Требования и классификация муфт сцепления

Дисциплина: Конструкция Автомобилей и тракторов

Тема_2: Трансмиссии автомобилей

Лекция_3: «Муфты сцепления»

Требования и классификация муфт сцепления

Механическая трансмиссия должна иметь возможность кратковременного разъединения от работающего двигателя. Это необходимо при остановках автомобиля и при переклю­чении передач в механической ступенчатой коробке передач. Кроме того, при троганье автомобиля с места и переключении передач соединение вала двигателя и трансмис­сии должно происходить плавно, без резких рывков. В связи с этим возникает необхо­димость в специальном устройстве, обеспечивающем постепенное нагружение двигателя. В качестве такого устройства обычно применяется управляемая муфта. Использование муфты сцепления необходимо для переключения передач т.к. если трансмиссия находится под нагрузкой кру­тящим моментом, переключение невозможно. Прежде чем переключить передачу, муфту сцепле­ния необходимо выключить.

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.

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. Такие нагрузки в трансмиссии воз­никают при резком торможении автомобиля, резком включении сцепления, неравномерной работе двигателя и резком снижении частоты вращения коленчатого вала, а также при наезде колес автомобиля на неровности дороги и т.д.

На автомобилях применяются различные типы сцеплений, ко­торые классифицируются по разным признакам (рис. 2.1). Все сцеп­ления, кроме центробежных, являются постоянно замкнутыми, т.е. постоянно включенными и выключаемыми водителем при переключении передач, торможении и остановке автомобиля.

Наибольшее применение на автомобилях получили фрикцион­ные сцепления - однодисковые и двухдисковые.

Рисунок 2.1 – Классификация муфт сцепления по различным признакам

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 грузовых автомобилях большой грузоподъемности.

Гидравлические сцепления, или гидромуфты, в качестве от­дельного механизма трансмиссии на современных автомобилях не применяются. Ранее они использовались совместно с последова­тельно установленным фрикционным сцеплением.

Электромагнитные сцепления широкого распространения не получили в связи со сложностью их конструкции.

При анализе и оценке конструкций сцеплений, как и других механизмов, следует руководствоваться предъявляемы­ми к ним требованиями:

· надежная передача крутящего момента от двигателя к трансмиссии;

· плавность и полнота включения; чистота выключения;

· минимальный момент инерции ведомых элементов;

· хороший отвод теплоты от поверхно­стей трения;

· предохранение трансмиссии от динами­ческих нагрузок;

· поддержание нажимного усилия в за­данных пределах в процессе эксплуата­ции;

· минимальные затраты физических уси­лий на управление;

· хорошая уравновешенность.

Кроме того, к сцеплению, как и ко всем механизмам автомобиля, предъявляют такие общие требования: обеспечение ми­нимальных размеров и массы, простота устройства и обслуживания, техноло­гичность, ремонтопригодность, низкий уро­вень шума.

Надежная работа сцепления без перегрева и значительных износов особенно важна в тяжелых дорожных условиях движения автомобиля и при наличии прицепа и полуприцепа, когда имеют место более частые включения и выключения, а также буксова­ние сцепления.

Сцепление при надежной работе должно обеспечивать возмож­ность передачи крутящего момента, превышающего крутящий момент двигателя. С изнашиванием фрикционных накладок ведо­мого диска усилие нажимных пружин ослабевает, и сцепление начинает буксовать. При этом длительное буксование сцепления приводит к его сильному нагреву и выходу из строя.

Сцепление должно включать­ся плавно, чтобы не вызывать повышенных нагрузок в механиз­мах трансмиссии и очень больших ускорений автомобиля, кото­рые отрицательно влияют на водителя, пассажиров и перевози­мые грузы. Так, например, при резком включении сцепления скру­чивающие нагрузки в трансмиссии могут быть в 3 - 4 раза больше максимального крутящего момента двигателя. Это происходит по­тому, что при быстром отпускании педали управления усилие сжатия ведущих и ведомых частей сцепления в начальный момент создается не только нажимными пружинами, но и кинетической энергией перемещающегося к маховику двигателя нажимного диска и связанных с ним деталей. При этом в момент соприкосновения ведущих и ведомых частей сцепления усилие их сжатия в несколь­ко раз превышает силу нажимных пружин.

Плавность включения сцепления обеспечивается главным об­разом благодаря упругим свойствами ведомого диска, которые зависят от его конструкции. Плавности включения сцепления так­же способствуют пружины гасителя крутильных колебаний. Одна­ко влияние этих пружин незначительно, так как их деформация при включении сцепления невелика. На плавность включения сцеп­ления влияет и упругость деталей привода управления сцеплени­ем. Так, например, в сцеплении с диафрагменной пружиной боль­шую упругость имеют рычаги (лепестки) выключения сцепления, которые выполнены вместе с диафрагменной пружиной.

Наиболее высокую плавность включения обеспечивают много­дисковые сцепления. Однако они применяются очень редко и толь­ко на тяжелых грузовых автомобилях.

Крутящий момент двигателя должен передаваться на транс­миссию без буксования сцепления.

Полнота включения сцепления достигается специальными ре­гулировками сцепления и его привода. Эти регулировки обеспе­чивают необходимый зазор между выжимным подшипником муфты выключения сцепления и концами рычагов выключения, а также пропорциональный указанному зазору свободный ход педали сцеп­ления, который обычно составляет 20...40 мм.

При значительном изнашивании трущихся поверхностей веду­щих и ведомых частей сцепления указанный зазор уменьшается, и рычаги выключения упираются в выжимной подшипник муфты выключения, что препятствует созданию пружинами необходи­мого нажимного усилия.

Чистота выключения сцепления характе­ризует полное разъединение двигателя и трансмиссии, при кото­ром ведущие детали сцепления не ведут за собой ведомые.

При неполном выключении сцепления затрудняется переклю­чение передач (оно происходит с шумом), что приводит к изна­шиванию шестерен и синхронизаторов. Если же сцепление вы­ключено не полностью, а в коробке передач включена передача, то при работающем двигателе сцепление будет буксовать. Это при­водит к нагреву деталей сцепления и изнашиванию фрикционных накладок ведомого диска.

Чистоте выключения сцепления препятствует трение в ступи­це ведомого диска, которая установлена на шлицах первичного вала коробки передач. При выключении сцепления ведомый диск находится под действием осевой силы, которая прижимает его к маховику. Значение осевой силы ограничивается силой трения в шлицевом соединении ступицы диска и первичного вала коробки передач.

В многодисковом сцеплении остаточная осевая сила подсчиты­вается последовательным суммированием сил трения, возникаю­щих в шлицевых соединениях всех ведомых дисков.

Остаточная осевая сила в многодисковом сцеплении значитель­но больше, чем в однодисковом, вследствие этого требуемая чи­стота выключения многодискового сцепления не обеспечивается.

В однодисковых сцеплениях полное разъединение двигателя и трансмиссии обеспечивается соответствующим отводом нажим­ного диска от маховика. В двухдисковых сцеплениях принудитель­ный отвод среднего ведущего диска осуществляется различными специальными устройствами (равноплечим рычагом, упорным стержнем и др.). Зазор между трущимися поверхностями при от­воде нажимного диска в однодисковых сцеплениях составляет 0,75... 1,0 мм, в двухдисковых - 0,5...0,6 мм, а в многодисковых - 0,25...0,3 мм. При этом ход нажимного диска при выключении сцепления не превышает 1,5...2,0 мм для однодисковых сцепле­ний и 2,0...2,5 мм для двухдисковых сцеплений.

Минимальный момент инерции ведомых частей. Для уменьше­ния ударных нагрузок шестерен включаемых передач и работы трения в синхронизаторах при переключении передач в коробке передач момент инерции ведомых частей сцепления должен быть минимальным. При включении несинхронизованной передачи ударная нагрузка на зубья шестерен пропорциональна моменту инерции ведомых частей сцепления.

Ударный импульс при включенном сцеплении может быть в 50...200 раз больше, чем ударный импульс, возникающий при переключении передач с выключенным сцеплением.

Снижение момента инерции ведомых частей сцепления дости­гается уменьшением диаметра ведомого диска и массы фрикци­онных накладок. Так, диаметр ведомых дисков сцеплений автомо­билей большой грузоподъемности обычно не превышает 400 мм . Толщина фрикционных накладок сцеплений составляет 3,3...4,7 мм. Однако это не всегда возможно, так как указанные размеры опре­деляются крутящим моментом, передаваемым сцеплением. Кроме того, при уменьшении диаметра ведомого диска необходимо уве­личивать число поверхностей трения, чтобы сцепление могло пе­редавать крутящий момент. Но увеличение числа поверхностей трения при уменьшении диаметра ведомых дисков приводит не к уменьшению, а к значительному увеличению момента инерции ведомых частей сцепления. Так, например, момент инерции ведо­мых частей у двухдискового сцепления значительно больше, чем у однодискового, рассчитанного на передачу такого же крутящего момента.

Применение фрикционных накладок с повышенным коэффи­циентом трения (из спеченных материалов) позволяет уменьшить диаметр ведомого диска, но из-за увеличения массы фрикцион­ных накладок момент инерции ведомых частей сцепления не сни­жается.

Таким образом, уменьшить момент инерции ведомых частей сцепления можно только за счет уменьшения массы ведомого диска. Поэтому ведомый диск выполняют из тонкого стального листа толщиной 2...3 мм.

До недавнего времени для фрикционных сцеплений применялись в основном фрикционные накладки, в состав которых входили асбест, наполнители и связующие материалы. В настоя­щее время все большее распространение получают фрикционные накладки без асбеста или с минимальным его содержанием. Это связано с тем, что асбестовая пыль признана опасной для здоровья человека. В современных механизмах сцепления применяются композитные материалы, обладающие улучшенными по сравнению с асбестом характеристиками. Но в случаях, когда требуется передать на узлы трансмиссии крутящий момент очень большой величины, фрикционные материалы оказываются непригодными. Поэтому в гоночных автомобилях и в сверхтяжелой технике (грузовиках, тягачах) применяют керамические фрикционные накладки. Они обладают очень высокой износостойкостью, нечувствительны к перегреву, но не обеспечивают плавной передачи крутящего момента на сцепление.

Стабильная и надежная работа сцепления существен­но зависит от его теплового состояния. Поэтому необходимо под­держивать постоянный тепловой режим муфты сцепления .

При трогании автомобиля с места происходит буксование сцеп­ления. Это приводит к нагреву деталей сцепления и выделению теплоты на поверхностях трения его ведущих и ведомых частей. Так, например, одно включение сцепления повышает температу­ру нажимного диска на 7... 15°С. Температура фрикционных на­кладок ведомого диска также повысится и понизится коэффици­ент их трения. При этом надежная работа сцепления будет нару­шена, так как сцепление будет буксовать не только при трогании автомобиля с места, но и во время движения.

При длительном буксовании сцепления температура его по­верхностей трения может превысить 300 °С, тогда как уже при 200 °С коэффициент трения снижается почти в два раза. Высокая температура приводит к вытеканию связующего компонента фрикционных накладок, они становятся сухими, пористыми и быстро изнашиваются.

При высокой температуре также может произойти коробление ведомого и нажимного дисков, появление трещин на нажимном диске и выход сцепления из строя.

Для предохранения сцепления от указанных негативных явле­ний осуществляют различные конструктивные мероприятия, спо­собствующие хорошему отводу теплоты от трущихся поверхнос­тей ведущих и ведомых частей. Примером могут служить вентиля­ционные отверстия с металлическими сетками в картере сцепле­ния и большое количество отверстий в кожухе сцепления, сде­ланные для улучшения циркуляции воздуха; рычаги выключения сцепления, выполненные в форме лопастей вентилятора, охлаж­дающего сцепление; массивный нажимной диск в виде кольца, обеспечивающий лучший отвод теплоты от ведомого диска; ка­навки в фрикционных накладках для циркуляции воздуха. Кроме того, канавки в фрикционных накладках служат для удаления под действием центробежных сил продуктов износа, снижающих ко­эффициент трения. Они также способствуют чистоте выключения сцепления, устраняя присасывание (прилипание) фрикционных накладок к рабочим поверхностям маховика двигателя и нажим­ного диска.

К муфтам сцепления предъявляется так же ряд общих требований, касающихся массы, габаритов, ремонтопригодности, стоимости, динамических нагрузок и т.д. Благодаря удовлетворению большинства требований, наибольшее распространение получили фрикционные однодисковые и двухдисковые муфты сцепления.

В свою очередь фрикционные сухие муфты сцепления разделяются по ряду признаков:

· по способу действия неавтоматические и автоматические. В настоящее время обычно применяют неавтоматические сцепления. Автома­тические сцепления установлены на некоторых моделях легковых зарубеж­ных и отечественных автомобилей. Ав­томатическим может быть само сцеп­ление (центробежное) по принципу его работы или система управления, обеспечивающая работу неавтомати­ческого сцепления (обычно фрикцион­ного или электромагнитного) по задан­ному алгоритму без вмешательства во­дителя.

· по числу ведомых дисков - на од­но- и двухдисковые. Однодисковые сцепления используют на легковых и грузовых автомобилях малой и сред- ней грузоподъемности. Двухдисковые сцепления устанавливают на автомо­билях большой грузоподъемности.

· по расположению нажимных пру­жин - на периферийные и централь­ные. По периферии устанавливают ряд цилиндрических пружин, а централь­но - одну коническую, цилиндричес­кую или тарельчатую. Последние по­лучили распространение в сцеплениях легковых автомобилей, остальные ти­пы применяют в сцеплениях грузовых автомобилей и автобусов.

· по типу привода - на сцепления с механическим и гидравлическим при­водом без усилителя и с усилителем. Усилители выполняют механически­ми, гидравлическими, пневматически­ми или вакуумными.

Конструкции фрикционных муфт сцеплений (рисунок 2.10)

Фрикционным сцеплением называется дисковая муфта, в кото­рой крутящий момент передается за счет силы сухого трения. По­этому такие сцепления называются также сухими.

На автомобилях широкое распространение получили однодис­ковые и двухдисковые фрикционные сцепления. Многодисковые фрикционные сцепления применяются очень редко на тяжелых грузовых автомобилях.

Однодисковое сухое сцепление. Однодисковым сцеплением на­зывается фрикционная муфта, в которой для передачи крутящего момента применяется один ведомый диск.

Однодисковые сцепления просты по конструкции, дешевы в изготовлении, надежны в работе, обеспечивают хороший отвод теплоты от трущихся поверхностей, чистоту выключения и плав­ность включения. Они удобны в обслуживании при эксплуатации и ремонте.

Принципиальная схема однодискового фрикционного сцепле­ния показана на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Принципиальная схема работы муфты сцепления.

а - включено; б - выключено; 1 - кожух; 2 - нажимной диск; 3 - маховик; 4 - ведомый диск; 5 - пластина; 6 - пружина; 7 - подшипник; 8 - педаль; 9 - вал; 10 - тяга; 11 - вилка; 12 - рычаг

Принцип работы.

Ведущими деталями являются маховик 3 двигателя, кожух 1 и нажимной диск 2, ведомыми - ведомый диск 4 , деталями вклю­чения - пружины 6 , деталями выключения - рычаги 12 и муфта с выжимным подшипником 7.

Кожух 1 прикреплен болтами к маховику. Нажимной диск 2 соединен с кожухом упругими пластинами 5, которые обеспечи­вают передачу крутящего момента от кожуха на нажимной диск и осевое перемещение нажимного диска при включении и выклю­чении сцепления. Ведомый диск установлен на шлицах первично­го (ведущего) вала 9 коробки передач.

При отпущенной педали 8 сцепление включено, так как ведо­мый диск 4 прижат к маховику 3 нажимным диском 2 усилием пружин 6. Сцепление передает крутящий момент от ведущих дета­лей к ведомым через поверхности трения ведомого диска с махо­виком и нажимным диском. При нажатии на педаль 8 (рисунок 2.2, б) сцепление выключается, так как муфта с выжимным подшипни­ком 7 перемещается к маховику, поворачивает рычаги 12 , кото­рые отодвигают нажимной диск 2 от ведомого диска 4. В этом слу­чае ведущие и ведомые детали сцепления разъединены и сцепле­ние не передает крутящий момент.

Пружины.

В автомобильных сцеплениях применяют цилиндриче­ские, конические и тарельчатые пру­жины. Их сравнительные характери­стики показаны на рисунке 2.3. Цилиндри­ческие пружины имеют линейную характеристику во всем рабочем диапа­зоне. Характеристика конической пру­жины до посадки витков также явля­ется линейной, затем по мере выклю­чения витков из работы жесткость пружины увеличивается. Это является недостатком, так как обусловливает увеличение усилия при выключении сцепления и значительное снижение нажимного усилия при изнашивании фрикционных накладок. Наиболее бла­гоприятна характеристика тарельчатой пружины, усилие которой в рабочем диапазоне изменяется незначительно при выключении сцепления и изнаши­вании фрикционных накладок.

Рисунок 2.3 – Характеристики пружин фрикционных муфт сцепления: а – коническая; б-цилиндрическая; в-диафрагменная.

Цилиндрические пружины в совре­менных сцеплениях устанавливают по периферии, что обес­печивает равномерное сжатие трущих­ся поверхностей за счет симметричного расположения пружин относительно друг друга и отжимных рычагов. В за­висимости от их числа нажимные пру­жины располагаются на одной или двух окружностях нажимного диска. Для центрирования пружин и умень­шения их деформации при действии центробежных сил применяют стака­ны, бобышки или выступы на нажим­ном диске и кожухе сцепления.

Вместо периферийных пружин мо­жет устанавливаться центрально одна цилиндрическая пружина. При этом уменьшается диаметр сцепления, а его осевые размеры увеличиваются. Ис­пользование более сложной в изготов­лении конической пружины, устанав­ливаемой центрально, позволяет уменьшить и осевые разме­ры сцепления. В таких сцеплениях усилие сжатия пружины ре­гулируется при помощи прокладок.

Тарельчатые пружины благодаря своим достоинствам широко использу­ются в автомобильных сцеплениях (особенно легковых автомобилей). Тарельчатая пружина (рисунок 2.5) имеет форму усеченного конуса и состоит из сплошного кольца с меридиально рас­положенными лепестками, выполняю­щими функции упругих отжимных ры­чагов. Возможны два варианта уста­новки тарельчатой пружины. В первом варианте на на­жимной диск пружина действует на­ружным краем сплошного кольца, во втором - внутренним. Первый вариант наиболее широко при­меняется в силу простоты механизма выключения сцепления. Во втором варианте упрощается кон­струкция механизма установки пружи­ны, уменьшаются усилие выключения и напряжения в пружине. Однако в этом случае для выключения сцепле­ния внутренние концы лепестков пру­жины необходимо перемещать в на­правлении от нажимного диска, что усложняет конструкцию механизма вы­ключения.

При использовании тарельчатых пружин упрощается конструкция сцеп­ления, уменьшаются его размеры, число деталей, обеспечивается плавное включение, равномерная нагрузка на нажимной диск, малое изменение нажимного усилия при изнашивании на­кладок.