|
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 этом при помощи сцепления осуществляется разгон автомобиля.
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. 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.
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.
Для надежной работы автомобиля к сцеплению, кроме общих требований к конструкции автомобиля, предъявляются специальные требования, в соответствии с которыми оно должно обеспечивать:
• надежную передачу крутящего момента от двигателя к трансмиссии;
• плавность и полноту включения;
• чистоту выключения;
• минимальный момент инерции ведомых частей;
• хороший отвод теплоты от поверхностей трения ведущих и ведомых частей;
• предохранение механизмов трансмиссии от динамических нагрузок;
• поддержание нажимного усилия в заданных пределах в процессе эксплуатации;
• легкость управления и минимальные затраты физических усилий на управление;
• хорошую уравновешенность.
Выполнение всех указанных требований обеспечить в одном сцеплении невозможно. Поэтому в разных сцеплениях в соответствии с конструкцией выполняются в первую очередь главные для них требования.
Надежная передача крутящего момента от двигателя к трансмиссии. 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.
Максимальный крутящий момент, передаваемый сцеплением, можно определить по следующему выражению:
где Л/П1ах — максимальный момент двигателя;
(Зс — коэффициент запаса сцепления;
Р11р — сила нажимных пружин;
Rср — средний радиус фрикционных накладок ведомого диска;
U — коэффициент трения фрикционных накладок;
i — число поверхностей трения.
Значение коэффициента рс = 1,2...2,5 зависит от типа сцепления и его назначения. Меньшие значения коэффициента запаса имеют сцепления с диафрагменными пружинами и с регулируемым давлением пружин (например, с центральной конической пружинной), а большие — сцепления для грузовых автомобилей и автобусов.
Плавность и полнота включения. 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.
При резком включении сцепления уменьшается угловая скорость коленчатого вала двигателя и на трансмиссию передается повышенный крутящий момент:
Мг = Me + Je*dw/dt
где Ме — крутящий момент двигателя;
Je — момент инерции врагах, щающихся частей двигателя;
dw/dt - — ускорение вращающихся частей двигателя.
При включении сцепление должно обеспечивать быстрый разгон автомобиля. Максимально допустимое ускорение при трогании автомобиля с места должно быть в пределах 3...4 м/с2, чтобы не вызвать дискомфорт пассажиров.
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.
Сцепления с гидравлическим приводом управления могут и не иметь зазора между подшипником муфты выключения и концами рычагов выключения. При этом выжимной подшипник постоянно прижимается к концам рычагов с небольшой силой. При изнашивании трущихся поверхностей рычаги перемещают подшипник с муфтой и через вилку выключения и толкатель поршня рабочего цилиндра привода сцепления вытесняют соответствующее количество жидкости в главный цилиндр привода. При этом регулировочный зазор между толкателем и поршнем гл авного цилиндра сохраняется. Обслуживание таких сцеплений упрощается.
Частота выключения. 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 Р0 ограничивается силой трения Fa в шлицевом соединении ступицы диска и первичного вала коробки передач:
Fд = GдUд,
где Gд — вес ведомого диска;
Uд — коэффициент трения в шлицевом соединении.
При этом в шлицевом соединении создается дополнительная сила трения FT за счет трения между маховиком и фрикционной накладкой ведомого диска:
F =UдUд*Rср/rш*P0
где ц, — коэффициент трения между маховиком и фрикционной накладкой; Rср — средний радиус фрикционной накладки; гш — радиус шлицов.
Таким образом, остаточная осевая сила в однодисковом сцеплении будет равна:
Р0 = Fд + FT = GдUд + U.гUд
*Rср/rш*Р0.
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 таком случае необходимо уменьшать остаточную осевую силу, что может быть достигнуто увеличением числа шлицов и тщательной их обработкой или увеличением диаметра шлицевого вала.
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.
Частота выключения сцепления, как и полнота его включения, обеспечивается регулировками свободного хода педали управления и положения концов рычагов выключения сцепления в одной плоскости. При этом точная установка концов рычагов в одной плоскости предотвращает перекос нажимного диска при включении и выключении сцепления. Кроме того, в сцеплениях с периферийными пружинами для достижения чистоты выключения число нажимных пружин кратно числу рычагов выключения, что исключает перекос нажимного диска.
В ряде конструкций сцеплений зазор между рычагами выключения и выжимным подшипником муфты выключения сцепления отсутствует, так как сила давления рычагов на подшипник не превышает 50 Н. В этом случае отсутствие зазора практически не влияет на изнашивание подшипника и позволяет сцеплению включаться полностью независимо от степени износа фрикционных накладок ведомых дисков.
Чистота выключения сцеплений с дисками, работающими в масле (фрикционы), ниже, чем у сцеплений с сухими дисками, особенно при повышении вязкости масла при низких температурах. Требуемая чистота выключения этих сцеплений достигается поддержанием необходимой температуры масла. Для этого, например, сцепление размешают в общем картере коробки передач.
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.
Для уменьшения удара при переключении передач необходимо также уменьшить разность угловых скоростей вращения шестерен переключаемых передач. Это достигается применением синхронизаторов в коробках передач.
Хороший отвод теплоты от поверхностей трения ведущих и ведомых частей. Стабильная и надежная работа сцепления существенно зависит от его теплового состояния. Поэтому необходимо поддерживать постоянный тепловой режим 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.
Для сохранения при нагреве нажимного диска работоспособности нажимных пружин сцепления их устанавливают на термоизоляционных прокладках (шайбах).
Предохранение трансмиссии от динамических нагрузок. Конструкция сцепления во многом определяет величину динамических нагрузок в трансмиссии. Динамические нагрузки, возникающие в механизмах трансмиссии, могут быть единичными (пиковыми) и периодическими.
Пиковые нагрузки могут возникнуть при резком изменении скорости движения автомобиля (резкое торможение с невыключенным сцеплением), резком включении сцепления, наезде на дорожную неровность и неравномерной работе двигателя.
При резком изменении скорости автомобиля, особенно при торможении с невыключенным сцеплением, динамическое нагружение трансмиссии происходит главным образом инерционным моментом вращающихся частей двигателя. При этом величина инерционного момента значительно больше крутящего момента двигателя.
Наибольшего значения пиковые нагрузки в трансмиссии достигают при резком включении сцепления. При этом происходит значительное повышение момента трения сцепления за счет кинетической энергии нажимного диска, перемешающегося к маховику двигателя. Поэтому в механических трансмиссиях могут сильно возрасти динамические нагрузки, так как сцепление начнет буксовать только при значительном увеличении его момента трения.
При резком включении сцепления трансмиссия автомобиля закручивается крутящим моментом двигателя Ме и моментом сил инерции Ми вращающихся частей двигателя:
Мс = Ме + Ми.
Момент сил инерции (инерционный момент)
Следовательно, инерционный момент Л/и зависит от угловой скорости коленчатого вала в момент резкого включения сцепления и от крутильной жесткости трансмиссии.
Уменьшение инерционного момента и снижение пиковой нагрузки достигается за счет пружин гасителя крутильных колебаний, установленных в ведомом диске сцепления. Однако максимальные пиковые нагрузки при резком включении сцепления ограничиваются буксованием сцепления.
Периодические нагрузки могут возникнуть в трансмиссии вследствие неравномерной работы двигателя и действия крутильных колебаний (неравномерности крутящего момента). Эти нагрузки создают шум и повышенные напряжения в механизмах трансмиссии и часто являются причиной поломок деталей механизмов от усталости, особенно при резонансе, когда частоты возмущающих нагрузок совпадают с частотами собственных колебаний трансмиссии.
Для гашения крутильных колебаний трансмиссии служат специальные гасители пружинно-фрикционного типа. Такие гасители поглощают энергию крутильных колебаний трансмиссии в результате трения их фрикционных элементов (колец, пластин и т.п.).
Работу трения гасителя крутильных колебаний можно определить по следующему выражению:
L, = PrUrchai,
где Р. — усилие сжатия фрикционных колец гасителя; д. — коэффициент трения; гср — средний радиус фрикционных колец; а — угол перемещения (буксования) фрикционных колец; / — число пар трения.
Момент трения гасителя крутильных колебаний
Мтр= (0,15...0,2)Ммах.
Этот момент в различных конструкциях гасителя крутильных колебаний при эксплуатации может регулироваться, поддерживаться в заданных пределах или быть нерегулируемым (устанавливаться при сборке на заводе). В последнем случае по мере изнашивания фрикционных колец гасителя его момент трения уменьшается, что может привести к прекращению выполнения гасителем своих функций.
Поддержание нажимного усилия в заданных пределах в процессе эксплуатации. Во время эксплуатации автомобиля при изнашивании трущихся поверхностей сцепления усилие нажимных пружин снижается, что приводит к буксованию сцепления со всеми вытекающими последствиями. Поэтому очень важно поддерживать усилие нажимных пружин в требуемых пределах, обеспечивающих необходимый коэффициент запаса сцепления в процессе эксплуатации.
Это достигается применением сцеплений с диафрагменными пружинами, с регулируемым в эксплуатации нажимным усилием (с центральной конической пружиной) и уменьшением жесткости нажимных пружин (двойные цилиндрические пружины, два ряда периферийных пружин). Однако в сцеплениях с периферийными пружинами нажимные пружины деформируются под действием центробежных сил и их усилие снижается. Поэтому целесообразнее применять диафрагменные пружины.
Легкость управления и минимальные затраты физических усилий на управление. Управление сцеплением состоит из его выключения, удержания в выключенном состоянии и включения. При этом удержание сцепления в выключенном положении и включение составляют наибольшую часть работы по управлению им.
Управление сцеплением особенно на автомобилях большой грузоподъемности затруднено и требует от водителей значительной затраты физических сил.
Облегчение управления сцеплением достигается: применением лиафрагменной нажимной пружины, уменьшающей усилие для удержания сцепления в выключенном состоянии (у выключенного сцепления сила диафрагменной пружины меньше, чем у включенного); установкой сервопружины в механическом приводе сцепления (снижается на 20. ..40% усилие удержания в выключенном положении), применением гидравлического привода сцепления (имеет высокий КПД), установкой рычагов выключения сцепления на игольчатых подшипниках (увеличивается КПД привода). Значительно облегчает управление применение полуцентробежных сцеплений, полуавтоматических (центробежных, гидравлических) и сцеплений с автоматическим управлением (центробежных, электромагнитных порошковых).
Управление сцеплением должно быть легким и требовать наименьшей затраты физических усилий. Так, при отсутствии усилителя в приводе сцепления усилие на педали управления должно быть в пределах 200... 250 Н. Особенно важна легкость управления сцеплением для автомобилей, эксплуатируемых в городе. Так, например, водителям автобусов в условиях города приходится пользоваться сцеплением до 2 000 раз за смену.
Работа по управлению сцеплением не должна превышать определенных значений: 25 Дж для легковых автомобилей, 30 Дж для грузовых автомобилей и автобусов.
Приложение чрезмерных физических усилий в процессе управления автомобилем, в том числе и сцеплением, приводит к профессиональным заболеваниями водителей (искривление позвоночника, радикулит и др.).
Хорошая уравновешенность. Фрикционное сцепление должно быть уравновешенным, так как усилие, сжимающее ведущие и ведомые части сцепления при его работе, может достигнуть больших значений. Если это усилие в сцеплении не уравновешено, то оно будет создавать дополнительную нагрузку на подшипники коленчатого вала двигателя, валов коробки передач и вызывать их изнашивание. Особенно это относится к постоянно действующему осевому усилию при включенном сцеплении.
При выключенном сцеплении осевое усилие действует кратковременно. Поэтому требование уравновешенности предъявляется в первую очередь к включенному сцеплению.
Обычно сцепление уравновешивают (балансируют) в сборе с маховиком двигателя. Допустимый дисбаланс сцеплений в сборе при динамической балансировке в зависимости от их размеров 0,2...0,8 Нем, а дисбаланс ведущего диска сцепления 0,1... 0,25 Н см. Уравновешивание сцепления достигается снятием металла, сверлением отверстий и т.п.
|
Карта сайта
КОНСТРУКЦИЯ АВТОМОБИЛЕЙ И ТРАКТОРОВ
