Сцепление (автомобиль)

Сцепле́ние — узел трансмиссии автомобиля, передающий крутящий момент двигателя и кратковременно разъединяющий или плавно соединяющий двигатель с силовой передачей. Сцепление необходимо для переключения передач и торможения до полной остановки, а также оно обеспечивает плавное трогание с места[1]. В тракторной и бронетанковой технике употребляется термин «фрикцион».

Синхронизатор коробки передач представляет собой частный случай конического фрикционного контакта. Сцепление важно для старта с места и особенно при коробках передач без синхронизаторов, где без него невозможно плавное переключение передач.

Классификация

Сцепления классифицируются по способу управления на механические, тросовые, гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные. По виду трения различают «сухое» и «мокрое» сцепление, работающее в масляной ванне.

По режиму работы сцепления делятся на постоянно замкнутые и непостоянно замкнутые. По количеству ведомых дисков выделяют одно-, двух- и многодисковые конструкции. По типу прижимных пружин различают сцепления с периферийными цилиндрическими пружинами и центральной диафрагменной пружиной. По числу потоков мощности существуют одно- и двухпоточные варианты[1].

Устройство и принцип работы

Устройство автомобильного однодискового сцепления
Устройство автомобильного однодискового сцепления 1 — маховик 2 — накладки из фрикционного материала (феродо) 3 — ведомый диск сцепления 4 — болты, скрепляющие ведущий диск с маховиком 5 — вилка выключения сцепления 6 — нажимная муфта 7 — вал педали сцепления 8 — педаль сцепления 9 — ведущий (нажимной) диск 10 — рычаг включения (или выжимной рычаг, на рисунке 3 шт) 11 — выжимной (упорный) подшипник 12 — ведущий (первичный) вал коробки передач

Основные элементы сцепления включают ведущий пакет, состоящий из маховика и нажимного диска, которые сжимают ведомый диск при помощи мощных пружин. При нажатии педали сцепления диски разводятся и передача крутящего момента прерывается, при отпускании педали диски прижимаются друг к другу и момент передаётся на коробку передач.

Ведомый диск несёт две фрикционные накладки, установленные на пружинных пластинах для компенсации неровностей поверхности. Ступица со шлицами соединена с диском через демпферные пружины и фрикционные шайбы гасителя крутильных колебаний. Данная конструкция позволяет сглаживать неравномерность работы двигателя и защищать трансмиссию от рывков и ударных нагрузок.

Весь узел закрыт кожухом, который также называют «корзина» сцепления и который привёрнут к маховику болтами. Оси выжимных рычагов надёжно закреплены в кожухе. Выжимной подшипник обычно представляет собой упорный шариковый подшипник, хотя на ряде отечественных машин применялся графитовый подпятник — например, на автомобилях «Запорожец» и ранних «Москвич‎-412».

На легковых автомобилях преобладает диафрагменная пружина — плоская конструкция в форме усечённого конуса с штампованными лепестками в центре числом порядка двух десятков[1]. При нажатии педали пружина прогибается и отводит нажимной диск от ведомого. Такое решение оказывается легче и дешевле рычажного варианта, требует меньше регулировок и обеспечивает более стабильную работу в течение всего срока службы.

Варианты конструкций

Однодисковое сцепление работает по следующему принципу: свободный ход выбирается валом педали, выжимной подшипник нажимает на рычаги или лепестки диафрагменной пружины, нажимной диск отходит от ведомого — сцепление выключается[1]. При отпускании педали происходит прижим ведомого диска к маховику и плавная передача момента благодаря работе демпфера крутильных колебаний. Данная конструкция получила наибольшее распространение на легковых автомобилях благодаря простоте изготовления и обслуживания.

Двухдисковое сцепление применяется на тяжёлых грузовиках, тракторах, бронетехнике, тяжёлых мотоциклах «Урал» и «Днепр», а также спортивных автомобилях. При работе выжимной подшипник тянет рычаги, нажимной диск уходит от первого ведомого диска, отжимные пружины освобождают промежуточный ведущий диск, который отходит от второго ведомого на ту же величину. При включении отжимные пружины выравнивают прижим дисков, обеспечивая равномерное распределение нагрузки. Нажимные диски скользят по направляющим шпилькам маховика, на которых установлены калиброванные отжимные пружины. Такая конструкция позволяет передавать значительно больший крутящий момент при тех же габаритах узла.

В прежние времена накладки сцепления часто содержали асбест для повышения коэффициента трения и термостойкости, однако сейчас применяются исключительно безасбестовые материалы из соображений экологической безопасности. Для «сухих» дисков используют органические накладки, включая варианты с вплетённой медной проволокой для улучшения теплоотвода, а также высокотемпературные керамические материалы. Для «мокрых» пакетов широко распространён композиционный материал на бумажной основе, пропитанный специальными смолами. На мотоциклах применяются пробковые накладки и специальные пластмассы, которые эффективно работают в масле, тогда как при «сухом» трении быстро разрушаются от перегрева. Органические накладки в масляной ванне оказываются неработоспособными из-за разрушения связующих веществ под действием нефтепродуктов.

Системы управления

Механический привод осуществляется через систему рычагов и тяг, передающих усилие непосредственно от педали к выжимному механизму сцепления. Такая конструкция отличается простотой и надёжностью, но требует значительных усилий на педали, особенно на грузовых автомобилях с мощными двигателями. Основным недостатком механического привода является необходимость частых регулировок по мере износа фрикционных накладок, а также жёсткая связь между педалью и механизмом сцепления, что передаёт все вибрации на ногу водителя. Тем не менее такая система до сих пор применяется на коммерческой технике благодаря своей неприхотливости и ремонтопригодности.

Тросовый привод использует гибкий стальной трос в защитной оболочке для передачи усилия от педали к вилке выключения сцепления. По мере износа ведомого диска полный и рабочий ходы педали постепенно увеличиваются, при этом сцепление «схватывает» всегда в нижней части хода педали[1]. Свободный ход педали в тросовом приводе составляет около 30‎–40 мм и регулируется изменением эффективной длины троса при помощи резьбовой муфты. Основное преимущество тросового привода — отсутствие жидкости, которая может вытечь, и простота конструкции. Недостатком является возможность обрыва троса и постепенное увеличение усилия на педали по мере износа накладок.

Гидравлический привод обеспечивает более лёгкое управление и стабильную характеристику благодаря несжимаемости рабочей жидкости и возможности изменения передаточного отношения за счёт разных диаметров цилиндров. В гидроприводе полный ход педали остаётся постоянным, рабочий ход увеличивается по мере износа ведомого диска. С новым диском сцепление «схватывает» в нижней части хода, с изношенным — ближе к концу полного хода педали. При механическом приводе по мере износа накладок педаль поднимается вверх, при гидроприводе положение педали не изменяется, но снижается уровень тормозной жидкости в расширительном бачке.

Пневматический усилитель применяется на тяжёлых грузовиках отечественного производства, таких как МАЗ, КрАЗ и КамАЗ. Система состоит из педали, тяги, золотникового распределителя, пневматических шлангов, силовой пневмокамеры, системы рычагов и узла растормаживания стояночного тормоза, связанного с первичным валом коробки передач. При нажатии педали открывается впускной и закрывается выпускной клапан золотникового распределителя, сжатый воздух из ресивера поступает в пневмокамеру и создаёт дополнительное усилие для нажатия вилки выключения сцепления. Такая система позволяет значительно снизить усилие на педали при работе с мощными двигателями, достигающими 400‎–500 лошадиных сил, и обеспечивает комфортное управление тяжёлой техникой.

Разновидности по условиям работы

«Сухое» сцепление

«Сухое» сцепление является стандартным решением для автомобилей с механической коробкой передач и работает без смазки в замкнутом пространстве. По умолчанию сцепление находится в замкнутом состоянии, размыкается нажатием педали и позволяет двигателю работать на холостом ходу при остановке автомобиля. Узел крепится непосредственно к маховику двигателя и закрыт защитным колоколом картера сцепления[2].

Конструкция предусматривает возможность установки коробки передач в нейтральное положение для длительной стоянки с отпущенной педалью сцепления, что снижает нагрузку на выжимной подшипник. В некоторых серийных автомобилях устанавливают клапан задержки включения для смягчения процесса схватывания и дополнительные демпферные пружины в диске для снижения шума и вибраций при работе.

«Мокрое» сцепление

«Мокрое» сцепление представляет собой систему фрикционных дисков, погружённых в масляную ванну. Постоянная смазка обеспечивает охлаждение трущихся поверхностей и уменьшает износ за счёт предотвращения сухого контакта металла с металлом. Включение передачи при такой конструкции происходит более плавно, чем в «сухом» сцеплении, что снижает рывки и ударные нагрузки на трансмиссию. Повышенный ресурс объясняется как более благоприятным тепловым режимом, так и уменьшением поверхностного повреждения фрикционных накладок.

Недостатком является наличие гидродинамических потерь: вращающиеся диски перемешивают вязкое масло, и часть мощности двигателя уходит на преодоление сопротивления среды, особенно заметное при высоких оборотах[3]. Кроме того, коэффициент трения в масляной среде ниже, чем при сухом контакте, поэтому для передачи необходимого момента используют многодисковый пакет, увеличивающий суммарную площадь трения.

«Мокрые» сцепления получили широкое распространение в мотоциклах, особенно с поперечным расположением двигателя и общим картером, объединяющим силовой агрегат и коробку передач. Такая компоновка позволяет использовать одну масляную систему для двигателя и трансмиссии, упрощает конструкцию и снижает стоимость обслуживания. Помимо мотоциклов, «мокрые» сцепления применяются в некоторых автомобилях с роботизированными коробками передач и в ряде тяжёлой техники, где важны долговечность и плавность работы.

Мотоциклетное сцепление

В конструкции мотоциклетного «мокрого» сцепления ведущая звёздочка, установленная на коленчатом валу двигателя, приводит во вращение наружный барабан, который одновременно служит большой звёздочкой главной передачи мотоцикла и храповым механизмом ножного стартера. Внутренний барабан жёстко соединён через шлицевое соединение с первичным валом коробки передач.

Между наружным и внутренним барабанами размещён пакет чередующихся ведущих и ведомых фрикционных дисков, поджимаемых нажимным диском с несколькими цилиндрическими пружинами. Плавность процесса включения достигается тем, что отдельные пары дисков, разделённые тонким слоем масла, включаются не одновременно, а последовательно — процесс передачи крутящего момента растягивается во времени[4]. Выключение сцепления осуществляется через полый первичный вал коробки передач, по которому проходит толкающий шток от левого ручного рычага управления.

Центробежное сцепление

Центробежное сцепление работает полностью автоматически, замыкаясь с ростом оборотов двигателя и размыкаясь при их снижении без участия оператора. Принцип действия основан на центробежной силе, которая прижимает фрикционные колодки к внутренней поверхности барабана при увеличении скорости вращения[5].

Ведущий диск центробежного сцепления бензопилы
Ведущий диск центробежного сцепления бензопилы

Такая конструкция широко применяется на малокубатурных мотоциклах, мотороллерах, бензомоторных пилах и была характерна для части автомобилей ранних выпусков. В цепной пиле центробежное сцепление выполняет важную функцию элемента безопасности: при заклинивании цепи в древесине обороты двигателя резко падают, сцепление автоматически размыкается и предотвращает остановку двигателя или получение травмы оператором от обратного удара инструмента.

Специальные конструкции сцепления

Собачковое сцепление обеспечивает передачу крутящего момента без малейшего проскальзывания и характерно для механических коробок передач без синхронизаторов старых конструкций[6]. Такая система обеспечивает абсолютно жёсткую передачу момента, но создаёт значительные ударные нагрузки при резком включении, что требует определённого мастерства от водителя.

Коническое сцепление представляет собой исторический тип конструкции, который обеспечивал более высокий передаваемый крутящий момент при тех же габаритах благодаря большой площади контакта конических поверхностей, но отличался большой инерцией вращающихся масс и сложностью в изготовлении. Для полной остановки ведомого диска в таких системах использовался отдельный ленточный или колодочный тормоз. Массовый отказ от конических сцеплений в автомобилестроении произошёл в 1920‎-е годы в пользу более простых и технологичных дисковых конструкций.

Эксплуатация и обслуживание

Правила управления сцеплением

Правильная техника управления сцеплением предусматривает быстрое и решительное выключение с нажатием педали «в пол» для полного разъединения дисков. Включение должно происходить плавно и постепенно в районе «точки схватывания» — момента начала передачи крутящего момента от двигателя к коробке передач, что обеспечивает комфортное трогание с места без рывков.

При переключении на следующие передачи после трогания с места отпускать педаль можно несколько быстрее, но без резкого «броска», который может привести к рывку автомобиля и дискомфорту пассажиров[7]. Для выполнения точных манёвров на малой скорости допустима кратковременная контролируемая пробуксовка сцепления, но злоупотреблять этим приёмом не следует.

Особенности эксплуатации

На подъёмах не рекомендуется удерживать автомобиль от скатывания при помощи частично включённого сцепления — для этого необходимо использовать стояночный или рабочий тормоз во избежание перегрева и преждевременного износа фрикционных накладок. Запуск двигателя следует производить либо при нейтральном положении рычага коробки передач, либо с полностью выжатым сцеплением[8].

На многих современных автомобилях система управления двигателем разрешает запуск только при выжатом сцеплении — положение педали контролируется специальным датчиком, сигнал от которого поступает в электронный блок управления. В условиях сильного мороза рекомендуется запускать двигатель с выключенным сцеплением и осуществлять последующее плавное включение для снижения нагрузки на стартер и аккумуляторную батарею. Постоянное держание ноги на педали сцепления во время движения приводит к перегреву узла и ускоренного износа выжимного подшипника.

Регулировки и настройки

При сборке корзины сцепления после ремонта или замены деталей ведомый диск обязательно центрируют при помощи старого первичного вала коробки передач или специальной центровочной оправки соответствующего диаметра. Эта операция обеспечивает лёгкое включение передач после сборки и предотвращает повреждение шлицевого соединения при установке коробки передач.

Свободный ход педали должен строго соответствовать техническим требованиям и составлять 15‎–25 мм от верхнего положения до момента начала работы выжимного подшипника[1]. Недостаточный свободный ход приводит к постоянной пробуксовке сцепления даже при полностью отпущенной педали, а чрезмерный свободный ход вызывает неполное выключение и затруднённое переключение передач с характерным скрежетом синхронизаторов[9].

Диагностика неисправностей

Поломка ведущего диска сцепления
Поломка ведущего диска сцепления из-за нарушения температурного режима работы (перегрев).

При неполном включении сцепления фрикционные диски начинают проскальзывать даже при частично отпущенной педали, что приводит к интенсивному нагреву всего узла и быстрому износу накладок. Стальной ведомый диск подвергается температурным деформациям и принимает форму «пропеллера», что дополнительно усугубляет ситуацию. На чугунных поверхностях маховика и нажимного диска от перегрева появляются характерные термические трещины в виде сетки, а фрикционные накладки интенсивно изнашиваются и обгорают с выделением едкого дыма и появлением резкого специфического запаха. Неисправность особенно заметно проявляется на высших передачах под нагрузкой, когда двигатель набирает обороты, а автомобиль разгоняется медленно. Наиболее частые причины включают недостаточный свободный ход педали, замасливание фрикционных накладок или ослабление нажимных пружин.

При неполном выключении сцепления водитель слышит характерный металлический «хруст» или скрежет при попытке включить передачу на неподвижном автомобиле, что указывает на продолжающееся вращение ведомого диска и работу синхронизаторов коробки передач в аварийном режиме. Продолжение эксплуатации автомобиля с такой неисправностью приводит к ускоренному износу дорогостоящих синхронизаторов и затруднению переключения передач. Основные причины неполного выключения включают чрезмерный рабочий ход педали сцепления, деформацию или поломку выжимных рычагов, заедание выжимного подшипника или направляющей муфты первичного вала, заедание ведомого диска на шлицах из-за коррозии или загрязнения, а также износ опорного шарикоподшипника коленчатого вала в центре маховика. Для двухдискового варианта дополнительной причиной может служить склеивание дисков при попадании масла и последующем загустевании смазки.

Рывки автомобиля при начале движения обычно вызываются неравномерным износом или разрушением фрикционных накладок ведомого диска, температурным короблением металлических деталей, поломкой демпферных пружин гасителя крутильных колебаний или износом фрикционных шайб демпфера. Дополнительными причинами могут служить заедание ведомого диска на шлицах первичного вала, заедание нажимной муфты выжимного подшипника или механическое разрушение самого выжимного подшипника. Диагностика таких неисправностей требует частичной разборки узла сцепления для визуального осмотра состояния фрикционных накладок и проверки плавности перемещения всех подвижных деталей. Устранение рывков обычно связано с заменой изношенных компонентов и тщательной очисткой шлицевых соединений от старой смазки и продуктов износа.

«Провал» педали сцепления в гидравлическом приводе чаще всего возникает из-за попадания воздуха в гидравлическую систему через неплотности соединений или при снижении уровня тормозной жидкости в расширительном бачке[9]. Устранение такой неисправности требует тщательной прокачки системы с удалением воздушных пузырей и восстановления герметичности всех соединений. Обрыв стального троса в тросовом приводе приводит к полной потере возможности управления сцеплением и требует немедленной замены троса или эвакуации автомобиля. Появление посторонних шумов при нажатии педали сцепления обычно указывает на износ выжимного подшипника, который требует замены при ближайшем техническом обслуживании. Невозврат педали в исходное положение после отпускания происходит при обрыве или ослаблении возвратной пружины педального механизма.

Литература

  • ГОСТ 18667-73. «Автомобили, основные агрегаты и механизмы. Термины и определения». — М.: ИПК Издательство стандартов, 2005. — 12 с.
  • И. Б. Барский, С. Г. Борисов, В. А. Галягин и др. Сцепления транспортных и тяговых машин / под ред. Ф. Р. Геккера. — М.: Машиностроение, 1989. — 344 с.
  • Гришкевич А. И., Вавуло В. А., Карпов А. В., Молибошко Л. А., Руктешель О. С. Автомобили: конструкция, конструирование и расчёт; трансмиссия. — Минск: Вышэйшая школа, 1985. — С. 44–70, 129–179. — 240 с.
  • Прокопьев М. В., Петунин В. П., Таразанов С. П. Оценка изменений характеристик сцепления и привода сцепления в процессе эксплуатации легкового автомобиля // Известия МГТУ. — 2014. — № 2 (20).

Примечания

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Руктешель, О. С., Дыко, Г. А., Молибошко, Л. А., Якутович, С. Г. Конструкция автомобилей. Трансмиссия: учеб.-метод. пособие. — Минск: БНТУ, 2008. — 116 с. — ISBN 978-985-479-860-8.
  2. ↑ Hyundai Tucson / Kia Sportage II: Руководство по ремонту и эксплуатации. — Монолит. — С. 145–153. — ISBN 967-464-658-2.
  3. ↑ Шпитко, Г. Н. Потери мощности и теплопередача в редукторах автомобильных трансмиссий // Курган : Вестник КГУ. — 2005. — № 2.
  4. ↑ Дочкал, И. Раздел «VII. Передняя передача и сцепление» // Обслуживание и ремонт мотоциклов ЯВА : руководство.
  5. ↑ Молибошко, Л. А., Иванов, В. Г., Руктешель, О. С., Беляев, В. М. Теория автоматических систем автомобилей: учеб. пособие. — Минск: БГПА, 2001. — С. 57–62.
  6. ↑ Naunheimer, H., Bertsche, B., Ryborz, J., Novak, W. Automotive Transmissions: Fundamentals, Selection, Design and Application (англ.) // Springer. — 2011.
  7. ↑ Гладкий, А. А. Самоучитель безопасного вождения. — СПб.: БХВ-Петербург, 2010. — С. 12–14. — ISBN 978-5-9775-0463-8.
  8. ↑ Руководство по эксплуатации автомобиля LADA Granta. — Тольятти: ПАО «АВТОВАЗ», 2024. — С. 71–78.
  9. ↑ 9,0 9,1 Кострицкий, В. В. Лекция № 4 «Диагностирование и ТО трансмиссии»: учебное пособие. — Полоцк: ПГУ, 2015.

Ссылки

Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=Сцепление_(автомобиль)&oldid=2157667