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:
- Плавное разъединение и соединение двигателя и коробки передач.
- Передача крутящего момента без проскальзывания (без потерь).
- Компенсация вибраций и нагрузок от неравномерности работы двигателя.
- 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.
Роботизированные трансмиссии с двумя сцеплениями совмещают в себе достоинства механических и автоматических коробок передач. Геннадий Емелькин не только объясняет почему, но и рассказывает об интересных особенностях этих агрегатов.
Устройство роботизированной коробки с двумя сцеплениями:
Устройство роботизированной коробки с двумя сцеплениями
1 — первичный вал четных передач;
2 — первичный вал нечeтных передач и заднего хода;
3 — масляный насос;
4 — двойное сцепление;
5 — гидравлический механизм переключения;
6 — датчик включенной передачи;
7 — масляный фильтр;
8 — электрогидравлический блок.
Основные преимущества и недостатки автоматов известны: удобны в повседневной эксплуатации, передачи переключаются без разрыва потока мощности. Но платить за это приходится более высоким расходом топлива и худшей динамикой. С механикой все наоборот: она дешевле, экономичнее, но совершать бесчисленные движения руками и ногами нравится далеко не всем. Выход был найден в роботизированной трансмиссии с двумя сцеплениями. Такой агрегат сам переключает передачи и при этом не уступает ручным коробкам в экономичности.
В данном агрегате два ряда передач, каждый соединен с маховиком двигателя через собственное сцепление. Один ряд — это нечетные передачи и задний ход, второй — четные. При разгоне они переключаются последовательно. Автомобиль трогается на первой передаче, а коробка уже держит наготове включенную вторую, только момент через нее не передается — сцепление выключено. Как только понадобится перейти на повышающую передачу, диски первого сцепления разомкнутся, а другого — наоборот, сойдутся. При включенной второй передаче в другом ряду уже наготове третья. Процесс идет быстро, без рывков и разрыва потока мощности. Да и КПД трансмиссии такой же, как у обычной ручной коробки, — отсюда и высокая экономичность.
Алгоритм переключения на понижающие передачи зависит от степени нажатия на акселератор, интенсивности замедления, скорости автомобиля. Например, с шестой коробка может перепрыгнуть сразу на вторую, лишь на долю секунды задержавшись на пятой скорости параллельного ряда.
Схема распределения крутящего момента в коробке с двойным сцеплением.
Включены первая (сплошная линия) и вторая (прерывистая) передачи, но замкнуто лишь одно сцепление и момент передают только шестерни первой ступени. Вторая ждет, когда электроника переключит сцепление:
Схема распределения крутящего момента в коробке с двойным сцеплением.
1 — сцепление № 1;
2 — сцепление № 2;
3 — первичный вал четных передач;
4 — первичный вал нечетных передач;
5 — привод на колеса;
6 — дифференциал.
Сцепления в таких трансмиссиях применяют двух видов: «мокрые» и «сухие». Первые — это муфта с пакетом дисков в масле. Электроника дает команду исполнительным устройствам, гидроцилиндр сжимает диски, муфта замыкается. Для размыкания давление в приводе понижается — и диафрагменная пружина возвращает поршень гидроцилиндра в исходное положение.
«Сухое» сцепление напоминает аналогичное на автомобилях с обычной механической коробкой, только вместо одного узла здесь два. Установлены они последовательно, у каждого свои привод, корзина, ведомый диск. Между сцеплениями — ведущий диск, связанный с маховиком двигателя. Автоматика по очереди дергает то за один рычаг, то за другой, включая сцепления первого или второго валов, — корзина прижимает ведомый диск к ведущему и крутящий момент от двигателя перетекает в коробку.
Принцип работы «сухого» сцепления:
Принцип работы «сухого» сцепления
а — включено первое сцепление, крутящий момент передается на вал нечетных передач
(подписи на рисунке: 1 — первичный вал нечетных передач; 2 — нажимной диск; 3 — ведомый диск; 4 — ведущий диск; 5 — выжимной подшипник; 6 — маховик);
б — включено второе сцепление, крутящий момент передается на вал четных передач
(подписи на рисунке: 1 — первичный вал четных передач; 2 — нажимной диск; 3 — ведомый диск; 4 — ведущий диск).
Как у любой роботизированной коробки, у агрегата с двумя сцеплениями много общего с традиционной механикой. Разве что первичных и вторичных валов тут вдвое больше. Включаются передачи одинаково — соединением скользящей муфты синхронизатора с зубчатым венцом шестерни. Только ступени за водителя переключают гидроцилиндры, двигающие штоки вилок передач. Каждая вилка снабжена датчиком для определения ее точного положения.
Электрогидравлический блок, упрятанный в картере, объединяет большую часть управляющих элементов. Здесь собраны почти все клапаны, датчики, регуляторы давления и золотники, что существенно сокращает количество разъемов и упрощает сборку. Более того, при эксплуатации характеристики узлов меняются (например изнашиваются диски, стареет масло), а блок постоянно подстраивается к условиям работы, чтобы переключения оставались плавными и своевременными.
Система смазки у коробок с двойным сцеплением не только снижает износ трущихся поверхностей, но и отводит тепло от многодисковых муфт (речь, естественно, о коробках с «мокрыми» сцеплениями). Для их охлаждения предусмотрен отдельный контур с радиатором. Регулятор давления с оглядкой на температуру смазки корректирует производительность системы. Чем горячее масло на выходе из муфт, тем выше давление в контуре и интенсивнее охлаждение. В критической ситуации блок управления двигателем даже уменьшает подачу топлива, чтобы снизить нагрузку на коробку. Если это не помогает, то прекращается подача масла к муфтам и диски размыкаются — коробка требует оставить ее в покое на некоторое время. Ситуации, когда робот совсем выходит из строя, довольно редки. Даже при поломке одного из датчиков агрегат просто переходит в аварийный режим (отключается соответствующий ряд передач, машина движется на оставшихся двух или трех скоростях), чтобы автомобиль мог своим ходом добраться до сервиса.
АВТОМОБИЛИ C РОБОТИЗИРОВАННЫМИ КОРОБКАМИ С ДВОЙНЫМ СЦЕПЛЕНИЕМ
Роботизированные коробки с двойным сцеплением первыми примерили автомобили концерна «Фольксваген». С каждым годом таких агрегатов и моделей, на которые их устанавливают, становится все больше (см. таблицу). Ничего удивительного, ведь они практически лишены недостатков других трансмиссий.
Сцепление является важным элементом в конструкции трансмиссии автомобиля. Оно предназначено для отсоединения трансмиссии от двигателя на короткий промежуток времени и плавного соединения с целью переключения передачи. Кроме этой основной функции, сцепление также выполняет функцию гашений колебаний коробки передач и предохранения частей трансмиссии от перегрузок. Соответственно, сцепление располагается между трансмиссией и силовой установкой.
В зависимости от устройства сцепления различают три типа сцепления: фрикционное, гидравлическое и электромагнитное. Первый вид сцепления передает крутящий момент, используя силу трения. Второй – поток жидкости. Третий – магнитное поле. Самый распространенный из них – это фрикционный тип сцепления. Определены три вида фрикционного сцепления: многодисковое, двухдисковое и однодисковое. Также сцепление делится на: сухое и мокрое.
Первое использует соответственно сухое междисковое трение, а второе предполагает, что работа дисков сцепления осуществляется в жидкости. В современных автомобилях устанавливают в большинстве своем сухое однодисковое. Устройство сцепления имеет следующие элементы: маховик, сцепляющий картер, нажимной и ведомый диски, пружина, муфта и подшипник выключения, а также вилка сцепления.
Схема сцепления из одного диска
Маховик находится на коленчатом вале силового агрегата. Его роль – ведущий диск сцепления. Современные автомобили из Германии, например, имеют в своем устройстве двухмассовый маховик. Он состоит из двух частей, которые соединены пружинами. Одна часть с ведомым диском, другая – с коленчатым валом. Конструкция такого типа маховика сглаживает рывки и вибрацию вала. Конструктивные элементы сцепления находятся в картере. Он крепится к двигателю болтами.
Ведомый диск прижимается нажимным к маховику, а при необходимости освобождается от давления. Диск нажима соединяется с кожухом при помощи специальных тангенциальных пружин. Они возвращают сцепление. На диск нажима оказывает воздействие пружина диафрагмы, которая обеспечивает нужное усилие. Она закреплена в корпусе, для этого используются болты распора или кольца опоры.
Диск нажатия, пружина диафрагмы и корпус образуют блок, который называется корзина сцепления. Она соединяется с маховиком болтами. Ведомый диск находится между нажимным диском и маховиком. Ступица ведомого диска прикреплена к первичному валу коробки при помощи шлиц.
Демпферные пружины, которые расположены в ступице, выполняют роль гасителя колебаний и обеспечивают плавность включения сцепления. Фрикционные накладки установлены по обе стороны ведомого диска. Они изготавливаются из волокон стекла, меди, латуни, каучука и смолы. Этот состав способен кратковременно выдержать очень высокую температуру. Выжимной подшипник передает движение между приводом и сцеплением.
Принцип работы сцепления из двух дисков
Двухдисковое сцепление используется на автомобилях, которые имеют мощный двигатель. Оно передает большой крутящий момент, при этом не меняется размер. Кроме того, двухдисковое сцепление автомобиля увеличивает ресурс конструкции. Достигается это за счет того, что применяются сразу два ведомых диска, которые разделены проставкой. В итоге получается целых четыре поверхности трения.
Как работает сцепление из двух дисков? Одно из сцеплений включено постоянно. Это обеспечивается приводом. При нажатии на педаль вилка сцепления перемещается и воздействует на сцепляющий подшипник. Он в свою очередь нажимает на лепестки пружины диафрагмы нажимного диска. Лепестки пружины прогибаются в направление к маховику.
Одновременно тангенциальные пружины диск нажима убирают, следовательно, крутящий момент от силовой установки к коробке передач не передается. После отжатия педали, пружина диафрагмы приводит диск нажима в контакт с маховиком через контакт с ведомым диском. За счет сил трения крутящий момент передается от силовой установки к трансмиссии. Таково устройство сцепления.
