i sarcina motorului sau de poziia prghiei de schimbare a treptelor de vitez. Uneori sistemul de acionare a ambreiajelor neautomate este prevzut cu un servomecanism de tip mecanic, hidraulic sau pneumatic, care reduce efortul depus de conductor.

Se va explica foarte simplu si pe neles n cele ce urmeaz modul de funcionare al ambreiajului,din aceasta reieind i componena acestuia:

Fig 1. Componena unui kit de ambreiaj ZF SACHSLegend:1. garnitur de friciune;2. disc metalic;3. arcuri elicoidale;4. butuc canelat.

Fig 2.Elementele componente ale unui ambreiajLegend:A. ambreiaj cuplat;B. ambreiaj decuplat;1. arbore cotit;2. volant;3. disc de ambreiaj;4. placa de presiune;5. arc diafragm;6. arbore de intrare n cutia de viteze;7. rulment de presiune;8. carcas;9. inele de reazem;10. tift de fixare;11. tift de fixare.

Cnd este apsat pedala de ambreiaj,rulmentul de presiune(7) acioneaz asupra prii interioare aarcului diafragm(5) care prin intermediultifturilor(10) ridicplaca de presiune(4) de pediscul de ambreiaj(3). Astfel se ntrerupe legtura dintrearborele cotit(1) iarborele de intrare n cutia de viteze(6). Ansamblul format dinarbore cotit(1),volantul(2),carcasa(8),arcul diafragm(5) iplaca de presiune(4) se rotesc mpreun, ct timp motorul este pornit. n cazul n care ambreiajul este cuplat micarea se transmite mai departe, prin intermediuldiscului de ambreiaj(5), ctrearborele de intrare n cutia de viteze(6).

Subcapitolul 8.1 Proiectarea ambreiajului

La automobilele moderne se utilizeaz de regul cu un singur disc, sau cu doua discuri, de friciune, cu arcuri cilindrice periferice, sau arcuri centrale. Acestea ndeplinesc principalele cerine impuse ambreiajului.Ambreiajele cu un singur disc sunt simple constructiv i necesit ntreinerea uoar, sunt sigure, asigur i o bun decuplare precum i evacuarea cldurii degajate prin frecare.Au o mas redus si rezisten ridicat la uzare.

Calculul parametrilor ambreiajului: Ambreiajul trebuie s transmit cuplul maxim al motorului. Parametrul crititc al ambreiajului cu frecare este diametrul exterior al discului condus. Capacitatea de transmitere a ambreiajului este (momentul de calcul) :(47) Unde:Mc-momentul de calcul al ambreiajului;- coeficent de siguran al ambreiajului; el reprezint raportul dintre momentul transmis de ambreiaj si momentul maxim al motorului;Mmax-momentul maxim al motorului;Aleg = 1,4 innd cont de faptul ca autovehiculul proiectat este un automobil normal, nu unul de competiie.Mmax= 400 Nm;Rezult Mc= 560 Nm. Cuplul este transmis prin ambreiaj cnd discul condus vine n contact cu garniturile de frecare. Fora elementar este:(48) Cuplul elementar este :(49)Unde:- coeficientul de frecare;p0- presiunea dintre suprafeele de frecare. Cuplul de frecare pentru ntreaga suprafa de frecare este:(50)M=571,64 Nm Dac p0 este presiunea dintre suprafeele de frecare, atunci fora de apsare N este:(51)Se alege din literatura de specialitate:p0 = 0,25 MPar = 0,6 R = 0,3. Se calculeaz diametrul discului de friciune cu formula:(52)Aadar: = 264,8 mm.i= 2 suprafee de friciune;Rezult:R =132,4 mm; r= 79,44 mm; N = 8811,41 N;Rm=105,92 mm (raza medie).

Determinarea presiunii specifice, a lucrului mecanic pierdut prin frecare la cuplare i a valorii cu care creste temeperatura ambreajului la fiecare cuplare.

Presiunea specific pe fiecare suprafaa de frecare se definete ca fiind raportul dintre fora de apsare a arcului si aria suprafeei de contact. (53)

Valoarea acestei presiuni se alege, in cazul garniturilor metaloceramice, in intervalul 1,22,5 [Mpa], mai mare daca se dorete gabarit redus, ns o durabilitate mai redus n caz contrar.Am ales, in concluzie,

Astfel se poate calcula i aria suprafeei de friciune:A=4405,70 mm2Un alt parametru important in dimensionarea parilor componente ale ambreajului este lucrul mecanic pierdut prin frecare la cuplare. Exist mai multe formule de calcul a acestei marimi, unele exacte altele aproximative, in funcie de necesitati si de precizia cu care dorim s lucrm. Am ales pentru acest calcul, o formula ce ine cont de masa autovehiculului, a rapoartelor de transmitere al transmisiei principale si al primei trepte a schimbatorului de viteze si a razei de rulare.

(54)

Astfel se obine:L= 6467,57 J

Se poate calcula cresterea de temperatur a ambreiajului la fiecare cuplare:(55)Unde:- coeficientul care exprima partea din lucrul mecanic preluat de discul de presiune al ambreajului;=0,5;c- caldura specific a pieselor din fonta si otel;c=500 J/kgC;-masa aproximativ a ambreajului;= 3 kg.

Astfel se obine:= 2,15 C Subcapitolul 8.2 Calculul arcului de presiunePentru autoturisme se recomand folosirea arcurilor diafragm, pentru a avea o for de apsare constant pe toata circumferina discului si pentru o modelare mai avantajoas a caracteristicii de deplasare a forei de apasare.

In acest caz fora de apsare va avea urmtoarea formula:

(56)

nlocuim si obinem:

Dimensiunile de baz ale arcului diafragma sunt prezentate in figura de mai jos.

Fig 3 Arcul diafragm

Considerm nlimea total a arcului

Acum putem calcula si nlimea parii continue a arcului:

Grosimea arcului:

Deaorece materialul din care este fabricat piesa este oel aliat de arc, modulul de elasticitate longitudinal este Se alege coeficientul lui Poisson caracteristic acestui material:

Calculam si modulul de elasticitate relativ (57)

Pentru verificarea de rezisten si a gsi functiile , trebuie analizat mecanismul cuplarii si decuplarii.

Fig 4 Deformarea arcului diafragm

Din desen rezult:

Fora de apsare a arcului are urmtoarea formul:

(58)

Pentru a calcula fora , fora de decuplare, folosim relaia:

`(59)

Pe baza acestor formule vom putea evidenia variaia forei de apsare si de decuplare n funcie de deplasare.

Tabel 1.Variaia forei de apsare i de decuplare n funcie de deplasaref1 [mm]F1 [N]F2 [N]f1 [mm]F1 [N]F2 [N]

0004,14154,679-1925,34

0,1651,6879-302,0024,23957,976-1834,18

0,21263,183-585,3774,33761,057-1742,93

0,31835,459-850,5794,43564,896-1652,02

0,42369,493-1098,064,53370,468-1561,92

0,52866,258-1328,274,63178,749-1473,08

0,63326,73-1541,664,72990,714-1385,94

0,73751,884-1738,684,82807,336-1300,96

0,84142,696-1919,794,92629,593-1218,59

0,94500,139-2085,4352458,458-1139,29

14825,19-2236,065,12294,906-1063,49

1,15118,822-2372,145,22139,913-991,667

1,25382,012-2494,15,31994,454-924,259

1,35615,734-2602,415,41859,504-861,721

1,45820,963-2697,525,51736,037-804,505

1,55998,675-2779,875,61625,03-753,063

1,66149,844-2849,935,71527,456-707,845

1,76275,445-2908,135,81444,291-669,305

1,86376,454-2954,945,91376,51-637,895

1,96453,845-2990,8161325,087-614,065

26508,593-3016,186,11290,999-598,268

2,16541,674-3031,516,21275,22-590,956

2,26554,063-3037,256,31278,725-592,58

2,36546,734-3033,856,41302,489-603,592

2,46520,663-3021,776,51347,487-624,445

2,56476,824-3001,466,61414,695-655,59

2,66416,193-2973,366,71505,086-697,479

2,76339,745-2937,936,81619,637-750,563

2,86248,455-2895,636,91759,322-815,296

2,96143,297-2846,8971925,116-892,127

36025,248-2792,197,12117,995-981,51

3,15895,281-2731,967,22338,933-1083,9

3,25754,372-2666,667,32588,906-1199,74

3,35603,496-2596,747,42868,888-1329,48

3,45443,628-2522,667,53179,855-1473,59

3,55275,743-2444,867,63522,781-1632,51

3,65100,816-2363,797,73898,642-1806,69

3,74919,822-2279,927,84308,412-1996,58

3,84733,737-2193,687,94753,067-2202,64

3,94543,534-2105,5485233,582-2425,32

44350,19-2015,945,12294,906-1063,49

Legend:f deplasare;F1 fora necesar cuplrii;F2-fora necesar decuplrii;

Fig 5. Fora de acionare a ambreiajuluiSubcapitolul 8.3 Calculul prii conductoare a ambreiajului

Subsubcapitolul 8.4 Calculul discului de presiune

Pe lng funcia de a prelua fora din arcul diafragm si a o aplica discului de ambreaj, discul de presiune are i rolul de a disipa caldura aprut n timpul cuplarii si decuplarii. Cu aceasta ultim condiie se va gsi dimensiunea caracteristica a plcii, i anume nlimea.

Formula pentru aceasta nlime este:

(60)

Unde:

- densitatea medie a ambreajului

Subsubcapitolul 8.5 Calculul elementului de legtur

Legturile permanente ale discului de presiune sunt cu carcasa ambreiajului, care-l i antreneaz.Aceast legtur trebuie s asigure rigiditatea impus i mobilitatea axial necesar asigurrii cuplrii, decuplrii i compensrii uzurii garniturilor.Pentru ambreiajul proiectat se utilizeaz fixarea prin caneluri. La acest tip de fixare se face verificare la forfecare.Efortul unitar la solicitarea de forfecare este dat de relaia:(61)unde:b limea unei caneluri; b = 4 mm;l lungimea unei caneluri; l = 36 mm;R- raza medie la care sunt dispuse canelurile; R= 30 mm z numrul de caneluri. z = 10.Aadar 12,96 MPa. < t = 15 MPa.

Subcapitolul 8.6 Calculul prii conduse a ambreiajului

Subsubcapitolul 8.7 Calculul arborelui ambreiajului

Dimensionarea arborelui se face din condiia de rezisten la torsiune la momentul maxim al mototrului. Din aceasta ipotez rezult formula:

(62)

Pentru a putea determina acest diametru, mai intai trebuie sa alegem materialul. Un material ce se incadreaza in cerintele este 18MoCrNi13 (STAS)

Se alege din STAS canelura urmtoare : 6 X 21 X 25

Pentru a calcula presiunea de strivire, trebuie ntai s calculm fora de apsare si nltimea danturii.

(63)

Aleg lungimea poriunii canelate a arborelui (STAS)

(64)

Se determina efortul unitar la forfecare:(65)

Subsubcapitolul 8.8 Calculul arcurilor elementului elastic suplimentarMomentul Me care comprim arcurile pana la opritori trebuie sa fie egal cu momentul determinat de fora de aderen a rotilor motoare a automobilului, corespunztor unui coeficient de aderena =0.8. (66)(67)

Unde Ze-numrul arcurilor. Ze=12 Re-raza de dispunere a arcurilor Re=4060 mm. Aleg Re=50 mm;

Aleg valorile din STAS pentru parametrii elementului elastic suplimentar:

d-diametrul srmei; d=3 mm;D-diametrul exterior al arcului; D=17 mm;lf=28 mm;a=1.5 mm;B=d+m+r; B=18 mm;Unde: d-diametrul limitatorului: d = 12 mm; m, r-jocurile dintre limitatori si butuc: m, r=3 mm.

Subsubcapitolul 8.9 Calculul butucului ambreiajului

Calculul mbinrii dintre arbore si butuc se face pentru strivire pe flancurile canelurilor i pentru forfecare:Verificarea la strivire: (70)unde:k-coeficient de repartiie al sarcinii pe caneluri;k= 1,33 (STAS);Dm-diametrul mediu al dispunerii canelurilor;h- nlimea portant a canelurii;z- numrul canelurilor;l- lungimea de mbinare cu butucul discului condus;

Aadar s= 23,36 MPa < t= 30 MPa

Verificarea la forfecare: (71)unde:b- limea canelurii;Dm- diametrul mediu al dispunerii canelurilor;z- numrul canelurilor;l-lungimea de mbinare cu butucul discului condus;

Aadar f = 13,86 MPa < t= 15 MPa .

Subcapitolul 8.10 Generaliti privind mecanismul de acionareMecanismul de acionare al ambreiajului trebuie s asigure o cuplare perfect i o decuplare rapid; fora aplicat la pedal trebuie s nu fie prea mare (100 150 N la autoturisme), iar cursa total a pedalei s nu depeasc 120 150 mm. Pe msura uzrii garniturilor de friciune mecanismul trebuie s permit reglarea cursei libere a pedalei.Dup principiul de funcionare, mecanismele de acionare a ambreiajelor pot fi neautomate (mecanic,hidraulic) sau automate (vacuumatic,electric). n unele cazuri, pentru uurarea comenzii ambreiajului se utilizeaz mecanisme de acionare neautomate prevzute cu un servomecanism.

Subcapitolul 8.11 Calculul mecanismului de acionare al ambreiajuluiPentru calculul mecanismului de acionare al ambreiajului se urmrete ca parametrii determinai s se ncadreze n limitele prescrise.Se determin cursa total a pedalei i fora la pedal.Se alege un mecanism de acionare de tip hidraulic:Fig 6. Schema de calcul a mecanismului de acionare hidraulic

Considernd c presiunea lichidului este aceeai in pompa centrala si in pompa receptoare, conform principiului lui Pascal se poate scrie: ,(72)unde d1 este diametrul cilindrului de acionare, iar d2 este diametrul cilindrului receptor.Fora F2 se determin funcie de fora de apsare a discurilor:, (73)Fora F1 se determin funcie de fora la pedal: (74)rezult: ,(75)Unde: = reprezint raportul de transmitere mecanic; = reprezint raportul de transmitere hidraulic; a=(0,950,98) randamentul de acionare al mecanismului hidraulic.Cursa total a manonului rulmentului de presiune (sm) se determin cu relaia: ,(76)Unde: - cursa liber a manonului. Se alege =3 mm - jocul ce trebuie realizat ntre fiecare pereche de suprafee de frecare pentru o decuplare complet a ambreiajului. Se alege = 0,67 mmi - numrul perechilor de suprafee de frecare (i=2); - raportul de transmitere al prghiilor de debreiere. Se alege ip=1.5; Cursa pistonului cilindrului receptor se determin cu relaia: (77)Se considera raportul

Volumul de lichid activ n cilindrul receptor este : = = 7 cm3;(78)S-a considerat diametrul celui de-al doilea piston, d2 = 30 mm; Datorit faptului c presiunea de lucru este redus , iar conductele de legtur au o lungime relativ mic, se poate neglija deformaia conductei , iar volumul de lichid refulat din cilindrul pompei centrale se poate considera egal cu volumul generat de pistonul pompei receptoare (V1 = V2).Cu aceste ipoteze, cursa pistonului pompei centrale se determin cu relaia: (79)Diametrul primului piston, d2 2 d1 rezult d1 = 15 mm . Astfel, cursa S1 devine: Cursa total a pedalei de ambreiaj este: = = 120 mmS-a considerat raportul Fora la pedal, Fp se poate micora prin mrirea randamentului mecanismului de acionare a. Fora la pedal (la ambreiajele fr servomecanisme auxiliare) nu trebuie s depeasc 15-25 daN, deoarece consumul prea mare de efort fizic conduce la obosirea excesiv a conductorului auto.Fora la pedal se determin astfel: (80) = ,(81) ,(82)Astfel =(83) Se considera raportul

Rezult:183,57 N

Subcapitolul 8.12 Observaii i concluzii

S-a ales un sistem de acionare al ambreiajului de tip hidraulic, acesta amplificnd fora la pedala,de aici reieind un confort pentru conductorul auto.Fora de apsare a pedalei este de 183,57 N , mai mic dect limitele superioare impuse in literatura tehnic.

Subcapitolul 8.13 Bibliografie1. Calculul i construcia automobilelor- Gh. Fril 2. Curs Acionari hidraulice i pneumatice Prof. Dr. Nicolae Vasiliu3. Curs Transmisii pentru autovehicule - Prof. Dr. Mircea Oprean8. www.e-automobile.ro18. Proiect automobile

93