Dyscyplina: Budowa samochodów i ciągników
Temat_2: Przekładnie samochodowe
Wykład_3: „Sprzęgła”
Wymagania i klasyfikacja sprzęgła
Przekładnia mechaniczna musi mieć możliwość chwilowego odłączenia od pracującego silnika. Jest to konieczne, gdy pojazd zatrzymuje się i podczas zmiany biegów w manualnej skrzyni biegów. Dodatkowo przy ruszaniu i zmianie biegów połączenie wału silnika i skrzyni biegów powinno być płynne, bez gwałtownych szarpnięć. W związku z tym istnieje zapotrzebowanie na specjalne urządzenie, które zapewnia stopniowe ładowanie silnika. Jako takie urządzenie zwykle stosuje się sterowane sprzęgło. Użycie sprzęgła jest niezbędne do zmiany biegów. jeśli skrzynia biegów jest obciążona momentem obrotowym, zmiana biegów nie jest możliwa. Przed zmianą biegów należy rozłączyć sprzęgło.
Sprzęgło nazywa się sprzęgłem mocy, w którym przenoszenie momentu obrotowego zapewniają siły tarcia, siły hydrodynamiczne lub pole elektromagnetyczne. Takie sprzęgła nazywane są odpowiednio ciernymi, hydraulicznymi i elektromagnetycznymi.
Gdy samochód jest w ruchu, sprzęgło w stanie załączonym przenosi moment obrotowy z silnika na skrzynię biegów i chroni mechanizmy skrzyni biegów przed obciążeniami dynamicznymi powstającymi w skrzyni biegów. Takie obciążenia w skrzyni biegów pojawiają się przy nagłym hamowaniu samochodu, nagłym załączeniu sprzęgła, nierównej pracy silnika i gwałtownym zmniejszeniu prędkości obrotowej wału korbowego, a także przy pokonywaniu nierównych nawierzchni itp.
W samochodach stosowane są różne typy sprzęgieł, które są klasyfikowane według różnych kryteriów (rys. 2.1). Wszystkie sprzęgła, z wyjątkiem odśrodkowych, są na stałe zamknięte, tj. ciągłe włączanie i wyłączanie przez kierowcę podczas zmiany biegów, hamowania i zatrzymywania samochodu.
Sprzęgła cierne – jednotarczowe i dwutarczowe – są najczęściej stosowane w samochodach.
Rysunek 2.1 - Klasyfikacja sprzęgieł według różnych kryteriów
Sprzęgła jednotarczowe stosowane są w samochodach osobowych, autobusach i ciężarówkach o lekkiej i średniej ładowności, a czasem nawet o dużym obciążeniu.
Sprzęgła dwutarczowe są instalowane w ciężkich samochodach ciężarowych i dużych autobusach.
Sprzęgła wielopłytkowe są używane bardzo rzadko - tylko w ciężkich samochodach ciężarowych.
Sprzęgła hydrauliczne lub sprzęgła hydrokinetyczne nie są używane jako oddzielny mechanizm przekładni w nowoczesnych samochodach. Wcześniej były używane w połączeniu z montowanym seryjnie sprzęgłem ciernym.
Sprzęgła elektromagnetyczne nie są szeroko stosowane ze względu na złożoność ich konstrukcji.
Analizując i oceniając konstrukcje sprzęgieł, podobnie jak inne mechanizmy, należy kierować się stawianymi im wymaganiami:
· Niezawodne przenoszenie momentu obrotowego z silnika na skrzynię biegów;
· Gładkość i kompletność włączenia; czystość wyłączenia;
· Minimalny moment bezwładności elementów napędzanych;
· Dobre odprowadzanie ciepła z powierzchni ciernych;
· Ochrona transmisji przed obciążeniami dynamicznymi;
Utrzymanie siły pchania v określone limity podczas pracy;
· Minimalne nakłady wysiłku fizycznego na zarządzanie;
· Dobra równowaga.
Ponadto na sprzęgło, a także na wszystkie mechanizmy samochodu, nakładane są następujące ogólne wymagania: zapewnienie minimalnych rozmiarów i masy, prostota urządzenia i konserwacji, możliwości produkcyjne, łatwość konserwacji, niski poziom hałasu.
Niezawodne działanie sprzęgła bez przegrzania i znacznego zużycia, jest to szczególnie ważne w trudnych warunkach drogowych samochodu oraz w obecności przyczepy i naczepy, kiedy dochodzi do częstszego włączania i wyłączania oraz ślizgania się sprzęgła.
Niezawodne sprzęgło musi być zdolne do przenoszenia momentu obrotowego przekraczającego moment obrotowy silnika. Wraz ze zużyciem okładzin ciernych napędzanej tarczy siła sprężyn dociskowych słabnie, a sprzęgło zaczyna się ślizgać. W takim przypadku przedłużający się poślizg sprzęgła prowadzi do jego silnego nagrzewania i awarii.
Sprzęgło powinno sprzęgać się płynnie, aby nie powodować zwiększonych obciążeń w mechanizmach skrzyni biegów oraz bardzo dużych przyspieszeń pojazdu, co niekorzystnie wpływa na kierowcę, pasażerów i przewożony towar. Na przykład przy ostrym załączeniu sprzęgła obciążenia skrętne w skrzyni biegów mogą być 3 do 4 razy większe od maksymalnego momentu obrotowego silnika. Dzieje się tak dlatego, że przy szybkim zwolnieniu pedału sterującego siła ściskania części napędowej i napędzanej sprzęgła w początkowym momencie jest tworzona nie tylko przez sprężyny dociskowe, ale także przez energię kinetyczną tarczy dociskowej poruszającej się na kole zamachowym silnika i powiązanych części. Jednocześnie w momencie kontaktu części prowadzącej i napędzanej sprzęgła siła ich ściskania jest kilkakrotnie większa niż siła sprężyn dociskowych.
Gładkość sprzężenie sprzęgła jest zapewnione głównie dzięki elastycznym właściwościom napędzanej tarczy, które zależą od jej konstrukcji. Sprężyny tłumika drgań skrętnych również przyczyniają się do płynnego załączania sprzęgła. Jednak wpływ tych sprężyn jest znikomy, ponieważ ich odkształcenie przy załączeniu sprzęgła jest niewielkie. Elastyczność części napędu sterującego sprzęgłem wpływa również na płynność załączania sprzęgła. Tak więc, na przykład, w połączeniu ze sprężyną talerzową, dźwignie zwalniające sprzęgła (płatki), które są wykonane razem ze sprężyną talerzową, mają większą elastyczność.
Najwyższą płynność sprzęgania zapewniają sprzęgła wielopłytkowe. Jednak są one używane bardzo rzadko i tylko w ciężkich samochodach ciężarowych.
Moment obrotowy silnika musi być przenoszony na skrzynię biegów bez poślizgu sprzęgła.
Kompletność załączanie sprzęgła odbywa się poprzez specjalne regulacje sprzęgła i jego napędu. Te regulacje zapewniają niezbędny luz między łożyskiem zwalniającym sprzęgła zwalniającego sprzęgło a końcami dźwigni zwalniających, a także swobodny skok pedału sprzęgła proporcjonalny do określonego luzu, który zwykle wynosi 20 ... 40 mm.
Przy znacznym zużyciu powierzchni trących części napędowej i napędzanej sprzęgła określona szczelina zmniejsza się, a dźwignie zwalniające opierają się o łożysko zwalniające sprzęgła zwalniającego, co uniemożliwia sprężynom wytworzenie wymaganej siły nacisku.
Czystość wysprzęglania charakteryzuje się całkowitym oddzieleniem silnika od skrzyni biegów, w której części napędowe sprzęgła nie prowadzą części napędzanych.
Jeśli sprzęgło nie jest całkowicie rozłączone, zmiana biegów staje się trudna (występuje z hałasem), co prowadzi do zużycia kół zębatych i synchronizatorów. Jeśli sprzęgło nie jest całkowicie odłączone, a bieg jest włączony w skrzyni biegów, sprzęgło będzie się ślizgać podczas pracy silnika. Prowadzi to do nagrzewania się części sprzęgła i zużycia okładzin ciernych napędzanej tarczy.
Czystości zwalniaka sprzęgła zapobiega tarcie w piaście napędzanej tarczy, która jest zamontowana na wielowypustach wału wejściowego skrzyni biegów. Gdy sprzęgło jest rozłączone, na napędzaną tarczę działa siła osiowa, która dociska ją do koła zamachowego. Wartość siły osiowej jest ograniczona siłą tarcia w wielowypustowym połączeniu piasty tarczy z wałem wejściowym skrzyni biegów.
W sprzęgle wielopłytkowym resztkowa siła osiowa jest obliczana poprzez sukcesywne sumowanie sił tarcia powstających w wielowypustach wszystkich napędzanych tarcz.
Resztkowa siła osiowa w sprzęgle wielopłytkowym jest znacznie większa niż w sprzęgle jednopłytkowym, przez co nie jest zapewniona wymagana czystość rozłączania sprzęgła wielopłytkowego.
W sprzęgłach jednotarczowych całkowite oddzielenie silnika i skrzyni biegów jest zapewnione przez odpowiednie wycofanie tarczy dociskowej z koła zamachowego. W sprzęgłach dwutarczowych wymuszone cofanie środkowej tarczy napędowej odbywa się za pomocą różnych specjalnych urządzeń (dźwignia równoramienna, drążek oporowy itp.). Szczelina między powierzchniami tarcia przy cofnięciu tarczy dociskowej w sprzęgłach jednotarczowych wynosi 0,75 ... 1,0 mm, w sprzęgłach dwutarczowych - 0,5 ... 0,6 mm, a w sprzęgłach wielotarczowych - 0,25 ... 0,3 mm. W takim przypadku skok docisku przy odłączonym sprzęgle nie przekracza 1,5 ... 2,0 mm dla sprzęgieł jednotarczowych i 2,0 ... 2,5 mm dla sprzęgieł dwutarczowych.
Minimalny moment bezwładności napędzanych części. Aby zmniejszyć obciążenia udarowe kół zębatych zaangażowanych kół zębatych oraz pracę tarcia w synchronizatorach podczas zmiany biegów w skrzyni biegów, moment bezwładności napędzanych części sprzęgła powinien być minimalny. Gdy włączona jest niesynchronizowana przekładnia, obciążenie udarowe zębów koła zębatego jest proporcjonalne do momentu bezwładności napędzanych części sprzęgła.
Impuls uderzeniowy przy włączonym sprzęgle może być: 50...200 razy więcej niż impuls uderzeniowy, który pojawia się podczas zmiany biegów przy wyłączonym sprzęgle.
Zmniejszenie momentu bezwładności części napędzanych sprzęgłem uzyskuje się poprzez zmniejszenie średnicy tarczy napędzanej i masy okładzin ciernych. A więc średnica napędzanych tarcz sprzęgłowych pojazdów ciężarowych zwykle nie przekracza 400 mm... Grubość okładzin ciernych sprzęgła wynosi 3,3...4,7 mm. Jednak nie zawsze jest to możliwe, ponieważ podane wymiary są określone przez moment obrotowy przenoszony przez sprzęgło. Ponadto wraz ze zmniejszeniem średnicy napędzanej tarczy konieczne jest zwiększenie liczby powierzchni ciernych, aby sprzęgło mogło przenosić moment obrotowy. Jednak wzrost liczby powierzchni ciernych wraz ze spadkiem średnicy napędzanych tarcz prowadzi nie do zmniejszenia, ale do znacznego wzrostu momentu bezwładności napędzanych części sprzęgła. Na przykład moment bezwładności napędzanych części sprzęgła dwutarczowego jest znacznie wyższy niż w przypadku sprzęgła jednotarczowego, zaprojektowanego do przenoszenia tego samego momentu obrotowego.
Zastosowanie okładzin ciernych o podwyższonym współczynniku tarcia (wykonanych z materiałów spiekanych) umożliwia zmniejszenie średnicy tarczy napędzanej, ale ze względu na wzrost masy okładzin ciernych moment bezwładności części napędzanych sprzęgła nie zmniejsza się.
W ten sposób możliwe jest zmniejszenie momentu bezwładności napędzanych części sprzęgła tylko poprzez zmniejszenie masy napędzanej tarczy. Dlatego napędzana tarcza wykonana jest z cienkiej blachy stalowej o grubości 2…3 mm.
Do niedawna sprzęgła cierne były stosowane głównie do okładzin ciernych, które zawierały azbest, wypełniacze i materiały wiążące. Obecnie coraz powszechniejsze stają się okładziny cierne bez azbestu lub z minimalną jego zawartością. Wynika to z faktu, że pył azbestowy jest uznawany za niebezpieczny dla zdrowia człowieka. W nowoczesnych mechanizmach sprzęgła stosuje się materiały kompozytowe o ulepszonych właściwościach w porównaniu z azbestem. Jednak w przypadkach, w których wymagane jest przeniesienie bardzo dużego momentu obrotowego na jednostki transmisyjne, materiały cierne są nieodpowiednie. Dlatego w samochodach wyścigowych oraz w superciężkim sprzęcie (ciężarówki, ciągniki) stosuje się ceramiczne okładziny cierne. Charakteryzują się bardzo dużą odpornością na zużycie, są niewrażliwe na przegrzanie, ale nie zapewniają płynnego przenoszenia momentu obrotowego na sprzęgło.
Stabilna i niezawodna praca sprzęgła w dużej mierze zależy od jego stanu cieplnego. Dlatego konieczne jest utrzymanie stały stan cieplny sprzęgła .
Gdy pojazd zaczyna się poruszać, sprzęgło się ślizga. Prowadzi to do nagrzewania się części sprzęgła i uwalniania ciepła na powierzchniach ciernych jego części prowadzących i napędzanych. Czyli np. jedno załączenie sprzęgła podnosi temperaturę tarczy dociskowej o 7...15 °C. Podniesie się również temperatura okładzin ciernych napędzanej tarczy i zmniejszy się ich współczynnik tarcia. W takim przypadku niezawodna praca sprzęgła zostanie zakłócona, ponieważ sprzęgło będzie się ślizgać nie tylko podczas ruszania z miejsca, ale także podczas jazdy.
Przy dłuższym poślizgu sprzęgła temperatura jego powierzchni ciernych może przekroczyć 300°C, podczas gdy już przy 200°C współczynnik tarcia spada prawie o połowę. Wysoka temperatura prowadzi do wycieku spoiwa okładzin ciernych, stają się one suche, porowate i szybko się zużywają.
W wysokich temperaturach mogą również wystąpić wypaczenia tarczy napędzanej i dociskowej, pęknięcia tarczy dociskowej i awaria sprzęgła.
Aby chronić sprzęgło przed tymi negatywnymi zjawiskami, podejmuje się różne środki konstrukcyjne, aby ułatwić dobre odprowadzanie ciepła z powierzchni trących części napędowej i napędzanej. Przykładami są otwory wentylacyjne z metalowej siatki w obudowie sprzęgła i duża liczba otworów w obudowie sprzęgła w celu poprawy cyrkulacji powietrza; dźwignie zwalniające sprzęgła w postaci łopatek wentylatora do chłodzenia sprzęgła; masywna płyta dociskowa w formie pierścienia, która zapewnia lepsze odprowadzanie ciepła z napędzanego dysku; rowki w okładzinie ciernej zapewniające cyrkulację powietrza. Ponadto rowki w okładzinach ciernych służą do usuwania produktów zużycia pod działaniem sił odśrodkowych, które zmniejszają współczynnik tarcia. Przyczyniają się również do czystości wysprzęglania sprzęgła, eliminując zasysanie (przyklejanie) okładzin ciernych do powierzchni roboczych koła zamachowego silnika i tarczy dociskowej.
Na sprzęgła nakłada się również szereg ogólnych wymagań dotyczących masy, wymiarów, konserwacji, kosztów, obciążeń dynamicznych itp. Ze względu na spełnienie większości wymagań najbardziej rozpowszechnione są sprzęgła cierne jedno- i dwupłytkowe.
Z kolei suche sprzęgła cierne są podzielone według szeregu cech:
· według sposobu działania nieautomatyczne i automatyczne. Obecnie powszechnie stosuje się sprzęgła nieautomatyczne. Sprzęgła automatyczne są instalowane w niektórych modelach zagranicznych i krajowych samochodów osobowych. Samo sprzęgło (odśrodkowe) może być automatyczne zgodnie z zasadą jego działania lub układem sterowania, który zapewnia działanie sprzęgła nieautomatycznego (zwykle ciernego lub elektromagnetycznego) według zadanego algorytmu bez ingerencji kierowcy.
· według liczby napędzanych dysków- jedno- i dwutarczowe. Sprzęgła jednotarczowe są stosowane w samochodach osobowych i ciężarowych o średniej i średniej ładowności. Sprzęgła dwutarczowe są montowane w pojazdach ciężarowych.
· przez położenie sprężyn dociskowych- do peryferyjnych i centralnych. Szereg sprężyn cylindrycznych jest zainstalowanych wzdłuż obwodu, a jedna sprężyna stożkowa, cylindryczna lub tarczowa jest zamontowana centralnie. Te ostatnie znajdują szerokie zastosowanie w sprzęgłach samochodów osobowych, pozostałe typy znajdują zastosowanie w sprzęgłach samochodów ciężarowych i autobusów.
· według typu napędu- dla sprzęgieł z napędem mechanicznym i hydraulicznym bez doładowania iz doładowaniem. Wzmacniacze wykonujemy mechanicznie, hydraulicznie, pneumatycznie lub próżniowo.
Struktury sprzęgieł ciernych sprzęgieł (rysunek 2.10)
Sprzęgło cierne zwane sprzęgłem tarczowym, w którym moment obrotowy jest przenoszony dzięki sile tarcia suchego. Dlatego takie sprzęgła są również nazywane suchymi sprzęgłami.
W samochodach szeroko stosowane są sprzęgła cierne jednotarczowe i dwutarczowe. Sprzęgła wielopłytkowe są rzadko używane w ciężkich samochodach ciężarowych.
Suche sprzęgło jednotarczowe. Pojedynczy dysk sprzęgło to sprzęgło cierne, w którym jedna napędzana tarcza służy do przenoszenia momentu obrotowego.
Sprzęgła jednopłytkowe są proste w konstrukcji, tanie w produkcji, niezawodne w działaniu, zapewniają dobre odprowadzanie ciepła z powierzchni trących, czystość wyłączania i płynne włączanie. Są łatwe w utrzymaniu podczas eksploatacji i naprawy.
Schemat ideowy jednotarczowego sprzęgła ciernego pokazano na rysunku 2.2.
Rysunek 2.2 - Schemat ideowy działania sprzęgła.
a- w zestawie; b- wyłączony; 1 - obudowa; 2 - płyta dociskowa; 3 - koło zamachowe; 4 - napędzany dysk; 5 - talerz; 6 - wiosna; 7 - łożysko; 8 - pedał; 9 - wał; 10 - trakcja; 11 - widelec; 12 - ramię dźwigni
Zasada działania.
Wiodącymi częściami są koło zamachowe 3 pokrywa silnika 1 i płyta dociskowa 2, napędzana - napędzana tarcza 4 , w tym części - sprężyny 6 , szczegóły wyłączenia - dźwignie 12 i łożysko wysprzęglające 7.
Osłona 1 przykręcony do koła zamachowego. Tarcza dociskowa 2 połączone z obudową za pomocą elastycznych płytek 5, które zapewniają przeniesienie momentu obrotowego z obudowy na tarczę dociskową i osiowy ruch tarczy dociskowej, gdy sprzęgło jest załączane i odłączane. Napędzana tarcza jest zamontowana na wypustach wału głównego (napędowego) 9 skrzynie biegów.
Po zwolnieniu pedału 8 sprzęgło jest załączone bo napędzana tarcza 4 dociśnięty do koła zamachowego 3 płyta dociskowa 2 siła sprężyn 6. Sprzęgło przenosi moment obrotowy z części napędowych na napędzane przez powierzchnie cierne napędzanej tarczy z kołem zamachowym i tarczą dociskową. Po naciśnięciu pedału 8 (Rysunek 2.2, b) sprzęgło jest rozłączone, jak sprzęgło z łożyskiem wyciskowym 7 przesuwa się na koło zamachowe, obraca manetki 12 które odpychają płytę dociskową 2 z napędzanego dysku 4. W takim przypadku części napędowe i napędzane sprzęgła są odłączone i sprzęgło nie przenosi momentu obrotowego.
Sprężyny.
Sprzęgła samochodowe wykorzystują sprężyny cylindryczne, stożkowe i Belleville. Ich charakterystykę porównawczą przedstawiono na rysunku 2.3. Sprężyny śrubowe mają charakterystykę liniową w całym zakresie roboczym. Charakterystyka sprężyny stożkowej przed osadzeniem cewek jest również liniowa, następnie w miarę wyłączania cewek z pracy zwiększa się sztywność sprężystości. Jest to wadą, gdyż powoduje wzrost siły przy odłączaniu sprzęgła oraz znaczny spadek siły docisku przy zużyciu okładzin ciernych. Najbardziej korzystna cecha sprężyny Belleville, której siła w zakresie roboczym zmienia się nieznacznie po rozłączeniu sprzęgła i zużyciu okładzin ciernych.
Rysunek 2.3 - Charakterystyka sprężyn sprzęgieł ciernych: a - stożkowa; b-cylindryczny; w membranie.
Sprężyny śrubowe w nowoczesnych sprzęgłach są montowane peryferyjnie , co zapewnia równomierne ściskanie powierzchni trących dzięki symetrycznemu rozmieszczeniu sprężyn względem siebie i dźwigni zwalniających. W zależności od ich ilości, sprężyny dociskowe znajdują się na jednym lub dwóch okręgach tarczy dociskowej. Aby wycentrować sprężyny i zmniejszyć ich deformację pod działaniem sił odśrodkowych, stosuje się szkła, występy lub występy na tarczy dociskowej i pokrywie sprzęgła.
Zamiast sprężyn obwodowych można zamontować centralnie jedną sprężynę śrubową. W tym przypadku średnica sprzęgła maleje, a jego wymiary osiowe rosną. Korzystanie z bardziej wyrafinowanej, montowanej pośrodku sprężyny stożkowej , pozwala na zmniejszenie wymiarów osiowych sprzęgła. W takich sprzęgłach siła sprężyny jest kontrolowana przez podkładki.
Sprężyny talerzowe ze względu na swoje zalety znajdują szerokie zastosowanie w sprzęgłach samochodowych (zwłaszcza w samochodach osobowych). Sprężyna Belleville (rysunek 2.5) ma kształt ściętego stożka i składa się z litego pierścienia z umieszczonymi południkowo płatkami, które działają jak elastyczne dźwignie zwalniające. Istnieją dwie opcje montażu podkładki Belleville. W pierwszej wersji sprężyna działa na tarczę dociskową zewnętrzną krawędzią pierścienia pełnego, w drugiej – wewnętrzną. Pierwsza opcja jest najczęściej stosowana ze względu na prostotę mechanizmu zwalniania sprzęgła. W drugiej wersji konstrukcja mechanizmu montażu sprężyny jest uproszczona, siła otwierania i naprężenia sprężyny są zmniejszone. Jednak w tym przypadku, aby zwolnić sprzęgło, wewnętrzne końce płatków sprężyny muszą zostać odsunięte od płyty dociskowej, co komplikuje konstrukcję mechanizmu zwalniającego.
Przy zastosowaniu sprężyn Belleville konstrukcja sprzęgła jest uproszczona, jego wymiary, liczba części jest zmniejszona, zapewnione jest płynne sprzęganie, równomierne obciążenie tarczy dociskowej, niewielka zmiana siły nacisku przy zużyciu okładzin.