3.1. Назначение. Классификация. Требования

Сцепление предназначено для кратковременного разъединения коленчатого вала двигателя от трансмиссии и последующего плавного их соединения.

Отсоединение двигателя от трансмиссии необходимо при переключении передач, торможении автомобиля до полной остановки (во избежание остановки двигателя), и также для снижения сопротивления проворачиванию коленчатого вала при пуске двигателя при низкой температуре, а плавное соединение – после переключения передач и при трогании автомобиля с места.

На автомобилях применяются различные типы сцеплений, ко­торые классифицируются по разным признакам:

Наиболь­шее распространение получили одно- или двухдисковые сухие фрикционные сцепления с периферийным расположением цилиндриче­ских пружин или центрально расположенной диафрагменной пружиной с неавтоматическим управлением. Такие конструкции сравни­тельно легко позволяют обеспечивать выпол­нение основных требований.

Требования, предъявляемые к конструкции сцепления:

1. надежная передача крутящего момента от двигателя к трансмиссии;

2. плавность и полнота включения;

3. полнота выключения;

4. минимальный момент инерции ведомых элементов;

5. хороший отвод теплоты от поверхностей трения;

6. предохранение трансмиссии от динамических нагрузок;

7. поддержание нажимного усилия в заданных пределах в процессе эксплуатации;

8. минимальные затраты физических усилий на управления;

9. уравновешенность;

10. общие требования.

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.

При неавтоматическом управлении плавное включение, особенно при трогании автомобиля с места, в основном зависит от действий водителя. Из конструктивных мероприятий, способствующих плавности включения фрикционного сцепления можно отметить примене­ние фрикционных материалов, обеспечивающих плавное нарас­тание сил трения, упругих ведомых дисков, например, с плас­тинчатыми пружинами, участие пружин гасителя крутильных ко­лебаний и упругих лепестков диафрагменной пружины в процессе включения сцепления.

При автоматическом или полуавтомати­ческом управлении плавное включение обеспечивается системой автоматического управления.

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.

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 глав­ного цилиндра сохраняется. Обслуживание таких сцеплений уп­рощается

Чистота выключения сцепления характе­ризует полное разъединение двигателя и трансмиссии. 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.

В выключенном состоянии полное вы­ключение обеспечивается у фрикционных сцеплений достаточ­ным ходом нажимного диска при сохра­нении параллельности освобожденных поверхностей трения. На­рушение параллельности происходит из-за неодинакового износа концов рычагов, упирающихся в муфту выключения. Для восста­новления параллельности предусмотрены регулировочные устрой­ства в местах крепления рычагов к кожуху сцепления.

В двухдисковых сцеплениях, кроме того, предусматривают спе­циальные устройства для отвода промежуточного диска на поло­вину хода нажимного диска (пружины и упоры или равноплечие рычажки на промежуточном диске).

Минимальный момент инерции ведомых частей необходим для уменьше­ния ударных нагрузок на шестерни включаемых передач и работы трения в синхронизаторах при переключении передач. При включении несинхронизованной передачи ударная нагрузка на зубья шестерен пропорциональна моменту инерции ведомых частей сцепления.

Снижение момента инерции ведомых частей сцепления дости­гается уменьшением диаметра ведомого диска и массы фрикци­онных накладок. 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 необходимый крутящий момент. Увеличение же числа поверхностей трения при уменьшении диаметра ведомых дисков приводит не к уменьшению, а к значительному увеличению момента инерции ведомых частей сцепления.

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.

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. 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).

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, перемещающегося к ма­ховику двигателя. Поэтому в механических трансмиссиях происходит резкий рост динамических нагрузок, так как сцепление нач­нет буксовать только при значительном увеличении его момента трения.

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.).

Момент трения 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.

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, 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.

Облегчение управления сцеплением достигается: применени­ем диафрагменной нажимной пружины, уменьшающей усилие для удержания сцепления в выключенном состоянии; установкой сервопружины в механическом приводе сцеп­ления, применением гидравлического привода сцепления, установкой рычагов выключения сцепле­ния на игольчатых подшипниках.

Удобство, как и для любого органа управления, определяется двумя факторами: удобным рас­положением педали сцепления и величиной полного хода. Легкость определяется значени­ями усилия, необходимого для перемещения педали сцепления. Обычно считается, что это усилие не должно превышать 150 Н для легковых и 250 Н для грузовых автомобилей. Если это требова­ние невозможно обеспечить без усилителя, применяется усили­тель.

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. Уравновешивание сцепления достигается снятием ме­талла, сверлением отверстий и т.п.