diverse
-
Upload
lucian-mihai -
Category
Documents
-
view
110 -
download
2
Transcript of diverse
Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti
Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Catedra Maşini şi Sisteme de Producţie
PROGRAM DE MASTER:
Maşini şi Sisteme de Producţie
Cercetări privind posibilităţile de
utilizare a cuplajelor cu film fluid in
lanţurile cinematice ale maşinilor
unelte
Absolvent
Ing. Cristina CIOCHINA
Coordonator ştiinţific: prof.dr.ing. Stefan VELICU
Anul 2012
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
2
Cercetări privind posibilităţile de utilizare a
cuplajelor cu film fluid in lanţurile cinematice ale
maşinilor unelte
1. Introducere
Cuplajele sunt organe de asigurare a legăturii intre doi arbori care-si pot transmite
reciproc mişcarea si puterea.
Prin aceste elemente se asigura legătura intre tronsoanele (părtile) aceluiaşi arbore sau
intre arbori diferiţi. De exemplu, unii arbori de transmisie cu lungime mare 10, 20, 30m s-ar
executa foarte greu dintr-o singura bucata sau nu s-ar putea realiza.
Execuţia din tronsoane separate si legarea acestora prin organe speciale de legătura,
numite cuplaje, nu prezintă dificultăţi constructive sau funcţionale.
Cuplul motor al unui automobil se transmite roţilor de rulare prin intermediul unui
cuplaj cu funcţionare intermitenta, numit si ambreiaj. [1]
Axele de rotaţie ale arborilor legaţi prin cuplaje sau prin ambreiaje pot fi paralele sau
neparalele.
Principalele condiţii pe care trebuie sa le îndeplinească cuplajele pentru o buna
funcţionare sunt:
- capacitatea de transmitere totala a momentului de răsucire al arborelui;
- dimensiuni constructive cat mai reduse
- capacitate de atenuare a şocurilor provenite din variaţia regimului de
funcţionare a maşinilor-unelte;
- asigurarea interschimbabilităţii necesare înlocuirii elementelor uzate.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
3
Clasificarea cuplajelor are in vedere condiţiile de funcţionare ale celor doi arbori ca
criteriu de baza. Astfel variatele tipuri de cuplaje se grupează in doua categorii: cuplaje cu
funcţionare permanenta; cuplaje cu funcţionare intermitenta sau ambreiaje.
La cuplajele cu funcţionare permanenta, transmiterea mişcării intre cei doi arbori nu
poate fi întrerupta in timpul funcţionarii decât prin oprirea maşinilor si demontarea
cuplajelor.
Prin cuplare decuplare, ambreiajele pot întrerupe sau relua transmiterea chiar sub
sarcina, fără oprirea elementului (arborelui) de la care ea este primită. [2]
2. Generalităţi. Prezentarea principalelor tipuri de cuplaje
Cuplajele sunt organe de maşini care asigura legătura si transferul de energie
mecanica intre doua elemente consecutive, obişnuit coaxiale, ale unui lanţ cinematic, fară a
avea posibilitatea modificării legii de mişcare.
Pe lângă funcţia importanta de transmitere a mişcării si a momentului de torsiune
cuplajele mai pot îndeplini următoarele funcţii:
- comanda a mişcării
- compensare a erorilor de execuţie si montaj;
- amortizare a şocurilor si vibraţiilor;
- limitare a unor parametrii funcţionali (sens si viteza de rotaţie, moment de torsiune).
Ca rezultat al acestei diversităţi de condiţii funcţionale exista astăzi o mare varietate
de forme constructive de cuplaje. Principial, cuplajele pot fi mecanice, hidraulice si
electromagnetice. Cuplajele hidraulice realizează transmiterea energiei prin intermediul unui
fluid, putând fi hidrodinamice sau hidrostatice, după cum utilizează energia cinetica sau
presiunea fluidului. Cuplajele electromagnetice transmit momentul de torsiune utilizând
forţele de interacţiune electromagnetice.
In funcţie de natura legaturii realizate intre elemente, cuplajele pot fi permanente sau
intermitente, la ultimele legătura putand fi stabilita, sau intrerupta, in timpul functionarii. In
functie de posibilitatea compensarii abaterilor de montaj intre elementele legate, cuplajele
permanente pot fi fixe si mobile. La rândul lor, cuplajele permanete mobile se impart in
rigide si elastice, functie de capacitatea de amortizare a şocurilor si vibraţiilor torsionale. In
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
4
functie de modul de asigurare a legăturii (cuplare), ori de întrerupere a acesteia (decuplare),
cuplajele intermitente pot fi fi comandate sau automate.
Parametrul principal al cuplajelor este momentul de torsiune nominal, alti parametri
caracteristici fiind: masa, momentul de inertie masic, caracteristicile elastice si de amortizare,
suprasarcina admisa, dimensiunile de gabarit, etc.
Figura 1. Clasificarea cuplajelor
2.1 Sarcina de lucru a cuplajelor
Valoarea maxima a momentului de torsiune posibil a fi preluat si transmis de cuplaj in
conditii de functionare staţionară (fara socuri si suprasarcini), reprezinta momentul de
torsiune Mn si este indicat pentru fiecare tipodimensiune de cuplaj in standarde sau
cataloagele firmelor constructoare.
Momentul de torsiune nominal poate fi de asemenea determinat pentru o anumita
constructie de cuplaj pe baza conditiilor de rezistenta a elementelor componente. Variatia in
timp a momentului de torsiune transmis de cuplaj Mt, are un caracter variabil, dinamic al
solicitarii cuplajelor, ca rezultat al suprapunerii peste momentul de torsiune de calcul Mc a
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
5
unor solicitari suplimentare, datorate unor cause diverse: sarcini de inertie, fenomene de soc
si rezonanata mecanica, deformarea fortata a elementelor cuplajului datorita necoaxialitatii
arborilor, frecarea intre elementele cuplajului.
Dependenta solicitarilor suplimentare de un complex de factori – tipul si
caracteristicile masinii motoare, regimul de functionare al masinii de lucru, tipul cuplajului,
comportarea la vibratii torsionale a lantului cinematic antrenat etc. – face foarte dificila
aprecierea pe cale analitica a valorii maxime a momentului de torsiune.
Practic se utilizeaza un moment de torsiune de lucru Mt, obtinut prin multiplicarea
valorii momentului de calcul Mc cu un coeficient de serviciu Cs:
Mt =CsMc = CsP/ ω <=Mn,
Unde P este puterea de transmis iar ω este viteza unghiulara.
In general, cuplajele sunt fabricate de uzine specializate, fiind prezentate ca
tipodimensiuni si caracteristici functionale in standarde si cataloage. Uzual, cuplajele se aleg
functie de conditiile concrete de lucru. [1]
3. Cuplaje permanente
Cuplajele permanente se împart in doua grupe:
- cuplaje fixe prin care se realizează legătura rigida a arborilor;
- cuplaje mobile care permit mici deplasări axiale, radiale sau unghiulare intre
arborii legaţi (cuplaţi).
Aceste cuplaje realizează asamblarea permanenta, rigida, a doi arbori ce trebuie sa fie
perfect coaxiali. Se utilizează la asamblarea arborilor lungi pentru păstrarea rigidităţii
acestora si transmiterea unor forte axiale.
3.1. Cuplaje fixe
Cuplajele permanente fixe se construiesc in trei variante: cu manşon cilindric (neted)
dintr-o bucata; cu manşon cilindric din doua bucăţi; cu flanşă.
3.1.1. Cuplajele cu manson dintr-o bucata
Se monteaza pe capetele celor doi arbori intre care urmează sa transmită mişcarea.
De la arbore la manson, efortul este transmis prin intermediul unor pene longitudinale
sau prin stifturi transversale, cand eforturile sunt mici.
Principalul avantaj il reprezinta simplitatea constructiva.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
6
Pentru a evita aparitia unor forte suplimentare, cuplajul manşon necesita ajustaje,
centrare si montare foarte precise. Legătura cu manşon dintr-o bucata este posibila numai prin
deplasarea axiala a unuia dintre arbori pana la capătul arborelui pereche fara insa sa il
atingă. Dimensionarea manşonului urmăreşte stabilirea unei secţiuni de rezistenta egala cu
rezistenta secţiunii arborelui.
Daca arborele si manşonul se executa din aceleasi materiale, atunci D=1.3 d. (D-
diametrul exterior al manşonului, d – diametrul arborelui).
De obicei manşoanele se executa din fonta obişnuită sau din alte materiale cu
caracteristici de rezistenta inferioare arborilor din otel; de aceea D = (1.4-1.8) d.
3.1.2. Cuplajul manşon
Se compune din doua semicuple asamblate cu suruburi pe capetele a doi arbori;
suruburile asigura strangerea necesara pentru transmiterea momentului de torsiune; pentru
siguranta se prevad pene paralele. Sunt standardizate doua tipuri constructive in functie de
pozitia arborilor de cuplare (cu sau fara aparatoare) pentru diamatre intre 18 si 200mm.
Fixarea cuplajelor pe arbori verticali se face cu inele sau pana paralela cu ciocuri.
Utilizarea acestor cuplaje este avantajoasa in cazul transmisiilor cu turaţie variabila
sau in regim de cuplări repetate, deoarece au un moment de inerţie relativ mic, dar sunt de
evitat in cazul sarcinilor cu soc.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
7
Fig. 2. Cuplajele cu manson a – montare cu stifturi; b – montare cu pene sau caneluri; c, d – asamblare
presata pe con; e – asamblare presata pe con cu ulei sub presiune
3.1.3. Cuplajele cu flanşe. Pentru construcţii obişnuite se folosesc flanşe separate, iar pentru
construcţii puternic solicitate se executa flanşele dintr-o bucata cu arborii respectivi. Fiecare
din cele doua discuri se montează pe un capăt de arbore prin împănare, prin presare la rece,
strangere la cald sau chiar prin sudare.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
8
Fig. 3. Cuplaj cu flanşe: a – cu flanşe separate b – cu flanşe dintr-o bucata cu arborii
Fig.4. Cuplaj cu flanşe: a – arbori orizontali b – arbori verticali
Pozitia centrata a discurilor se asigurara la montaj, iar asamblarea, prin suruburi
stranse. In calculele de dimensionare se disting doua cazuri: cuplaje stranse cu suruburi
cuprinse in gauri fara joc si cuplaje stranse cu suruburi cuprinse in gauri cu joc. In cazul
suruburilor strinse in gauri calibrate intregul moment este preluat de suruburile solicitate la
forfecare. [9]
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
9
Cand suruburile de strangere sunt cuprinse in gauri cu joc, transmiterea momentului
este asigurata prin frecarea dintre discurile cuplajului, iar suruburile sunt solicitate la
intindere ca in cazul cuplajelor cu manson din doua bucati.
3.1.4. Cuplajele cu dinti frontali (Hirth)
Pot transmite momente mari de torsiune in ambele sensuri, au dimensiuni de gabarit
mici, asigura o precizie ridicata la coaxialitatea arborilor, si permit o montare si demontare
simpla. Nu transmit forte axiale, de aceea trebuie alese solutii speciale de montaj. Dantura
poate fi simetrica sau asimetrica iar numărul de dinţi se alege in funcţie de diametrul
arborelui.
Cuplajul transmiţând un moment de torsiune, fiecare dinte va fi solicitat la tensiuni de
contact, încovoiere si forfecare. De asemenea, pe flancurile dintelui va acţiona permanent o
presiune constanta funcţie de prestrangerea care asigura menţinerea cuplajului in stare
cuplata.
Fig.5. Cuplaje cu dinţi frontali Hirth
3.2. Cuplaje mobile
Astfel de cuplaje se folosesc când sunt necesare deplasări axiale, radiale sau
unghiulare ale arborilor. Tipurile cele mai reprezentative sunt : cuplaj Oldham, articulaţie
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
10
cardanica, articulaţie sistem cu nuca etc. Acestea sunt cuplaje permanente mobile cu elemente
rigide.
Fig.6. Tipuri constructive de
cuplaje permanente mobile:
a – pt. compensarea
deplasarilor axiale si radiale
b, c, d, e – pt. compensarea
deplasarilor unghiulare
3.2.1. Cuplaje permanente mobile cu elemente intermediare rigide
Astfel de cuplaje asigura transmiterea mişcării de rotaţie intre arbori a căror
coaxialitate nu poate fi respectata, atât datorita condiţiilor iniţiale de montaj, cat si datorita
modificărilor poziţiei relative a arborilor in timpul funcţionarii.
Daca se considera poziţia de referinţa a doi arbori funcţie de poziţia relativa a
arborilor, cuplajele se clasifica in: cuplaje axiale, transversale sau radiale, unghiulare si
combinate.
Cuplaje axiale. Aceste cuplaje asigura transmiterea momentelor de torsiune intre
arbori cu lungime variabila, in special pentru compensarea deformaţiilor termice. Sunt
cunoscute multe tipuri constructive: cuplajul axial cu o singura gheara, cuplaje axiale
cu ştifturi.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
11
Fig.7. Cuplaje axiale cu ştifturi
Cuplaje cu gheare pot transmite momente de torsiune mari.
Fig.8. Cuplaje cu gheare
Cuplajele axiale cu elemente de rulare sunt utilizate cu precădere in transmisiile cardanice,
cu arbori culisanţi cu secţiune pătrata sau caneluri.
Fig.9 Cuplaje axiale cu elemente de rulare
Cuplaje transversale. Acestea transmit mişcarea de rotaţie intre 2 arbori montaţi
paralel, dar cu o excentricitate variabila. Varianta cea mai răspândită este cuplajul Oldham.
Diversele soluţii constructive ale cuplajului Oldham se diferenţiază după forma elementului
intermediar: cu craboţi, cu element prismatic, cu caneluri, cu bolţuri. Semicuplajele fixe pe
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
12
arbore se echilibrează dinamic la execuţie, dar, in ansamblu, cuplajul este dezechilibrat static,
deoarece axa elementului intermediar nu coincide cu axa semicuplajelor.
Fig.10 Cuplaje Oldham: a,c – cu craboti b – cu element prismatic d – cu caneluri e – cu
bolturi.
Fig.11 Cuplaje Oldham
In cazul lanturilor cinematice cu turaţii mari si cu arbori excentrici, se întrebuinţează
cuplajele Schmidt, care au avantajul ca sunt echilibrate dinamic si permit excentricităţi mari
intre arborii cuplaţi.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
13
Fig.12. Cuplajele Schmidt
Cuplaje unghiulare. Aceasta forma de cuplaj, cunoscuta sub numele de cuplaj
cardanic sau articulatia Hooke, este folosita pentru cuplarea a 2 arbori concurenti. Unghiul
dintre axele arborilor este de obicei limitat la 20-25°. Cand cuplajul lucreaza la turatii si
puteri mici, valoarea unghiului poate creste, dar nu va depasi 45°.
Fig.13. Cuplaj cardanic cu cruce
Domeniul de utilizare a dus la o multitudine de soluţii constructive cu elemente
articulare sau de rulare (cuplaje Weiss, cuplaje Rzeppa). Utilizarea cuplajului cardanic este
insa limitata in multe cazuri deoarece este un mecanism asincron,caracter pus in evidenta de
variatia vitezei unghiulare a arborelui condus, chiar daca viteza unghiulara a arborelui
conducator este constanta.
Pentru inlaturarea acestui dezavantaj se foloseste solutia cu 2 cuplaje cardanice
(bicardanica) si arbore intermediar, obtinandu-se astfel un mecanism sincron, daca sunt
respectate doua conitii: cei doi arbori sa formeze acelasi unghi cu arborele intermediar si
furcile arborelui intermediar sa fie in acelasi plan.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
14
Fig.14. Cuplaj bicardanic
Fig.15. Cuplaj Weiss
Fig.16. Cuplaj Rzeppa
Cuplaje pentru preluarea abaterilor combinate. In aceasta categorie intra cuplajele
dintate, care pot prelua abateri axiale, transversale, unghiulare sau combinaţii ale acestora.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
15
Fig. 17. Cuplaj dintat
Un cuplaj dinţat este format din doi butuci cu dantura exterioara si doua manşoane cu
dantura interioara. Centrarea si etanşarea se realizează cu elemente auxiliare, in funcţie de
tipul constructiv.
Astfel pot fi: cu manşon dintr-o bucata, cu un butuc dinţat, cu arbore intermediar, cu
deplasare axiala, cu ştifturi de siguranţa, cu tambur pentru frâna cu banda, etc.
3.2.2.Cuplaje permanente mobile cu elemente intermediere elastice
Caracteristica comuna a acestor cuplaje este aceea ca au in compunere un element
elastic (metalic sau nemetalic) care determina proprietatile si calculul de proiectare al
cuplajului. In mod obisnuit sunt denumite cuplaje elastice si permit montarea arborilor cu
abateri de la pozitia reciproca si rotirea relativa a semicuplajelor.
Rolul principal al cuplajelor elastice consta in limitarea vibratiilor de rerzonanta si
atenuarea socurilor torsionale prin acumularea elastica temporara a lucrului mecanic si
redarea acestuia sistemului prin revenirea treptata a elementului elastic la forma sa initiala.
Influenta cuplajelor elastice asupra dinamicii sistemelor mecanice.
Caracteristicile elastice ale cuplajelor. Cuplajul este privit ca un element elastic cu
amortizare interpus intre masina motoare si masina de lucru.
Rigiditatea cuplajului reprezinta variatia momentului de torsiune in functie de
unghiul de rotire, iar amortizarea cuplajului caracterizeaza dependenta momentului de
torsiune de viteza de deformare, dependenta care in majoritatea cazurilor se considera liniara.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
16
Cuplajele permanente rigide au rigiditatea foarte mare, teoretic infinita, astfel ca nu
modifica rigiditatea de ansamblu a sistemului mecanic in care sunt introduse. Rigiditatea
torsionala a cuplajelor permanente cu elemente intermediare elastice (cuplaje elastice) este
mult mai mic decat a restului sistemului mecanic, care, in astfel de cazuri, se considera rigid.
In functie de solutia constructiva adoptata, natura si proprietatile materialului elastic si
legea de variatie a sarcinii in timp, cuplajele elastice pot fi cu rigiditate constanta
(caracteristica elastica liniara) sau cu rigiditate variabila (caracteristica elastica neliniara
progresiva sau regresiva)
Dinamica sistemelor cu cuplaje permanente. Analiza dinamica a sistemelor mecanice
care contin cuplaje se efectueaza pe un model matematic simplificat, cel mai adesea avand 2
grade de libertate.
Cei doi volanti, cu momentele lor de inertie, egale cu momentele de inertie reduse ale
portiunilor de lant cinematic pana la si respectiv dupa cuplaj, sunt legati prin intermediul unui
arc si al unui amortizor, care impreuna, schematizeaza comportamentul vasco-elastic al
cuplajului.
Cuplaje elastice cu elemente intermediare metalice.
Se folosesc in general pentru transmiterea momentelor mari de torsiune, deoarece au
dimensiuni mici in comparatie cu capacitatea de incarcare. In functie de forma elementului
elastic acestea se executa intr-o mare diversitate de tipuri:
Cuplajele cu articulatii ARPEX. La acestea bratele articulatiei formate din mai
multe foi suprapuse, sunt fixate in suruburi, alternativ de cuplaje sau de o bucsa. Se executa
pentru diametre de arbori d=(12...35)mm, turatii de lucru n=(10...10 000) rot/min si momente
de torsiune Mn=(30...135 000)Nm.
Cuplajele cu disc THOMAS sunt pentru arbori cu diametrul d=(12...125)mm si
turatii n=(500...32 000) rot/min
Cuplajele cu lant cu role THOMAS, BROWNING sau cu eclise dintate, WABCO
se utilizeaza pentru arbori cu d=(12...260)mm si turatii n=(700 ...5 000) rot/min si respectiv
d=(25...300)mm si n=(10...3 600) rot/min.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
17
O grupa importanta din aceasta categorie o constituie cuplajele la care elementul elastic este
arcul. Cuplajele cu arcuri bara FORST pot prelua si deplasari axiale prin montarea
arcurilor, cu joc in cele doua semicuplaje. Pentru marirea momentului transmis pana la valori
de 35x105 Nm arcurile bara se pot monta pe mai multe circumferinta concentrice sau in
manunchiuri, in bucse speciale.
Pentru micsorarea uzurii se recomanda ungerea arcurilor. La cuplajele cu arcuri
bara de torsiune VOITH-MAURER elementele elastice sunt fixate cu joc in gaurile
butucului si
mansonului, pentru arbori cu d=(25...125)mm si momente de torsiune Mn=(110...11 600)Nm;
Cuplajul BAUMANN se utilizeaza pentru arbori cu d=(8...90)mm si momente
Mn=(5...900) Nm. Folosirea cuplajelor cu arcuri bara de torsiune se recomanda in special
pentru atenuarea socurilor torsionale.
La cuplajele cu arcuri lamelare ELCARD, pachetele de arcuri pot fi dispuse axial
in golurile dintilor semicuplajelor si fixate cu mansoane pentru arbori d=(30...165) mm si
momente de torsiune Mn=(70...14 500)N.m sau dispuse radial pentru arbori d=(25...250)
mm si momente de torsiune Mn=(75...75 000)Nm.
Cuplajul cu arc serpuit BIBBY este format din semicuplaje, arc si mansoane si este
prevazut cu sistem de etansare deoarece se recomanda ungerea.
Cuplajul cu arcuri elicoidale CARDEFLEX este compus din semicuplaje si
suruburi, pe care se fixeaza segmentii ce pot oscila si deplasa axial, intre care se monteaza,
pretensionat, arcurile elicoidale. Pentru transmiterea unor momente mari de torsiune se pot
construi cuplaje cu 8 sau 12 arcuri.
Calculul cuplajelor cu elemente elastice metalice consta in: calculul de dimensionare
sau verificare al arcurilor, calculul unghiului de rotire relativa a semicuplajelor la
suprasarcini, calculul numarului de dinti si a unghiului de inclinare a acestora si calculul
rigiditatii
cuplajului. Deoarece elementul elastic poate avea o caracteristica liniara sau neliniara,
calculul este in general dificil, si pentru stabilirea solutiei optime se recomanda utilizarea
schemelor logice de calcul.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
18
Cuplaje elastice cu elemente intermediare nemetalice
Elementul intermediar elastic este, in general executat din cauciuc, care confera
cuplajului elasticitate, capacitate mare de amortizare a socurilor si o constructie simpla. La
sarcini mari nu sunt economice deoarece le scade mult durabilitatea. Elementul elastic poate
fi
solicitat la compresiune sau forfecare.
Din prima categorie fac parte cuplajele elastice cu bolturi, compuse din
semicuplaje, bolturi si mansoane, montate alternativ intr-un semicuplaj sau altul. Mansoanele
pot fi ovale sau rozete.
Cuplajele elastice cu gheare difera intre ele constructiv dupa forma elementului
elastic: a-role cilindrice montate axial, b-role cilindrice montate radial, c-pana, d-profil H, e-
profil Z. La noi in tara sunt standardizate cuplajele elastice cu rozeta , in variantele N-
normala, F-cu flansa, DF-cu doua flanse si arbore intermediar si cuplajele elastice cu
prisme.
Din a doua categorie fac parte cuplajele cu placi solicitate la incovoiere si forfecare
tip EUPEX, cu bandaje din cauciuc vulcanizate pe semidiscuri tip THOMAS, sau cu bandaje
de diverse sectiuni, fixate intre flanse tip PERIFLEX sau ELPEX, precum si cuplajele cu
disc, sandwich dau vulcanizate de semicuplaje.
Fig.18. Cuplaje Eupex
Fig.19. Cuplaje Thomas
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
19
Fig.20. Cuplaje Periflex ( a, b, c, d ) Cuplaje Elpex ( e )
4. Cuplaje intermitente (Ambreiaje)
Cuplajele intermitente se folosesc pentru întreruperea si restabilirea frecventa a
legăturii dintre arbori, fară a fi necesara oprirea elementului motor. Pot îndeplini si funcţiuni
de limitare a vitezei, momentului de torsiune, puterii sau sensului de rotaţie.
Cuplajele intermitente, numite ambreiaje, pot fi cuplate (ambreiate) si decuplate
(debreiate) in gol, fară demontare si chiar in sarcina când sunt prevăzute cu elemente elastice
pentru preluarea energiei de soc.
Numeroasele variante constructive pot fi grupate in doua categorii: ambreiaje
comandate si ambreiaje automate.
Oricare din cele doua categorii de ambreiaje pot fi realizate cu contact rigid sau prin
contact elastic. Ambreiajele comandate elastic se folosesc in scopul întreruperii temporare a
transmiterii mişcării sau ca mijloc de protecţie, prin asigurarea unei debreieri rapide, ca in
cazul automobilelor.
4.1. Cuplaje intermitente rigide
Cuplajele intermitente rigide realizeaza transmiterea momentului de torsiune prin
solicitarea la contact a unor proeminente in forma conjugata aflate pe cele doua
circumferinte. La aceeasi valoarea a momentului de torsiune cuplajele intermitente rigide sunt
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
20
mai simple, mai mici si mai ieftine, fata de cuplajele intermitente cu frictiune. De asemenea
nu sunt necesare reglari pentru compensarea uzurii. Realizarea cuplarii in conditiile existentei
unei viteze relative intre semicuplaje genereaza socuri, care solicita suplimentar transmisia;
pentru limitarea acestora se permite cuplarea si decuplarea numai la viteze relativ reduse.
Introducerea unor dispozitive suplimentare de sincronizare a vitezei celor doua
semicuplaje imbunatateste considerabil comportamentul dinamic in regimurile tranzitorii.
4.1.1. Un tip reprezentativ al cuplajelor intermitente comandate rigid este cel numit ambreiaj
cu gheare. Una din partile cuplajului este fixata rigid de un capat al arborelui, iar cealalta
parte se poate cupla si decupla prin deplasarea axiala a discului mobil (semicupla), care este
montat cu joc alunecator pe arborele condus.
Fig.21. Ambreiaj rigid cu gheare
Ambreierea-debreierea pot fi comandate manual, cu ajutorul parghiilor, electric, pneumatic
sau hidraulic. Exista totusi doua variante constructive de baza: cu dantura frontala (craboti) si
cu dantura radiala.
4.1.2. Ambreiajul cu craboţi. Realizează cuplarea si decuplarea prin deplasarea frontala a
semicuplajului. In sectiune axiala crabotii pot avea inaltimea constanta sau variabila, iar in
sectiune transversala profilul acestora poate fi: dreptunghiular, trapezoidal, simetric sau
asimetric, triunghiular, poligonal.
Forma profilului se alege in funcţie de sensul vitezei relative si de valoarea fortei de
apasare la cuplare.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
21
Fig. 22. Ambreiaj cu craboti
Fig. 23. Craboţi in sectiune axială
Craboti in sectiune transversala (d,e,f,g,h,i) Semicuplajele se executa din oteluri de
carbon de calitate sau aliate, asigurandu-se prin tratamente termice sau termochimice o
duritate de 56-62 HRC in zona activa a danturii. Numărul crabotilor Z se stabileste orientativ,
in functie de timpul de clupare admis fiind Z=3...60.
Calculul de rezistenta al crabotilor se efectueaza la solicitarile de contact, incovoiere
si forfecare, in ipoteza ca momentul de lucru se transmite prin 75% din numarul total al
crabotilor.
4.1.3. Cuplajele intermitente cu dantura radiala au o constuctie si o functiune
asemanatoare cu cea a cuplajelor permanente mobile dintate.
Pentru micsorarea socurilor de cuplare, ambreiajul cu dantura radiala are incorporat
sincronizatorul, realizat sub forma unui ambreiaj conic cu frictiune, cu rolul de a aduce
semicuplajul condus la viteza arborelui motor.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
22
Schema unui astfel de cuplaj este prezentata în figura de mai jos în care:
1 - arbore condus cu coroana dintata exterioara;
2 - sincronizator;
3 - element de cuplare cu coroana dintata interioara;
4 - arbore condus cu coroana dintata exterioara;
5 - arbore motor.
Fig.31.Cuplaje intermitente cu dantura radiala
4.2. Cuplaje intermitente elastice
Aceasta categorie este folosita pentru asigurarea ambreierii arborilor sub sarcina, fara
a produce socuri daunatoare. Astfel, partea ambreiajului montata pe arborele unui motor
trebuie sa faca posibila antrenarea arborelui condus din pozitia de repaus in pozitia de regim.
Ambreiajele cu frictiune ofera posibilitatea limitarii momentului transmis la o valoare
dorita si permit controlul asupra acceleratiei imprimate a elementului condus. Forma
suprafetei pe care se realizeaza procesul de frecare poate fi: plana (cu doua discuri sau cu
discuri multiple), conica, cilindrica sau combinatii ale acestora. Forta de apasare se obtine
folosind dispozitive de actionare mecanice, electromagnetice, hidrostatice sau pneumatice.
Dinamica procesului de ambreiere. Stabilitatea mişcării. In perioada de ambreiere
pot aparea fenomene de instabilitate, manifestate prin miscari sacadate (fenomenul stick-slip).
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
23
Folosirea criteriului de stabilitate Routh-Hurwitz conduce la observatia ca, pentru
asigurarea stabilitatii este necesar, dar nu si suficient, ca motorul de actionare sa aiba
momentul motor descrescator cu turatia, in timp ce momentul de frecare al ambreiajului si cel
al sarcinii trebuie sa creasca la cresterea turatiei.
Alegerea judicioasa a materialelor de frictiune, calitatea suprafetelor de contact si a
lubrificatiei, valoarea temperaturii si a presiunii intre suprafetele de contact, pot influenta
asupra caracteristicii moment-turatie a cuplajului, care poate fi realizata, daca nu crescator,
cel putin constanta pe o portiune cat mai mare din domeniul de functionare.
Analiza dinamica si energetica.
Procesul de ambreiere cuprinde trei perioade:
- perioada de cuplare, in care momentul de frecare din cuplaj creste pana la valoarea
momentului rezistent, aplicat semicuplajului condus;
- perioada de patinare, in care se realizeaza accelerarea semiculpajului condus de la viteza
unghiulara initiala pana la atingerea vitezei semicuplajului conducator. In aceasta perioada
cele doua discuri avand viteze unghiulare diferite, transferul de energie se face cu patinare,
ceea ce determina incalzirea si uzura suprafetelor de frecare.
Momentul transmis de cuplaj este mai mare decat momentul rezistent;
- perioada de demaraj, in care are loc cresterea vitezei unghiulare a sistemului pana la
valoarea de lucru.
4.2.1. Ambreiajele cu frictiune. Discul mobil solidar cu arborele sau in pozitie decuplata are
turatia n=0, iar discul montat pe celalalt arbore, are turatia de regim.
Apasandu-se asupra primului disc cu o forta paralela cu axa arborilor, se realizeaza
contactul cu suprafata discului care se afla in miscare.
Pentru antrenarea sa este necesara mentinerea fortei, care da nastere unei presiuni
uniforme pe suprafata de contact.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
24
Fig.32. Ambreiaj cu frictiune avand suprafete plane
4.2.2. Ambreiajele cu frictiune prin discuri multiple au o capacitate de transmitere mult
mai mare, proportional cu numarul suprafetelor de contact.
4.2.3. Ambreiajele cu frictiune conice. Cand asupra unei parti a ambreiajului conic se
exercita actiunea unei forte, se asigura contactul sub presiune pe o suprafata de frecare cu
forma conica sub unghiul de 8...10o ceea ce permite atat evitarea unei ambreieri bruste
cat si blocarea conului.
Fig.33. Ambreiaj cu frictiune conic
Dimensiunile de gabarit relativ mari, aparitia unei forte axiale neechilibrate si
necesitatea unei centrari riguroase le limiteaza domeniul de aplicare in constructiile precise.
Dupa modul de comanda, ambreiajele cu frictiune sunt cu actionare mecanica,
electromagnetica, pneumatica sau hidrostatica.
Cuplajele comandate mecanic realizeaza cuplarea si decuplarea, in general, prin
intermediul unor mecanisme cu parghii, forta de actionare provenind de la un operator. Sunt
folosite la transmisiile vehiculelor si in echipamente industriale de putere mica si cu frecventa
redusa de cuplare.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
25
Fig.34. Comanda mecanica la un ambreiaj cu discuri multiple
Comanda pneumatica este fracvent utilizata la ambreiajele din echipamentele
industriale stationare, intalnindu-se si la vehicule suficient de mari pentru a avea incorporat
un compresor.
Fig.35. Cuplaj comandat pneumostatic
Comanda hidrostatica, la aceleasi dimensiuni ale cuplajului, asigura cel mai mare
moment nominal ca urmare, atat a realizarii unor forte de apasare mari, cat si a posibilitatii
evacuarii caldurii prin lubrifiant.
Comanda electromagnetica permite cuplari foarte rapide, cu frecventa ridicata, fara a
realiza insa momente de torsiune importante. Sunt utilizate indeosebi la masinile automate,
sau acolo unde ambreiajul este situat la distanta mare fata de punctul de control.
3.2.4. Cuplaje intermitente electromagnetice
Caracteristaica ambreiajelor electromagnetice este prezenta unui camp
electromagnetic, care determina si valoarea momentului de torsiune nominal. Acestea pot fi:
ambreiaj electromagnetic cu curenti turbionari sau ambreiaje electromagnetice cu pulberi.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
26
Fig.36. Ambreiaj electromagnetic cu curenţi turbionari (cu inductie)
3.2.4. Ambreiaje hidrodinamice
Ambreiajele hidrodinamice sunt formate din doua rotoare paletate asezate fata in fata
si inchise in aceeasi carcasa. Rotorul asezat pe arborele conducator indeplineste functia de
pompa iar cel asezat pe arborele condus functioneaza ca o turbina.
Transmiterea momentului de torsiune intre arborele de intrare si cel de ieşire se
realizează integral de catre lichidul hidrodinamic.
Se deosebesc doua tipuri principale de ambreiaje hidrodinamice: cu umplere
constanta sau de tractiune, formand tipul de baza si folosite pentru accelerarea lină a sarcinii
si aducerea la turaţia de regim; cu umplere variabila, folosite îndeosebi pentru modificarea
turaţiei.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
27
Fig.37. Ambreiaj hidrodinamic
3.2.5. Cuplaje intermitente automate
Cuplajele intermitente automate (ambreiaje automate) realizeaza cuplarea sau
decuplarea automata a elementului condus in functie de anumiti parametri impusi lantului
cinematic: sensul de rotatie, valoarea vitezei unghiulare, valoarea momentului de torsiune
transmis.
Cuplaje unisens. (de cursa libera). Aceste cuplaje permit transmiterea miscarii intr-
un singur sens. In functie de domeniul de utilizare exista solutii constructive diferite, derivate
insa din acelasi principiu de functionare.
Fig.38. Cuplaje unisens
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
28
Cuplaje intermitente automate de viteza. Aceste cuplaje sunt folosite pentru
realizarea cuplarii sau decuplarii arborilor la o valoare determinata a turatiei de functionare.
Principial folosesc actiunea fortei centrifuge (numindu-se si ambreiaje centrifugale),
deosebindu-se din punct de vedere constructiv in ambreiaje centrifugale cu saboti si
cu materiale de umplere. Bazandu-se pe actiunea fortelor centrifuge, ambreierea si debreierea
se realizeaza in mod automat. La o anumita valoare a turatiei arborelui motor se dezvolta
forte centrifuge ale falcilor, astfel incat se inving fortele de frecare si creaza o presiune
de contact asupra tamburului.
Se folosesc atat ca ambreiaje de pornire, permitand utilizarea unor motoare de
actionare ieftine, cat si ca ambreiaje de siguranta, datorita posibilitatii alunecarii celor doua
semicuplaje in conditii de suprasarcina.
Fig.39.Ambreiaj cu fricţiune centrifug Fig.40. Cuplaj centrifugal cu saboţi
Fig. 41.Cuplaj centrifugal cu material de
umplere
Fig. 42. Cuplaje de siguranţa cu stift de
forfecare
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
29
5. Cuplajele cu film fluid
5.1. Introducere
La începutul anilor 70 o serie de studii conduse de compania Harry Ferguson
Research au confirmat faptul ca utilizarea fluidelor in diferenţialele mecanice cu frecare
limită aduce îmbunătăţiri substanţiale în sensul răcirii cuplelor si deci creşterii fiabilitatii Mai
mult s-a constatat apariţia unui moment rezidual rezistent proporţional cu vâscozitatea
fluidului. [8]
De aici nu a mai fost decât un pas până s-a demonstrat ca pentru a transmite moment
între două cuple ale unui lanţ cinematic se poate utiliza doar fluid.
În cazul utilizări frecării fluide spre deosedire de frecarea limită sau uscată, discurile
nu intră niciodată în contact, drept pentru care se reduc substanţial puterea consumată prin
frecare şi uzarea elementelor cuplei, iar randamentul cuplajului este mai mare. O altă
caracteristică funcţională o reprezintă turaţia a cărei variaţie se face continuu, fără trepte,
fiind înlăturate astfel şocurile si vibraţiile caracteristice cuplajelor mecanice.
5.2. Construcţie
Soluţia simplificată este reprezentă în figura 43. Constructiv cuplajele cu film fluid
sunt similare cu cuplajele multi-disc, deosebirea fiind că discurile nu intră niciodată în
contact fiind despărţite de de un al treilea element, un fluid a cărui principală proprietate este
vâscozitatea. Momentul de torsiune este transmis datorită forţei de frecare vâscoasă.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
30
Fig. 43 Vâsco-cuplaj
1. Arbore intrare
2. Carcasă
3. Disc antrenare
4. Disc antrenat
5. Mediu fluid
6. Butuc (arbore ieşire)
7. Rulment
Arborele de intrare antrenează carcasa, care la rândul ei pune în mişcare discurile
exterioare. Acestea antrenează prin frecare vâscoasă discurile interioare, punând in mişcare
butucul interior si mai departe arborele de ieşire.
Până în prezent şi-au gasit aplicabilitatea în vaste domenii fiind utilizate drept cuplaje
de pornire, cuplaje de oprire sau cuplaje de siguranţă (patinează la suprasarcină). În funcţie de
soluţia constructivă aleasă se poate sau nu regla momentul maxim transmis.
În documentaţia tehnică a multor producători acestea sunt denumite general vâsco-
cuplaje.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
31
Fig. 44. Construcţia discurilor
Asa cum este descris, cuplajul in fig. 43 este compus dintr-o carcasă, un butuc şi un
pachet de discuri. Acestea din urmă sunt imparţite in două, discurile 3 care sunt antrenate în
permanenţă de carcasa (discuri conducătoare) şi discurile 4 care antreneză butucul (arborele
de iesire). Discurile sunt solidarizate la rotatie prin caneluri. Dupa cum se vede în fig. 44,
construcţia discurilor nu este una întâmplatoare. Acestea au o parte de cuplare (caneluri) cu
carcasa, respectiv arborele de ieşire, şi o suprafaţă de lucru. Pentru a imbunătăţii portanţa
suprafeţei de lucru discurile au prelucrate găuri sau crestaturi. Pentru a putea fi rezistente la
solicitari sunt necesare tratamente speciale de durificare.
Valoarea momentului maxim transmis depinde în mare măsură de distanţa dintre
discuri. De cele mai multe ori distanţa între discuri este fixă, aceasta realizându-se prin
intermediul unor discurilor distanţiere.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
32
1.3 Principiul de funcţionare
Dacă considerăm cazul fluidelor ideale, conform legii fundamentale a lui Newton,
tensiunile tangenţiale din fluid sunt direct proporţionale cu gradientul de viteză pe direcţie
normală curgeri. În cazul discurilor din cuplajului cu film fluid, când există mişcare relativă
între un disc exterior şi unul interior avem distribuţia de viteze din fig.45.
Fig.45 Distribuţia de viteze în fluid [6]
Ecuaţia tensiunilor tangenţiale este de forma: h
u
, unde este vâscozitatea
dinamică a fluidul. Momentului de torsiune transmis este dependent de valoarea tensiunilor
de forfecare din fluid, iar dacă distanţa dintre discuri este constantă, valoarea acestuia este
dependentă de diferenţa de turaţie dintre discuri şi vâscozitatea uleiului.
Fig. 46. Variaţia momentului de torsiune cu diferenţa de turaţie dintre discuri
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
33
O problema fundamentală în cazul utilizării acestui tip de cuplaj o constituie alegerea
uleiului corespunzător, cu proprietăţi adecvate, şi anume: variaţie redusă a vâscozităţii cu
temperatura, vâscozitate ridicată si menţinerea proprietăţilor fizico-chimice într-un interval
cât mai lung.
Pentru că uleiurile minerale nu îndeplineau pe de plin aceste condiţii sau obţinut
uleiuri sintetice de tip siliconic denumite ştiinţific polimetic siloxan. Similar substanţelor
organice, acestea pot forma molecule complexe, relativ lungi pe bază de siliciu, în loc de
carbon. Lanţurile sunt formate din grupări alternative de atomi de oxigen şi de siliciu, de
unde şi denumirea de siloxan. Lungimea lanţurilor moleculare determină variaţia direct
proporţională a vâscozităţii.
Fig.47 Structura moleculară a uleiurilor siliconice
Proprietăţile uleiurilor siliconice uzuale sunt:
- vâscozitatea cinematică: 0,5...5 x 105 cSt;
- densitatea: 0,65...0,98 kg/dm3;
- punct de inflamabilitate: 300...400 °C;
- punct de congelare: -60...-40 °C;
Variaţia vâscoţităţii cu temperatura este pusă în evidenţă cu relaţia lui Reynolds de
forma )tt(
e 00
. Din această relaţie se poate obţine valoarea coeficientului , care
la cele mai uzuale uleiuri siliconice are valoara 0,0096, faţă de 0.038 până la 0,052 la
uleiurile minerale. De aici şi variaţia redusă cu temperatură. [7]
Din punct de veder chimic, aceste uleiuri sunt inerte, nu atacă metalul, împiedică
coroziunea, sunt hidrofuge şi nu sunt toxice.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
34
5.3 Principii de calcul
Pentru determinarea momentului de frecare vâscoasă, fluidul se poate consideră
newtonian, iar curgerea laminară. Acest lucru este susţinut şi de utilizarea fluidelor sintetice,
pentru care vâscozitatea dinamică variază foarte puţin cu temperatura. S-a observat însă, că
uleiurile siliconice cu vâscozitate ridicată au un comportament diferit de cele minerale, ce le
încadreaza mai degrabă în categoria fluidelor nenewtoniene. Caracteristica este determinată
de apariţia anizotropiilor sau neliniarităţi în relaţia constitutivă.
Fig.48 Comportarea pseudoplastică a mediului fluid
Pe cale experimentală s-a constatat dependenţa vâscozităţii uleiurilor siliconice de
timp. Aceasta scade putin în timp cand fluidul este supus la tensiuni de forfecare constante.
Această proprietate se numeste tixotropie si este un fenomen reversibil, structura se
reformează in perioadele staţionare.
Dată fiind complexitatea termohidrodinamicii a fluidelor vâscoase, calculul şi
construcţia acestor cuplaje se bazează pe studii experimentale solide si mai puţin pe analiză
matematică a problemei. Însă pentru evaluarea rezultatelor obţinute pe cale experimentală
este necesară determinarea momentului de torsiune.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
35
Pentru aceasta se iau în consideraţie ipotezele de bază ale lubrificaţiei hidrodinamice:
curgerea este laminară şi izotermă, fluidul este newtonian, fluidul aderă perfect la pereţii
cuplei, forţele de inerţie şi cele gravitaţionale sun neglijabile în raport cu cele datorate
presiunii şi frecării vâscoase.
Fig.49 Tixotropia
Forţa de frecare vâscoasă pentru filme de grosimi mici (h<2..4 mm) se determină prin
integrarea tensiunii tangenţiale de forfecare pe suprafaţa de frecare:
dF dA
iar momentul este de forma:
dM dA r
unde:
du
dh
este expresia tensiunilor tangenţiale
du d r distribuţia de viteză din fluid
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
36
Prin integrare obţinem expresia algebrică a momentului de frecare:
Mf
r1
r2
rrr
h 2 r
d
Mf
r24
r14
2 h
.
Pentru cuplajul prezentat se consideră următoarele:
- r1=49 mm;
- r2=20 mm;
- h=0,1 mm;
- z=2 – nr suprafetelor de frecare;
- se iau în considerare două uleiuri siliconice şi ·s;
- 3000 rot/min;
În acest caz momentul de frecare total se calculează cu relaţia:
Mf z
2 n
r14
r24
2 h 30
În continuare s-au determinat valorile pentru momentul de frecare pentru cele două
tipuri de ulei menţionate mai sus.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
37
Mf1i
0
0.138
0.277
0.553
0.691
0.83
0.968
1.106
1.245
1.383
Mf2i
0
0.23
0.461
0.922
1.152
1.383
1.613
1.844
2.074
2.305
ni
0
250
500
1·10 3
1.25·10 3
1.5·10 3
1.75·10 3
2·10 3
2.25·10 3
2.5·10 3
0 500 1000 1500 2000 25000
0.5
1
1.5
2
2.5
Mf1i
Mf2i
ni
Se observă din rezultate ca momentul creşte odată cu creşterea vâscozităţii, Mf1
corespunde Mf1=0,03 Pa*s, iar Mf2 în cazul Mf1=0,05 Pa*s. După cum s-a prevăzut, creşterea
este liniară, caracteristică curgerii laminare.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
38
5. 4 Analiza cuplajului prin metoda CFD
5.4.1 Prezentare metodei de lucru
Computational Fluid Dynamics sau CFD este o ramură a mecanicii fluidelor care
utilizează metoda elementelor finite si algoritmi pentru a rezolva şi a analiza probleme de
curgerea fluidelor. Pentru aceasta se utilizează calculatoare care să rezolve milioane de
ecuaţii necesare simulării comportamentulul manifestat de fluide şi gaze în contact cu
suprafeţe complexe. Chiar si în cazul analizei cu ecuaţii simplificate pe staţii de lucru foarte
performante se pot obţine doar soluţii aproximative.
În continuare, lucrarea îşi propune sa efectueze o analiza CFD a vâsco-cuplajul, în
vederea determinării momentului de frecare vâscoasă şi pentru a analiza comportamentul
fluidului supus tensiunilor de forfecare.
Considerând cele de mai sus, s-a utilizat un model bidimensional axi-simetric, cu
rotaţie în jurul avei x realizat în Gambit.
S-au creat 5 suprafeţe corespunzătoare secţiunii pe direcţie radială a cuplajului. Pentru
simplificarea problemei grosimea pereţilor s-a considerat de 1 mm, iar grosimea fluidului de
0,1 mm. Muchiile suprafeţelor de frecare s-au numerotat cu s0..s5, muchiile exterioare cu
e0..e4, iar cele interioare cu i0..i4. Dimensionarea şi metoda utilizată este prezentată in fig 50.
Fig 50. Modelul simplificat
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
39
Discretizarea suprafeţelor discurilor s-a realizat cu pas varibil, mai mic către muchiile
de contact dintre disc şi fluid.
Analiza propriu-zisă s-a realizat în Fluent 6.1. S-au considerat ipotezele
simplificatoare: fluidul are un comportament newtonian şi curgerea este laminară. Pentru ca
problema are caracter termo-hidro-dinamic s-au luat utilizat ecuaţiile energiei pentru a se
obţine distribuţia de temperaturi la diferite regimuri de funcţionare. Dată fiind construcţia
carcaselor s-a presupus ca răcirea cuplajului este asigurată corespunzător.
S-au ales materialele: aluminiu pentru discuri şi ulei siliconic pentru fluid.
S-au impus condiţii la limită:
- modelul s-a considerat adiabat;
- pe suprafeţele s0 şi s5 s-a impus o temperatură corespunzătoare mediului ambiant
300 K.
- disc0...disc2 sunt au definite ca medii solide, pe când film0 şi film1 sunt medii
fluide.
- pt. muchiilor s1 şi s3 s-a impus mişcare de rotaţie în jurul axei x.
- celelalte muchii s-au considerate fixe.
- vâscozitatea constantă.
Luând în considerare caracteristicile funcţionale ale producătorului s-a urmărit
comportamentul în cazul utilizării a două tipuri de uleiuri siliconice cu vâscozităţi dinamice
diferite 0,03 Pa*s şi 0,05 Pa*s la diferenţe de turaţie de 100 până la 3000 rpm între
suprafeţele discurilor.
5.4.2 Rezultate
Atât fluidul cât şi discurile sunt solicitate termic datorită frecării vâscoase.
Temperatura creşte odată cu creşterea diferenţei de turaţie, mai accentuat până la 2000 de
rot/min şi mai ponderat între 2000 şi 3000 rot/min. Distribuţia temperaturii în cuplaj este
evidenţiată în fig. 25, determinată cu ulei de vâscozitate 0,05 Pa*s. Cresterea se face din
interior spre exterior şi se inregistrează un maxim in imediata vecinătate a discului de
antrenare.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
40
La toate regimurile de funcţionare discurile exterioare 0 şi 2 sunt mult mai puţin
solicitate datorită răcirii prin convecţie a carcasei. Distribuţia pe direcţie axială este
evidenţiată în fig. 51 pentru cazul n=3000 rot/min şi 0,5 Pa*s.
Fig. 51. Distribuţia de temperaturi în funcţie de diferenţa de turaţie
Fig. 52 Distribuţia de temperaturi pe direcţie axială
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
41
Utilizarea unui ulei de vâscozitate mai ridicată duce la creşterea temperaturii.
Fig. 53. Distribuţia temperaturii pe peretele exterior
Fig. 54. Influenţa materialului discurilor asupra distribuţiei de temperatura
Dacă se utilizează oţel pentru materialul discurilor, scade temperatura preluată de
discul de antrenare, şi creşte în cazul discului intermediar (fig 54).
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
42
Fig. 55 Câmpul vitezelor
Valoarea vectorilor viteză creşte proporţional cu diferenţa de turaţie şi înregistrează
un maxim de 13,9 m/s la 3000 rot/min.
Fig. 56. Variaţia presiunii in fluid pe direcţia radială
Presiunea în fluid pe direcţie radială creşte cu diferenţa de turaţie dinspre interior spre
exterior datorită forţei centrifuge la cere este supus fluidul.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
43
Pentru fiecare din regimurile menţionate mai sus s-a determinat momentul de frecare
vâscoasă. Cu Mf1 sunt reprezentate valorile caracteristice unei vâscozităţii a uleiului de 0,03
si Mf2 cele pentru uleiul cu vâscozitate 0,05.
Fig. 57. Variaţia presiunii in fluid pe direcţia radială
După cum se vede valorile sunt foarte apropiate de valorile calculate prin metoda
analitică ceea ce confirma gradul de încrede ridicat al metodei.
6. Posibilităţi de utilizare în construcţia maşinilor unelte
În afara funcţiei principale de transmitere a sarcinii (moment de torsiune) şi a mişcării
de rotaţie, cuplajele pot îndeplini şi o serie de funcţii suplimentare, precum:
compensarea abaterilor de poziţie a elementelor legate prin cuplaj, abateri
datorate erorilor de execuţie şi montaj;
legarea unor arbori cu axe paralele sau concurente;
protecţia transmisiei din care fac parte de şocuri şi vibraţii;
limitarea sarcinii transmise;
limitarea turaţiei;
decuplarea transmiterii mişcării la schimbarea sensului de rotaţie;
întreruperea comandată a legăturii dintre elemente.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
44
Datorită avantajelor pe care le au vasco cuplajele pot fi folosite ca si cuplaje de
siguranţă.
Cuplajele de siguranţă îndeplinesc - pe lângă funcţia de trasmitere a momentului de
torsiune şi a mişcării de rotaţie între două elemente consecutive ale unui lanţ cinematic - şi
funcţia de limitare a momentului de torsiune transmis, în cazul apariţiei unor suprasarcini în
funcţionare. Se evită, astfel, suprasolicitarea elementelor lanţului cinematic şi deteriorarea
acestora.
Suprasarcinile - care apar în transmisie datorită unor cauze cum sunt pornirea sau
oprirea maşinii, trecerea prin zona de rezonanţă, încărcări prea mari ale mecanismului
executor - pot fi dinamice (de şoc), cu acţiune foarte scurtă sau cvasistatice, cu acţiune
îndelungată.
Suprasarcinile dinamice pot apărea ocazional sau periodic, mai ales la mecanismele
rapide, prin accelerări sau decelerări de mase mari de inerţie sau prin blocarea unui
mecanism.
La mecanismele lente, pericolul apariţiei suprasarcinilor dinamice este redus, datorită
energiei cinetice mici a sistemului.
Suprasarcinile statice apar datorită încărcării prea mari a maşinii antrenate (erori de
deservire, griparea unui lagăr etc.), atât la mecanismele rapide cât şi la mecanismele lente.
Indiferent de tipul suprasarcinilor, acestea pot duce la deteriorarea maşinii şi la
scoaterea acesteia din funcţiune. Luarea în considerare a suprasarcinilor, în totalitate, în
calculul transmisiei ar duce la o supradimensionare excesivă a acesteia, care nu poate fi
acceptată.
Dacă în lanţul cinematic al transmisiei mecanice se montează un cuplaj de siguranţă,
atunci se pot utiliza la maxim proprietăţile mecanice ale materialelor folosite la construcţia
elementelor componente ale transmisiei.
Cuplajele de siguranţă trebuie să fie caracterizate de: fiabilitate şi funcţionare sigură;
precizie de limitare, la o anumită valoare impusă, a momentului de torsiune transmis;
sensibilitate la decuplare; posibilitatea reglării momentului de torsiune transmis; capacitatea
de restabilire automată a fluxului cinematic, după încetarea acţiunii suprasarcinii.
Se recomandă utilizarea cuplajelor de siguranţă în următoarele situaţii :
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
45
în transmisiile maşinilor la care sarcina acţionează cu şoc sau unde există mase inerţiale
mari, ca urmare a imposibilităţii determinării precise a suprasarcinilor;
în transmisiile maşinilor care prelucrează medii neomogene (excavatoare, maşini agricole
etc.);
în transmisiile maşinilor automate, ca urmare a lipsei unui control permanent al
funcţionării;
în lanţurile cinematice cu mai multe ramuri (maşini unelte etc.), ca urmare a imposibilităţii
de protejare a transmisiei de către motorul electric;
în toate transmisiile unde costul supradimensionării, pentru a rezista suprasarcinilor, este
mai mare decât costul unui cuplaj de siguranţă fiabil.
Cuplajele de siguranţă se execută într-o mare diversitate de soluţii constructive, pentru
a satisface cerinţele impuse de o bună funcţionare a transmisiilor mecanice în care se
încorporează.
Situaţiile de funcţionare ale cuplajelor de siguranţă
Pentru a-şi îndeplini atât rolul principal, de transmitere a momentului de torsiune, cât
şi cel specific, de limitare a valorii acestui moment, în funcţionarea cuplajelor de siguranţă se
întâlnesc trei situaţii funcţionale distincte. Aceste situaţii sunt definite de mărimea
momentului de torsiune ce trebuie transmis de cuplaj şi de mărimea suprasarcinilor.
Pentru cele trei grupe de cuplaje, care răspund criteriului de clasificare legat de
continuitatea transmiterii sarcinii, variaţia momentului de torsiune Mt transmis de cuplaj
este :
Fig. 58. Situaţiile de funcţionare ale cuplajelor de siguranţă
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
46
Funcţionarea complet cuplat corespunde situaţiei în care momentul de torsiune din
transmisie Mt tr , necesar a fi transmis de cuplaj, este mai mic decât momentul de torsiune
maxim Mt 0 , posibil a fi transmis de cuplaj, în această situaţie de funcţionare: Mt = Mt tr £
Mt 0.
Procesul de decuplare corespunde situaţiei în care, în urma creşterii momentului de
torsiune din transmisie Mt tr , la depăşirea valorii momentului Mt 0, apare o mişcare de
rotaţie relativă între semicuplaje, începând acest proces.
Variaţia momentului Mt = Mtd în acest proces este funcţie de tipul cuplajului de
siguranţă care echipează transmisia.
Procesul de cuplare reprezintă situaţia în care, datorită micşorării momentului de
torsiune din transmisie, se obţine egalizarea vitezelor unghiulare dintre semicuplaje - în cazul
cuplajelor de siguranţă cu fricţiune - respectiv elementele active nu mai părăsesc locaşurile
din semicuplaje. În ambele cazuri, la sfârşitul procesului de cuplare se obţine, din nou,
situaţia de funcţionare complet cuplat.
În cazul cuplajelor de siguranţă cu ştifturi de rupere, restabilirea legăturii dintre arbori
se obţine prin înlocuirea ştiftului rupt.
Utilizarea raţională a maşinii antrenate impune ca în transmisie să se asigure un nivel
minim al sarcinii transmise de către cuplajul de siguranţă, fără ca acesta să se decupleze.
Acest nivel se stabileşte în funcţie de suprasarcinile care apar la mecanismul executor
al maşinii antrenate şi care devine moment de torsiune de calcul Mtc pentru cuplajul de
siguranţă.
În cazul în care cuplajele de siguranţă se proiectează astfel încât momentul maxim pe
care îl transmit, fără să se producă decuplarea, să fie egal cu Mtc, funcţionarea cuplajului în
zona valorilor apropiate de Mtc devine instabilă, cu frecvente decuplări şi recuplări. În
consecinţă, nu se asigură în permanenţă nivelul minim al sarcinii în transmisie, care să
permită utilizarea raţională a maşinii antrenate.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
47
6.1 Posibilităţile de utilizare a unui vâsco-cuplaj la maşina de
prelucrat cu ultrasunete
În cazul acestei prelucrări, prelevarea materialului se bazează pe transmiterea directă a
şocurilor dinamice produse de sculă, prin intermediul agentului eroziv (în speţă granulele
abrazive) piesei (suprafeţei de prelucrat) ca urmare a apariţiei unei forţe statice. Sub acţiunea
acestor şocuri, granulele abrazive, ce au o duritate mai mare decât materialul piesei, creează
în stratul superficial al piesei microfisuri ce avansează în adâncime, producând desprinderi de
microparticule din materialul de prelucrat. În timpul prelucrării, lichidul agentului eroziv
(obişnuit apă) este supus la compresiuni şi întinderi. În perioada de întindere, el exercită
asupra materialului piesei o solicitare de tracţiune care desprinde bucăţi din acesta.
În această perioadă, datorită gazelor dizolvate în apă şi a granulelor abrazive, se
formează microbule cavitaţionale. În timpul compresiunii, microbulele sunt comprimate şi se
distrug producând şocuri locale şi presiuni asupra suprafeţei, ce pot ajunge până la 1000
daN/cm2. Sub acţiunea undelor de şoc, lichidul pătrunde în fisuri exercitând presiuni
asupra metalului şi provocând dislocarea bucăţilor de material. Pentru creşterea efectelor
ultrasonice şi eliminarea produselor erodate, agentul eroziv circulă prin spaţiul de lucru.
Suprafaţa prelucrată se generează, în principal, prin copierea formei sculei. Printr-o
cinematică bine aleasă, se pot genera şi suprafeţe diferite de forma sculei. Granulele abrazive
utilizate au dimensiuni cuprinse între (3÷150)μm şi sunt din diamant, carbură de bor, carbură
de siliciu şi carborund.
Densitatea lor în lichid este de (30000 ÷ 100000)buc/cm3. În timpul prelucrării, ele îşi
micşorează dimensiunile şi muchiile li se rotunjesc, datorită solicitărilor la care sunt supuse.
Ca lichid se foloseşte, cel mai adesea, apa, deoarece are proprietăţi de umectare bune,
densitate convenabilă, conductibilitate termică suficientă, este mediu de răcire bun, nu este
toxică şi este ieftină.
Concentraţia abrazivului în ea este de (25 ÷ 40)%.
Scula se execută din materiale tenace pentru ca uzura sa în timpul prelucrării să fie
minimă. Ea vibrează în perioada de prelucrare cu o frecvenţă de (16 ÷ 35)kHz cu o
amplitudine de (10 ÷ 604)μm, viteza medie de oscilaţie, numită şi viteza principală, este de
(0,64 ÷ 8,4)m/s. Ea are aceeaşi direcţie şi acelaşi sens cu procesul eroziv.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
48
Viteza de prelucrare depinde de amplitudinea vibraţiilor şi de presiunea statică.
Precizia dimensională a suprafeţelor prelucrate ultrasonic este de ± 0,0127 mm, iar
rugozitatea de (0,3 ÷ 0,4)μm.
Prelucrarea ultrasonică se aplică pentru:
obţinerea găurilor străpunse sau înfundate, cu axe drepte sau curbilinii, pentru
gravare, filete interioare şi exterioare, canale profilate în piese din sticlă şi
mineraloceramice;
prelucrarea pieselor simple şi cu configuraţie complexă din sticlă, cuarţ, fluorită,
titanat de bariu, în industria aparatelor optice şi mecanică fină, materiale
semiconductoare (germaniu, siliciu) diamant tehnic, ferite şi alte materiale
mineraloceramice din industria electronică, electrotehnică şi aparatelor de măsură şi
control;
finisarea filierelor, poansoanelor şi matriţelor din carburi metalice şi recondiţionarea
lor după uzură;
prelucrarea pietrelor preţioase şi semipreţioase în industria bijuteriilor, a pietrelor
tehnice pentru industria mecanicii fine şi aparatelor de măsură.
6.2 Instalatia de prelucrare cu ultrasunete
Instalaţiile de prelucrare cu ultrasunete sunt asemănătoare ca formă cu maşinile-unelte
de găurit cu coloană sau montant, sau cu maşinile universale de frezat, avînd în
componenţă următoarele subansamble specifice:
— generatorul de frecvenţă ultrasonoră;
— blocul ultrasonic;
— sistemul de alimentare cu suspensie abrazivă sau lichid de răcire;
— sistemul de avans al capului de lucru.
Schema constructivă de principiu a unei astfel de instalaţie este prezentată în fig. 59,
unde: 1 este batiul maşinii; 2 — sania transversală; 3 — sania longitudinală ; 4 — piesa de
prelucrat; 5 — cuva de lucru ; 6 — pompa pentru trimiterea suspensiei abrazive; 7 , prin
intermediul circuitului de transfer 8, din rezervorul 9 în zona de lucru ; 10 — agitatorul de
uniformizare a suspensiei abrazive: 11 —concentrator; 12 — scula de prelucrare cu profil
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
49
corespunzător celui ce trebuie realizat; 13 — generator; 14 — transformator ; 15 — redresor;
16 — bobină de şoc ; 17 — condensator; 18 — sistemul de avans; 19 — sistemul de
poziţionare a capului de lucru pe direcţie verticală ; 20 — sistemul de echilibrare; 21 —
transductor; 22 — carcasa blocului ultrasonic.
Fig. 59. Schema de principiu a unei instalaţii de prelucrare cu ultrasunete :1 -batiul
maşinii; 2 — sania transversală; 3 — sania longitudinală ; 4 — piesa de prelucrat; 5 — cuva
de lucru ; 6 — pompa pentru trimiterea suspensiei abrazive; 7 , prin intermediul circuitului
de transfer 8, din rezervorul 9 în zona de lucru ; 10 — agitatorul de uniformizare a suspensiei
abrazive: 11 —concentrator; 12 — scula de prelucrare cu profil corespunzător celui ce
trebuie realizat; 13 — generator; 14 — transformator ; 15 — redresor; 16 — bobină de şoc ;
17 — condensator; 18 — sistemul de avans; 19 — sistemul de poziţionare a capului de lucru
pe direcţie verticală ; 20 — sistemul de echilibrare; 21 — transductor; 22 — carcasa blocului
ultrasonic, 23 – motor electric, 24 – transmisie prin curea, 25 - cuplaj. [11]
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
50
Generatorul de frecvenţă ultrasonoră are rolul de a transforma frecvenţa industrială (50
Hz) a curentului alternativ de la reţea în frecvenţă ultrasonoră (16—35 kHz) aplicată
transductorului din componenţa blocului ultrasonic.
Generatoarele industriale de frecvenţă ultrasonoră au în general puterea de ieşie cu
valorile cuprinse în gama: 0,1—4 kW, dar pot ajunge şi la valori de 10 kW sau chiar mai
mari.
Pentru puteri mici, generatoarele de frecvenţă ultrasonoră sînt de construcţie
tranzistorizată, iar pentru puteri medii şi mari, sînt construite pe bază de tuburi electronice.
Blocul ultrasonic are rolul de a transforma energia electrică cu frecvenţă ultrasonoră
primită de la generatorul de frecvenţă ultrasonoră, în energie mecanică de aceiaşi frecvenţă,
concentrată ulterior în zona de acţiune a sculei asupra piesei.
Componenta principală a blocului ultrasonic este transductorul ultrasonic, alcătuit din
generatorul de vibraţii mecanice cu frecvenţă ultrasonoră şi concentratorul de vibraţii prin
intermediul căruia vibraţiile sunt transmise sculei de lucru.
In principiu, un bloc ultrasonic este alcătuit din următoarele elemente (fig. 60): 7—
carcasa blocului ultrasonic; 2 — vibratorul ultrasonic ; 3 — coloana intermediară; 4 —
concentrator; 5— sculă; 6 — flanşa nodală; 7 — izolaţia acustică ; 8 — lichidul de răcire.
Fig. 60. 7—carcasa blocului ultrasonic; 2 — vibratorul ultrasonic ; 3 — coloana intermediară; 4
— concentrator; 5— sculă; 6 — flanşa nodală; 7 — izolaţia acustică ; 8 — lichidul de răcire.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
51
Generatoarele de vibraţii mecanice ultrasonore (vibratorul) pot fi de diferite tipuri
constructive; electromecanice (electromagnetice, magnetostric-tive, piezoelectrice etc),
aerodinamice, hidrodinamice, mecanice. în domeniul prelucrărilor dimensionale sînt utilizate
cu precădere generatoarele magneto-strictive şi cele piezoelectrice.
Construcţia generatoarelor magnetostrictive se bazează pe proprietatea unor materiale
feromagnetice, ca fierul şi nichelul, de a-şi modifica dimensiunile sub acţiunea cîmpurilor
magnetice, iar construcţia generatoarelor piezc- electrice se bazează pe proprietatea
similară a unor cristale naturale sau artificiale de cuarţ, titanat de bariu, zirconat de plumb
etc, de a-şi modifica dimensiunile sub acţiunea unor cîmpuri electrice.
Concentratoarele au rolul de a transmite vibraţiile mecanice de frecvenţă ultrasonoră
de la generatorul de vibraţii la scula propriu-zisă.
Totodată concentratorul permite şi o creştere a amplitudinii vibraţiilor, lungimea
concentratorului impunîndu-se a fi egală cu un număr întreg de jumătăţi de lungimi de
undă ale vibraţiilor produse de generator. Forma concentratorului poate fi: cilindrică în
trepte cu secţiunea axială variabilă după o lege exponenţială conică, cu suprafaţa
exterioară cilindrică şi cea interioară variabilă axial după o lege exponenţială cu secţiune
transversală dreptunghiulară variabilă axial după o lege exponenţială etc.
Caracteristica funcţională a concentratorului de vibraţii este dată de mărimea
factorului de amplificare, care arată de cîte ori amplitudinea vibraţiilor în zona de lucru
este mai mare decît amplitudinea vibraţiilor produse de generatorul de vibraţii. Valorile
cele mai mari ale factorului de amplificare (K = 20—22) se obţin în cazul utilizării
concentratorilor de formă exponenţială. De exemplu, în cazul utilizării acestor tipuri de
concentratori exponenţiali — specifici în mod deosebit operaţiilor de găurire —
elementele lor constructive se determină astfel:
— In funcţie de diametrul găurii prelucrate, se stabileşte diametrul d al
concentratorului.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
52
In funcţie de diametrul d, se determină diametrul de fixare a concentratorului D, cu
relaţia: D = Nd [mm], unde: N este raportul de reducere a secţiunii concentratorului, avînd
valorile : N = 3—4, la operaţiile de finisare, şi N = 4—5, la operaţiile de degroşare.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
53
7. Concluzii
Utilizarea cuplajelor cu film fluid în industria poate reprezentata o adevărată revoluţie,
pentru că într-o perioadă în dezvoltare chiar şi în privinţa soluţiilor mecanice, putem vorbi de
sistem automate.
Avantajele vâsco-cuplajelor sunt reale şi asta se reflectă cel mai bine în gradul larg de
utilizare. Sunt sisteme complet automate, nefiind necesare reglaje sau alte operaţii de
întreţinere suplimentare. Au o construcţie simplă, uşor de aplicat in practică. Funcţionarea se
face prin frecare vâscoasă ceea ce înseamnă că uzura este practic nesemnificativă.
Spre deosebire de alte cuplaje, acestea nu produc zgomot, fiind acţionate intermitent.
Consumul energetic este redus iar puterea creşte, făcând posibila astfel scăderea puterii
motorului ales.
Spre deosebire de alte cuplaje, soluţia cu vâsco-cuplaj nu necesită traductor de
temperatură, relee şi alte fire suplimentare, care pe lângă faptul ca ridică preţul de cost, reduc
fiabilitatea sistemului.
Se urmăreşte creşterea portanţei suprafeţelor de frecare prin texturare. Practic, pe
suprafaţa discuri se prelucrează formaţiuni cu forme specifice, de dimensiuni controlate care
produc variaţii în câmpul de presiuni din fluid. Se poate în acest fel transmite un moment mai
mare iar dimensiunile cuplelor pot şi micşorate.
Deşi ne aflăm în pragul unei dezvoltări spectaculoase a sistemelor electronice, menite
sa înlocuiască sistemele clasice, studiile se îndreaptă spre modernizarea soluţiei. Behr a lansat
de curând o variantă automatizate a cuplajului care permite îndepărtarea elementului de
comanda mecanic. Modelul înregistrează îmbunătăţiri din punct de vedere dinamic, timpii de
cuplare / decuplare fiind mai mici iar reglarea mai precisă.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
54
CUPLAJUL TORSEN[5]
Principala diferenţă intre viscocuplajul Ferguson si vascocuplajul (diferentialul)
Torsen este reprezentata de modul de acţiune al celor doua mecanisme, respectiv: diferenţialul
vascos este “sensibil la numarul de rotatii” iar cel de tip Torsen este “sensibil la cuplul
motor”.
In acest fel, efectul de blocare al diferentialului de tip Torsen creste automat in funcţie
de sarcina la care este supus. Practic, prin folosirea acestui tip de diferenţial se elimina
neajunsul supraincalzirii datorat vascocuplajului.
Astfel, avand o rezistenta mai mare, precum si o acurateţe mai buna in distribuirea
fortelor pe arborii antrenaţi. Este insa folosit si in cazul transmisiilor pentru motoare puternice
care, prin folosirea unui diferential autoblocant cu lamele, spre exemplu, ar duce la
transmiterea de şocuri puternice in intreg echipamentul.
Denumirea acestui mecanism vine de la englezescul “Torque Sensitive” (TorSen), ce
denota practic modul acestuia de acţiune sensibil la variatiile de cuplu. Ingeniozitatea
inginerilor a dus la crearea unei “bijuterii mecanice”, aceasta având in componenta sa nu mai
putin de trei grupuri de angrenaje, formate la randul lor din pinioane elicoidale sau cu dintii
drepti.
Forţele care apar intre aceste pinioane, precum si unghiurile la care interactioneaza,
determina rapiditatea cu care se transfera cuplul intre axele planetare.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
55
Avand la baza variatiile cuplului, acest diferential prezinta un mare avantaj, fiind
practic proactiv, prin acţiunea in avans asupra planetarelor si intervenind înainte ca patinarea
sa se producă. [4]
Sistemul reacţionează la diferitele forte de torsiune care apar intre planetara de intrare
si planetara de ieşire (ax antrenor, respectiv axul antrenat). Astfel, exista posibilitatea unei
repartizări variabile a cuplului motor. In cazul diferenţialului Torsen, cele doua axe asupra
cărora se acţionează sunt legate intre ele prin transmisie elicoidala. Este limitata astfel turaţia
ridicata a diferenţialului.
Avantajul tehnologic costa, aspect care se va simti in pretul final de vanzare al unui
echipament, astfel incat, acest tip de diferential nu este raspandit (el gasindu-şi utilizarea in
industria auto dar nu pe modelele de masă ci mai degrabă pe cele premium).
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
56
VASCOCUPLAJUL FERGUSON [2]
Diferenţialul cu vascocuplaj de tip Ferguson, mai ieftin decât vasco-cuplajul
(diferenţialul) Torsen permite transferul puterii prin intermediul unor discuri perforate
montate foarte aproape unul de celalalt astfel încât sa poată fi antrenate de un fluid siliconic.
In cazul in care rotile se învârt cu viteze apropiate frictiunile sunt mici si mecanismul
este inactiv, insa in momentul in care apar rotatii diferite lichidul siliconic din interiorul
diferentialului se incalzeste si astfel isi mareste vascozitatea. Devenind mai dens, acesta
reduce viteza discurilor si implicit a arborilor planetarelor astfel realizandu-se practic
transferul cuplului intre cele doua axe motoare. [3]
Marele dezavantaj al acestui sistem este practic dat de rezistenta lichidului siliconic,
care, datorita fortelor la care este supus se poate supraincalzi, ducand astfel la distrugerea
discurilor de frictiune si implicit la imposibilitatea de transmitere a cuplului diferentiat catre
arborii antrenaţi.
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice
Departamentul Maşini şi Sisteme de Producţie
Absolvent: ing. Cristina CIOCHINA
57
Bibliografie
1. Pascovici, M. D. şi Cicone T. – Elemente de tribologie. Cursuri universitare.
Editura Bren.
2. *** Skoda SSP nr. 48 – The 2.8 V6 engine for Skoda Superb, 2005
3. *** Skoda SSP nr. 49 – The 2.5 V6 diesel engine for Skoda Superb, 2005.
4. *** VAG Service SSP nr. 70 – VW LT Visco-Lüfterkupplung, 1985.
5. *** VAG Service SSP nr. 78 – Golf Syncro, 1986.
6. *** Prospect Behr-Visco-Lüfterkupplung für PKW + Klein-Nutzfahrzeuge.
7. Visco-Control Units and Visco-Differentials, Viscodrive GmbH, 1986.
8. I. Gheorghe, ş.a. – Maşini şi utilaje industriale, E.D.P., Bucureşti, 1980
9. – Utilajul şi tehnologia meseriei Construcţii de maşini, E.D.P.,
Bucureşti, 1993
10. M. Gafiţanu, ş.a. – Organe de maşini , vol.II, Editura Tehnică, Bucureşti, 1983
11. Al. Chişiu, ş.a. – Organe de maşini, E.D.P., Bucureşti, 1981