FACULTATEA DE CONSTRUCTII DE MAŞINI

Titlul tezei

Angrenaje melcate spiroide la punţile motoare ale autovehiculelor

REFERATUL NR. I

Stadiul actual al cercetărilor în domeniul construcţiei punţilor

motoare la autovehicule

Conducător ştiinţific: Prof. dr. ing. Vasile BOLOŞ

Doctorand: ing. Ioan Dănuţ Silvaş

CLUJ-NAPOCA

Cuprins

pag

I.1.1 Automobilul – evoluţie..........................................................................................3

I.2. Transmisiile automobilelor......................................................................................5

I.2.1 Clasificarea autovehiculelor..................................................................................5

I.2.2. Diferenţialul şi transmisiile..................................................................................6

I.3. Consideraţii privind proiectarea angrenajelor........................................................27

I.4. Consideraţii privind proiectarea angrenajelor melcate spiroide.............................27

I.5. Aplicaţiile angrenajelor melcate spiroide...............................................................28

Concluzii......................................................................................................................3

6

Bibliografie..................................................................................................................37

2

I.1. Automobilul - evoluţie

Automobilul este un vehicul rutier, carosat şi suspendat elastic pe cel puţin trei

roţi care se poate deplasa prin mijloace de propulsie proprii în diferite condiţii de

teren şi este destinat transportului direct sau prin tractarea unor încărcături ce pot fi

bunuri sau personae.

Primul proiect de automobil a fost opera lui Leonardo da Vinci, care preciza

autovehicolul cu motor oralogic(cu arc special). Proiectul nu a fost realizat niciodată.

Primul vehicul cu propulsie proprie a fost inventat in 1796 de către căpitanul

de artilerie francez Joseph Cugnot. Acesta funcţiona având un motor cu abur.

Vehiculul se compunea dintr-un cadru din lemn de esenţă tare, consolidat cu ajutorul

unor traverse formând ceea ce mai târziu va fi şasiul. In partea din faţa a şasiului se

afla, sprijinit de un cadru de oţel, cazanul cu abur. Şasiul se sprijinea pe două osii din

lemn. Pe osia din faţă se afla o singură roată de direcţie şi de tracţiune în acelaşi timp,

iar pe osia din spate avea două roţi.

Fig. 1 Vehiculul inventat de Joseph Cugnot ()

După vehiculul lui Cugnot au fost construite şi alte vehicule cu aburi, majoritatea

construite în Anglia şi care puteau transporta mai mulţi călători. Acestea sunt

considerate strămoşii autobuzelor de azi.

3

In 1885 Karl Benz a inventat primul automobil care funcţiona cu un motor cu

ardere internă. Acesta semăna mai degrabă cu o trăsură deschisă. Pe axa din faţă se

afla la picioarele conducătorului o roată cu spiţe care prin intermediul unor pârghii

asigura direcţia. Pe axa din spate erau fixate două roţi subţiri cu anvelope din cauciuc.

In spatele banchetei era un motor cu un cilindru răcit pe apă, având ardere internă care

furniza la vremea respectiva 0,88 CP. Acesta punea în mişcare axa din spate şi roţile

prin intermediul unor curele, lanţuri şi al unor arbori.

Fig. 2 Primul automobile inventat de Karl Benz ()

Pentru acest vehicul Karl Benz a obţinut un brevet. Acest document urma să

fie considerat mai târziu certificatul de naştere al automobilului.

Au început să apară apoi diverşi constructorii de automobile în toate ţările

industrializate din lume.

In primii ani ai secolului XX apar şi primele fabrici de automobile. Astfel au

apărut uzinele Ford în America, Horch şi Audi în Germania, Renault în Franţa.

4

Fieacare din aceşti constructori au venit cu noi invenţii sau îmbunătaţiri la cele

existente. Odată cu această dezvoltare au început să apară şi diverse probleme.

I.2. Transmisiile automobilelor

Iniţial transmisiile automobilelor erau realizate prin curele şi lanţuri care au

trebuit să fie înlocuite deoarece aveau dezavantajul că existau pierderi mari de putere

datorită patinării curelelor. Totodată aceste curele aveau uzuri mari şi necesitau

înlocuiri repetate.

Transmisiile prin lanţuri presupuneau o atenţie deosebită deoarece funcţionau

în medii nu tocmai propice (apa,noroi,frig,etc), ungerea lor fiind facută manual. Odată

cu creşterea puterii motoarelor au crescut şi solicitările la care erau supuse

transmisiile automobilelor, impunându-se înlocuirea foarte rapidă cu transmisii prin

angrenaje. În acest sens, angrenajele trebuiau să transmită puterea motorului către roţi

şi să pună în mişcare automobilul. Aceste angrenaje sunt diferenţiate de

particularizarea fiecărui constructor, dar şi în funcţie de tipul autovehiculului. Datorită

faptului că există foarte multe tipuri de autovehicule, rezultă o multitudine de tipuri de

transmisii folosite.

I.2.1. Clasificarea autovehiculelor

Putem face o clasificare a autovehiculelor, având în vedere mai

multe criterii din mai multe puncte de vedere.

In funcţie de amplasarea motorului, autovehiculele se clasifică:

Autovehicule cu motorul plasat în fată (acestea sunt cele mai raspândite);

Autovehicule cu motorul plasat în spate;

Autovehicule cu motorul plasat central.

In funcţie de roţile care sunt antrenate de către motor şi pun autovehiculul în

mişcare :

Autovehicule cu tracţiune faţă ;

Autovehicule cu tracţiune spate;

Autovehicule cu tracţiune integrală;

In funcţie de modul în care este poziţionat motorul faţă de axa longitudinală a

autovehiculului:

5

Autovehicule cu motor longitudinal;

Autovehicule cu motor transversal.

In funcţie de destinaţia autovehiculelor :

Autoturisme;

Autoutilitare;

Autobuze;

Autocamioane;

Autovehicule destinate competiţiilor sportive.

Indiferent de locul pe care il ocupă autovehiculul în aceste criterii de

clasificare, există la fiecare o variantă de a transmite momentul motor către roţi şi

implicit de a pune autovehiculul în mişcare.

In urma clasificarilor mai sus descrise ,rezultă faptul că există posibiliatea de

multiple combinaţii şi soluţii constructive pentru realizarea transmiterii momentului

motor la roată. Acest lucru mai este influenţat şi de costurile de producţie ale fiecărui

autovehicul în parte şi de maniabilitatea şi fiabilitatea respectivelor autovehicule.

Prima mare problemă de care s-au lovit constructorii de automobile a fost că

roţile aflate pe aceeaşi punte aveau nevoie de turaţii diferite în viraje. Acest lucru a

dus la apariţia diferenţialelor. Primul diferenţial a fost inventat şi aplicat pentru prima

dată de catre mecanicul Onesiphare Pecquer in anul 1845.

I.2.2. Diferenţialul şi transmisiile

Diferenţialul – este un mecanism complex de angrenaje care permite

transmiterea unui moment motor către roţi şi care poate transmite roţilor turaţii

diferite atunci când este cazul.

SCHEMA CINEMATICA A DIFERENTIALULUI.

6

Fig. 3 Schema cinematică a diferenţialului

Odată cu evoluţia automobilelor aceste diferenţiale au fost şi ele îmbunătăţite

continuu.

Aceste diferenţiale se montează de regulă pe puntea motoare a

autovehiculului. Puntea motoare are rolul de a transmite momentul motor către roţi şi

este acea punte pe care se află transmisia principală.

Transmisia principală are rolul de a multiplica momentul motor şi de a-l

transmite, cu ajutorul diferenţialului, arborilor planetari dispuşi,în majoritatea

cazurilor, sub un unghi de 90 grade faţă de axa pinionului transmisiei principale.

Transmisia principală cuprinde toate mecanismele din punte care realizează o

demultiplicare a turaţiei motorului.

Rolul transmisiei principale este de a mări momentul motor primit de la

transmisia longitudinală.

Amplificarea momentului motor, cu un raport de transmitere de regulă

constant, numit raportul de transmitere al punţii motoare (notat io), reprezintă

adaptarea cinematică necesară impusă de conlucrarea motor -transmisie. Pentru a

realiza această funcţie prin construcţie, transmisiile principale sunt mecanisme de

tipul angrenajelor. La autoturisme, la care valoarea necesară a raportului de

transmitere este cuprinsă în intervalul de valori 3...5, transmisia principală este

constituită dintr-un singur angrenaj. Astfel de transmisii principale se numesc

transmisii principale simple.

In figura de mai jos este prezentată o transmisie principală simplă.

7

Carcasa diferential

Pinioane satelite

Pinion planetar

Arbore planetar

Fig. 4 Transmisie principală simplă (20)

Transmisia principală dublă

La autocamioanele grele şi la autobuze, unde este nevoie de un raport de

transmisie mare (intre 5..18), ce nu poate fi realizat cu o transmisie principală simplă,

cu menţinerea unei gărzi de sol ridicate, se utilizează transmisia principală dublă.

Transmiterea momentului motor către roţile autovehiculului se realizează în două

trepte.

Prima treaptă este formată dintr-o pereche de roţi dinţate conice cu dantură

curbă , iar a doua treaptă ditr-o pereche de roţi dinţate cilindrice cu dinţi înclinaţi.

8

Fig. 5 Transmisie principală dublă (4)

În acest caz mărirea raportului de transmitere se realizează în două trepte.

Prima treaptă printr-un angrenaj conic, aflat înaintea diferenţialului, iar cea de-a doua

printr-un angrenaj cilindric aflat în interiorul carterului transmisiei.

9

Fig. 6 Transmisie principală dublă având treapta a doua dispusă direct la roţile

motoare (4)

Punţile motoare, faţă de cele nemotoare, asigură transferul fluxului de putere

pentru autopropulsare, funcţie de modul de organizare a tracţiunii, de la arborele

secundar al cutiei de viteze sau de la transmisia longitudinală, la roţile motoare. De-a

lungul acestui transfer, fluxul de putere suferă o serie de adaptări şi anume:

-adaptare geometrică determinată de poziţia relativă dintre planul în care se

roteşte arborele cotit al motorului şi planul în care se rotesc roţile motoare;

-adaptare cinematică determinată de asigurarea rapoartelor de transmitere

necesare transmisiei automobilului;

-divizarea fluxului de putere primit în două ramuri, câte unul transmis fiecărei

din roţile motoare ale punţii.

Pentru a-şi îndeplini funcţiile de mai sus, mecanismele fluxului de putere din

puntea motoare cuprind: ambreiajul, cutia de viteze, transmisia principală (sau

angrenajul principal), diferenţialul şi transmisiile la roţile motoare.

10

Turaţiile la care lucrează angrenajele din punţile motoare variază în funcţie de

tipul autovehiculului de la 1 la 8000 rot/min, iar în cazuri excepţionale poate să ajungă

şi la 20.000 rot/min.

La automobilele cu dispunere transversală a motorului, transmisia principală

trebuie să transmită momentul motor între arbori avînd axe paralele. În acest caz

angrenajul folosit in costrucţia diferenţialului este unul cilindric.

Fig. 7 Transmisie principală pentru autovehicule cu motorul dispus transversal

(4)

Condiţiile impuse transmisiilor principale şi în speţă diferenţialelor sunt :

să asigure automobilului calităţi dinamice şi economice ridicate;

să aibă dimensiunile de gabarit cât mai reduse;

să funcţioneze fără zgomot;

să permită reglarea;

să se demonteze uşor;

să fie rezistente;

11

să aibă un randament ridicat.

După tipul angrenajelor utilizate în construcţia transmisiilor principale,

transmisiile pot fi :

Cu roţi dinţate conice;

Cu roţi dinţate cilindrice;

Cu angrenaje melcate;

Cu came;

Angrenajele conice se utilizează atunci când axele roţilor motoare nu sunt

paralele cu axa motorului şi\sau cutiei de viteze. Angrenajele conice pot avea dantura

dreaptă, înclinată, circulară(Gleason), în evolventă (paloide), epicicloide sau

hipocicloide.

Fig. 8 Tipuri de danturi la angrenajele conice (4)

În practică, danturile drepte şi înclinate nu se mai utilizează în prezent,

danturile curbe (circulare, în evolventă etc.) prezentând o serie de avantaje:

Gabarit redus al angrenajului;

Număr minim de dinţi mai mic (5..6, faţă de 12..13 la danturile drepte sau

înclinate);

Zgomot mai mic în funcţionare;

Posibilitatea preluării unor sarcini mai mari, numărul de dinţi aflaţi simultan în

angrenare fiind mai mare.

Cele mai utilizate angrenaje sunt cele cu dinţi curbi şi cele hipoide.

Angrenajele hipoide sunt angrenaje conice cu dinţi curbi cu axe

neconcurente (axa pinionului de atac este deplasată faţă de axa coroanei conice).

Acest tip de angrenaj se foloseste in general la autovehiculele de mare tonaj care

lucrează în condiţii grele, deorece permite mărirea gărzii la sol . Totodată se mai

12

foloseste şi la autocamionele şi autoturismele cu capacitate mare de trecere, asigurând

creşterea luminii la sol.

Fig. 9 Tipuri de transmisii principale (4)

În comparaţie cu angrenajul conic, angrenajul hipoid are o

funcţionare mai lină, permite montarea pinionului de atac între lagăre şi suporta

încărcături mai mari.

Angrenajele cu roţi dinţate cilindrice se folosesc doar atunci când axele rotilor

motoare sunt paralele cu axa motorului şi\sau cutiei de viteze. Iniţial aceste angrenaje

au fost cu dantură dreaptă dar au fost înlocuite rapid de cele cu dantură înclinată,

datorită zgomotului mare pe care îl aveau în funcţionare.

Fig. 10 Angrenaj cilindric utilizat în diferenţiale (19)

13

Soluţii constructive de diferenţiale folosite în transmisiile principale.

Fig. 11 Schema cinematică şi construcţia diferenţialului simplu simetric cu roţi dinţate

cilindrice. (20)

Fig. 12 Diferenţial simplu încorporat într-o cutie de viteze (20)

14

Fig . 13 Construcţia diferenţialului simplu cu angrenaj hipoid (4)

Fig . 14 Diferenţial cu angrenaj hipoid utilizat la un automobil Ferrari (10)

15

Acest tip de angrenaj folosit la transmisiile finale ale autovehiculelor este cel

mai utilizat în prezent, întrucât prezintă cea mai mare fiabilitate şi costurile de

mentenanţă sunt cele mai scazute. Totodată se pretează cel mai bine la cerinţele

actuale ale constructorilor în ceea ce priveşte transmisiile finale ale autovehiculelor.

Fig . 15 Construcţia diferenţialului cu angrenaj melcat (4)

1- melc ; 2- roata melcata

Angrenajele cu şurub melc si roată melcată sunt utilizate in general la

autocamioane grele şi autobuze deoarece în aceste cazuri în care avem nevoie de

rapoarte mari de transmitere pentru dimensiuni de gabarit cât mai reduse.

Dezavantajele acestui tip de angrenaj sunt randament scăzut, preţ de cost ridicat,

ungere nesatisfăcătoare, aparitia fenomenului de autofrânare. Aceste dezavantaje duc

implicit la scăderea fiabilităţii şi a creşterii costurilor de mentenanţă, astfel aceste

tipuri de angrenaje au fost tot mai rar folosite.

Angrenajele cilindrice utilizate la construcţia diferenţialelor pot fi cu dantură

dreaptă sau înclinată.

16

Fig. 16 Schema cinematică a unui angrenaj cilindric

Dupa modul de funcţionare al diferenţialelor, transmisiile

principale pot fi:

Cu diferenţiale simple;

Cu diferenţiale blocabile;

Cu diferenţiale autoblocabile;

Cu diferenţiale cu alunecare limitată.

Diferenţialele blocabile sunt foarte utilizate în cazul utilajelor care lucrează în

condiţii grele (tractoare, buldoexcavatoare, încarcatoare) şi al autovehiculelor de mare

tonaj.

Diferenţialele autoblocabile şi cele cu alunecare limitată sunt folosite frecvent

la autovehiculele cu tracţiune integrală. Aceste diferenţiale au fost introduse în

construcţia autovehiculelor deoarece aparea fenomenul de putere parazită care ducea

la uzuri premature a angrenajelor

17

Diferenţialul simplu

Fig. 17 Schema cinematică şi construcţia diferenţialului simplu, simetric, cu roţi

dinţate conice. (20)

1,8 – arbori planetari; 2,3 - saibe; 4 – coroana diferenţialului; 5 – bolţ; 6,10 – pinioane

satelit; 7 – carcasa diferenţialului; 9,12 – pinioane planetare; 11 - şurub.

Construcţia unui diferenţial blocabil

Diferenţialele blocabile şi autoblocabile au aparut in urma condiţiilor tot mai

grele la care erau supuse automobilele.

În cazul în care o roată pierde aderenţa aproape toată puterea motorului este transmisă

de către diferenţial către acea roată. Prin intermediul diferenţialelor blocabile şi

autoblocabile puterea este transmisă în şi catre roata care nu a pierdut aderenţa.

18

Fig. 18. Diferenţial blocabil (25)

Diferenţiale autoblocabile şi cu alunecare limitată

Diferential Torsen

Fiind unul dintre pionierii tracţiunii integrale, Audi a utilizat întotdeauna

sistemul cel mai eficient, fară a insista pe costuri. Sistemul Quattro utilizează un

diferenţial mecanic cu alunecare limitată - Torsen.

Diferenţialul Torsen, din englezul "torque-sensing", a fost inventat de

compania americană Gleason Corporation. Capacitatea sa de a limita alunecarea este

implementată prin utilizarea de perechi de pinioane şi roţi melcate. Aceste perechi au

o caracteristică specială- momentul poate fi transferat de la roata melcată la pinionul

melcat dar nu şi invers, astfel se blochează. Aceasta este caracteristica care limiteaza

alunecarea.

 

A: Carcasa diferential  

B: Axa iesire  

C: Roata melcata  

19

D: Pinion melcat  

E: Pinioane sincronizare  

F: Roata Hypoida (de la motor)  

G: Axa iesire 

 Fig. 19. Diferenţial Torsen (25)

La mers normal, pe drum drept, diferenţialul Torsen se comportă ca şi un

diferential normal. Dacă apare o diferentă de turaţie între puntea faţă şi puntea spate,

de exemplu axa de ieşire faţă se roteşte mai rapid decât carcasa diferenţialului iar axa

ieşire spate se roteşte mai lent decât carcasa, diferenţa de viteză dintre roţile melcate

faţă şi spate va fi sesizată exact de pinioanele de sincronizare. Perechea pinion melcat

– roată melcată nu se va bloca pentru că momentul este transmis de la roată la pinion.

Dacă o punte pierde aderenta, roata melcata se va roti rapid şi va angrena

pinionul pereche, care la rândul său va angrena prin pinionul sincron, pinionul

celeilalte punţi iar acesta va încerca să angreneze roata melcată. Angrenajul se va

bloca iar momentul va fi transmis punţii care are aderenta.

Un mare avantaj este faptul ca piesele pur mecanice reactionează instantaneu

la pierderea aderenţei. De asemenea, se asigură o caracteristică liniară de blocare iar

sistemul este permanent 4x4. In mod normal raportul de transfer fată – spate este de

50:50, fiind posibile şi alte rapoate, în funcţie de dantura roţilor melcate.

Diferenţialul cu vâsco-cuplaj

Diferenţialul central autoblocant cu vâsco-cuplaj este utilizat în câteva sisteme simple

de tracţiune integrală.

20

Fig. 20. Diferenţialul cu vâsco-cuplaj (23)

In interiorul cuplajului, sunt montate discuri conectate alternativ la axele de

ieşire. In carcasa închisă ermetic se află lichid vâscos care asigurş adeziunea

discurilor.

In condiţii normale, când cele două axe rulează cu aceeaşi viteză, discurile

sunt practic lipite. Dacă apare o diferenţă de turaţie între axe (pierdere a aderenţei),

discurile alternante se vor roti cu o turaţie mărită şi vor tinde să rotească prin

intermediul lichidului şi discurile pereche. Momentul se va transfera prin lichid de la

axa cu turaţie mărită la cea lentă. Cu cât diferenţa de turaţie este mai mare, transferul

de moment este mai mare.

Acest cuplaj sesizează diferenţa de turaţie: dacă nu apare alunecarea, nu se

transmite moment motor la altă axa. Dacă apare alunecarea, teoretic se poate

transmite până la 100% din moment, în funcţie de diferenţa de tracţiune dintre punţi.

Sistemul asigura numai o tracţiune integrală parţială. Este utilizat, de exemplu, la

Porsche 911 Carrera 4 care în mod normal rulează cu tracţiune spate.

Timpul de reacţie al mecanismului este mare, din cauza lichidului care nu este

un mediu fix (ca si angrenajele mecanice). Pentru a soluţiona această problemă, unii

producători modifică raportul de tracţiune pentru a induce alunecarea. Practic

vehiculul rulează cu un transfer de moment de 95:5. 

Cuplajul vâscos de blocare a

diferenţialului

21

 

 

 

 

 Fig. 21. Cuplajul vâscos de blocare a diferenţialului (23)

Deoarece sistemul Torsen este scump iar sistemul cu cuplaj vâscos asigură

doar o tracţiune integrală parţială, mulţi producători (Toyota Celica GT4, Subaru

Impreza, Mitsubishi Lancer, Ford Escort RS Cosworth) adoptă un alt tip de

diferenţial, practic un diferenţial normal care transferă momentul faţă - spate şi un

cuplaj vâscos de blocare pentru limitarea alunecării.

Practic, modul de funcţionare este similar celui descris anterior, având de

asemenea caracteristici neliniare şi întârziere în reacţie.

Diferenţialul activ

Diferenţialul central activ este cel mai sofisticat sistem utilizat la ora actuală.

Practic, diferenţialul autoblocant este de tip cu discuri multiple, care permite un

transfer variabil de moment între punţi. Transferul este controlat de un calculator care

primeşte informaţii de la diferiţi senzori despre patinarea roţilor.

In funcţie de construcţie si software, unele sisteme asigură un control mai

precis al tracţiunii în curbe, asigurând supravirarea sau subvirarea dorită, precum şi

cea mai bună tracţiune pentru accelerare şi frânare. Ca şi exemplu, Porsche 959 a fost

echipat printre primele cu acest tip de difereţial.

Sistemul PSK (Porsche-Steuer Kupplung) de la Porsche 959 asigură un transfer

variabil de moment pentru asigurarea tracţiunii maxime. În mod normal transferul este

de 40:60, faţă – spate, în corelare cu distribuţia de greutate a maşinii. La accelerare

puternică, transferul de greutate pe spate duce la reducerea tracţiunii pe faţă. Sistemul

PSK va transfera până la 80% din moment la axa spate pentru a mări tracţiunea.

22

Pe drumuri alunecoase se utilizează un raport de transfer de 50:50.

Calculatorul analizează permanent parametrii ca : poziţia clapetei de acceleraţie,

unghi volan, acceleraţie transversală, presiune turbo şi determină raportul de transfer

al momentului.

După valoarea momentului transmis la roţile motoare ale autovehiculelor,

acestea pot fi:

Cu diferenţiale simetrice ;

Cu diferenţiale asimetrice.

Diferenţialele asimetrice sunt acele diferenţiale care pot transmite valori

diferite ale momentului motor către cei doi arbori de ieşire din diferenţial. Ele sunt

utilizate la autovehiculele cu tracţiune integrală permanentă.

Calculul angrenajelor din diferenţiale comportă determinarea forţelor de

angrenare, dimensionarea angrenajelor, verificarea danturii la încovoiere, verificarea

danturii la oboseală, verificarea danturii la presiunea de contact, calculul arborilor şi

calculul rulmenţilor.

Pentru calculele de rezistenţă ale angrenajelor se are in vedere solicitările

maxime la care pot fi acestea supuse: momentul motor maxim şi turaţia maximă.

Materialele utilizate pentru construcţia angrenajelor sunt oţelurile aliate de

cementare. Ulterior acestea sunt supuse unor tratamente termochimice (cementare sau

cianurare).

Materialul de faţă aduce în prim plan plaja variată a construcţiei transmisiilor

principale, utilizate în construcţia autovehiculelor însă constatăm şi faptul că

angrenajele melcate spiroide ar fi o potenţială alternativă de optimizare a

diferenţialelor. Optimizarea ar fi posibilă prin înlocuirea perechii pinion de atac-

coroană cu un angrenaj melcat spiroid.

Pentru a face această înlocuire este necesară cunoaşterea valorilor limită a

mărimilor ce influenţează caracteristicile constructive ale angrenajelor punţilor

motoare ale autovehiculelor. Acestea se pot vedea în tabelul următor.

Mărime Autoturisme Autocamioane

Raport de transmisie 3...5 5...18

23

Turaţie( rot/min) 0...8000 ( 20000) 0...3500

Putere în kw 20...380 100...600 (1000)

Moment motor daN/m 70...500 400...2500

Tabel nr. 1. Mărimi ce influenţează caracteristicile constructive ale angrenajelor

Fig. 22. Diferenţial cu angrenaj spiroid (2)

Acest diferenţial face obiectul unui brevet American şi are în componenţa sa

un angrenaj melcat spiroid. Brevetul constă in faptul că a fost înlociut mecanismul

planetar dar cercetătorii au optat pentru utilizarea angrenajului spiroid în locul celui

hipoid.

Acest tip de angrenaj poate reprezenta o alternativă la angrenajele utilizate

în prezent în construcţia transmisiilor finale ale autovehiculelor.

Datorită faptului că face parte din aceeaşi familie ca şi angrenajele melcate avantajele

acestor tipuri de angrenaje se regasesc şi aici, în schimb o serie de dezavantaje sunt

eliminate în cazul angrenajelor spiroide. Astfel ungerea este mult superioară faţă de

angrenajele melcate, la fel preţul de cost este mai scăzut şi cel mai important lucru

este faptul că fenomenul de autofrânare este mult redus faţă de angrenajele melcate.

Un grup de cercetători de la institutul de mecanică din Ijevsk împreună cu

uzina constructoare de maşini din aceeaşi localitate au realizat o punte motoare pentru

autovehicule, a cărei diferenţial foloseşte un angrenaj melcat spiroid. Angrenajul

clasic hipoid a fost înlocuit cu unul melcat spiroid. În figura de mai jos se vad

schemele cinematice ale celor două angrenaje.

24

Fig. 23. Schemele cinematice ale punţii cu angrenaj spiroid si hipoid (1)

Fig. 24. Vedere de ansamblu a punţii cu angrenaj spiroid (1)

25

Pentru a observa diferenţele dintre cele două tipuri de angrenaje folosite în

cadrul punţilor motoare, grupul de cercetători a realizat o serie de măsurători pe un

stand de încercări.

Pentru a nu exista erori şi pentru a nu fi influenţate măsuratorile au fost luate

mai multe măsuri :

Angrenajele spiroide şi hipoide au fost instalate pe rând în acelaşi

carter de punte motoare

s-au folosit aceleaşi valori de intrare pentru efectuarea măsurătorilor

(turaţii, moment motor transmis, moment de frânare)

fiecare reductor a fost supus în prealabil unui rodaj de 500 km cu o

viteză maximă de 80 km/h

Fig. 25. Standul de incercări utilizat de către cercetătorii de la Ijevsk (1)

În urma măsurătorilor efectuate de către cercetători s-au observat următoarele:

Diferenţe foarte mici ale randamentului celor două tipuri de angrenaje

Valori aproximativ egale ale deplasărilor apărute în cadrul angrenajelor

Aceste diferenţe au fost considerate de către cercetători ca fiind neesenţiale.

I.3. Consideraţii privind proiectarea angrenajelor

26

Calculul transmisiei principale comportă determinarea forţelor de angrenare,

dimensionarea angrenajelor, verificarea lor la uzură şi oboseală, calculul arborilor şi

calculul rulmenţilor.

Momentul de torsiune este cel care determină apariţia forţelor în cadrul transmisiei şi

este determinat după valoarea maximă a momentului motor.

Valorile momentului motor pot varia de la 70daN/m pînă la 500 daN/m în

cazul autoturismelor iar în cazul autovehiculelor mari poate ajunge si la 2000daN/m

M(t) = M(max) ∙ i ∙ η

M(t)- momentul de torsiune

M(max)- valoarea maximă a momentului motor

i- raportul de transmisie

η- randamentul transmisiei

Dantura angrenajelor este verificată la încovoiere, la oboseală şi la presiunea

de contact.

În construcţia roţilor dinţate sunt utilizate oţeluri aliate de cementare, pentru ca

miezul dinţilor să reziste la eforturile mari de încovoiere şi să fie tenace pentru a

suporta sarcinile dinamice mari, iar suprafaţa să aibă o duritate suficientă pentru a

avea o rezistenţă mare la uzură. Pentru mărirea duratei de funcţionare roţile dinţate

sunt supuse unui tratament termochimic (cementare sau cianurare) urmat de

tratamentul termic corespunzător.

Pentru construcţia arborilor se utilizează în general aceleaşi materiale ca şi la

roţile dinţate sau oţeluri aliate cu conţinut scăzut de carbon.

I.4. Consideraţii privind proiectarea angrenajelor melcate spiroide

Pentru realizarea angrenajelor melcate spiroide se folosesc numeroase

combinaţii de materiale. La alegerea combinaţiei de materiale pentru un caz concret

de angrenaj melcat spiroid este important a se cunoaşte: locul de utilizare, încărcarea

la care este supus(moment de torsiune, turaţia de lucru), cantitatea necesară şi

condiţiile de lubrefiere.

Materialele folosite în cazul angrenajelor melcate spiroide sunt:

Pentru melc: oţel călit cu duritate 60-62 HRC, oţel recopt şi alamă

27

Pentru roată melcată: oţel călit, fontă cu grafit nodular, fontă cenuşie,

oţel sinterizat, material plastic şi aluminiu

Elementele de bază pentru proiectarea angrenajelor melcate spiroide sunt: distanţa

axială (care determină în mod implicit şi capacitatea portantă), raportul de transmitere

şi condiţiile de lucru. Pentru fiecare caz concret va rezulta o dimensiune optimă a

angrenajului. Calculele necesare fiind laborioase se impune utilizarea unei metodici

de proiectare asistată pe calculator.

I.5. Aplicaţiile angrenajelor melcate spiroide

Geometria familiei de angrenaje melcate spiroide le oferă acestora calităţi

specifice în comparaţie cu alte angrenaje din categoria celor cu axe încrucişate. Aceste

calităţi s-ar rezuma astfel:

Aşezare favorabilă a liniilor de contact în raport cu direcţia liniilor de

alunecare, ceea ce asigură condiţii bune pentru o ungere

hidrodinamică;

Un număr mare de perechi de dinţi în angrenare simultană, circa 10-

12% din numărul de dinţi ai roţii, element ce asigură o funcţionare

silenţioasă şi mărirea capacităţii de încărcare;

Un randament relativ bun;

Un dinte de roată mult mai plin în secţiunea transversală, ceea ce-i dă o

mare rezistenţă la încovoiere;

Raze de curbură ale flancurilor dinţilor de valori mari fapt ce asigură

rezistenţă sporită la presiunea de contact;

Viteza de alunecare relativă a flancurilor relativ redusă;

Posibilitatea folosirii pentru execuţia roţilor melcate şi a altor materiale

decât bronzul;

Compunere mai compactă a transmisiei pe seama micşorării

considerabile a distanţei axiale pe calea combinării deplasării axului

melcului în raport cu axa roţii melcate;

Posibilitatea realizării unei angrenări fără jocuri, dată fiind posibilitatea

reglării jocului prin deplasarea axială a roţii respectiv a melcului;

Posibilitatea amplasării în consolă a melcului;

28

Tehnologie de realizare asemănătoare cu cea a angrenajelor melcate

clasice.

Firma Illinois Tool Works – Chicago produce industrial angrenaje melcate spiroide.

Acestea au aplicaţii diverse.

Fig. 26. Angrenaj melcat spiroid utilizat în acţionarea unei foreze (21)

În acest caz angrenajul melcat are un raport de transmitere de 500:1 şi la

construcţia lui este utilizat mel şi roată melcată spiroidă din oţel aliat.

29

Fig. 27. Angrenaj melcat spiroid utilizat în construcţia unei maşini unelte

( transmiterea mişcării către capul divizor) (21)

Angrenajul utilizat are un raport de transmitere de 60:1 şi materialele folosite

pentru construcţia lui sunt aluminiu şi bronz.

30

Fig. 28. Angrenaj melcat spiroid utilizat în construcţia unei macarale auto.(21)

31

Fig. 29. Angrenaj melcat spiroid utilizat în construcţia unui troliu.(21)

Fig. 30. Angrenaj melcat spiroid utilizat în construcţia unui reductor cu axe

încrucişate la troliul unui elicopter de intervenţie. (21)

32

Fig. 31. Angrenaj melcat spiroid utilizat la mecanismul de acţionare al turelei unui

tanc.(21)

33

Fig. 32. Angrenaj melcat spiroid utilizat în construcţia unei maşini de tuns iarba. (21)

Fig. 33. Angrenaj melcat spiroid utilizat în construcţia unei maşini agricole. (21)

34

Fig. 34. Angrenaj melcat spiroid utilizat în construcţia unui autovehicul pentru

terenuri dificile. (21)

35

Concluzii

Din studiul bibliografic efectuat rezulta că transmisiile principale ale

autovehiculelor sunt posibil realizabile în mai multe variante constructive, fiecare

dintre ele având recomandări specifice, dar cea mai frecvent întâlnită este varianta

care utilizează angrenajul de tip hipoid. Justificarea acestei opţiuni se datorează

capacităţii portante ridicate ca rezultat al gradului de acoperire de valori superioare

ceea ce asigură o durabilitate net superioară faţă de celelalte angrenaje.

Principalul inconvenient al acestei variante îl constituie necesitatea utilizării în

procesul de fabricaţie a angrenajului a unor maşini unelte şi scule complexe precum şi

a unor tehnologii de execuţie şi control dificil de armonizat.

Elementele menţionate anterior au generat ideea înlocuirii angrenajului de tip

hipoid cu un angrenaj din aceeaşi categorie de portanţă şi anume, angrenajul melcat

spiroid. Cercetările efectuate până acum s-au cantonat în efectuarea unor tatonări

constructive şi experimentale la Uzina de Tractoare din Ijevsk- Rusia. De asemenea

firma Illinois Tool Works Inc din Chicago a realizat angrenaje melcate spiroide cu

aplicaţii în domenii adiacent- complementare autovehiculelor.

Avantajele constructive şi funcţionale ale angrenajelor melcate spiroide impun

încercarea folosirii acestora ca soluţii alternative la angrenajele hipoide cunoscute.

Acest demers impune parcurgerea următoarelor etape:

Alegerea unei variante de angrenaj melcat spiroid care să poată fi

inclus în structura unei transmisii principale a unui autovehicul

adecvat;

Proiectarea şi execuţia acestei transmisii la o dimensiune concret

stabilită;

Montarea unei transmisii principale de tip melcat spiroid pe un

autovehicul funcţional;

Efectuarea unui pachet de teste fiabilitate-mod de comportare.

Efectuarea acestui experiment va putea fi urmată de realizarea unor

corecţii de natură constructivă precum şi elaborarea unui studiu comparativ în ceea ce

priveşte preţurile variantelor transmisiei principale hipoidă respectiv melcat spiroidă.

36

Bibliografie

Abramenko, V. N., (1977), Issledovanie gheometrii cerviaka odnoi iz reznovidnostei

spiroidnoi koniceskoi tradiţionno-kunosnoi peredaci. În : „ Mehaniceskie peredacii”,

Mejvuzovski sbornik Vîpuşk 2. Ijevskii mehaniceskii institut Ijevsk

Anthony R. Caringella, James A. Gruszkowski, Wesley P. Nowakowski, (2001),

Limited slip differential, Illinois Tool Works Inc.

Bolos, V,(1999), Angrenaje melcate spiroide / Danturarea roţilor plane, Editura

Universităţii“ Petru Maior”, Tg Mureş

Frăţilă, G (1977), Calculul şi construcţia automobilelor, Editura Didactică şi Pedagogică,

Bucureşti

Grămescu, T., Slătineanu, L., Pruteanu, O., Marin, O., ( 1993), Tehnologii de danturare

a roţilor dinţate, Editura UNIVERSITAS, Chişinău

Guju, M., (1990), Angrenaje conice şi hipoide, Editura Tehnică, Bucureşti.

Handra-Luca,V., Napău,I., Napău,M., Napău, I.,D., Sudrijan,M., (2000), Angrenaje

ortogonale cu roţi plane şi axe încrucişate, Casa cărţii de ştiinţă, Cluj Napoca.

Jula, A.,Lates, M., (2004), Organe de maşini, Editura Universitatii Transilvania din

Brasov,

Kirov, A; Kirov, B (1955), Automobilul,Editura Tehnică, Moscova.

Krumme, W. (1967), Klingelnberg – Spiral kegelräder. Berechnung, Herstellung und

Einbau, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg/New York.

Mateevici,V; Ignat, D, (1970), Exploatarea Automobilelor, Editura Tehnică, Bucureşti.

Napău, I.,D.,(2005), Contribuţii privind modelarea, simularea şi experimentarea

angrenajelor melc-roată plană cu contact localizat-teză de doctorat, Universitatea Tehnică

Cluj Napoca, Facultatea de Mecanică.

Neculăiasa, V., (1994), Mişcarea autovehiculelor, Ed. Polirom Iaşi.

Patrik Beneteau, Francis Esnault,(1997), Hidrostatique 1. Transmission de puissance .

Cous et applications.Dunod. Paris

Patrik Beneteau, Francis Esnault. Hidrostatique (1997), Hydrodynamique 2.

Transmission de puissance . Cous et applications.Dunod. Paris

  Roşca, R., (2002), Autovehicule rutiere şi tractoare (vol. I), Edit. “Cutia Pandorei”,

Vaslui.

Townsend, Dennis, Dudley`s Gear Handbook, McGraw-Hill Inc

Ţurea, N ,Cunoaşterea Automobilului

37

Untaru, M. ş.a.,(1982), Calcului şi construcţia automobilelor, Editura Didactică şi

Pedagogică, Bucureşti.

****** (1992), Antriebs und Steuerungstechnik fur mobile Arbeitsmaschinen-

Mannesmann Rexroth- Catalog de aplicaţii

***** ( 1980), Helicon/Spiroid Gears and gear system, ITW- Chicago

***** ( 1991)Davall Gears, The Davall Gear Company Limited

***** Automobile engineer`s reference book. Third edition, vol. II London, George

Newens Limited

http://www.auto-tehnica.ro

http://www.torsen.com

http://www.howstuffworks.com

http://www.auburngear.com

http://www.totteren.ro

38