Między silnikiem a skrzynią, czyli różne rodzaje sprzęgieł

sprzęgło © SPEC Clutches

Udostępnij:

Sprzęgło jest mechanizmem służącym do rozłączania oraz płynnego sprzęgania wału korbowego silnika z pozostałym elementami układu napędowego samochodu. Moment obrotowy jest przekazywany przez sprzęgło na wałek wejściowy skrzyni biegów, a dalej przez skrzynię biegów na koła pojazdu.

Rozłączanie i załączanie przekazywania napędu z silnika do układu napędowego samochodu to podstawowa funkcja sprzęgła, niezbędna do zagwarantowania ruszenia pojazdem bez szarpnięć oraz do przełączania przełożeń w skrzyni biegów. Ponadto sprzęgło tłumi drgania obrotowe generowane przez silnik, dzięki czemu jest elementem zabezpieczającym skrzynię biegów i pozostałe przekładnie przed zbytnimi przeciążeniami generowanymi przez nierównomierności ruchu obrotowego wału korbowego podczas poszczególnych cykli pracy.


Rodzaje sprzęgieł

We współczesnych samochodach najczęściej stosuje się sprzęgła suche jednotarczowe i dwutarczowe, sprzęgła mokre oraz sprzęgła hydrokinetyczne. Sprzęgła suche jednotarczowe to sprzęgła składające się z koła zamachowego (które jest elementem sprzęgła, ale należy do wału korbowego), tarczy sprzęgła, docisku sprzęgła oraz układu sterującego jego załączaniem i rozłączaniem. To sprzęgło współpracuje ze skrzynią biegów sterowaną ręcznie oraz w niewielu przypadkach – ze skrzynią biegów sterowaną elektrohydraulicznie lub elektropneumatycznie.

Sprzęgła dwutarczowe stosuje się w dwóch różnych konfiguracjach przenoszenia momentu obrotowego. Pierwsza to zastosowanie dwóch tarcz sprzęgłowych oddzielonych od siebie przekładką i dociskanych wspólnym dociskiem. Dzięki takiemu rozwiązaniu uzyskuje się zdwojenie powierzchni ciernej tarcz, co pozwala na dwukrotne zwiększenie przenoszonego momentu obrotowego. Sprzęgła tego typu stosuje się w radykalnym tuningu, który polega na znacznym zwiększeniu mocy silnika. Jest to rozwiązanie standardowe pozwalające na przekazanie znacznej mocy do układu napędowego bez zbędnych uślizgów, które prowadzą do spalenia okładzin ciernych.

Drugim zastosowaniem sprzęgła dwutarczowego suchego jest jego montaż w napędach korzystających z równoległych skrzyń biegów zamontowanych we wspólnej obudowie. Rozwiązanie takie stosuje się na przykład w skrzyniach DSG koncernu Volkswagen i Audi. Zespół sprzęgła w takiej skrzyni biegów odpowiada jednocześnie za przenoszenie momentu za pomocą jednego sprzęgła, które jest załączone i jednocześnie na gotowości drugiego sprzęgła do przekazania momentu obrotowego na wstępnie wybrane kolejne przełożenie skrzyni biegów. W tej konfiguracji w trakcie pracy zawsze załączone jest jedno z dwóch sprzęgieł.

Skrzynia dwusprzęgłowa to w zasadzie funkcyjnie dwie osobne skrzynie biegów we wspólnej obudowie. Jedna z nich – sterowana pierwszym sprzęgłem – przenosi napęd tylko na biegach parzystych, natomiast druga – sterowana drugim sprzęgłem – na biegach nieparzystych. I tak, podczas ruszania na 1 biegu jedno sprzęgło jest zasprzęglane, podczas gdy automatyka sterująca skrzynią biegów odłącza drugie sprzęgło i wybiera drugi bieg. Gdy zakres pracy pierwszego biegu zostanie wykorzystany, sprzęgło skrzyni „nieparzystej” zostaje rozłączone, a jednocześnie załączone zostaje sprzęgło skrzyni „parzystej”, co powoduje płynne przenoszenie napędu na drugi bieg po ustaniu przenoszenia napędu na biegu 1. Na ilustracji przedstawiona jest zasada przenoszenia napędu przez skrzynię dwusprzęgłową.

Dwusprzęgłowa skrzynia biegów i przyspieszanie na 1 przełożeniu. Sprzęgło 1 przenosi moment obrotowy na wybrane przełożenie 1, podczas gdy sprzęgło 2 jest rozłączone, a wstępnie wybrane jest przełożenie 2. © Audi

Ze względu na ekonomię jazdy skrzynie dwusprzęgłowe oferują maksymalne wykorzystanie energii spalanego paliwa, ponieważ przełączanie poszczególnych przełożeń jest płynne bez zmian w przekazywaniu momentu obrotowego na koła pojazdu. Podczas obsługi skrzynie te wymagają jednak szczególnej uwagi ze względu na regulację wynikającą ze zmiany grubości tarcz sprzęgła. Nieprawidłowa regulacja prowadzi do szarpania podczas zmiany przełożeń lub do przedwczesnego zużywania się tarcz sprzęgła przez zbyt duże nakrywanie się przenoszenia napędu podczas zmiany przełożeń.


TOP w kategorii




Wymagania materiałowe

Materiałom stosowanym na okładziny tarcz sprzęgła stawia się wymagania wytrzymałości mechanicznej, odporności na wysoką temperaturę (nawet ponad 400°C) i na gwałtowne zmiany temperatur, na wilgoć, na spadek współczynnika tarcia spowodowany gwałtownym wzrostem temperatury (fading) czy na ścieranie. Muszą ponadto charakteryzować się odpowiednim współczynnikiem tarcia(µ = 0,25–0,5).

Materiałom sprzęgieł stawia się podobne wymagania jak materiałom okładzin hamulcowych. Przede wszystkim stosuje się kryterium składu chemicznego i zawartości niektórych związków chemicznych, takich jak miedź lub azbest.

W sprzęgłach jednotarczowych suchych stosuje się najczęściej okładziny cierne na bazie związków organicznych. W sprzęgłach automatycznych skrzyń biegów oraz w sprzęgłach sportowych – okładziny ze spieków metali. Okładziny ze spieków w sprzęgłach automatycznych skrzyń biegów pracują w kąpieli olejowej, dzięki czemu ich załączanie jest miękkie, a zużycie minimalne. W przypadku sprzęgieł sportowych mamy do czynienia z pracą na sucho, co oznacza, że praca sprzęgła jest bardzo twarda i gwałtowna, co w przypadku zastosowania wyczynowego nie stanowi większego problemu. W przypadku zastosowania codziennego należy się przyzwyczaić do operowania tego typu sprzęgłem.

Okładziny sprzęgieł jednotarczowych składają się z materiałów włóknistych, takich jak wełna stalowa, włókno szklane, włókna aramidowe lub włókno węglowe, połączonych spoiwem (kauczuki syntetyczne, żywice termoutwardzalne lub lateksy). Do materiału ciernego na etapie produkcji dodaje się jeszcze wypełniacze mające na celu ustabilizowanie struktury i nadanie materiałowi odpowiedniego współczynnika tarcia. Jako wypełniacze stosuje się sadzę, kulki szklane, siarczan baru, opiłki i proszki metali, tlenki metali, kaolin lub kredę. Dzięki wypełniaczom eliminuje się zjawisko tarcia materiału o powierzchnię metalową koła zamachowego i docisku sprzęgła.

W ustalaniu składu chemicznego okładzin sprzęgła proporcje materiałów określa się w taki sposób, aby zapewnić odpowiednią odporność na temperaturę (włókna szklane), ścieranie (włókna aramidowe), zacieranie (sadza) oraz odporność na uślizg (wełna stalowa, włókna węglowe). Odpowiednie proporcje pozwalają stworzyć mieszankę o żądanych właściwościach użytkowych.

Jako przykład sprzęgła do zastosowań sportowych można podać sprzęgło o tarczach wykonanych z użyciem włókna węglowego prasowanego z dodatkiem żywic termoutwardzalnych. Jest ono odporne na ścieranie i charakteryzuje się wysokim współczynnikiem tarcia oraz odpornością na wysokie temperatury. Sprzęgło to służy do przenoszenia dużych momentów obrotowych i gwarantuje jednocześnie odporność na wysoką temperaturę powstającą podczas zasprzęglania.

Sprzęgło dedykowane

Tarcza sprzęgła ma określoną powierzchnię styku z kołem zamachowym oraz dociskiem sprzęgła. Od powierzchni tego styku, siły jego docisku do koła zamachowego oraz współczynnika tarcia między tarczą a kołem zamachowym i dociskiem zależy, ile mocy jest w stanie przenieść. Pominąć tutaj należy oczywiście wytrzymałość mechaniczną samych okładzin czy ich łączenia z tarczą nośną.

Sprzęgło musi być dobrane do samochodu w taki sposób, aby wartość przenoszonego przez nie maksymalnego momentu obrotowego była większa od maksymalnego momentu obrotowego dostarczanego przez silnik. Jeśli sprzęgło nie będzie w stanie przenieść momentu obrotowego generowanego przez silnik, może dochodzić do poślizgu tarczy, co skutkuje podniesieniem jej temperatury, a nawet spaleniem, czyli całkowitym uszkodzeniem.

Ważne parametry

W celu doboru wielkości okładzin ciernych do danego momentu obrotowego silnika konieczne jest sprecyzowanie kilku parametrów:

  1. współczynnika tarcia okładzin (określenie materiału okładzin ciernych),
  2. siły docisku (określenie siły sprężyny w docisku sprzęgła),
  3. wartości przenoszonego momentu obrotowego,
  4. współczynnika bezpieczeństwa.

Współczynnik tarcia jest równy ilorazowi siły tarcia i siły docisku okładzin:

μ = T/ FA

gdzie:
μ – współczynnik tarcia
T – siła tarcia
FA – siła docisku

Na wartość współczynnika tarcia ma wpływ przede wszystkim materiał, z jakiego wykonana jest okładzina cierna oraz materiał, z jakim ona współpracuje. Okładziny organiczne mają współczynnik tarcia wynoszący około 0,28, a nieorganiczne – 0,38. Ogólnie przyjmuje się, że im wyższy współczynnik tarcia, tym mniejsza siła docisku potrzebna jest do pracy sprzęgła, ale tym gwałtowniej będzie ono załączało.

Siła docisku jest determinowana siłą sprężyny talerzowej w docisku sprzęgła. Jest ona ograniczona jedynie wytrzymałością materiałów okładziny hamulcowej na ściskanie i wynosi maksymalnie około 25 N/cm2.

Wartość momentu obrotowego przenoszonego przez sprzęgło musi być większa od momentu obrotowego generowanego przez silnik. Obliczyć ją można ze wzoru:

         FA* μ*rm*i
M = --------------- [Nm]
              1000

gdzie:
μ – współczynnik tarcia
FA – siła docisku [N]
rm – średni promień tarcia [mm]
i – liczba par powierzchni trących

Dla sprzęgła jednotarczowego liczba par powierzchni trących wynosi 2. Pierwszą jest złożenie powierzchni koła zamachowego i tarczy sprzęgła, a drugą tarczy sprzęgła i docisku sprzęgła. Średni promień tarcia oblicza się według wzoru:
           (dz3- dw3)
rm = ---------------  [mm]
          3*(dz2- dw2)

Natomiast siłę docisku z następującego:

         ∏*(dz2- dw2)* p
FA = ---------------------  [N]
                   4

gdzie:
dz – średnica zewnętrzna okładziny [mm]
dw – średnica wewnętrzna okładziny [mm]
p – jednostkowa siła nacisku [N/mm2]

Powyższe wzory pozawalają na obliczenie wielkości tarczy sprzęgła koniecznej do przeniesienia żądanego momentu obrotowego. Można z nich łatwo wywnioskować kilka zależności. Pierwszą z nich jest fakt, że podwojenie liczby par powierzchni trących podwoi moment obrotowy, jaki jest w stanie przenieść sprzęgło. Oznacza to także, że utrzymując żądany moment obrotowy na tym samym poziomie zastosowania sprzęgła dwutarczowego zamiast jednotarczowego, można zmniejszyć średni promień tarcia o połowę.

Dokładnie taką samą zależność można uzyskać, zwiększając siłę docisku sprzęgła lub materiał, z jakiego jest ono wykonane. Zwiększenie współczynnika tarcia zwiększa możliwości przenoszenia momentu obrotowego przez sprzęgło.

Samo wzmocnienie sprzęgła na niewiele się jednak zda, jeśli nie zainwestuje się we wzmocnione przeguby oraz skrzynię biegów przystosowaną do przenoszenia większej mocy. Profesjonalny tuning samochodu i przygotowanie go do sportu to szereg zależnych od siebie modyfikacji.

Materiały cierne sprzęgieł są dostosowywane do warunków, w jakich pracują. Sprzęgła przystosowane do pracy w kąpieli olejowej (sprzęgła mokre) mają okładziny mniej odporne na działanie wysokich temperatur, ponieważ stale są chłodzone opływającym je olejem. Ich zużycie w trakcie pracy także jest mniejsze, mimo większego współczynnika tarcia wynikającego z faktu zmniejszania go przez kąpiel olejową. Sprzęgła do pracy na sucho charakteryzują się większym dodatkiem składników zmniejszających tarcie i zwiększających odporność na zużycie.

Udostępnij:

Drukuj





Maciej Blum



Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również