Calculul si constructia puntii motoare
Rotile automobilului, în functie de natura si de marimea fortelor si momentelor care actioneaza asupra lor, pot fi:
-roti motoare (antrenate): sunt rotile care ruleaza sub actiunea fluxului de putere primit prin intermediul transmisiei de la motorul automobilului;
-roti libere (conduse): sunt rotile care ruleaza sub actiunea unei forte de împingere sau tragere, de acelasi sens cu sensul vitezei de deplasare a automobilului, exercitata asupra lor de cadrul sau caroseria automobilului;
-roti frânate: sunt rotile care ruleaza sub actiunea unui moment de frânare dezvoltat în mecanismele de frânare ale rotilor (frânare activa), sau de catre grupul motopropulsor în regim de mers antrenat (frâna de motor).
Pentru autoturisme, prevazute cu doua punti, organizarea tractiunii se poate realiza dupa solutiile 4x2 sau 4x4, prima cifra indicând numarul rotilor, iar cea de-a doua, pe cel al rotilor motoare. Pentru organizarea tractiunii de tipul 4x2, puntea motoare poate fi dispusa în fata sau în spate, iar pentru tipul 4x4 ambele punti sunt cu roti motoare.
Puntile motoare, fata de cele nemotoare, asigura transferul fluxului de putere pentru autopropulsare, functie de modul de organizare a tractiunii, de la arborele secundar al cutiei de viteze sau de la transmisia longitudinala, la rotile motoare. De-a lungul acestui transfer, fluxul de putere sufera o s 949g64j erie de adaptari si anume:
-adaptare geometrica determinata de pozitia relativa dintre planul în care se roteste arborele cotit al motorului si planul în care se rotesc rotile motoare;
-adaptare cinematica determinata de asigurarea rapoartelor de transmitere necesare transmisiei automobilului;
-divizarea fluxului de putere primit în doua ramuri, câte unul transmis fiecarei din rotile motoare ale puntii.
Pentru a-si îndeplinii functiile de mai înainte mecanismele fluxului de putere din puntea motoare cuprind: transmisia principala (sau angrenajul principal), diferentialul si transmisiile la rotile motoare.
În procesul autopropulsarii, din interactiunea rotilor motoare cu calea, iau nastere forte si momente de reactiune. Puntea are rolul de a prelua toate aceste forte si momente si de a le transmite elementelor elastice ale suspensiei si cadrului sau caroseriei automobilului. Preluarea fortelor si a momentelor, precum si transmiterea lor dupa directii rigide cadrului sau caroseriei automobilului, se face de un ansamblu constructiv al puntii, numit mecanismul de ghidare al rotilor. Mecanismul de ghidare defineste, în ansamblul puntii, cinematica rotii suspendate elastic prin intermediul suspensiei. Se definesc astfel punti rigide si punti articulate.
Transmisia principala cuprinde toate mecanismele din punte care realizeaza o demultiplicare a turatiei motorului.
Rolul transmisiei principale este de a mari momentul motor primit de la transmisia longitudinala sau de la arborele primar al cutiei de viteze si de a-l transmite, prin intermediul diferentialului si arborilor planetari, la rotile motoare, ce se rotesc în jurul unei axe dispuse sub un unghi de 900 fata de axa longitudinala a automobilului.
Amplificarea momentului motorului, cu un raport de transmitere de regula constant, numit raportul de transmitere al puntii motoare (notat io), reprezinta adaptarea cinematica necesara impusa de conlucrarea motor transmisie. Pentru a realiza aceasta functie, prin constructie transmisiile principale sunt mecanisme de tipul angrenajelor. La autoturisme, la care valoarea necesara a raportului de transmitere este cuprinsa în intervalul de valori 3...5, transmisia principala este constituita dintr-un singur angrenaj. Astfel de transmisii principale se numesc transmisii principale simple.
Adaptarea geometrica a fluxului de putere pentru autopropulsare presupune directionarea lui de la axa în jurul careia se roteste arborele cotit al motorului la axa transversala a automobilului, în jurul careia se rotesc rotile motoare. Aceasta functie se realizeaza în transmisia principala prin tipul angrenajului utilizat si anume angrenaje cu axe ortogonale în cazul dispunerii longitudinale a motorului si angrenaje cu axe paralele la dispunerea transversala a motorului.
a) Determinarea momentului de calcul
Pentru automobile cu o punte motoare momentul de calcul Mc se considera momentul maxim al motorului MM, redus la angrenajul calculat prin relatia:
(6.1)
unde:
icv este raportul de transmitere al cutiei de viteze în prima treapta;
este randamentul transmisiei de la motor la angrenajul calculat.
Adopt conform STAS 821-82 modulul normal:
mn=3 mm
b Calculul de rezistenta si dimensionare al angrenajelor
Denumirea elementului
Simbol
Indicatia de adoptare
Standarde aferente
Numarul de dinti:
- la pinion
- la roata
z1
z'2
z'1= z1 i0=65
Modulul normal
mn
STAS 822-82
Unghiul de înclinare de divizare
b
Unghiul de presiune de referinta normal
an
an
STAS 821-82
Coeficientul normal al capului de referinta
h*an
h*an=1
STAS 821-82
Coeficientul normal al jocului de referinta la capul dintelui
c*n
c*n=0,25
STAS 821-82
Nr. crt. |
Param. calculat |
zp |
zp' |
|
||||
|
|
b |
|
|||||
|
|
a |
|
|||||
|
|
at |
|
|||||
|
|
atw |
|
|||||
|
|
invat |
|
|||||
|
|
invatw |
|
|||||
|
|
xns |
|
|||||
|
|
xts |
|
|||||
|
|
xn |
|
|||||
|
|
xt |
|
|||||
|
|
mt |
|
|||||
|
|
d |
|
|
||||
|
|
i' |
|
|||||
|
|
dw |
|
|
||||
|
|
yn |
|
|||||
|
|
Dyn |
|
|||||
|
|
df |
|
|
||||
|
|
h |
|
|||||
|
|
da1 |
|
|
||||
Fortele din angrenaje
Pentru calculul danturii exista mai multe metode, dintre care cea mai frecvent folosita este metoda lui Lewis.
Aceasta metoda considera ca întregul moment se transmite prin intermediul unui dinte, considerat ca o grinda încastrata si ca asupra dintelui actioneaza forta normala Fn dupa linia de angrenare N-N si este aplicata la vârful dintelui.
Forta nominala se distribuie pe fâsia de contact dintre dintii aflati în angrenare producând ca solicitare principala presiuni specifice de contact.
Functie de momentul de torsiune Mc al arborelui, forta tangentiala se determina cu relatia:
(6.2)
unde:
- Mc : momentul la arborele rotii conducatoare a angrenajului
-Rd : raza de divizare
Forta nominala se calculeaza cu formula:
(6.3)
Componenta radiala se calculeaza cu formula:
(6.4)
si solicita dintele la compresiune.
Fig. 6.1.2. Definirea fortelor din rotile dintate cilindrice cu dantura înclinata
Componenta axiala, care se calculeaza cu formula:
(6.5)
nu determina solicitari asupra dintelui.
Calculul de rezistenta la încovoiere
Pe baza ipotezelor aratate, efortul unitar efectiv de încovoiere este dat de relatia:
(6.6)
unde:
- z : numarul de dinti ai rotii conducatoare;
Y
gei : coeficient de repartizare al efortului.
Coeficientul de repartizare al efortului tine cont de gradul de acoperire, iar pentru aceasta calculam gradele de acoperire frontal si suplimentar.
Pentru calculul gradului de acoperire frontal se utilizeaza relatia:
(6.7)
iar pentru gradul de acoperire suplimentar, utilizam relatia:
(6.8)
unde:
- Re1, Re2 : razele cercurilor de vârf ale rotilor din angrenajul de calculat;
- Rb1, Rb2 : razele cercurilor de baza;
arf : unghiul frontal de angrenare;
arf : unghiul frontal al profilului de referinta
Pentru calculul la sarcini nominale de regim, la determinarea valorii efective a efortului unitar de încovoiere, momentul de calcul este determinat de momentul maxim al motorului Mmax si de raportul de transmitere de la motor la angrenajul calculat prin relatia:
(6.9)
În cazul metodei Lewis, când se considera ca întreg momentul de torsiune se transmite printr-un singur dinte si se neglijeaza efectul compresiunii axiale dat de componenta radiala a fortei normale, rezulta o supradimensionare a danturii. Pentru evitarea supradimensionarii, în calculul de verificare valorile efective ale efortului unitar se compara cu eforturile admisibile la încovoiere pentru materialul utilizat; efortul admisibil de încarcare sai se adopta, în mod conventional, cu valori mai ridicate celor definite din conditia de rezistenta la valoarea nominala a momentului:
(6.10)
unde:
- c=1,5 : coeficient de siguranta.
La calculul de verificare al rotilor dintate la sarcini dinamice maxime (care apar la cuplarea brusca a ambreiajului si la frânarea brusca cu ambreiajul cuplat), momentul de calcul Mc se determina cu relatia:
(6.11)
unde:
- MM : momentul maxim al motorului;
- i't : raportul de transmitere de la motor la angrenaj;
- kd=1,5 : coeficientul dinamic.
Valorile efective ale efortului unitar sef se compara în acest caz cu efortul unitar de curgere sc al materialului rotilor dintate.
În tabelul 6.4. sunt prezentate valorile efortului unitar efectiv de încovoiere.
Valorile efortului unitar efectiv de încovoiere
|
Z=16 |
Z=63 |
ef |
|
|
es |
|
|
yef |
|
|
ye |
|
|
sef [Mpa] |
|
|
Calculul de rezistenta la presiunea de contact
Sub actiunea solicitarilor de contact de pe flancurile dintilor poate aparea oboseala straturilor de suprafata (sub forma de ciupituri, sfarâmari si mai rar cojire) si deformarea plastica a flancurilor dintilor (sub forma de laminare, ciocanire, încretire, ridare).
Determinarea presiunii de contact la sarcini nominale (de regim) se face utilizând relatia lui Hertz:
(6.12)
unde:
- ym : coeficientul de material;
- yfc : coeficient de forma în punctul de rostogolire;
- yec : gradul de acoperire asupra capacitatii flancurilor.
Deformarea permanenta a flancurilor dintilor la solicitarile de contact are loc când eforturile unitare de contact, fie datorita unor suprasarcini, fie datorita ungerii sau randamentului termic necorespunzator, depasesc limita de curgere.
Pentru calculul de rezistenta la presiunea de contact sub actiunea sarcinilor de vârf, momentul Mc se înlocuieste cu momentul dinamic Md.,
Valorile efortului unitar efectiv de încovoiere
|
Z=16 |
Z=63 |
ym |
|
|
yfc |
|
|
yes |
|
|
pefc [Mpa] |
|
|
6.1.2.3. Verificarea la durabilitate a angrenajelor
În afara unei rezistente insuficiente la sarcini nominale sau de vârf, scoaterea din functiune a angrenajelor în exploatare apare frecvent datorita depasirii limitei de rezistenta a materialului, provocata de sarcini periodice variabile. Durabilitatea angrenajelor este caracterizata de capacitatea de functionare îndelungata pâna la atingerea valorilor maxime permise ale uzurilor si pâna la aparitia oboselii materialului.
Pentru efectuarea calcului de durabilitate se considera ca motorul dezvolta un moment mediu echivalent Mech, la o turatie medie echivalenta wech
Momentul mediu echivalent se calculeaza cu relatia:
(6.13)
unde:
- Mrmed : momentul mediu la rotile motoare;
- icvmed : raportul de transmitere mediu al cutiei de viteze;
ht : randamentul mecanic al transmisiei.
Pentru calculul momentului mediu la rotile motoare se utilizeaza relatia:
(6.14)
unde:
- : forta specifica medie la rotile motoare;
- Ga : greutatea automobilului;
- rr : raza de rulare a rotii;
- i0 : raportul de transmitere al transmisiei principale.
Raportul de transmitere mediu al cutiei de viteze icvmed se determina cu relatia:
(6.15)
unde:
bk : timpul relativ de utilizare a treptei de viteze;
- icvk : raportul de transmitere în treapta k de viteza;
- n : numarul de trepte ale cutiei de viteze.
Turatia medie echivalenta se calculeaza cu relatia:
(6.16)
unde:
- : viteza medie de deplasare a automobilului.
Numarul de solicitari la care este supus un dinte, pe durata exploatarii între doua reparatii capitale (considerat ca durabilitate necesara), se determina cu relatia:
(6.17)
unde:
b : timpul relativ de utilizare a treptei respective;
- S : spatiul parcurs de automobil între doua reparatii capitale;
- i"t : raportul de transmitere de la rotile motoare pâna la angrenajul calculat;
- rr : raza de rulare a rotii.
Calculul la solicitarea de oboseala la încovoiere
Determinarea efortului unitar efectiv de încovoiere la solicitarea de oboseala se determina din relatia (6.6), prin înlocuirea momentului Mc cu Mech i't, Mech fiind determinat de relatia (6.13) si i't raportul de transmitere de la motor la angrenajul calculat.
Eforturile unitare efective obtinute la calculul la oboseala a danturii se compara cu efortul unitar la oboseala la încovoiere dupa ciclul pulsator sN, dat de relatia:
(6.18)
unde:
s : efortul unitar pe ciclu simetric;
-
sr : efortul unitar de rupere;
- N : numarul de cicluri pentru roata dintata care se calculeaza;
Angrenajele verificate sunt considerate sunt considerate corespunzatoare din punctul de vedere al rezistentei la oboseala daca este satisfacuta inegalitatea:
(6.19)
unde:
- k' : coeficientul de siguranta la calculul la oboseala; coeficientul k' se poate calcula cu relatia:
(6.20)
unde:
- : coeficient de dinamicitate;
- c : coeficientul de siguranta, se determina cu relatia:
- k1 : coeficient ce tine seama de concentratia sarcinii pe lungimea dintelui;
- k2 : coeficient care tine seama de siguranta necesara de functionare;
- k3 : coeficient care tine seama de precizia metodelor de calcul;
- : coeficienti care tin seama de precizia de prelucrare si de calitatea
Tabelul 6.1.6. Solicitarea de oboseala la încovoiere
|
Transmisia principala |
|
Z=16 |
Z=68 |
|
kni |
|
|
sefc [Mpa] |
|
Calculul la oboseala la solicitarea de contact
Efortul unitar efectiv de contact de contact, pefc, se determina, în acest caz cu relatia (6.12), unde forta tangentiala Ft=Ft ech, care se ia în calcul, corespunde momentului mediu echivalent, Mech, dezvoltat la o turatie medie echivalenta wech
Valorile eforturilor unitare efective de contact pefc calculate nu trebuie sa depaseasca efortul unitar admisibil de contact pac pentru asigurarea durabilitatii impuse.
Efortul unitar admisibil la contact este dat de relatia:
(6.21)
unde:
- pNc : efortul unitar de contact la oboseala, pentru un anumit numar de cicluri
Tabelul 6.1.7. Solicitarea de oboseala la încovoiere
|
|