Arbori si transmisii cardanice Cuprinsul prezentarii: 1. Tendinte generale in constructia de autovehicule comerciale. 2. Descrierea produselor analizate. 2.1.Caracteristici principale; 2.2.Transmisii cardanice in detaliu; - Articulatii; - Articulatii pentru compensarea axiala; - Articulatii intermediare. 2.3.Variante de asamblare; 2.4. Variante de flanse de asamblare; 2.5. Variante constructive de arbori cardanici; 2.6. Principalele dimensiuni ale arborilor cardanici studiati. 3. Fisele tehnice ale arborilor cardanici studiati. 3.1. Arbori cardanici cu compensare axiala; 3.2. Arbori cardanici fara compensare axiala cu 3.3. Ansamblu arbori cu compensare axiala in 3.4. Arbore cardanic intermediar cu compensare axiala;(YOKE design) 3.5. Arbore cardanic intermediar cu compensare axiala;(MUFF design) 3.6. Arbore cardanic cu compensare axiala si articulatie dubla pe ambele parti; 3.7. Arbore cardanic cu compensare axiala si articulatie dubla pe o parte; 3.8. Flanse de asamblare: - Model X; - Model DIN; - Model SAE. 3.9. Rulmenti intermediari. 1

4. Teorie generala elementara. 4.1. Cinematica articulatiei HOOKE; 4.2. Elemente care influenteaza folosirea arborilor;

1. Tendinte generale in constructia de autovehicule comerciale

In sectorul vehiculelor comerciale factorii decisivi care determina dezvoltarea arborilor cardanici sunt: Puterea motorului; Momentul maxim; (Fig. 1. a.) Turatia maxima a motorului; (Fig. 1. b.) 2

-

Raportul de transmitere al transmisiei; (Fig.1. c.) Greutatea autovehiculului; Nivelul de zgomot produs de arborele cardanic; Protectia mediului inconjurator.

a. c. Figura 1.

b.

3

Coroborat cu toate categoriile de autovehicule greutatile lor, puterea si momentul motorului se incearca a se mari totodata incercandu-se reducerea turatiilor acestuia. Datorita nivelului de zgomot si a consumului de combustibil care trebuie reduse cat mai mult precum si necesitatea optimizarii randamentului motorului termic, tendinta este de a reduce turatia motorului si de a folosi transmisii cu un numar mic scazut de trepte, in concordanta cu scaderea rapoartelor de transmitere. Arborii cardanici studiati din seria 2000 COMPACT sunt disponibili in 12 variante de dimensiuni si momente.

2. Descrierea produselor analizate.

Momentul maxim (Tcs) este solicitarea la torsiune maxima la care poate fi supus arborele cardanic fara a se afecta functionarea normala a acestuia. In acest sens este prezentata figura 2 in care se prezinta momentul maxim la care poate fi supus arborele in functie de dimensiunile acestuia. Alti parametrii principali ai arborilor cardanici sunt: o marimea sagetii; o greutatea arborilor; o viteza unghiulara maxima.

4

Figura 2. 2.1. Caracteristici principale Utilizand ingineria asistata, seria de arbori cardanici 2000 COMPACT a fost proiectata sa indeplineasca cerintele producatorilor de vehicule comerciale, cum ar fi: Capacitatea de incarcare: - transmisia de moment de torsiune static; - rezistenta la solicitari alternative sau pulsatorii. Comportamentul in timpul functionarii: - se bazeaza pe determinarea exacta a capacitatii de incarcare dinamica si statica. Comportamentul dinamic: - reducerea momentelor de inertie masice; - marirea lungimii maxime fara rulment intermediar pentru o viteza data; - diminuarea sagetii prin reducerea greutatii; - sporirea functionarii prin reproiectarea sectiunii interioare a arborilor; Temperatura de lucru: - arborii cardanici sunt disponibili standard sau pentru folosirea in conditii de temperatura variabile.Versiunea Standard Temp. inalte Temp. mici Limite de temperatura - 25 C pana la + 60 C - 25 C pana la + 80 C - 50 C pana la + 60 C Temperaturi mari (timp scurt de folosire) 80 C 120 C 80 C

Greutatea: - reducerea greutatii la o valoare data a momentului static si dinamic. Modelul scurt: - reduce lungimea de instalare in scopul folosirii de componente standardizate. Logistica: - este in conformitate cu standardele internationale (ISO); - reduce complexitatea ansamblelor; - folosirea sectiunilor dintate pentru asamblarea flanselor pentru a furniza: - un cost scazut si o eficienta maxima a stocarii; - un numar cat mai mic de bolturi de fixare; - simplificarea asamblarii cu bolturi; - un timp cat mai scazut pentru asamblare. Protectia mediului inconjurator: - reducerea zgomotului produs; - intretinere libera. 2.2.Transmisii cardanice in detaliu Articulatii: - efort la torsiune marit; - aceeasi rigiditate a componentelor.

5

Cruci cardanice cu intretinere: - performanta mare, rezistenta buna la solicitarea de oboseala si diametru mic de rotatie; - saibe de siguranta din plastic; - sistem de ungere foarte eficace. Cruci cardanice fara intretinere: - caracteristicile dinamice si dimensiunile aceleasi ca si la cele cu intretinere; - sistem de ungere nou dezvoltat folosind o unsoare speciala; - geometrie imbunatatita.

Articulatii pentru compensare axiala: - profilul de involut redefinit asigura performanta ridicata; - separa momentul transmis si are functia de centrare; - manson invelit in plastic.

Variante de asamblare 6

Pentru a monta transmisiile cardanice la mecanisme de transmisie i osii sunt necesare diferite tipuri de asamblri. Sunt disponibile urmtoarele tipuri de flane (standard ISO): XS

Flan cu angrenare pozitiv - XS (dantur n x), conform standardului ISO 8667 referitor la flane pentru cutia de viteze; ISO 12667 referitor la flane pentru arborii de transmisie Flan de friciune - dup standardul DIN, corespunztor standardului ISO 7646 - dup standardul SAE, corespunztor standardului ISO 7647

DIN

SAE

Flana cu dantur n x (XS) este utilizat tot mai mult datorit avantajelor sale tehnice i economice i va fi preferat n viitor. Avantajele acestui tip de flan sunt: Angrenarea pozitiv a danturii Necesit un timp mai scurt de montare Sistemul de fixare cu uruburi este simplificat Se utilizeaz mai puine uruburi Complexitate redus a deformaiilor (Reduced stock complexity) (= are planietate mai bun) Poziia de asamblare este clar definit Se utilizeaz piulie cu blocare automat

Numrul variantelor de flane10 Flane DIN 4 Flane cu dantur n x ISO 7 12 Flane SAE

12667

Variante i combinaii de transmisii cardanice Variantele principale sunt:

8

Transmisie cardanic cu compensare axial

(fix i mobil) Transmisie cardanic fr compensare axial, cu element intermediar

(fix si de mijloc) Transmisie cardanic cu cuplu scurt / intermediar i compensare axialvariante cu element intermediar de tip inel sau cu element intermediar de tip cruce

sleeve= manson, bucsa, mufa, tambur, cilindru, stut, niplu, cuzinet] yoke = furca, travee, etrier, colier, brida muff = cuplaj, manson, bucsa Designul liniei de transmisie cardanic poate varia n funcie de utilizare, de exemplu:

Ansamblu de arbori cu ax central de lungime fix i transmisie cardanic cu compensare axial

Ansamblu de arbori cu compensare axial i suprafa de reazem centralVariante speciale- ex: Nu necesit ntreinere, temperatur crescut/sczut, construcie cu izolaie fonic etc. la cerere.

Arbori cardanici cu compensare axial 9

Arbori cardanici fr compensare axial cu element intermediar

Ansamblu de arbori cu compensare axial n suprafaa de reazem central / intermediar

10

Arbore cardanic intermediar cu compensare axial Design Cilindru Furc

Arbore cardanic intermediar cu compensare axial Design Manon- Buc SleeveMuff-Design

11

Arbore cardanic cu compensare axial i articulaie dubl pe ambele pri

Arbore cardanic cu compensare axial i articulaie dubl pe o singur parte

Flane de asamblare model XS

Flane de asamblare model DIN 12

Flane de asamblare model SAE

13

Rulmeni intermediari

Cinematica articulaiilor Hooke1. Articulaiile n teoria mecanic articulaia cardanic, numit i articulaia Hooke, este definit ca fiind o unitate de acionare spaial sau sferic cu raport de transmisie neuniform. Modul de transmisie al acestei articulaii este descris prin ecuaia urmtoare: OBS: (Corelaia ntre deplasarea unghiular arborelui conductor este dat de relaia:) a arborelui condus i deplasarea unghiular a

14

n aceast ecuaie reprezint momentul unghiului de rotaie al axului 2. Micarea arborelui conductor i condus este descris n diagrama de mai jos. Micarea asincron i / sau non -homocinetic a axului 2 este descris prin oscilarea periodic a liniei asincrone n jurul liniei sincrone (linia ntrerupt).

O msur a neuniformitii este dat de diferena dintre unghiurile de rotaie raportul de transmisie dintre vitezele unghiulare i . Pus n ecuaie, nseamn: a) diferena dintre unghiurile de rotaie

i

sau

(numit i eroare cardanic)

b) Raportul de transmisie

15

OBS: =viteza unghiular a arborelui condus . = viteza unghiular a arborelui conductor 2. Articulaie universal Diferena unghiului de rotaie sau eroarea cardanic a unui arbore universal curbat poate fi compensat n anumite condiii de instalare cu ajutorul altui arbore universal. Soluiile constructive sunt urmtoarele: 1) Unghiurile de curbare ale ambilor arbori trebuie s fie egale, adic:

Exist dou posibilii de montare:

2) Cei doi arbori trebuie s se afle n relaie unghiular cinematic de 90 ( / 2), adic furcile arborelui de legtur s se afle n acelai plan. Pentru un studiu mai amnunit al cinematicii arborilor universali putei consulta recomandarea 2722 a VDI (Asociaia Inginerilor Germani), literatura tehnic relevant i mai ales cartea ,,Kardangelenkgetriebe und ihre Anwendung" (Acionrile arborilor cardanici i aplicaiile acestora) scris de Florian Duditza i publicat de VDI. Caracteristici tehnice generale pentru folosirea arborilor Pentru a utiliza arborii din seria Compact 2000 s-au creat o metod de calcul i un software speciale. Aceast metod de calcul se bazeaz pe termeni fizici generali i msurtori efectuate pe vehicule reale. Termenii fundamentali ai metodei VAMP (Metod de utilizare a arborilor la vehicule) se refer la: parametrii vehiculului 16

condiiile de operare valorile caracteristice ale arborilor din seria Compact 2000 cerinele speciale ale clienilor Astfel, se verific urmtorii parametrii:

Rezistena la oboseal Criteriul pentru rezistena la oboseal este momentul de torsiune maxim generat n transmisie n condiii normale de operare. Este determinat de: a) cuplul motor maxim b) momentul maxim de aderen n funcie de criteriul relevant se poate detrmina mrimea arborelui cu capacitate static suficient Tcs. Pn la aceast limit a momentului de torsiune un arbore poate fi ncrcat fr a afecta funcionarea transmisiei. Rezistena structural Rezistena structural se bazeaz pe momentul de torsiune maxim care poate aprea n condiii extreme sau n urma utilizrii necorespunztoare. Trebuie luate n considerare i limitrile referitoare la momentul / cuplul de aderen.

Durata de via / funcionare a unei uniti Durata de via a unei uniti se calculeaz utiliznd distribuiri specifice de crcare furnizate de clieni sau parametrii obinui n urma msurtorilor i experienelor proprii.

Vitez, unghi de lucru, lungime Criteriile sunt: - Relaia de vitez maxim n timpul utilizrii - Excitarea vibraiilor de torsiune generate de viteza arborelui i unghiul de lucru

n cele din urm se va alege mrimea optim a arborelui. Pentru a identifica valorile caracteristice specifice, de exemplu comportamentul dinamic special al tansmisiilor, putem sprijini clienii prin efectuarea de simulri i msurtori ale vehiculului. V rugm s contactai experii notri n aplicaii pentru orice alte probleme. Cum se pot solicita informaii sau depune comenzi Procesarea solicitrilor de informaii i a comenzilor de arbori cu articulaii universale va fi mai uoar i mai rapid dac ne oferii informaii referitoare la:

17

1. 2. 3. 4. 5.

Tipul i descrierea fabricii sau a unitii Condiiile de operare Date despre motor Date despre transmisie Condiii de instalare

6. Dimensiunile unitilor conectate

Condiii de instalaren timp ce se rotete articulaia universal are o vitez unghiular fluctuant, sinusoidal, care depinde de unghiul de curbare. Aa cum am descris detaliat n capitolul Teorie general elementar, aceast nesincronizare a sistemului poate fi compensat (pentru imbuntirea condiiilor de lucru) printr-o transmisie cu dou sau mai multe cuplaje cardanice alegnd montri speciale ale articulaiilor. Cnd dimensionm transmisia sau transmisia auxiliar, urmtoarele reguli trebuie respectate n practic : Condiii de unghi ale articulaiei universale: 1. Arbore cu dou articulaii "aranjament Z "

"aranjament W "

Unghiurile de curbare ale articulaiilor trebuie s fie egalel: = Aceast regul se aplic i n cazul deseneor cu vedere din fa sau vedere de sus. Articulaiile n form de furc ale arborelui intermediar trebuie s se afle n acelai plan. Toate cele trei articulaii trebuie s se afle n acelai plan. Not: Toate cele trei reguli trebuie respectate simultan.

18

Este de evitat, pe ct posibil, o montare a articulaiilor n dou planuri. Situaia apare ntotdeauna atunci cnd elementul conductor i cel condus nu se afl n acelai plan. Dac un astfel de montaj nu se poate evita i condiiile de instalare sunt rigide, acest defect / aceast nesincronizare poate fi compensat din punct de vedere cinematic printr-o dezaxare a articulaiilor.

Front view:

Top view:

Pentru a calcula unghiurile de curbare care rezult se pot aplica urmtoarele ecuaii:

2. Arbore cu trei articulaii n cazurile n care trebuie s acoperim distane mai mari ntre piese, articulaia universal trebuie s fie sprijinit de un reazem adiional, de obicei elastic.

19

Pentru ca neuniformitatea care se menine n transmisie (articulaia 3) s fie ct mai mic, suma tuturor neuniformitilor articulaiilor individuale trebuie s fie egal cu sau aproximativ zero.

(Vezi Cinematica articulaiilor Hooke "Kinematics of Hooke's joints") Semnele trebuie introduse conform urmtoarei reguli a semnelor. n acest caz regula semnelor este: pentru poziia articulaiei

pentru poziia articulaiei

Neuniformitatea rmas, dac mai exist, nu trebuie s fie mai mare dect: Diminuarea neuniformitii rmase se poate realiza i prin aa numitul unghi de curbare echivalent i n acest caz se aplic regula semnelor. Unghiul de curbare echivalent = 3 este unghiul de curbare echivalent al unei singure articulaii care corespunde unui grad de neuniformitate U = 0,0027. 3. Arbori cu mai multe articulaii n cazul unui montaj cu mai mult de trei articulaii, procedai aa cum am descries mai sus.

Recomandri generale pentru transmisiile de camion:

20

Pentru axul de transmisie de mare vitez respectai instruciunile vitezelor/turaiilor critice transversale pentru a determina lungimea de instalare. (Vezi "Influena vitezei i a unghiului de curbare") Alegei unghiuri de curbare mici pentru transmisia principal: (Vezi de asemenea (n x ) perm. "influena vitezei i a unghiului de curbare") Reducei diferena unghiurilor n articulaii i inegalitatea / dezaxare care rmne. Dac nu se respect aceste recomandri, rezult vibraii i zgomote, o conducere defectuoas a autoturismului i o durabilitate sczut a unitilor / pieselor. Repartizarea articulaiilor pe dou planuri Dac un montaj clasic al arborelui nu poate fi realizat i amplasarea articulaiilor nu poate fi schimbat, acest lucru poate fi compensat prin rotirea articulaiilor. n cazul acestui tip de montaj al arborelui, regula de montare care precizeaz c unghiurile de curbare ale articulaiilor trebuie s fie egale rmne valabil, adic: Planul 1 format de elementul conductor 1 i arborele de legtur 2 pe de o parte i Planul 2 format de arborele de legtur 2 i elementul condus 3 pe de alt parte, formeaz unghiul care poate fi compensat prin rotirea corespunztoare a articulaiilor. Unghiul de torsiune se afl dup cum urmeaz:

Furc Direcia de rotaie reiese din vederea lateral, adic articulaia 1 trebuie rotit in plan formnd unghiul . Arborele trebuie montat n conformitate cu aceste specificaii, nainte de o posibil compensare. Aceast poziie a articulaiilor trebuie marcat cu sgei.

21

Influena vitezei i a unghiului de curbareViteza Viteza admisibil a arborelui cu articulaie universal este influenat de urmtorii parametri: dimensiunea arborelui deschiderea/lrgirea furcilor datorat forei centrifuge calitatea echilibrrii / balansrii funcionarea bun a flanelor ataate unghiul de curbare n timpul operrii lungimea arborelui Viteza x unghiul de curbare Consideraiile teoretice i observaiile rezultate din diferite utilizri au artat c anumite momente de accelerare n mas a prii centrale a arborelui nu trebuie depite pentru ca acesta sa funcioneze silenios. Acest moment de accelerare n mas depinde de vitez, de unghiul de curbare i de momentul de inerie al prii centrale a arborelui. OBS: Arborii transmisiilor cardanice trebuie verificai la turaia critic. Presupunnd c centrul de mas al arborelui este deplasat fa de axa de rotaie, atunci la rotirea arborelui 22

cu vitez unghiular omega ia natere o for centrifug care provoac o ncovoiere suplimentar a arborelui. Unghiul de curbare posibil din punct de vedere mecanic al fiecrei articulaii depinde de mrimea arborelui. Datorit condiiilor cinematice ale articulaiei universale descris mai sus unghiul de curbare practic trebuie ales n funcie de viteza de rotaie. Urmtorul tabel prezint vitezele maxime i valorile maxime premise pentru produsul

diferitelor dimensiuni ale arborilor pentru momentul de inerie a prii centrale corespunztor unui arbore cu o lungime de aproximativ 1500 mm. Cnd analizm viteza critic de rotaie i avnd n vedere c se cere mentinerea unei echilibrri de calitate s-ar putea s fie necesar reducerea vitezei de rotaie. Deoarece funcionarea silenioas a arborelui universal descris depinde n mare msur i de condiiile de instalare, valorile n x prezentate n tabel pot fi considerate doar repere orientative. Sunt posibile i valori puin mai mari. Dac condiiile de sgeat i mas sunt favorabile valorile pot fi depite cu 50%. Vitez critic transversal Arborii universali sunt piese flexibile i elastice, care trebuie calculate lund n considerare vibraiile transversale i viteza critic transversal. Din motive de siguran viteza de operare maxim admis trebuie s fie suficient de mic fa de viteza critic transversal. Diagrama de la sfritul acestei pagini prezint vitezele critice transversale ale arborilor de diferite mrimi n funcie de lungimile de acionare i dimensiunile tubului prezentate n catalog. Valorile din diagram sunt aplicabile n condiii normale de instalare cu o distan presupus ntre punctul central al articulaiei arborelui i reazemul adiacent egal cu 3 x M i o suspensie rigid a pieselor asamblate. Pentru a obine o funcionare sigur i silenioas viteza de operare maxim admis, inclusiv o posibil depire a vitezei, nu trebuie s fie mai mare de 80% din turaia critic transversal prezentat n diagram. Dac viteza admis este depit, lungimea arborelui universal trebuie redus sau trebuie adugat un reazem intermediar. Urmtoarele diagrame trateaz doar arborii universali cu design standard. Pentru cei cu design special, cu compensri axiale mai mari dect cele normale sau cu alte modificri care reduc rezistena la flexiune este necesar un calcul special a vitezei critice. n acest caz cerei-ne sfatul. Viteza critic transversal a transmisiilor cardanice n funcie de lungimea de acionare 23

Solicitarea asupra reazemului la mbinareReazemele elementului conductor i al celui condus sunt solicitate de fore i momente dinamice i statice. Aceste fore de reazem rezult din: Erori statice datorate greutii arborelui universal compensrii axiale determinat de momentul de torsiune deviaiei cauzat de momentul de torsiune n cazul arborelui universal curbat Erori dinamice datorate dezechilibrului rmas ntre arbori compensrii axiale aperiodice (micarea axului) sub efortul de torsiune deviaiei de torsiune n cazul arborilor curbai rotativi i forelor centrifuge n cazul funcionrii defectuoase a pieselor asamblate Forele n reazeme datorate deviaiei de torsiune Ecuaia efortului de torsiune pentru o articulaie curbat este:

Dac puterea transmis (N) este considerat constant (fr pierderi datorate frecrii), relaia de torsiune poate fi urmtoarea:

Valorile extreme ale raportului de transmitere i sunt: 24

Astfel de asemenea:

Forele de reazem datorate modificrii lungimii

O funcionare neregulat a cuplului /momentului se obine n transmisie cu ajutorul unei capaciti constante a transmisiei, respectiv cu un efort de torsiune constant al transmisiei i o vitez unghiular constant a transmisiei . Doarece momentul este transmis doar n planul pivotului n form de cruce, crucea are totui o poziie orizontal fa de elementul conductor la un moment dat i o poziie vertical fa de elementul condus ntr-un alt moment. n funcie de poziia furcii exist n primul caz un moment de ncovoiere care acioneaz asupra furcii elementului condus i n cellalt caz un moment de ncovoiere care acioneaz asupra furcii elementului conductor. Astfel momentul elementului condus extreme fluctueaz de dou ori pe rotaie ntre valorile / cos and = 0; 180 * cos

= 90; 270

25

Arborele universal cu dou articulaii montat n Z prezentat n desen este ncrcat cu urmtoarele momente. Aici, ca i n cazul unei singure articulaii, sunt prezentate doar dou poziii extreme. = 90; 270 =

= 0; 180 =

n general:

Fore radiale care acioneaz asupra reazemelor la mbinare Pentru arbori universali cu dou articulaii montai normal, cu respectarea instruciunilor de instalare, de obicei este de ajuns s se cunoasc cele mai mari fore care acioneaz asupra reazemelor din elemntul conductor i cel condus, care apar de dou ori pe rotaie. Urmtoarea schem de calcul poate fi util. 26

Fore axiale care acioneaz asupra reazemului la mbinare Forele axiale care acioneaz asupra reazemului de mbinare se regsesc sub form de fore de recul / respingere datorit: deplasrii a motorului/ transmisiei i / sau cutiilor de viteze intermediare deplasrii axelor Aceste fore axiale acioneaz n funcie de: momentele care trebuie transmise dimensiunile seciunii elementelor longitudinale de compensare coeficientul de frecare n elementele longitudinale de compensare unghiurile de curbare ale arborelui cardanic n conditii de funcionare deplasarea dinamic relativ a motorului i a unitilor de transmisie ncrcri adiionale datorate efectelor hidraulice care apar cnd gresorul din sistemul de deplasare longitudinal este umplut prea

Schema de calcul a forelor radiale care acioneaz asupra reazemului la mbinare Universal shaft in Z-arrangementPosition 0 flange yoke right-angled to drawing plane Position /2 flange yoke in drawing plane

Universal shaft in W-arrangementPosition 0 flange yoke right-angled to drawing plane Position /2 flange yoke in drawing plane

DimensiuniLungimea de operare a unui arbore universal este determinat de: distana dintre elementul conductor i cel condus compensarea axial n timpul funcionrii Se utilizeaz urmtoarele abrevieri: Lz = lungimea comprimat Aceasta este lungimea cea mai scurt a arborelui. Comprimarea nu mai este posibil. La = compensarea axial 27

Arborele universal poate fi extins cu acest factor; La este un factor constant pentru fiecare arbore universal. O extindere care s depasc acest factor nu este admis. Lz + La = lungimea de operare maxim admis LBmax.

n timpul funcionrii arborele universal poate fi extins pn la aceast lungime. Lungimea optim LB a unui arbore universal se obine dac compensarea axial este extins cu o treime din lungimea sa. Aceast regul general se aplic in cazul celor mai multe tipuri de montaj. Pentru aplicaii unde este posibil s existe modificri mai mari ale lungimii, lungimea de operare trebuie aleas astfel nct micarea s se situeze n limitele compensrii axiale admise. Montarea arborilor cardanici O montare n tandem a arborilor universali poate deveni necesar pentru a face fa unor lungimi de instalare mai mari pentru a realiza un by-pass de construcie Forme de baz ale combinaiilor de arbori: Arbore universal cu arbore intermediar Arbore universal cu doi arbori intermediari 2 arbori universali cu reazem intermediar dublu

28

29