Механизмы сцепления в «молодые годы» мирового машиностроения
Изобретение механизма сцепления приписывается Карлу Бенцу. Так это или не так, достоверно установить невозможно: производством и совершенствованием первых автомобилей в XIX веке одновременно занималось сразу несколько компаний, и все они шли по своему развитию, что называется, «ноздря в ноздрю».
Старейшим видом сцепления, широко распространённого на большинстве автомобилей конца XIX – начала XX века, было сцепление конического типа. Его фрикционные поверхности имели коническую форму. Такое сцепление передавало бо́льший крутящий момент, при тех же габаритах, по сравнению с нынешним однодисковым, было предельно простым по своему устройству и в уходе за ним.
Комфортабельный «Мерседес Бенц НР-50» – автомобиль с конической фрикционной муфтой.
Однако тяжёлый конический диск такого типа сцепления обладал большой инерцией, и при переключении передач после выжима педали ещё продолжал вращаться на холостом ходу, из-за чего включение передачи было затруднённой операцией. Для торможения диска сцепления применили специальный агрегат – тормоз сцепления, однако его использование было лишь половиной решения проблемы, как и замена одного конуса двумя менее массивными. В итоге, уже в 1920-х годах от такой тяжёлой и громоздкой (к кому же требующей значительных мускульных усилий в использовании) конструкции, как коническое сцепление, полностью отказались. Также существовало сцепление с обратным конусом, работавшее на разжимание.
Однако сам принцип данного механизма нашёл новое воплощение в конструкции современных коробок переключения передач с синхронизаторами. Синхронизаторы коробки передач, по сути, и представляют собою маленькие конические сцепления, которые работают за счёт трения бронзы (или другого металла с высоким коэффициентом трения) по стали.
Виды механизмов сцепления
Механизмы сцепления можно классифицировать:
- по способу управления – сцепление с механическим, гидравлическим, электрическим или комбинированным приводом (например, гидромеханическим);
- по виду трения – сухое (когда фрикционные накладки работают в воздушной среде) или мокрое (сцепление, работающее в масляной ванне);
- по режиму включения – постоянно замкнутые и непостоянно замкнутые;
- по числу ведомых дисков – одно-, двух-, или многодисковые;
- по типу и расположению нажимных пружин – с расположением нескольких цилиндрических пружин по периферии нажимного диска и с центральной диафрагменной пружиной;
- по числу потоков передач крутящего момента – одно-, или двухпоточные.
При использовании гидравлического привода сцепления величина полного хода педали остаётся постоянной (это обеспечивается наличием у педали сцепления возвратной пружины). Однако величина её рабочего хода меняется, компенсируя уменьшение толщины ведомого диска в результате износа: чем меньше становится толщина диска, тем, при том же полном ходе педали сцепления, бо́льшим оказывается её рабочий ход, и тем «выше» (ближе к концу обратного хода педали при её отпускании) срабатывает сцепление.
У педали сцепления с механическим тросовым приводом полный ход прибавляется по мере износа ведомого диска (педаль сцепления приподнимается вверх относительно уровня пола), вместе с этим увеличивается и её рабочий ход. Свободный ход педали устанавливается регулировкой длины троса. Он составляет в нормальном положении порядка 30…40 мм.
По своей конструкции, сцепление бывает электромагнитного, фрикционного или гидравлического типа.
Фрикционный вариант сцепления обеспечивает передачу вращающего момента при помощи силы трения. Сцепление электромагнитного вида контролируется посредством магнитного поля. В гидравлическом варианте сцепления связь обеспечивается под воздействием потока гидравлической жидкости.
Сцепление является электромагнитным, если сжатие ведущих и ведомых элементов механизма производится посредством электромагнитных сил. Электромагнитное сцепление постоянно находится в разомкнутом состоянии.
Этот редкий вид сцепления устанавливался на некоторых модификациях машин с ручным управлением. Между ведущим и ведомым дисками находился ферромагнитный порошок, не мешающий раздельному вращению валов. Но после подачи электрического тока в обмотку электромагнита порошок «затвердевал» и передавал крутящий момент.
Для высоких нагрузок, таких как грузовые и спортивные автомобили, применяется также керамическое сцепление с высоким коэффициентом трения, однако оно «схватывает» резко, поэтому непригодно для использования в стандартных автомобилях.
Наиболее распространённый тип – фрикционный. В зависимости от количества используемых дисков, оно может быть однодисковым, двухдисковым или многодисковым.
Нажимной диск
Нажимной диск во время работы испытывает высокие термические нагрузки. В зависимости от условий эксплуатации и степени нагрузки средняя температура поверхности нажимного диска составляет от 120 °С до 400 °С.
В связи с этим правильная форма, размеры и материал нажимного диска имеют решающее значение для срока службы фрикционных накладок ведомого диска сцепления, интенсивность износа которых зависит, в первую очередь, от температурного режима работы сцепления. Как правило, фрикционная накладка со стороны нажимного диска изнашивается сильнее, чем со стороны маховика.
С одной стороны, для лучшего поглощения тепла желательно, чтобы нажимной диск был как можно массивнее, а с другой — массивный нажимной диск создает дополнительную нагрузку на пластинчатые пружины.
Пример HTML-страницы
Легкосплавные нажимные диски хотя и обладают в четыре раза лучшей теплопроводностью, чем изготовленные из чугуна, в целом характеризуются более низкой способностью к поглощению тепла, худшими антифрикционными свойствами и высокой стоимостью изготовления.
Современные нажимные диски представляют собой продуманное сочетание соответствующих материалов (ковкий или высокопрочный чугун с шаровидным графитом), формы (например, возможно увеличение площади поверхности за счет охлаждающих ребер) и размеров (максимально возможный диаметр с учетом толщины материала) (рис. 1. «Различные варианты нажимных дисков«).
Ведущий диск с витыми пружинами однодискового сцепления
На рис. 6. «Конструкция однодискового сцепления с витыми пружинами» показана устаревшая конструкция сцепления с витыми пружинами, которая больше не используется на современных легковых автомобилях.Нажимные витые пружины (3) в направляющих стаканах (2) из листового металла встроены в кожух ведущего диска (1) и предназначены для прижима нажимного диска (4) к ведомому диску сцепления (6).
Таким образом, ведомый диск, зажатый между нажимным диском и маховиком (5), передает крутящий момент с коленчатого вала двигателя на первичный вал коробки передач (8).
В отличие от диафрагменного сцепления, в этой конструкции выключение сцепления осуществляется с помощью рычагов смещения нажимного диска (9).
Кроме этого, в процессе отведения нажимного диска приходится преодолевать сопротивление нажимных пружин. В результате, по сравнению с диафрагменным сцеплением, в данном случае механизм выключения сцепления должен развивать большее усилие. Другими серьезными недостатками, которые в итоге привели к победе диафрагменного сцепления, стали большая конструктивная высота ведущего диска в сборе, более высокая чувствительность к частоте вращения, а также более значительные механические нагрузки из-за обилия отдельных деталей.
В конструкции транспортных средств промышленного назначения пока еще можно встретить сцепление с витыми пружинами (рис. 7. «Стандартный ведущий диск сцепления с витыми пружинами и чугунным кожухом для транспортных средств промышленного назначения«), хотя и тут отчетливо прослеживается тенденция к переходу на диафрагменные сцепления.
Сцепление этого типа может иметь диаметр от 250 мм до 420 мм и формировать усилие прижима до 20 000 Н, которое передается с помощью множества витых пружин осевого расположения.
Благодаря различиям в используемых пружинах можно без труда обеспечить требуемое усилие прижима для соответствующего типа сцепления.
Кожух ведущего диска сцепления промышленных транспортных средств выполнен из чугуна. Рычаги смещения нажимного диска, обеспечивающие выключение сцепления в этой конструкции, изготовлены преимущественно методом штамповки, закалены и установлены на игольчатых подшипниках или специальных втулках.
Выключение сцепления осуществляется, как правило, с помощью выжимного подшипника, который воздействует на упоры рычагов смещения нажимного диска.
Назначение и типы
Сцеплением называется силовая муфта, в которой передача крутящего момента обеспечивается силами трения, гидродинамическими силами или электромагнитным полем. Такие муфты называются соответственно фрикционными, гидравлическими и электромагнитными.
Сцепление служит для временного разъединения двигателя и трансмиссии и плавного их соединения. Временное разъединение двигателя и трансмиссии необходимо при переключении передач, торможении и остановке автомобиля, а плавное соединение – после переключения передач и при трогании автомобиля с места.
При движении автомобиля сцепление во включенном состоянии передает крутящий момент от двигателя к коробке передач и предохраняет механизмы трансмиссии от динамических нагрузок, возникающих в трансмиссии. Так, нагрузки в трансмиссии возрастают при резком торможении с двигателем, пре резком включении сцепления, неравномерной работе двигателя и резком снижении частоты вращения коленчатого вала, наезде колес на неровности дороги и т.д.
На автомобилях применяют различные типы сцеплений (схема 1).
Схема 1 – Типы сцеплений, классифицированных по различным признакам.
Все указанные сцепления, кроме центробежных, являются постоянно замкнутыми, т.е. постоянно включенными и выключаемыми водителем при переключении передач, торможении и остановке автомобиля.
На автомобилях наибольшее применение получили фрикционные сцепления. Однодисковые сцепления применяются на легковых автомобилях, автобусах и грузовых автомобилях малой и средней грузоподъемности, а иногда и большой грузоподъемности.
Двухдисковые сцепления устанавливают на грузовых автомобилях большой грузоподъемности и автобусах большой вместимости.
Многодисковые сцепления используются очень редко – только на автомобилях большой грузоподъемности.
Гидравлические сцепления, или гидромуфты, в качестве отдельного механизма на современных автомобилях не применяются. Ранее они использовались в трансмиссии автомобилей, но только совместно с последовательно установленным фрикционным сцеплением.
Электромагнитные сцепления имели некоторое применение на автомобилях, но широкого распространения не получили в связи со сложностью их конструкции.
Сцепление с периферийным расположением пружин ГАЗ 3110
Сцепление с периферийным расположением пружин
6 – внутренняя нажимная пружина; 7 – наружная нажимная пружина; 8 – защитный чехол; 9 – толкатель; 10 – поршень; 11 – манжета; 12 – пружина; 13 – клапан; 14 – рабочий цилиндр; 15 – нажимной диск; 16 – теплоизоляционная шайба; 17 – маховик; 18 – ведомый диск; 19 – отжимной рычаг; 20 – фрикционная накладка; 21 – опорная вилка; 22 – подшипник выключения сцепления; 23 – муфта выключения сцепления; 24 – кожух сцепления; 25 – крышка переднего подшипника первичного вала с направляющей втулкой; 26 – первичный вал
Сцепление автомобиля однодисковое сухое, с периферийным расположением пружин, с гидравлическим приводом. Подшипник 22 (рис. Сцепление с периферийным расположением пружин) выключения сцепления находится в постоянном контакте с тремя отжимными рычагами 19. Свободный ход вилки 2 выключения сцепления не регулируется.
Девять комплектов нажимных пружин 6 и 7 установлены между кожухом 24 сцепления и нажимным диском 15. Каждый комплект состоит из двух пружин 6 и 7, вставленных одна в другую с противоположным направлением витков.
Картер сцепления состоит из двух частей и отлит из алюминиевого сплава. Верхняя часть картера сцепления крепится к блоку цилиндров шестью болтами разной длины, а нижняя часть 4 – четырьмя болтами к верхней.
Нажимной диск 15 соединен с кожухом 24 шарнирно через узлы отжимных рычагов 19.
Ведомый диск 18 состоит из ступицы с гасителем крутильных колебаний и диска с фрикционными накладками 20, которые приклепаны к пластинчатым пружинам диска алюминиевыми заклепками с обеих сторон.
Привод выключения сцепления аналогичен приводу выключения сцепления с диафрагменной пружиной.
Подшипник 22 выключения сцепления закрытого типа и не требует смазки в процессе эксплуатации. Он напрессован на муфту 23 выключения сцепления.
Предельно допустимые величины и регулировочные размеры см. на стр. 78.
Источник
Двухдисковое сцепление
Двухдисковые сцепления не следует путать с двойными сцеплениями, которые используются на тракторах и имеют два независимых приводных вала (вал привода ходовой части и вал отбора мощности).
Как уже упоминалось ранее, способность сцепления к передаче крутящего момента можно ощутимо улучшить за счет увеличения количества поверхностей трения при сохранении диаметра дисков сцепления.
Поэтому двухдисковые сцепления имеют два ведомых диска, соединенных с одним первичным валом коробки передач.
Двухдисковое сцепление легкового автомобиля
Двухдисковые сцепления используются в конструкции легковых, спортивных и гоночных автомобилей, если они должны передавать очень высокий крутящий момент, однако конструктивное пространство сильно ограничено и высокий момент инерции масс нежелателен.
Как показано на примере Porsche 928 (рис. 21 «Устройство двухдискового сцепления легкового автомобиля на примере Porsche 928«), в двухдисковом сцеплении передаваемый сцеплением крутящий момент удваивается, так как оно имеет четыре поверхности трения.
Два ведомых диска (2) отделены друг от друга промежуточным диском (3), на котором расположен также зубчатый венец (4) привода стартера. Ведущий диск (1) по конструкции аналогичен диафрагменному сцеплению с обратным выжимом.
Двухдисковое сцепление грузового автомобиля
Двухдисковые сцепления для грузовых автомобилей могут иметь диаметр до 380 мм. Применяются как сцепление с витыми нажимными пружинами, так и диафрагменное сцепление. Оба варианта способны передавать от двигателя на трансмиссию крутящий момент до 2000 Н-м.
Двухдисковое сцепление модели GF-2 с витыми нажимными пружинами производства F&S (рис. 22 «Стандартное двухдисковое сцепление с витыми нажимными пружинами модели GF2 для тяжелых транспортных средств промышленного назначения«) давно завоевало прочные позиции в качестве стандартного оборудования для тяжелых транспортных средств промышленного назначения.
При монтаже нажимного диска сцепления GF-2 следует обязательно помнить о том, что рычаги отжимного приспособления могут биться о кожух. Отжимное приспособление способно надлежащим образом выполнить отведение нажимного диска только при равномерном износе фрикционных накладок обоих ведомых дисков.
Вариант с обратным выжимом (рис. 23 «Двухдисковое диафрагменное сцепление с обратным выжимом модели GMFZ для грузовых автомобилей«) обеспечивает передачу высоких крутящих моментов при относительно небольшом диаметре дисков в сочетании с небольшой конструктивной высотой сцепления в сборе. Помимо минимальных конструктивных размеров, он обладает также всеми известными преимуществами диафрагменного сцепления.
Пример HTML-страницы
РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЕ ПОЧИТАТЬ:
Пример HTML-страницы
Кожух ведущего диска
Кожух ведущего диска, как правило, соединен с маховиком болтами (рис. 5. «Кожух ведущего диска как отдельная деталь, изготовлена методом глубокой вытяжки«; специальные конструктивные варианты рассматриваются отдельно) и передает примерно половину крутящего момента, отдаваемого двигателем, от маховика на нажимной диск через пластинчатые пружины.
При этом кожух точно отцентрирован при помощи штифтов, обеспечивающих единственно возможное положение ведущего диска сцепления на маховике. Кроме этого, к кожуху крепится нажимная диафрагменная пружина, обеспечивающая усилие соединения нажимного и ведомого дисков сцепления.
Отверстия в кожухе обеспечивают циркуляцию воздуха и охлаждение нажимного диска. Конструктивное исполнение и материал (листовой металл глубокой вытяжки, толщиной 3-4 мм) зависят от необходимой жесткости кожуха.
Совет
Так как упругость кожуха может отрицательно сказаться на работоспособности сцепления, при установке кожуха следует обязательно затягивать болты крепления в перекрестном порядке в несколько этапов!
Следует также обращать внимание на правильность установки ведущего диска на маховик при центрировании штифтами, поскольку в некоторых случаях шаг центрирующих штифтов может быть несимметричным
Приводы сцеплений
Приводы фрикционных сцеплений могут быть механическими, гидравлическими и электромагнитными. Наибольшее применение на автомобилях получили механические и гидравлические приводы.
Механические приводы просты по конструкции и надежны в работе. Однако они имеют меньший КПД, чем гидравлические приводы сцеплений.
Гидравлические приводы, имея большие КПД, обеспечивают более плавное включение сцепления и уменьшают усилие, необходимое для выключения сцепления. Но гидравлические приводы сложнее по конструкции и в обслуживании, менее надежны в работе, более дорогостоящи и требуют больших затрат при обслуживании в эксплуатации.
Для облегчения управления сцеплением в приводах часто применяют механические усилители в виде сервопружин, пневматические и вакуумные.
Так, сервопружины уменьшают максимальное усилие выключения сцепления на 20…40%.
Неисправности и техническое обслуживание сцепления
Неисправности механизма сцепления, наблюдаемые в эксплуатации, заключаются в неполном его включении (пробуксовке ведомых дисков), неполном выключении (сцепление ведет), резком включении и неполном возвращении педали в начальное положение, в износе или разрушении подшипника муфты выключения.
Требования к сцеплениям
Одним из основных показателей сцепления является его способность к передаче крутящего момента. Для ее оценки используется понятие величины коэффициента запаса сцепления ß, определяемой следующим образом:
ß = МСЦ / Мmax
где
МСЦ – максимальный крутящий момент, который может передать сцепление,
Мmax – максимальный крутящий момент двигателя.
Помимо общих требований, касающихся каждого узла автомобиля, к сцеплению предъявляется ряд специфических требований, среди которых:
- Плавность включения. В эксплуатации она обеспечивается квалифицированным управлением, но некоторые элементы конструкции предназначены для повышения плавности включения сцепления даже при низкой квалификации водителя.
- Чистота выключения. Абсолютное выключение, при котором крутящий момент на выходном вале сцепления равен нулю, труднодостижимо, но если момент, передаваемый выключенным сцеплением, достаточно мал и не мешает включать передачи, то можно считать, что такое сцепление выключено практически чисто.
- Надежная передача крутящего момента при любых условиях эксплуатации. Слишком низкое значение коэффициента запаса приводит к увеличению времени буксования сцепления при трогании автомобиля (особенно в тяжелых эксплуатационных условиях), повышенному его нагреву и износу. Излишне большая величина коэффициента запаса сопровождается увеличением размеров и массы сцепления, повышением усилия, необходимого для управления им, и ухудшением предохранения трансмиссии и двигателя от перегрузок. Обычно значение коэффициента запаса сцепления составляют 1,4 – 1,7 для легковых и 1,5 – 2,0 для грузовых автомобилей, увеличиваясь до 2,3 на тяжелых тягачах.
- Минимальная величина момента инерции ведомых частей. Нарушение этого требования не скажется на выполнении сцеплением своих функций, однако будет приводить к удлинению процесса переключения передач и снижению срока службы синхронизаторов коробки передач.
- Удобство управления. Это общее для всех органов управления требование конкретизируется в виде требований к ходу педали и требуемому для ее нажатию усилию. Действующие в России ограничения в настоящее время составляют 150 Н усилия для автомобилей, имеющих усилители привода сцепления, и 250 Н для автомобилей без усилителей. Ход педали обычно не более 160 мм.
Устройство сцепления грузовых автомобилей ГАЗ
На схеме 2 показано сцепление грузовых автомобилей ГАЗ. Сцепление фрикционное, однодисковое, сухое, с периферийными пружинами и механическим приводом (автомобили 4 на 2) или с гидравлическим приводом (автомобили 4 на 4).
Ведущими деталями сцепления являются маховик 1, нажимной диск 4 и кожух 11, ведомыми – ведомый диск 3, деталями включения сцепления – двенадцать нажимных цилиндрических пружин 12, деталями выключения – три рычага 5 и муфта 8 с выжимным шариковым подшипником 9.
Схема 2 – Сцепление (а) и его детали (б) грузовых автомобилей ГАЗ
1 – маховик; 2 – картер; 3 – ведомый диск; 4 – нажимной диск; 5 – рычаг; 6 – масленка; 7, 13 – регулировочные гайки; 8 – муфта; 9 – подшипник; 10 – вилка; 11 – кожух; 12, 17 – пружины; 14 – тяга; 15 – пластина; 16 – кольцо; 18, 21 – диски; 19 – накладка; 20 – ступица
Крутящий момент от маховика двигателя через болты крепления передается кожуху сцепления и от него нажимному диску через три обработанных прилива диска, плотно входящих в три прямоугольные прорези кожуха. Далее крутящий момент передается ведомому диску, установленному на первичном валу коробки передач.
Ведомый диск сцепления состоит из тонкого стального разрезного диска 21, приклепанных к нему шести волнистых пружинных пластин 15 и двух фрикционных накладок 19, а также ступицы 20 и гасителя крутильных колебаний. Одна из фрикционных накладок приклепана непосредственно к диску, а другая – к пружинным пластинам.
При включении сцепления пластины 15 постепенно выпрямляются, и трение между ведомым диском, маховиком и нажимным диском постепенно возрастает. Это приводит к плавному включению сцепления.
Гаситель крутильных колебаний включает в себя диск 18, шесть цилиндрических пружин 17 и два фрикционных кольца 16. Фрикционные кольца установлены между фланцами ступицы, ведомым диском и диском гасителя. Пружины гасителя соединяют ведомый диск со ступицей и обеспечивают их упругую связь. Кроме снижения частоты крутильных колебаний валов двигателя и трансмиссии, пружины способствуют плавному включению сцепления.
Муфта 8 выключения сцепления и выжимной подшипник 9 в эксплуатации смазывают через колпачковую масленку 6 с гибким шлангом, установленную в картере 2 сцепления. Для лучшего отвода теплоты от деталей сцепления в картере сцепления имеется специальный вентиляционный люк. В картере сцепления также установлен шаровый палец, на который опирается вилка 10 выключения сцепления.
В сцеплении регулируется свободный ход педали и положение рычагов выключения сцепления, внутренние концы которых должны располагаться в одной плоскости.
Устройство сцепления:
а — в сборе; б — детали; 1 — картер сцепления; 2— опорная втулка вала вилки выключения сцепления; 3 — вилка выключения сцепления; 4 — подшипник выключения сцепления; 5 — ведомый диск; 6 — первичный вал коробки передач; 7— маховик; 8 — нажимной диск; 9— болт крепления сцепления к маховику; 10 — кожух сцепления; 11 — нажимная пружина; 12 — подшипник первичного вала; 13 — втулка вала вилки выключения сцепления; 14 — оттяжная пружина рычага вилки выключения сцепления; 15 — рычаг вилки выключения сцепления; 16 — ступица ведомого диска; 17 — фрикционные накладки; 18 — пружина демпфера; 19— пластина, соединяющая кожух сцепления с нажимным диском; 20 — опорные кольца нажимной пружины; 21 — муфта подшипника выключения сцепления; 22 — соединительная пружина вилки и муфты подшипника выключения сцепления.
Применение диафрагменной пружины (нелинейная характеристика) дает возможность затрачивать меньше усилия для выключения, чем спиральные цилиндрические (линейная характеристика) пружины. При износе деталей сцепления нажимное усилие цилиндрических пружин заметно падает, в то время как у конструкции с диафрагменной пружиной оно может даже несколько возрасти, обеспечивая надежную передачу крутящего момента. Кроме этого, сцепление с диафрагменной пружиной проще, имеет в семь раз меньше деталей и меньшие габаритные размеры.Для обеспечения плавности включения сцепления ведомые диски делают разрезными или пластинчатыми. К пластинам, изогнутым в разные стороны, с обеих сторон прикрепляют фрикционные накладки. Это обеспечивает в свободном состоянии зазор между накладками (1—2 мм). Уменьшение зазора между накладками в процессе включения сцепления обуславливает плавность соприкосновения трущихся поверхностей и возрастание силы трения.Для предотвращения передачи угловых колебаний от двигателя на в&ты трансмиссии в конструкции сцепления предусмотрен гаситель крутильных колебаний (демпфер). Пружины демпфера обеспечивают упругую связь ведомого диска сцепления с его ступицей.
Источник
Устройство сцепления
Устройство сцепления с периферийным расположением пружин имеют существенный недостаток — чувствительность к центробежным силам, которые пропорциональны квадрату частоты вращения сцепления, в быстроходных двигателях они значительны и вызывают деформацию («выпучивание») пружин, от чего пружины удлиняются, уменьшая осевое усилие и, следовательно, коэффициент запаса сцепления.Значительно лучше противостоят центробежной силе диафрагменные пружины , представляющие собой в свободном состоянии усеченный конус с радиальными прорезями, идущими от внутреннего края. Лепестки пружины выполняют функции рычагов выключения сцепления. При нажатии подшипника муфты выключения сцепления на их концы они деформируют пружину, перемещая назад ее наружный край. Для того чтобы нажимной диск двигался вслед за пружиной, на нем закреплены крюкообразные захваты.
