AMBREIAJUL

1.Introducere

La majoritatea autovehiculelor ambreiajul se fixeaza de volantul motorului, marind astfel momentul de inertie al acestuia, si constituie în cazul ambreajelor mecanice, un cuplaj de frictiune, prin care, cu ajutorul fortelor de frecare cuplul motorului se transmite la rotile motoare, prin transmisia autovehiculelor. În cazul ambreajelor hidraulice el joaca chiar rol de volant.

Includerea ambreiajului în transmisia autovehiculului are drept scop compensarea principalelor dezavantaje ale motorului cu ardere interna, functionare instabila si mers neuniform al arborelui cotit.     

          Ambreiajul 2 (fig.1) reprezinta un cuplaj de legatura între arborele cotit al motorului 1 si arborele primar al cutiei de viteze 3, fiind amplasat în vecinatatea volantului motorului, cu care este compatibil în dimensiuni.

          Ambreiajul este inclus în transmisia automobilului în vederea compensarii principalelor dezavantaje functionale ale motorului cu ardere interna precum si ale cutiei de viteze mecanice în trepte. El serveste la:

- cuplarea progresiva a motorului cu restul transmisiei la pornirea din loc a automobilului;

- decuplarea temporara a transmisiei la:

- pornirea motorului termic, în vederea atingerii regimului de functionare regimului de functionala stabila a acestuia;

- schimbarea treptelor de viteza;

- frânarea automobilului pâna la oprire;

Fig.1. Dispunerea ambreiajului în

echipamentul de propulsie

Constructiv, ambreiajul este constituit din partea conducatoare, partea condusa si sistemul de actionare.

Partea conducatoare reprezentata prin volantul 1 al motorului si mecanismul de ambreiaj 2, cuprinde totalitatea elementelor ambreiajului legate prin legaturi permanente cu arborele cotit al motorului. Partea conducatoare se afla întotdeauna în acelasi regim de miscare cu arborele cotit al motorului.

Fig.6.2.  Compunerea generala

a ambreiajului

Partea condusa reprezentata de discul de ambreiaj 3 si arborele ambreiaj (daca acesta exista ca piesa distincta), cuprinde totalitatea elementelor ambreiajului legate prin legaturi permanente de arborele primar al cutiei de viteze, cu care se afla în acelasi regim de miscare.

Sistemul de actionare, reprezentat prin mansonul de decuplare 4, furca 5 si un dispozitiv extern de comanda 6, mecanic sau hidraulic, cuprinde totalitatea elementelor ce participa la stabilirea sau desfacerea legaturii, numita legatura de cuplare, dintre partea conducatoare si partea condusa.

Starea cuplata a ambreiajului corespunde existentei legaturii de cuplare, iar starea decuplata corespunde desfacerii legaturii de cuplare. Trecerea ambreiajului din stare decuplata în stare cuplata se obtine în urma actiunii de debreiere, iar trecerea din starea cuplata în starea decuplata se obtine în urma debreierii.

Dupa felul legaturii de cuplare se deosebesc:

- ambreiaje mecanice,tratate în aceasta lucrare: ambreiajele la care legatura de cuplare este reprezentata de fortele de frecare ce iau nastere în suprafetele frontale de contact ale partilor conducatoare si condusa sub actiunea unor forte normale de apasare dezvoltate în sistemele mecanice rigide sau elastice;

- ambreiaje hidrodinamice (hidroambreiajele): ambreiajele la care legatura de cuplare se obtine printr-un lichid, dupa principiul de lucru al masinilor hidraulice rotative;

- ambreiaje electromagnetice: ambreiajele la care legatura de cuplare este consecinta unui câmp electromagnetic indus ansamblului condus de ansamblul conducator.

          Un ambreiaj bine conceput si corespunzator reglat trebuie sa îndeplineasca o serie de cerinte, dintre care:

- la decuplare sa asigure desfacerea rapida si totala a legaturii dintre motor si transmisie, pentru a da posibilitatea schimbarii treptelor de viteza fara socuri si pentru a preîntâmpina uzura prematura a ambreiajului prin existenta frecarii mecanice din suprafetele de contact atunci când automobilul este oprit cu motorul în functiune si din cutia de viteze cuplata;

-  la cuplare sa asigure cuplarea lina si completa a motorului cu transmisia, adica sa permita o crestere progresiva a momentului pe care îl transmite, pentru a se evita pornirea brusca din loc a automobilului si aparitia unor solicitari dinamice însemnate în transmisie. Cum în fazele cuplarii ambreiajului o parte din energia motorului se transforma prin patinarea ambreiajului în caldura, ambreiajul trebuie sa fie capabil sa preia întreaga caldura rezultata, fara a se produce cresteri periculoase de temperatura, si sa o cedeze cu usurinta mediului exterior;

- în stare cuplata, în toate conditiile normale de functionare ale automobilului, sa asigure transmiterea integrala a momentului maxim al motorului, fara patinare, iar în regimurile în care pot aparea suprasarcini dinamice sa limiteze, prin patinare, cresterea momentului, evitându-se astfel suprasolicitarea organelor transmisiei. De asemenea, fata de caracterul periodic variabil al momentului motorului si aleatoriu variabil al rezistentelor de înaintare, ambreiajul trebuie sa asigure izolarea transmiterii vibratiilor de torsiune între motor si transmisie.

          În afara conditiilor impuse ambreiajului în diversele faze de functionare, acesta trebuie sa mai îndeplineasca urmatoarele: momentul de inertie al partii conduse, solidare la rotatie cu arborele primar al cutiei de viteze, sa fie cât mai mic, un moment mare prelungind durata de egalizare a vitezelor unghiulare ale rotilor dintate ce urmeaza a fi cuplate, pe toata durata de functionare, parametrii de baza sa varieze cât mai putin, cuplate; pe toata durata de functionare, parametrii de baza sa varieze cât mai putin, eventualele reglaje impuse de corectarea parametrilor urmând sa se mentina timp îndelungat; sa aiba durata de serviciu si o rezistenta la uzura cât mai mari; sa aiba dimensiuni geometrice si mase cât mai reduse; sa confere siguranta în functionare printr-o constructie simpla si ieftina.

          În constructia de automobile, ambreiajele mecanice, de frictiune, au capatat raspândirea cea mai larga, dat fiind faptul ca ele satisfac în buna masura cerintele principale, respectiv: sunt simple, ieftine, sigure în exploatare, usor de manevrat si au momente de inertie mici ale pieselor

partii conduse. Functionarea ambreiajelor mecanice este bazata pe folosirea fortelor de frecare ce apar între suprafetele partilor conduse si conducatoare ale acestora.

2.Alegerea tipului constructiv

         

Ambreiajele mecanice întâlnite în constructia de autoturisme sunt ambreiaje cu arcuri.

          Partea conducatoare, legata de arborele cotit 1 al motorului, cuprinde volantul 2, de care se monteaza, prin suruburile 3,carcasa 4 a mecanismului ambreiaj. Solidar în rotatie cu carcasa 4, având însa fata de ceasta mobilitate relativa de translatie, se gaseste discul de presiune 5. Pentru realizarea fortei necesare mentinerii starii cuplate a ambreiajului, între carcasa  4 si discul de presiune 5 sunt montate precomprimat, arcurile periferice 7, respectiv arcul central diafragma 9.

Arcurile periferice, dispuse echidistant pe periferia discului de presiune, sunt arcuri elicoidale din sârma trasa cu caracteristica liniara. Starile de functionare ale ambreiajului sunt determinate prin modificarea sagetii elastice a arcurilor. Pentru aceasta, ambreiajul este prevazut cu pârghiile de decuplare 6.

a) ambreiaj cu arcuri periferice     b)ambreiajul cu arc central diafragma

Fig.3.  Schemele de organizare constructiva a ambreiajelor mecanice cu arcuri

La ambreiajul cu arc central diafragma rolul arcurilor de presiune si al pârghiilor de decuplare este îndeplinit de un disc subtire din otel de forma tronconica, având o serie de brate elastice formate din taieturi. În mecanismul ambreiaj prezentat, arcul se sprijina, prin cercul bazei mari pe discul de presiune 5 si, prin reazamul 8 din zona mediana, de carcasa 4. Situarea arcului în diferite pozitii în caracteristica elastica, corespunzatoare starilor de functionare, se obtin prin modificarea înaltimii trunchiului de con la actionarea cu o forta deformatoare asupra cercului bazei mici.

          Partea condusa este reprezentata prin ansamblul discului condus 10, montat prin caneluri pe arborele 11, care, în majoritatea cazurilor, este arborele primar al cutiei de viteze.

          Partea de comanda este reprezentata prin pârghia 13 si prin mansonul de decupare 12.

          În stare normala, ambreiajul este cuplat. Starea "normal cuplata" este efectul arcurilor de presiune 7 (fig.3.a), respectiv al arcului diafragma 9 (fig.3.b), care, montate precomprimat între carcasa 4 si discul de presiune 5, în tendinta de destindere, vor realiza strângerea discului condus între volant si discul de presiune.

          Fortele normale de apasare dintre suprafetele conduse si suprafetele conducatoare vor determina aparitia fortelor de frecare, fiecare suprafata de frecare reprezentând o cale de legatura dintre partile condusa si conducatoare. Fortele de frecare astfel generate, reduse în raport cu axa de rotatie, dau nastere momentului capabil al ambreiajului.

          Decuplarea ambreiajului se obtine când în partea de comanda se dezvolta o forta de decuplare Fd, sub actiunea caruia mansonul de decuplare 12, deplasat axial spre stânga, va rotii pârghiile de decuplare a fortelor elastice ale arcului diafragma 9, în sens orar. Simultan cu preluarea de catre pârghiile de decuplare a fortelor elastice ale arcurilor, prin comprimarea suplimentara a arcurilor, discul de presiune 5 este deplasat axial spre stânga, pâna când se desface contactul cu frecare dintre partile conducatoare si condusa. Se obtine starea de debreiere (decuplarea motorului de transmisie). Ambreierea dupa debreiere ( recuplarea motorului de transmisie ) se obtine prin anularea fortei de decuplare Fd din partea de actionare, când, prin destinderea arcurilor în starea anterioara decuplarii, se realizeaza contactul cu frecare dintre partea conducatoare si partea condusa.

          Analizând comparativ constructiile celor doua tipuri de ambreiaje, la ambreiajele cu arcuri periferice se constata urmatoarele:

- apasarea discului de presiune pe suprafata de frecare se face uniform;

- montarea arcurilor impune o serie de prevederi constructive legate de mentinerea lor contra actiunii fortei centrifuge la functionarea motorului si de evitarea actiunii directe a fluxului de caldura rezultat în fazele de patinare ale ambreiajului;

-  pârghiile de decuplare impun operatii laborioase de reglare pentru dispunerea capetelor inferioare într-un plan paralel cu planul mansonului de decuplare;

-  fiabilitate redusa datorita existentei unui numar mare de piese si cuple mobile si cu frecare ce intra în compunerea ambreiajului.

Din analiza celor doua caracteristici rezulta urmatoarele:

- actionarea ambreiajului cu arc diafragma este mai usoara deoarece forta necesara pentru mentinerea ambreiajului în pozitie decuplata este mai redusa la acest tip de ambreiaj (FD1<<FD2);

- ambreiajul cu arc central diafragma prezinta o progresivitate ridicata la cuplare datorita elasticitatii mari a arcului diafragma;

- ambreiajul cu arc central diafragma nu are tendinta de patinare la uzarea garniturilor, deoarece momentul capabil al ambreiajului se mentine în jurul valorii nominale de nou pe toata durata de functionare a ambreiajului (corespunzatoare uzarii garniturilor cu marimea h);

- toate elementele constructive sunt piese de revolutie, astfel ca echilibrarea ambreiajului se face fara dificultate.

Fig.4. Tipuri constructive de ambreiaje cu arcuri diafragma

a)ambreiaj cu arc diafragma ‘apasat’ b) ambreiaj cu arc diafragma ‘comprimat’

La ambreiajele cu arc central diafragma, în functie de sensul de actionare al fortei de decuplare, se disting doua tipuri: ambreiajul cu arc diafragma decuplabil prin comprimare, numit si ambreiaj de tip apasat si ambreiajul cu arc diafragma decuplabil prin tractiune, numit si ambreiaj de tip tras.

Constructia ambreiajului cu arc diafragma de tip apasatcuprinde în partea conducatoare: volantul 1 al motorului, carcasa ambreiajului 2, discul

de presiune 3 si arcul diafragma 4, montat precomprimat  în carcasa. Solidarizarea în rotatie dintre discul de presiune 3 si carcasa 2 se face prin intermediul lamelelor elastice multiple 5, care permit si translatiile relative dintre disc si carcasa necesare decuplarii  si compensarii uzurilor.

Constructia ambreiajelor  cu arc diafragma de tip tras difera prin modul de montare al arcului diafragma 1 precomprimat între carcasa 2 si discul de presiune 3 prin rezemarea de carcasa prin cercul bazei mari. Starea decuplata se obtine prin departarea mansonului de decuplare 4 de volantul motorului.

          Aleg ambreiaj mecanic neautomat cu arc central diafragma de tip apasat.

3. Elemente de calcul ale ambreiajului

Calculul ambreiajului cuprinde determinarea dimensiunilor principale în raport cu valoarea maxima a momentului motor, în functie tipul si destinatia automobilului si de verificarea la rezistenta a principalelor piese componente.

3.1. Determinarea parametrilor de baza ai ambreiajului

Parametrii principali care caracterizeaza constructia ambreiajului se refera la coeficientul de siguranta (β), presiune specifica (ps) si cresterea de temperatura (Δt) în ambreiaj la pornirea din loc a automobilului.

3.2.  Determinarea momentului de calcul

         

În timpul functionarii ambreiajelor, ca urmare a frecarilor normale din fazele de cuplare decuplare ale ambreiajului, suprafetele de frecare ale discului conduse sunt supuse uzurii. Fata de constructia mecanismului ambreiaj si modul de generare a fortelor de cuplare, uzarea garniturilor de frecare determina o detensionare a arcurilor si deci o modificare a fortei de apasare. Pentru ca ambreiajul sa fie capabil sa transmita momentul maxim al motorului si în cazul în care garniturile de frecare sunt uzate, la

dimensionarea ambreiajului se adopta momentul capabil al ambreiajului mai mare decât momentul maxim al motorului.

          În calculele de predimensionare acest lucru este luat în considerare prin coeficientul de siguranta al ambreiajului, notat  si definit ca valoare a raportului dintre momentul de calcul al ambreiajului(MM) si momentul maxim al motorului (MM).

          Momentul de calcul se determina cu formula:

                   Ma=β∙Mmax                                                                  

          Alegerea valorii coeficientului de siguranta al ambreiajului în vederea determinarii momentului necesar al ambreiajului se face tinându-se seama de tipul si destinatia automobilului, precum si de particularitatile ambreiajului.

          Pentru valori mari ale coeficientului de siguranta  se reduce intensitatea patinarii ambreiajului la uzarea garniturilor de frecare, se reduce lucrul mecanic de patinare si, prin aceasta, se sporeste durata de functionare a ambreiajului si se reduce timpul de ambreiere, îmbunatatindu-se dinamicitatea automobilului.

          Marirea exagerata a coeficientului de siguranta contribuie la aparitia unor suprasarcini în transmisie, în special la frânarea brusca a automobilului, prin diminuarea capacitatii de protectie prin patinare. În plus, cu cât  are valori mai ridicate, cu atât si forta necesara pentru cuplarea ambreiajului devine mai mare.

          Ambreiajul la care coeficientul de siguranta are valori reduse protejeaza bine transmisia de suprasarcini, deoarece patinarea ambreiajului are loc la valori mai mici ale momentului de torsiune, deci mai usor si mai frecvent în timpul deplasarii automobilului. Aceasta situatie poate deveni dezavantajoasa, deoarece alunecarile frecvente provoaca uzura prematura a discurilor.

          De-a lungul duratei de utilizare a automobilului, prin uzarea garniturilor de frecare ale ambreiajului valoarea coeficientului de siguranta se modifica dupa caracteristica elastica a arcurilor utilizate. Corespunzator reducerii fortelor de apasare a arcurilor datorita uzarii ambreiajului scade si valoarea momentului capabil al ambreiajului. Îndeplinirea cerintei de

transmitere integrala a momentului maxim al motorului limiteaza scaderea coeficientului de siguranta al ambreiajului uzat pâna la limita: u1.

         3.3.  Presiunea specifica (ps)

Presiunea specifica dintre suprafetele de frecare ale ambreajului reprezinta raportul dintre forta dezvoltata de arcul presiune (F) si aria unei suprafete de frecare a ambreiajului(A), dupa relatia:

                       

3.4.  Lucrul mecanic specific de patinare

Reprezinta raportul dintre lucrul mecanic de patinare L si suprafata de frecare a ambreiajului A:

                            

3.5.  Cresterea temperaturii pieselor ambreiajului

          Având în vedere faptul ca lucrul mecanic de patinare cel mai mare se produce la plecarea din loc a automobilului, aprecierea si compararea ambreiajelor din punct de vedere al încalzirii se face pentru acest regim.

Verificarea la încalzire se face pentru discurile de presiune, aflate în contact direct cu planul de alunecare, cu relatia:

                                                                                                 

unde:  - Δto este cresterea de temperatura;

- L- lucrul mecanic de patinare;

- α- coieficient care exprima partea din lucru mecanic preluat de discul de presiune al ambreajului;

- mp este masa pieselor ce se încalzesc;

- c este caldura specifica a pieselor din fonta si otel.

  3.6.  Dimensionarea garniturilor de frecare ale ambreiajului       

Garniturile de frecare sunt componente ale discului condus prin intermediul carora se stabileste, prin forte de frecare, legatura de cuplare a ambreiajului. Drept urmare suprafetele de frecare ale ambreiajului reprezinta caile de legatura dintre partile conducatoare ale ambreiajului.În aceste conditii momentul capabil al  ambreajului este mometul fortelor de frecare, dat de relatia:

unde:  -i-este numarul suprafetelor de frecare(al cailor de legatura

- dintre parte conducatoare si partea condusa);

- n-numarul discurilor conduse ale ambreajului;

-  -raza medie a suprafetei de frecare;

- Re,Ri- razele exterioare si interioare;

-  -coieficientul de frecare dintre suprafetele discurilor.

          Pentru a putea transmite momentul motorului, ambreiajul are nevoie de o suprafata de frecare a carei marime se determina cu relatia:

                             A=π∙(R ∙R )∙i                                                            

unde: - Re    -  raza exterioara a suprafetei de frecare;

- Ri    -  raza interioara a suprafetei de frecare;

- i       -  numarul de suprafete de frecare.

Raza exterioara a suprafetei de frecare se determina cu relatia: