Cutia de viteze manuală - mod de funcţionare și componente

   Echiparea automobilelor cu cutii de viteze manuale sau automate depinde în principal de ţara în care se comercializează automobilul respectiv. De exemplu în Europa aproximativ 70% din automobilele în circulaţie sunt echipate cu cutii de viteze manuale. La polul opus se află regiunea NAFTA (America de Nord, Canada şi Mexic) şi Japonia în care automobilele cu cutii automate reprezintă 84%, respectiv 70%, din totalul de automobile aflate în circulaţie.

Caracteristica de tracţiune a automobilului

    Utilizarea cutiilor de viteze pe un automobil este necesară datorită următoarelor limitări ale  motorului cu ardere internă:

  • turaţie minimă stabilă relativ mare (600 ... 800 rot/min);
  • un singur sens de rotaţie al arborelui cotit;
  • puterea maximă este obţinută la o anumită turaţie;
  • consumul de combustibil depinde de turaţia motorului.

    Necesitatea de tracţiune a unui automobil se poate explica cu ajutorul puterii disponibile la roţile motoare. Astfel, puterea la roată este dată de produsul forţei de tracţiune şi a vitezei tangenţiale a roţii (care este egală cu viteza automobilului):

P [W] = Ft [N] v [m/s]

    Să presupunem că avem disponibilă la roată puterea maximă a motorului Pmax, indiferent de valoarea vitezei de deplasare. În acest caz forţa de tracţiune va depinde numai de viteza de deplasare a automobilului, deoarece puterea motorului este constantă la valoarea maximă:

Ft = Pmax / v

    Reprezentare grafică a relaţie dintre forţa de tracţiune şi viteza automobilului se numeşte hiperbola ideală de tracţiune (HIT) şi reprezintă caracteristica ideală de tracţiune a unui automobil.

Caracteristica ideală de tracţiune a unui automobil

Foto: Caracteristica ideală de tracţiune a unui automobil

    Este evident că caracteristica de tracţiune a unui motor termic este departe de a fi apropiată de caracteristica ideală de tracţiune. Curba de culoare neagră reprezintă caracteristica motorului termic fără să fie modificată de rapoartele unei cutii de viteze. Este echivalentă cu raportul de priză directă a unei cutii de viteze la care raportul de transmitere este aproximativ 1.00.

    Suprafaţă colorată în albastru deschis reprezintă zone de funcţionare din punct de vedere ale tracţiunii dar care nu sunt acoperite de motorul termic. Rezultă ca automobilul are nevoie de un convertor de cuplu şi turaţie care să aducă caracteristica motorului termic cât mai aproape de caracteristica ideală de tracţiune.

Caracteristica de tracţiune pentru o cutie de viteze în patru trepte pentru automobile

Foto: Caracteristica de tracţiune pentru o cutie de viteze în patru trepte pentru automobile

    După cum se observă dacă utilizăm o cutie de viteze în patru trepte se obţine o caracteristică de tracţiune apropiată de cea ideală. Din punct de vedere al tracţiunii cu cât cutia de viteze are mai multe trepte cu atât caracteristica de tracţiune este mai apropiată de cea ideală.

    Dacă ţinem cont de limitările motorului cu ardere internă precum şi de necesarul de tracţiune al unui automobil putem spune că o cutie de viteze are următoarele roluri/funcţii:

  • adaptarea caracteristicii de cuplu a motorului în funcţie de variaţia rezistenţelor la înaintare;
  • permite mersul înapoi al automobilului pentru acelaşi sens de rotaţie al arborelui cotit;
  • permite decuplarea motorului de restul transmisie în cazul staţionarii îndelungate a automobilului.

Construcţia şi funcţionarea cutiei de viteze manuală

    În funcţie de modul de poziţionare ale motorului cu ardere internă structura unei cutii de viteze manuală este diferită. De exemplu pentru automobilele cu motoare dispuse longitudinal pe puntea faţă şi tracţiune pe puntea spate cutia de viteze are trei arbori: unul de intrare, unul intermediar şi al treilea de ieşire.

Cutie de viteze NVG  cu cinci trepte pentru automobile cu tracţiune spate (motor dispus longitudinal)

Foto: Cutie de viteze NVG cu cinci trepte pentru automobile cu tracţiune spate (motor dispus longitudinal)
Sursa: General Motors

    În cazul automobilelor cu motor pe puntea din faţă şi tracţiune faţă (soluţia totul faţă) cutiile de viteze au doi arbori: unul de intrare şi unul de ieşire.

Cutie de viteze şi diferenţial General Motors cu şase trepte pentru automobile cu tracţiune faţă (motor dispus transversal)

Foto: Cutie de viteze şi diferenţial General Motors cu şase trepte pentru automobile cu tracţiune faţă (motor dispus transversal)
Sursa: General Motors

    Cutiile de viteze conţin mai multe perechi de mecanisme cu roţi dinţate care au rolul de a transforma cuplul motor şi turaţia în scopul adaptării motorului la cerinţele de tracţiune. Dacă o cutie de viteze este de tipul 5+1 înseamnă că conţine 5 mecanisme de roţi dinţate pentru mersul înainte şi un mecanism pentru mersul înapoi.

Cutie de viteze manuală (5+1) pentru un automobil cu motor montat transversal şi tracţiune faţă

Foto: Cutie de viteze manuală (5+1) pentru un automobil cu motor montat transversal şi tracţiune faţă.
Sursa: Wikimedia Commons

  1. pinionul intermediar al treptei de mers înapoi
  2. caneluri pe care se montează discul de ambreiaj
  3. arborele de intrare în cutia de viteze
  4. pinionul primar al treptei I
  5. pinionul prima al treptei de mers înapoi
  6. pinionul primar al treptei II
  7. pinionul primar al treptei III
  8. furca de cuplare a treptelor III-IV
  9. pinionul primar al treptei IV
  10. pinionul primar al treptei V
  11. furca de cuplare a treptei V
  12. arborele secundar
  13. pinionul diferenţialului
  14. pinionul secundar al treptei I
  15. furca de cuplare a treptelor I-II
  16. pinionul secundar al treptei II
  17. pinionul secundar al treptei III
  18. senzor de viteză
  19. pinionul secundar al treptei IV
  20. pinionul secundar al treptei V
  21. tijă de selecţie

    Pinioanele primare pentru toate treptele de viteză sunt fixe pe arbore, nu se pot roti independent faţă de arborele primar. Pe de altă parte pinioanele de pe arborele secundar sunt libere pe arbore, acestea se rotesc chiar dacă arborele secundar nu se roteşte (caz în care vehiculul staţionează). De reţinut că toate mecanismele cu roţi dinţate sunt angrenate tot timpul, cuplarea şi decuplarea unei trepte de viteză se face prin intermediul unor manşoanelor de cuplare.

Schema cinematică a unei cutii de viteze 5+1 (automobil motor montat transversal pe puntea faţă şi tracţiune faţă)

Foto: Schema cinematică a unei cutii de viteze 5+1 (automobil motor montat transversal pe puntea faţă şi tracţiune faţă)

    Fiecare treaptă de viteză este caracterizată de un raport de transmitere. Acest raport reprezintă valoarea cu care este convertit cuplul motor şi turaţia motorului într-o anumită treaptă de viteză. Raportul de transmitere depinde de mărimea pinioanelor ce compun treapta de viteză. Dacă se cunosc numărul de dinţi sau diametrul fiecărui pinion se poate calcula raportul de transmitere:

i = z2/z1 = d2/d1

unde:

z – numărul de dinţi
d – diametrul
1 – pinionul conducător (motor)
2 – pinionul condus

Exemplu de angrenaj pentru cutie de viteze manuala

Foto: Exemplu de angrenaj pentru cutie de viteze manuala
Sursa: Wikimedia Commons

    Raportul de transmitere al acestui angrenaj este de 2.8 deoarece pinionul condus are 28 de dinţi iar cel conducător 10 dinţi.

    Exemple de rapoarte de viteză:

Raportul Motor 1(benzină 75 CP) Motor 2(benzină 258 CP) Motor 3(diesel 150 CP)
1 3.73 4.35 3.80
2 2.05 2.50 2.23
3 1.39 1.67 1.36
4 1.03 1.23 0.97
5 0.79 1.00 0.76
6 - 0.85 0.61
diferenţial 4.50 3.15 3.56

    Pe baza valorilor rapoartelor treptelor cutiei de viteze putem extrage câteva informaţii referitoare la automobil. De exemplu în primul exemplu (Motor 1) cutia de viteze este cu doi arbori, tracţiune faţă, deoarece raportul de priză directă (treapta a patra) nu are valoarea 1.00 ci este apropiată (1.03). În cazul exemplului cu Motor 2 cutia de viteze este cu trei arbori, tracţiune spate, deoarece treaptă de priză directă are valoare 1.00. În acest caz arborele de intrare din cutie este conectat la arborele de ieşire fără să mai treacă printr-un mecanism cu pinioane.

    În cazul unui automobil cu o singură punte motoare, faţă sau spate, cuplul şi turaţia motorului sunt transformate de două ori până să ajungă la roţi. Prima conversie este făcută de raportul treptei de viteză cuplate iar a doua de raportul diferenţialului. De exemplu dacă, în cazul cutiei de pe Motorul 3 (diesel 150 CP) cuplul motor este de 130 Nm, iar prima treaptă este cuplată, la fiecare roată motoare vom avea (130 x 3.8 x 3.56)/2 adică 879 Nm ! În acelaşi timp dacă turaţia motorului este de 2000 rot/min iar automobilul se deplasează în linie dreaptă fiecare roată va avea turaţia de (2000 / 3.8 / 3.56) adică 148 rot/min!

Procesul de sincronizare al turaţiilor arborilor

    Procesul de cuplare a unei trepte de viteză este făcut în două etape:
selecţie: reprezintă etapa de selectare a manşonului de cuplare pentru treapta de viteză dorită (mişcarea levierului de viteze în stânga sau dreapta);
angajare: reprezintă cuplarea efectivă a treptei de viteză dorită (mişcarea levierului de viteze înainte sau înapoi).

    Etapa de angajare a treptei de viteză este distinctă deoarece în acestă etapă se face sincronizarea. În cazul în care schimbăm o treaptă de viteză (de exemplu 1-2) la trecerea în noua treaptă de viteză, a doua, turaţia arborelui de intrare trebuie sincronizată cu turaţia arborelui de ieşire.

    Exemplu: Schimbare de treaptă 1-2

1) nintrare = 3000 rot/min 2) i1 = 3.73 3) nieşire = 804 rot/min
6) nintrare = 1649 rot/min 5) i2 = 2.05 4) nieşire = 804 rot/min

    Din exemplul prezentat rezultă că la schimbare din treapta 1 în treapta 2 turaţia arborelui de intrare trebuie redusă la 1649 rot/min de la 3000 rot/min. Astfel se face sincronizarea turaţiilor arborilor.

    Sincronizarea este un proces care nu este perceput în mod evident de către conducătorul auto. O schimbare de treaptă de viteză durează în medie 0.7 secunde, perioadă ce cuprinde atât selecţia cât şi angajarea.

    Pentru a înţelege cum se face sincronizarea trebuiesc studiate componentele care sunt implicate în procesul de schimbare a unei trepte de viteză. În figura de mai jos este prezentată o pereche de pinioane primare împreună cu furca şi manşonul de cuplare.

    Pereche de pinioane primare cu elementele de acţionare şi sincronizare (poziţie necuplată):

  1. arbore secundar
  2. pinion secundar (treapta n)
  3. coroană dinţată de sincronizare şi cuplare (treapta n)
  4. inel sincronizator (treapta n)
  5. manşon de cuplare
  6. furcă de acţionare
  7. inel sincronizator (treapta n+1)
  8. coroană dinţată de sincronizare şi cuplare (treapta n+1)
  9. pinion secundar (treapta n+1)

Manşon de cuplare în poziţia neutră

Foto: Manşon de cuplare în poziţia neutră
Sursa: Wikimedia Commons

    În momentul în care se efectuează angajarea treptei de viteză (9) manşonul de cuplare (5) acţionat de furca (6) împinge inelul sincronizator (7) pe coroana dinţată (8). Contactul dintre inelul sincronizator şi coroana dinţată se efectuează pe o suprafaţă conică interioară şi are ca rezultat încetinirea turaţiei arborelui primar care este solidar cu pinionul (9). Când diferenţa de turaţii dintre arborele primar şi inelul sincronizator tinde spre zero, aceste piese se rotesc cu aceeaşi turaţie, manşonul de cuplare (5) se va deplasa peste inelul sincronizator (7) şi coroana dinţată (8) rigidizându-le. Astfel se realizează cuplare unei trepte prin sincronizare.

    Pereche de pinioane primare cu elementele de acţionare şi sincronizare (poziţie cuplată):

  1. arbore secundar
  2. pinion secundar (treapta n)
  3. coroană dinţată de sincronizare şi cuplare (treapta n)
  4. inel sincronizator (treapta n)
  5. manşon de cuplare
  6. furcă de acţionare
  7. inel sincronizator (treapta n+1)
  8. coroană dinţată de sincronizare şi cuplare (treapta n+1)
  9. pinion secundar (treapta n+1)
  10. butucul manşonului de cuplare
  11. element de blocare a manşonului pe poziţia neutră

Manşon de cuplare în poziţia cuplat

Foto: Manşon de cuplare în poziţia cuplat
Sursa: Wikimedia Commons

    De reţinut că la o schimbare în sus (din treapta n în n+1) arborele primar trebuie frânat iar la o schimbare în jos (din treapta n+1 în n) arborele primar trebuie accelerat. Astfel la o schimbare în jos, mai ales dacă schimbarea este de la n la n-2, pentru a avea o sincronizare mai rapidă, se poate face o „dublă debreiere”. Acest procedeu constă în accelerarea motorului, cu ambreiajul cuplat, înainte de a angaja treapta dorită, pentru accelerarea arborelui primar. Etapele succesive ale unei schimbări de viteză cu „dublă debreiere” sunt:

  1. decuplarea motorului de transmisie prin apăsarea pedalei de ambreiaj
  2. scoaterea din treapta de viteză curentă (n)
  3. cuplarea motorului prin eliberarea pedalei de ambreiaj
  4. accelerarea motorului până la turaţia dorită
  5. decuplarea motorului de transmisie prin apăsarea pedalei de ambreiaj
  6. angajarea noii trepte de viteză (n-1 sau n-2)

    Acest procedeu este mult mai eficient la schimbări de trepte de tipul 3-1 sau 4-2 pentru care arborele primar trebuie accelerat cu aproximativ 2000 rot/min. Este evident că se poate efectua o schimbare de treaptă clasică, fără dublă debreiere, dar care v-a dura mai mult datorită faptului că sincronizarea va fi mai lungă.

    Majoritatea cutiilor de viteze manuale sunt prevăzute cu sincronizatoare cu un singur inel. Există cutii de viteze care au sincronizatoare duble, cu două inele de sincronizare. Aceste sunt utilizate în special pentru treptele 1 şi 2 la care sincronizarea poate presupune decelerarea sau accelerarea arborelui primar la valori mai ridicate.

Sincronizator dublu Borg Warner

Foto: Sincronizator dublu
Sursa: Borg Warner

  1. pinion secundar;
  2. coroană dinţată;
  3. rulment cu ace;
  4. inel sincronizator interior;
  5. inel intermediar;
  6. inel sincronizator exterior;
  7. butuc manşon de cuplare;
  8. manşon de cuplare;
  9. element de blocare a manşonului pe poziţia neutră

    Una din constrângerile unei cutii de viteze manuale este necesitatea unei forţe de acţionare egale asupra sincronizatoarelor, indiferent de treapta de viteză. Pentru a realiza cuplarea treptelor de viteză în acelaşi interval de timp avem nevoie de o forţă mai mare de acţionare pentru treptele inferioare. Soluţia la acest inconvenient este sincronizatorul dublu, care la aceeaşi forţă de acţionare ,datorită suprafeţei de frecare mărită, realizează sincronizarea la fel de rapid ca în cazul treptelor superioare (prevăzute cu sincronizatoare simple).

    În videoclipul de mai jos este explicată construcţia şi modul de funcţionare al unei cutii de viteze manuale. Cutia prezentată este pentru un automobil cu tracţiune spate, cu trei arbori.

    Înţelegerea modului de funcţionare al unei cutii manuale este deosebit de importantă deoarece permite înţelegerea conceptelor mai avansate de cutii cum ar fi cutiile de viteze automatizate sau cu dublu ambreiaj. De asemenea cunoştinţele relativ la construcţia şi funcţionarea unei cutii de viteze conferă conducătorului auto posibilitatea de exploata transmisia în condiţii optime ce are ca efect extinderea duratei de viaţă.

Video cutie de viteze manuală - costrucţie şi funcţionare

Pentru a comenta articolul trebuie să vă înregistrați!

Comentarii

Login

Logo motorul anului