Устройство фрикционного сцепления автомобиля

Устройство и принцип работы сцепления автомобиля

Сцеплением называется механизм трансмиссии, передающий крутящий момент от двигателя к коробке передач за счет силы трения. Также оно позволяет кратковременно отсоединить двигатель от трансмиссии и вновь их плавно соединить. Существует достаточно много разновидностей муфт сцепления. Они различаются по количеству ведомых дисков (однодисковое, двухдисковое или многодисковое), по типу рабочей среды (сухое или мокрое) и по типу привода. Разные виды сцеплений имеют соответствующие преимущества и недостатки, но наибольшее распространение на современных автомобилях получило однодисковое сухое сцепление либо с механическим, либо гидравлическим приводом.

Функции сцепления

Муфта сцепления устанавливается между двигателем и коробкой передач и является одним из наиболее нагруженных элементов трансмиссии. Она выполняет следующие основные функции:

1. Плавное разъединение и соединение двигателя и коробки передач.
2. Передача крутящего момента без проскальзывания (без потерь).
3. Компенсация вибраций и нагрузок от неравномерности работы двигателя.
4. Снижение нагрузок на элементы двигателя и трансмиссии.

Элементы муфты сцепления

Стандартная муфта сцепления, применяющаяся на большинстве автомобилей с механической коробкой передач, включает следующие основные элементы:

• Маховик двигателя – ведущий диск.
• Ведомый диск сцепления.
• Корзина сцепления – нажимной диск.
• Выжимной подшипник сцепления.
• Муфта выключения сцепления.
• Вилка сцепления.
• Привод сцепления.

На ведомый диск сцепления с обеих сторон установлены фрикционные накладки. Его функция – передача крутящего момента за счет силы трения. Встроенный в корпус диска пружинный демпфер крутильных колебаний смягчает соединение с маховиком и гасит вибрации и нагрузки от неравномерности работы двигателя.

Схема расположения диска сцепления, корзины и выжимного подшипника с муфтой выключения

Нажимной диск и диафрагменная пружина, воздействующие на ведомый диск сцепления, в сборе представляют собой единый узел, получивший название “корзина сцепления”. Ведомый диск сцепления расположен между корзиной и маховиком и соединен с первичным валом коробки передач с помощью шлицев, по которым он может перемещаться.

Диафрагменная пружина корзины может быть либо нажимного, либо вытяжного принципа действия. Отличие – в направлении приложения усилия от привода сцепления: к маховику или от маховика. Особенность конструкции пружины вытяжного действия позволяет использовать корзину, толщина которой значительно меньше. Это делает узел максимально компактным.

Принцип работы

Принцип работы сцепления основан на жестком соединении ведомого диска сцепления и маховика двигателя за счет возникающей силы трения от усилия, которое создает диафрагменная пружина. Сцепление имеет два режима: «включено» и «выключено». Основное время работы ведомый диск прижат к маховику. Крутящий момент от маховика передаётся ведомому диску, а от него через шлицевое соединение на первичный вал коробки передач.

Схема работы диафрагменной пружины

Для выключения муфты водитель нажимает на педаль, которая соединена с вилкой механическим или гидравлическим приводом. Вилка перемещает выжимной подшипник, который, нажимая на концы лепестков диафрагменной пружины, прекращает её давление на нажимной диск, а он, в свою очередь, освобождает ведомый. В этот момент двигатель разъединен с трансмиссией.

После включения нужной передачи в коробке передач водитель отпускает педаль сцепления, вилка перестаёт воздействовать на выжимной подшипник, а тот на пружину. Нажимной диск прижимает ведомый к маховику. Двигатель соединен с трансмиссией.

Виды сцепления

Сухое сцепление

Принцип действия сцепления данного типа основан на силе трения, возникающей при взаимодействии сухих поверхностей: ведущего, ведомого и нажимного дисков. Это обеспечивает жесткую связь двигателя и коробки передач. Сухое однодисковое сцепление – самый распространенный вид, использующийся на основной массе автомобилей с механической КПП.

Мокрое сцепление

Данный вид сцепления предполагает работу трущихся поверхностей в масляной ванне. По сравнению с сухой, такая схема обеспечивает более плавное соприкосновения дисков; узел эффективнее охлаждается за счет циркуляции жидкости и может передавать больший момент на трансмиссию.

Двойное сцепление мокрого типа

Мокрая схема обычно применяется на современных роботизированных КПП с двойным сцеплением. Особенность работы такого сцепления заключается в том, что на четные и нечетные передачи КПП подается крутящий момент от отдельных ведомых дисков. Привод сцепления – гидравлический, управляемый электроникой. Переключение скоростей происходит при постоянной передаче крутящего момента на трансмиссию без разрыва потока мощности. Данная конструкция является более дорогой и сложной в производстве.

Сухое двухдисковое сцепление

Сухое двухдисковое сцепление предполагает наличие двух ведомых дисков и промежуточной проставки между ними. Данная схема способна передать больше крутящего момента при тех же размерах механизма сцепления. Сама по себе она проще в производстве по сравнению с мокрой. Обычно применяется на грузовиках и легковых автомобилях с особо мощными двигателями.

Сцепление двухмассового маховика

Двухмассовый маховик состоит из двух частей. Одна из них связана с двигателем, вторая – с ведомым диском. Обе составляющие маховика имеют небольшой свободный ход относительно друг друга в плоскости вращения и соединены пружинами между собой.

Схема двухмассового маховика

Особенностью сцепления двухмассового маховика является отсутствие пружинного демпфера крутильных колебаний в ведомом диске. Функция гашения колебаний заложена в конструкцию маховика. Помимо передачи крутящего момента он максимально эффективно сглаживает вибрации и нагрузки, возникающие от неравномерности работы двигателя.

Ресурс сцепления

Ресурс сцепления главным образом зависит от условий эксплуатации автомобиля, а также от стиля езды водителя. В среднем, срок службы сцепления может доходить до 100-150 тысяч километров пробега. В результате естественного износа, возникающего в момент соприкосновения дисков, фрикционные поверхности изнашиваются и требуют замены. Основная причина – проскальзывание дисков.

Двухдисковое сцепление обладает большим ресурсом за счет увеличенного числа рабочих поверхностей. Выжимной подшипник сцепления задействуется при каждом разрыве соединения двигателя и коробки передач. Со временем в подшипнике вырабатывается и теряет свойства вся смазка, в следствие чего он перегревается и выходит из строя.

Особенности керамического сцепления

Ресурс сцепления и эффективность его работы на пределе нагрузок зависит и от свойств материала, обеспечивающего зацепление дисков. Стандартный состав накладок дисков сцепления большинства автомобилей включает спрессованную смесь стеклянных и металлических волокон, смолы и каучука. Поскольку принцип работы сцепления базируется на силе трения, фрикционные накладки ведомого диска рассчитаны на работу при высоких температурах, доходящих до 300-400 градусов Цельсия.

Диск сцепления с керамическими фрикционными накладками

В мощных спортивных автомобилях нагрузки на сцепление намного превышают обычные нормы. Для некоторых трансмиссий может применяться керамическое и металлокерамическое сцепление. В состав материала таких накладок входит керамика и кевлар. Металлокерамический фрикционный материал менее подвержен износу и выдерживает нагрев до 600 градусов без потери рабочих качеств.

Производители используют различные конструкции муфты сцепления, оптимальные для определенного автомобиля, исходя из его назначения и стоимости. Сухое однодисковое сцепление остается достаточно эффективной и недорогой в изготовлении конструкцией. Данная схема широко применяется на легковых автомобилях бюджетного и среднего классов, а также на внедорожниках и грузовиках.

Источник статьи: http://techautoport.ru/transmissiya/sceplenie-i-mufty/sceplenie.html

Устройство автомобилей

Ступенчатые трансмиссии

Фрикционные сцепления

Сцепление фрикционного типа устанавливается на маховике и состоит из ведущих и ведомых элементов, нажимного механизма и механизма выключения.

К ведущим элементам сцепления относятся те детали и узлы, которые воспринимают крутящий момент от маховика и передают его на ведомые детали. К ним можно отнести собственно маховик, кожух сцепления и нажимной диск.

Нажимной диск должен иметь возможность перемещаться в осевом направлении при включении и выключении сцепления, и в то же время не перемещаться в тангенциальном направлении относительно кожуха и маховика. С этой целью на некоторых сцеплениях нажимной диск соединяют с кожухом с помощью упругих пластин, которые одним концом закрепляются на кожухе, другим — на нажимном диске (рис. 1, а). Передача крутящего момента может также осуществляться бобышками нажимного диска, которые входят в окна, выполненные в кожухе (рис. 1, б).

При необходимости передачи большого крутящего момента кожух вообще исключается из участия в этой работе, а нажимные диски воспринимают крутящий момент сразу от маховика с помощью шипов, которые входят в пазы, выполненные на маховике (рис. 1, в).

Недостатком этого способа передачи крутящего момента является достаточно большое трение, возникающее между боковыми поверхностями пазов и шипов при осевом перемещении нажимного диска и препятствующее выключению сцепления.

К ведомым элементам сцепления относятся ведомые диски 4 (рис. 2), воспринимающие крутящий момент от ведущих элементов и передающих его на первичный вал коробки перемены передач.

Ведомые диски при включенном сцеплении не будут проскальзывать относительно ведущих деталей, если будет выполняться условие равенства максимального момента М_с трения сцепления и максимального крутящего момента М_max двигателя с учетом коэффициента запаса:

где
β – коэффициент запаса сцепления;
μ – коэффициент трения между активными поверхностями ведущего и ведомого дисков;
Р_пр – усилие, создаваемое нажимным устройством;
R_ср – средний радиус трения (зависит от радиуса активной поверхности трения ведущего и ведомого дисков);
i – число поверхностей трения.

В зависимости от условий эксплуатации автомобиля сцепления могут выполняться с коэффициентом запаса равным 3 и более.

Из формулы (1) следует, что для передачи бόльшего крутящего момента диски должны выполняться бόльшего диаметра, а существенным фактором, обеспечивающим его работу, является коэффициент трения между активными поверхностями ведомого и ведущего дисков. Для повышения коэффициента трения на дисках крепятся фрикционные накладки, изготовленные из различных материалов, обладающих хорошими фрикционными свойствами, износоустойчивостью и термической стойкостью.
Широко применяемые ранее фрикционные накладки с добавлением 50% асбеста в настоящее время применяются редко из-за экологической вредности асбестовой пыли, попадающей в воздух при производстве накладок и при их изнашивании в результате трения.

Ведомые диски оснащаются гасителями крутильных колебаний . Источником вынужденных колебаний валов трансмиссии в основном являются неравномерная работа двигателя и ведущих колес автомобиля при движении по неровностям дороги.
При совпадении частот вынужденных колебаний и собственных колебаний трансмиссии могут возникнуть резонансные явления, вызывающие большие динамические знакопеременные нагрузки в трансмиссии, что может привести к поломке деталей и аварийной ситуации при движении автомобиля.
Поэтому в конструкции сцепления необходимо предусмотреть механизм, снижающий вероятность или полностью исключающий подобные явления.

С этой целью и применяются гасители крутильных колебаний, состоящие из нескольких цилиндрических пружин, размещенных по окружности на ведомом диске в специальной ступице на некотором расстоянии от оси вращения.
Гаситель крутильных колебаний за счет упругости пружин и сил трения поглощает часть энергии колебательных и динамических перегрузок благодаря возможности относительного перемещения ведомого и ведущего диска в тангенциальном направлении (по касательной) к оси вращения. При этом энергия колебаний и превращается в тепловую энергию сил внутреннего (в витках пружины) и внешнего трения.

Нажимным механизмом является нажимная пружина 6 (см. рис. 2). От нажимного усилия зависит максимальное значение и надежность передачи крутящего момента от ведомых элементов сцепления к ведомым.

Наибольшее распространение получили центральная мембранная пружина и периферийные цилиндрические пружины, располагаемые в один или два ряда. С целью обеспечения равномерности усилия по всей площади нажимного диска число пружин должно быть кратным количеству рычагов выключения.

Механизм выключения сцепления включает рычаги выключения сцепления 12 (рис. 2) и вилки рычагов 11. Длины плеч рычагов должны обеспечить достаточный ход нажимного диска для чистоты выключения сцепления и облегчить водителю процесс выключения. Поэтому они выполняются с передаточным числом от 4,5 до 4,85.
В некоторых конструкциях сцеплений для уменьшения износа концов рычагов к ним прикрепляют упорное кольцо, исключающее непосредственный контакт рычагов и подшипника выключения (выжимного подшипника). В сцеплениях с мембранной нажимной пружиной рычаги отсутствуют, а их функцию выполняют лепестки самой пружины.

Вилки рычагов должны иметь возможность наклоняться, т. е. совершать качательные движения, так как при перемещении рычагов изменяется их положение, и, следовательно, расстояние между опорами рычагов. С этой целью вилки рычагов закрепляются на кожухе сцепления не жестко, а через регулировочную гайку со сферической поверхностью.

Работа сцепления может проходить в трех режимах: во включенном положении, в выключенном положении и при частичном выключении-включении (при трогании автомобиля с места).

При включенном положении (рис. 2, а), когда педаль сцепления 8 отпущена, нажимные пружины 6, воздействуя на нажимной диск 2, плотно зажимают ведомый диск 4 между маховиком 3 и нажимным диском. Крутящий момент через активные поверхности трения передается от ведущих элементов на ведомые, при этом угловая скорость вращения ведущих и ведомых элементов одинакова.

При выключенном сцеплении (рис. 2, б), когда педаль 8 сцепления нажата, через привод осуществляется воздействие на подшипник выключения 7, который перемещается в сторону маховика 3 и воздействует на конец рычага 12. При этом противоположные концы рычага отодвигают нажимной диск 2 от ведомого диска 4, сжимая нажимные пружины 6. Крутящий момент с ведущих элементов на ведомые не передается, и ведомый диск сцепления не вращается.

При трогании автомобиля с места педаль 8 сцепления отпускается плавно, внутренние концы рычагов 12 перемещаются в сторону от маховика 3, а нажимной диск начинает постепенно прижиматься к ведомому диску и передавать на ведомый диск плавно возрастающий крутящий момент. Когда он станет достаточным для преодоления сил сопротивления движению автомобиля, ведомый диск начнет вращаться, и автомобиль тронется с места.

Этот режим работы сцепления является самым напряженным, поскольку он сопровождается выделением значительного количества теплоты при проскальзывании ведомого диска и динамическими нагрузками при резком отпускании педали сцепления. В этом режиме имеет место максимальный износ рабочих поверхностей фрикционных накладок.

Полнота выключения сцепления обеспечивается наличием свободного хода педали, который определяется зазором между рычагами 12 выключения и подшипником выключения 7. В процессе эксплуатации из-за изнашивания фрикционных накладок этот зазор уменьшается. Уменьшается и величина свободного хода педали сцепления. Это может привести к пробуксовыванию сцепления во включенном состоянии.
Зазор восстанавливают соответствующими регулировками в приводе сцепления, но не изменением положения рычагов выключения сцепления.

Полнота выключения сцепления обеспечивается рабочим ходом педали сцепления (70…140 мм). В двухдисковых сцеплениях предусматриваются специальные устройства для принудительного отведения среднего нажимного диска и установки его в промежуточное положение относительно маховика и нажимного диска.

На некоторых сцеплениях легковых автомобилей зазор между рычагами и подшипником выключения сцепления отсутствует (подшипник все время прижат к рычагам и вращается вместе с ними). Это позволяет исключить ударные нагрузки на подшипник при выключении сцепления и продлить срок его службы. В этом случае полнота включения и выключения сцепления обеспечивается полным ходом педали.

Наглядно с работой фрикционного сцепления можно ознакомиться, посмотрев размещенный внизу страницы видеоролик. Здесь же рассказывается о взаимодействии сцепления с другими агрегатами трансмиссии и о том, как правильно управлять фрикционным сцеплением.

Источник статьи: http://k-a-t.ru/mdk.01.01_transmjssia/sceplenje_2/index.shtml