Cutii de viteze

Cutii de viteze

Rezistentele la inaintarea automobilului variaza mult in functie de conditiile concrete de deplasare si, in mod corespunzator, trebuie sa se schimbe si forta de tractiune la rotile motoare. Marea majoritate a automobilelor actuale sunt echipate cu motoare cu ardere intema, a caror particularitate consta in faptul ca puterea maxima este dezvoltata la turatii
foarte ridicate. Automobilul necesita puteri mari si la viteze mici, care insa nu pot fi asigurate de motor datorita valorii ridicate a turatiei minime stabile de functionare a acestuia. In consecinta, automobilul trebuie sa fie inzestrat cu un dispozitiv care sa permita schimbarea turatiei si momentului rotilor motoare in timpul mersului si sa asigure utilizarea integrala a
puterii motorului la toate regimurile de functionare. Acestui scop ii serveste cutia de viteze, care indeplineste functia unui variator de cuplu si turatie in transmisia automobilului, asigurand totodata posibilitatea mersului inapoi si functionarea motorului la regim de mers incet in gol, atunci cand automobilul sta pe loc.

1. Clasificarea, particularitatile de functionare si cerintele in raport cu constructia cutiilor de viteze

Se poate face clasificarea cutiilor de viteze in functie de diferiti parametri, care au in vedere atat particularitatile constructive cat si cele functionale. Astfel, dupa modul in care variaza rapoartele de transmisie, cutiile de viteze se impart in: cutii de viteze in trepte, cutii de viteze
progresive (cu variatia continua a rapoartelor de transmitere) si cutii de viteze combinate. Cutiile de viteze in trepte pot avea arbori ficsi sau arbori rotitori (cutii planetare). Cutiile de viteze progresive pot fi: mecanice (cu frictiune sau impulsuri), hidraulice (hidrodinamice sau
hidrostatice) si electrice. Cutiile de viteze combinate sunt hidromecanice si pot avea unul sau doua fluxuri de putere.

Teoretic, cutiile de viteze se pot clasifica si dupa sistemul de actionare: directa, automata sau semiautomata (cu preselectie). La cutiile de viteze cu actionare directa, schimbarea vitezelor se face nemijiocit de catre conducator cu ajutorul unei manete montate pe coloana volanului, pe podea sau direct pe carterul cutiei de viteze. La cutiile de viteze cu actionare automata, schimbarea vitezelor se face fara interventia conducatorului, in functie de conditiile de deplasare, caracterizate de pozitia pedalei de acceleratie si de viteza automobilului. La actionarea semiautomata, stabilirea treptei de viteza se face de catre conducator, dar schimbarea efectiva a vitezei se face de catre un servomecanism. Dispozitivele utilizate la actionarea automata si semiautomata pot fi pneumatice, hidraulice, electrice sau combinate.

2. Constructia si calculul cutiilor de viteze cu variatia in trepte a raportului de transmitere

In constructia de automobile, cutiile de viteze in trepte au capatat raspandirea cea mai larga, date fiind avantajele lor principale: simplitatea constructiei, randamentul ridicat si pretul de cost scazut. Caracteristica principala a acestor cutii de viteze o constituie numarul limitat al
rapoartelor de transmitere, conditionat de considerente economice si de ordin constructiv.

Necesitatea de a simplifica deservirea cutiei de viteze printr-un numar restrans de schimbari, iar pe de alta parte, asigurarea unui timp de demaraj cat mai mic, face ca la autoturisme, care in general dispun de o rezerva de putere mai mare decat celelalte tipuri de autovehicule, sa se utilizeze cutii de viteze cu patru trepte la cele cu litraj mare si mediu, si cutii cu cinci trepte la cele de mic litraj. Autocamioanele au un regim de exploatare mult mai variat decat     autoturismele. Astfel, autocamioanele mici, utilizate in transporturile urbane, lucreaza in conditii foarte apropriate de cele ale autoturismelor, ceea ce face ca numarul de trepte recomandat la cutiile de viteze ale acestora sa fie de trei sau patru. Autocamioanele mijiocii si mari se folosesc mai ales in transportul interurban, la care importanta demarajului scade si intervine profilul mai greu al drumurilor, ceea ce face ca puterea specifica sa fie mai mica, dar domeniul rapoartelor de transmitere sa fie mai larg. De aceea, la aceste autocamioane, ca si la autobuze, numarul de trepte frecvent utilizat este de cinci, ultima treapta putand fi o priza directa sau suprapriza (treapta de supraviteza). Autotractoarele se utilizeaza aproape exclusiv la transporturile la mare distanta si au o putere specifica mica. In cazul lor se recomanda tot cutiile de viteze in cinci trepte, completate cu o cutie de distributie in doua trepte, care practic dubleaza numarul de trepte in transmisie.

Din cele aratate reiese ca destinatia si conditiile de exploatare au un rol hotarator asupra constructiei cutiei de viteze, respectiv asupra numarului de trepte utilizate. Dezavantajul principal al cutiilor de viteze cu variatia raportului de transmitere in trepte consta tocmai in numarul limitat al rapoartelor de trasmitere, ceea ce face ca intre calitatile de tractiune si conditiile de exploatare sa nu existe totdeauna o concordanta perfecta. Cu toate acestea, avantajele oferite de cutiile de viteze in trepte sunt mult mai mari si, ca atare, ele au o preponderenta importanta in constructia de automobile.

2.1. Constructia cutiilor de viteze cu arbori ficsi si a cutiilor de distributie

Cele mai mult utilizate cutii de viteze cu arbori ficsi sunt prevazute cu trei, patru sau cinci trepte de viteze, considerate suficiente pentru a asigura calitati dinamice si economice bune automobilelor cu destinatie obisnuita. Cresterea numarului de trepte permite motorului de automobile sa functioneze la regimuri mai apropiate de cele optime, atat din punctul
de vedere al puterii, cat si al economicitatii. Cu toate acestea insa, cresterea numarului de trepte complica sistemul de actionare a cutiei de viteze, iar timpul necesar atingerii vitezei maxime creste ca urmare a numarului mare de schimbari, ceea ce face ca in multe cazuri calitatile dinamice si economice ale automobilului sa nu se imbunatateasca, ci dimpotriva, sa scada. Numai in cazul automobilelor cu destinatie speciala este justificata utilizarea unor cutii de viteze cu numar mai mare de trepte. Silentiozitatea cutiilor de viteze depinde in mare masura de tipul angrenajelor utilizate. In acest sens, rotile dintate ale cutiilor de viteze cu     arbori ficsi si ale cutiilor de distributie se executa cu dantura dreapta sau inclinata. La multe constructii se utilizeaza ambele tipuri de dantura, pentru diferite trepte de viteza. Cutiile de viteza cu arbori ficsi pot avea doi sau trei arbori.

2.1.1. Cutii de viteza cu doi arbori

Aceste cutii de viteza se folosesc la autoturismele cu motorul si puntea motoare in fata sau cu motorul si puntea motoare in spate, fiind montate in acelasi carter cu reductorul central si diferentialul. Se mai utilizeaza la autocamioanele de tonaj foarte mic si microbuzele de capacitate mica, realizate pe baza unor autoturisme. Ele sunt caracterizate de faptul ca Ie lipseste priza directa si momentul la toate treptele de viteza se transmite prin cate o singura pereche de roti dintate. Acesta face ca randamentul cutiilor de viteze cu doi arbori sa fie mai ridicat decat la cele cu trei arbori, pentru toate treptele cu exceptia prizei directe. In cazul automobilelor cu rezerva de putere mica, utilizarea cutiei cu doi arbori se poate considera mai rationala decat cea cu trei arbori. Dezavantajul cutiei cu doi arbori consta in diapazonul mai redus al rapoartelor de transmitere, care la unele constructii se suplineste cu o transmisie acceleratoare (suprapriza).

Schemele cinematice de principiu ale cutiilor de viteze cu doi arbori si patru trepte sunt reprezentate in figura 1, respectiv a-Citroen GS; b-Audi, c-Hillman Imperial si d-Zaparojet 968.

   

Fig. 1.

Caracteristica comuna a acestor scheme o constituie executia arborelui de iesire impreuna cu pinionul transmisiei centrale, utilizarea unui angrenaj permanent pentru toate treptele transmisiei directe si a unei roti dintate mobile pentru mersul inapoi.

In figura 2 este prezentata constructia unei cutii cu doi arbori cu patru trepte, utilizata la autoturismele VW.

Fig. 2.

La aceasta cutie de viteze toate rotile dint0ate destinate mersului inainte au dantura inclinata si se afla in angrenare permanenta. Cuplarea tuturor treptelor de mers inainte se realizeaza prin intermediul a doua sincronizatoare, unul montat pe arborele primar, iar celalalt pe arborele secundar. Utilizarea cutiei de viteze cu doi arbori presupune eliminarea transmisiei cardanice din schema cinematica a automobilului.

2.1.2. Cutii de viteze cu trei arbori

Aceste cutii de viteze au raspandirea cea mai larga in constructia de automobile si se utilizeaza la autoturisme, autocamioane si autobuze. Rapoartele lor de transmitere pentru toate treptele de mers inainte, cu exceptia prizei directe, se realizeaza prin intermediul a cate doua perechi de roti dintate, ceea ce permite adoptarea unor distante mici intre arbori si
obtinerea unor inaltimi de gabarit reduse. Aceasta reprezinta importanta datorita faptului ca, de multe ori, dimensiunile carcasei cutiei de viteze determina distanta la sol cea mat mica, in partea centrala a automobilului si, ca atare, micsorarea inaltimii cutiei de viteze contribuie la imbunatatirea capacitatii de trecere a automobilului. Avantajul principal al cutiilor de
viteze cu trei arbori il constituie priza directa, la care randamentul este foarte ridicat, iar uzura angrenajelor este redusa.

In figura 3 este prezentata constructia unei cutii cu trei arbori si trei trepte de viteze, utilizate la autoturismele M-21 Volga.

Fig. 3.

La aceasta constructie, prima treapta si mersul inapoi se realizeaza cu ajutorul unei roti cu dinti drepti, care se deplaseaza pe canalurile arborelui secundar, iar treptele a doua si a treia (priza directa) se cupleaza prin intermediul sincronizatorului, avand angrenare permanenta si dantura inclinata.

Constructia unei cutii de viteze tot cu trei arbori si trei trepte, destinate autoturismelor Cadillac, cu toate angrenajele cu dantura inclinata, este aratata in figura

Fig.

Cutiile de viteze cu trei trepte se utilizeaza mai ales la autoturismele cu rezerva de putere mare, ceea ce inseamna ca aproximativ 70% din timpul de exploatare este folosita priza directa cand randamentul lor este maxim. Ele se mai utilizeaza si la autocamioanele cu
sarcina utila foarte mica.

In figura 5. este reprezentata constructia unei cutii de viteze cu trei arbori si patru trepte, pentru autoturismele Rover iar in figura 6. o cutie similara pentru autocamioanele de tonaj mediu, SR-131.

Figura 6.

Cele mai multe constructii folosite la autocamioanele medii sunt prevazute cu cinci trepte de viteza, dintre care ultima poate fi priza directa sau suprapriza. In figura 7. este data constructia unei cutii de viteze cu cinci trepte, fara suprapriza (ZIL-164 A), la care angrenajul
permanent este format din patru perechi de roti dintate cu dantura inclinata.

Figura 7

La autocamioanele de tonaj mare si la autotractoarele folosite la tractarea remorcilor si semiremorcilor se folosesc cutii de viteze cu numar mai mare de trepte. Constructia unei asemenea cutii, cu sapte trepte de viteza, este prezentata in figura 8.

Figura8.

Particularitatea principala a cutiilor de viteze in trepte consta in faptul ca numarul rapoartelor de transmitere care se pot forma in acestea este limitat. Numarul treptelor de viteze este conditionat de considerente economice si dinamice. Daca in cazul autoturismelor si camioanelor mici puterea specifica mare a acestora permite utilizarea unor cutii de viteze cu
4-5 trepte, la autocamioanele si autotractoarele grele care prezinta o putere specifica mult mai mica, sunt in general cutii de viteze cu un numar mai mare de trepte pentru a asigura economicitate si dinamicitate autocamionului sau autotractorului. Din acest motiv cutia de viteze se completeaza frecvent cu un reductor in doua trepte, astfel incat numarul
treptelor de viteze ajunge de la 812 trepte.

2.1.3. Cutii de distributie

Automobilele destinate exploatarii in conditii grele au mai multe punti motoare, pentru antrenarea carora se utilizeaza pe langa cutia de viteze propriu-zisa si o cutie de viteze auxiliara, cu ajutorul careia puterea este distribuita la roti. Uneori, aceste cutii pot indeplini numai functia de distributie a momentului, iar alteori asigura si amplificarea acestuia, fiind prevazute cu una sau doua trepte demultiplicatoare. Schemele cinematice tipice ale cutiilor de distributie pot fi realizate in doua feluri.

Astfel, schemele prezentate in figura 9. (a,b,c) sunt caracterizate de prezenta a doi arbori     coaxiali cu actionare prin diferential si puntea din fata permanent cuplata.

Figura 9.

Cele prezentate in figura 10. (a,b,c) au doi arbori necoaxiali cu sectionare prin blocare, unul din arbori este coaxial cu cel din intrare, iar puntea din fata este periodic cuplata.

Fig. 10.

Schemele din figura 11 (a,b,c,d) au doi arbori de iesire coaxiali cu sectionare prin cuplare, iar puntea din fata poate fi periodic cuplata. Cutiile de distributie din prima grupa se realizeaza cu o trepta sau doua trepte, iar cele din grupa a doua si a treia, de regula cu doua trepte.

Fig.11.

In figura 12. (a,b,c,d,e,f) sunt redate schemele unor cutii de distributie, diferite de cele obisnuite. Astfel, caracteristic pentru solutiile a si b este prezenta a cate trei arbori de iesire; pentru solutiile c si d impartirea fluxului de putere ce trece prin angrenajele cu roti dintate,
pentru e - trei arbori de iesire, iar pentru f- reductorul planetar.

Figura12.

In figura 13. este prezentata constructia unei cutii de distributie pentru autocamioane cu doua punti motoare. Aceasta cutie realizeaza distributia momentului in parti egale pe cele doua punti motoare, cu doua rapoarte de transmitere: priza directa si treapta demultiplicatoare. La priza directa, cuplarea puntii din fata este facultativa, iar treapta reductoare se poate cupla si puntea motoare din fata, ceea ce se asigura printr-un sistem de blocare.

Fig. 13

In figura 1 este data constructia unei cutii de distributie pentru autocamioane cu trei punti motoare. In acest caz, distribuirea momentului se poate face fie in parti egale pe puntile motoare din spate, fie pe toate trei puntile in proportie de 25% puntea fata, 25% puntea I spate si 50% puntea II spate. Cutia prezentata asigura doua rapoarte de transmitere
demultiplicatoare. Cuplarea treptei inferioare nu este posibila fara cuplarea prealabila a punti din fata.

Fig. 1

Aceste cutii de distributie au dezavantajul ca nu asigura repartizarea momentului pe punti, corespunzator cu greutatea aderenta si conduc la circulatia unor puteri parazite in transmisie. Pentru inlaturarea acestor neajunsuri, se realizeaza cutii de distributie in care se include si un
diferential interaxial, prevazut cu sistem de blocare.

2.2. Elemente de constructie, alegerea si determinarea parametrilor principali ai cutiilor de viteze cu arbori ficsi si ai cutiilor de distributie

La proiectarea si constructia cutiilor de viteze in trepte cu arbori ficsi si a cutiilor de distributie trebuie acordata atentia cuvenita elementelor de constructie, fixarii arborilor si rulmentilor, posibilitatilor de reglare a acestora, rotilor dintate si dispozitivelor de cuplare a acestora.

2.2.1. Arborii cutiilor de viteze si de distributie

Parametrii principali ai cutiilor de viteze cu arbori ficsi si ai cutiilor de distributie se stabilesc in functie de distanta dintre arbori A, a carei valoare prealabila se calculeaza tinand seama de marimea momentului maxim al motorului, cu ajutorul urmatoarelor relatii:

- pentru autoturisme:     [mm];

- pentru autocamioane si autobuze:     [mm],

in care M_m este momentul maxim al motorului.

Distanta intre arbori se stabileste definitiv dupa alegerea modului si dimensiunilor rotilor dintate ale cutiei de viteze sau de distributie, cu recomandarea ca ea sa fie cat mai mica, in scopul micsorarii greutatii acestora. Arborii cutiilor de viteze si de distributie se predimensioneaza cu ajutorul urmatoarelor relatii:

- la arborele primar [mm] in care M_m este momentul maxim al motorului.

- la arborele intermediar si secundar [mm]

La proiectarea arborilor se pot utiliza, de asemenea, urmatoarele relatii dintre cel mai mare diametru al arborelui D si lungimea dintre reazeme l:

- la arborele primar si intermediar   

- la arborele secundar

Cele mai utilizate caneluri ale arborilor cutiilor de viteze si de distributie sunt cele cu profil in evolventa, pentru care se recomanda centrarea pe diametrul exterior sau pe laturile canelurii.

Arborele primar

De obicei, arborele primar face corp comun cu pinionul angrenajului permanent si serveste drept reazem arborelui secundar, asigurand legatura cinematica intre arborele cotit al motorului si cutia de viteze prin intermediul ambreiajului.

Rulmentii arborelui primar trebuie montati astfel incat variatiile de lungime ale arborelui, sub influenta temperaturii, sa nu influenteze negativ jocul din rulmenti sau sa duca la gripare axiala. In acest sens, numai un rulment trebuie sa preia efortui axial, iar celalalt sa aiba
posibilitatea de deplasare axiala. In figura 15. se prezinta schema constructiva pentru lagarul din fata al arborelui primar.

   

Fig. 15.

La solutia din fig. 15, a rulmentul 4 se sprijina atat in arborele cotit 1, cat si in volantul 2. In cazul dilatarii arborelui primar 3, rulmentul 4 se poate deplasa spre stanga. Solutia din figura 15., b prevede sprijinirea rulmentului numai in volant, ceea ce din punct de vedere tehnologic este mai usor de realizat, dar lungimea ambreiajului creste.

In figura 16. sunt prezentate cateva posibilitati de realizare constructiva a lagarului din spate al arborelui primar. In schema din fig. 16,a inelul exterior al rulmentului 8 care preia
fortele axiale se fixeaza in ambele sensuri cu ajutorul inelului elastic si al flansei 7, care prin strangere pe carcasa strange si inelul exterior. Inelul interior al rulmentului se sprijina in dreapta pe umarul pinionului, iar in stanga este strans cu o piulita cu caneluri 3, asigurata cu siguranta 9. Datorita unei proeminente interioare, siguranta 9 nu se poate roti independent de arborele primar 1, care serveste si drept suport arborelui secundar 6, prin rulmentii cu ace 5. Etansarea lagarului se realizeaza cu mansonul elastic 2.

Solutia aratata in figura 16,b, la care reazemul este asezat in carcasa se utilizeaza atunci cand seria de productie este mica si nu este convenabila realizarea rulmentilor cu canal pe inelul exterior. La fel si 14 solutia din fig. 16,c, unde inelul elastic este inlocuit cu un umar in alezajul carcasei. In fig. 16,d este aratata solutia cand rulmentul nu se
aseaza direct in carcasa cutiei de viteze, ci intr-o carcasa intermediara 1, care se foloseste la cutiile de viteze cu carcasa din aliaj de aluminiu sau in cazul in care carcasa cutiei de viteze este formata din doua piese si planul de separatie trece prin axa arborelui.

Fig. 16.

Arborele intermediar

Si in cazul arborelui intermediar, trebuie sa existe un rulment de compensare a dilatarilor     termice. In figura 17 sunt prezentate cateva solutii de fixare a rulmentilor arborelui intermediar.

Fig. 17.

Uneori, arborele intermediar se sprijina pe rulmenti radiali - axiali cu role conice (figura 18). In acest caz, jocul din rulmenti trebuie sa fie suficient de mare pentru a permite dilatarea axiala a arborelui, fara blocarea rulmentilor. Reglarea jocului din rulmentii conici se realizeaza
cu ajutorul garniturilor de reglaj de la capacele din capetele arborelui.   

Fig. 18.

Cand se folosesc rulmenti cu ace in colivie se recomanda constructia din figura 19. a si b, iar cand se folosesc ace separate cu cap cilindric sau conic, fata frontala a bucsei de distantare 7 si a contrabucsei 8 se prelucreaza dupa profilul capetelor acelor (fig. 19. c).

Fig. 19.

Arborele secundar

Lagarul din spate al arborelui secundar se asigura totdeauna complet, astfel incat el sa preia fortele axiale determinate de angrenajele cu dantura inclinata (figura     20.).

In acest caz, inelul exterior se fixeaza cu aceleasi mijioce ca si lagarul din spate al arborelui primar. Inelul elastic 12 se aseaza fie pe rulmentui 3 (fig. 20.a), fie in carcasa cutiei 1 (fig. 20.b) sau este inlocuit cu un umar in alezajul carcasei (fig. 20.c). Strangerea se executa cu flansa 2, care serveste drept carcasa angrenajului tahometrului, format din melcul 4 si roata 11. Datorita faptului ca la iesirea din cutia de viteze se monteaza angrenajul melc-roata melcata al tahometrului, inelul interior se reazema intr-o parte pe umarul arborelui 13, iar din partea cealalta este strans cu piulita 8, prin intermediul rondelei 7, flansei cardanice 6 si rotii melcate Deoarece arborele secundar iese in exterior, etansarea se face in ambele sensuri cu ajutorul mansonului dublu 5 si a carcasei de protectie 10. Piulita 8 se asigura impotriva desurubarii datorita trepidatiilor cu ajutorul cuiului spintecat 9.

Fig. 20.

In cazul cutiilor destinate automobilelor grele, de multe ori se utilizeaza rulmenti cu role conice pentru lagarul din spate al arborelui secundar (figura 21). Rulmentii 4 se aseaza in asa fel incat sa preia atat fortele axiale din ambele sensuri, cat si forta radiala. Pentru un montaj mai simplu, rulmentii se introduc in bucsa 3. Deoarece in acest caz arborele este canelat, inelul interior al rulmentilor se monteaza pe o bucsa 5. Fixarea axiala a inelului interior 1 al rulmentului intermediar, fixarea pinionului supraprizei 2 si a bucsei 5 de pe arborele secundar se face la fel ca in cazul anterior (fig. 20).

Fig. 21.

Materiale pentru arbori. Materialul pentru arborii din cutia din viteze trebuie sa asigure conditii complexe de rigiditate, rezistenta si duritate superficiala. In functie de constructia arborilor, pentru executarea lor se folosesc diferite oteluri, in majoritatea lor aliaje. Astfel, la arborii
care se executa dintr-o bucata cu rotile dintate, materialul este cel recomandat pentru rotile dintate: 18MC 10, 13 CN 30 X 25 MoC 11 X A etc; la ceilalti arbori se recomanda otelurile aliate cu continut mediu de carbon, de tipul 40 C10, 41 Mo C11 X, 50VC 11 (STAS 791-66), cu calirea suprafetei. Fusurile arborilor se trateaza termic la duritatea minima HRC=53, iar canelurile dupa tratamentui termic trebuie sa aiba duritatea HRC=5660.