Сцепление: устройство, принцип работы

Сцепление представляет собой специальный механизм в составе трансмиссии автомобиля или трактора, предназначенный для передачи крутящего момента в соединении маховика двигателя с первичным трансмиссионным валом и гашения крутильных колебаний. Сцепление в нужное время разобщает двигатель и коробку передач, чтобы обеспечить плавное трогание с места и плавный переход с одной шестерни КПП на другую в ходе переключения передач. Механизм сцепления имеется в любой двигающейся технике, только на гусеничных тракторах и бронетехнике используется аналогичный термин «фрикцион».

Для простого описания необходимости использования сцепления можно сопоставить работу двигателя с понятием «движение транспорта». Если бы маховик мотора был непосредственно соединён с ведущим мостом транспортного средства, то при запуске двигателя автомобиль или трактор должен сразу же ехать. Так же, и для остановки машины необходимо будет заглушить мотор. И все эти действия будут проходить сразу, резко. А сцепление позволяет варьировать процесс получения энергии движения от двигателя, избавляя транспортное средство от резких рывков.

Механизмы сцепления в «молодые годы» мирового машиностроения

Изобретение механизма сцепления приписывается Карлу Бенцу. Так это или не так, достоверно установить невозможно: производством и совершенствованием первых автомобилей в XIX веке одновременно занималось сразу несколько компаний, и все они шли по своему развитию, что называется, «ноздря в ноздрю».
Старейшим видом сцепления, широко распространённого на большинстве автомобилей конца XIX – начала XX века, было сцепление конического типа. Его фрикционные поверхности имели коническую форму. Такое сцепление передавало бо́льший крутящий момент, при тех же габаритах, по сравнению с нынешним однодисковым, было предельно простым по своему устройству и в уходе за ним.

Комфортабельный «Мерседес Бенц НР-50» – автомобиль с конической фрикционной муфтой.

Однако тяжёлый конический диск такого типа сцепления обладал большой инерцией, и при переключении передач после выжима педали ещё продолжал вращаться на холостом ходу, из-за чего включение передачи было затруднённой операцией. Для торможения диска сцепления применили специальный агрегат – тормоз сцепления, однако его использование было лишь половиной решения проблемы, как и замена одного конуса двумя менее массивными. В итоге, уже в 1920-х годах от такой тяжёлой и громоздкой (к кому же требующей значительных мускульных усилий в использовании) конструкции, как коническое сцепление, полностью отказались. Также существовало сцепление с обратным конусом, работавшее на разжимание.

Однако сам принцип данного механизма нашёл новое воплощение в конструкции современных коробок переключения передач с синхронизаторами. Синхронизаторы коробки передач, по сути, и представляют собою маленькие конические сцепления, которые работают за счёт трения бронзы (или другого металла с высоким коэффициентом трения) по стали.

Устройство сцепления

Было изобретено несколько видов механизма сцепления. Однако стали основными и получили самое широкое распространение механизмы, основанные на использовании одного или нескольких фрикционных дисков, которые плотно сжаты пружинами друг с другом, или с маховиком. Фрикционный материал этих дисков схож с тем, что используется на тормозных колодках.

Ведомый диск сцепления оборудован пружинными пластинами, к которым прикреплены две фрикционные накладки. Центральная часть ведомого диска – ступица – снабжена шлицевым соединением и может перемещаться по первичному валу коробки переключения передач. С основной частью диска ступица соединена подвижным образом, посредством демпферных пружин и фрикционных шайб гасителя крутильных колебаний.

Все составные части механизма сцепления расположены в картере, который при помощи болтов крепится к силовому агрегату. Все детали сцепления являются закрытыми кожухом (корзина сцепления), приворачиваемым к маховику болтами; оси выжимных рычагов через проушины крепятся к кожуху.

Принцип функционирования механизма сцепления

В своём обычном рабочем положении нажимной и ведомый диски являются плотно прижатыми друг к другу с помощью мощных пружин, посредством рычагов и выжимного подшипника. Под воздействием силы трения между данными дисками, на первичный вал коробки переключения передач от маховика мотора постоянно передаётся крутящий момент. Если отвести нажимной диск от ведомого, то произойдёт прерывание крутящего момента от мотора и прекращение вращения ведомого диска с валом.

Рассоединение дисков производится при помощи вилки сцепления, которая своим строением напоминает обычные качели. Данная вилка приводится в действие посредством цепочки рычагов и тяг педалью сцепления в кабине автомобиля или трактора.

Выжимание педали сцепления производит разведение дисков сцепления, в результате чего между ними остаётся свободное пространство. Наоборот, отпускание педали и выключение сцепления приводит к плотному сжатию ведущего и ведомого дисков механизма. Усилие от нажатия на педаль сцепления передаётся на устройство механически (посредством рычажного или тросового механизма), либо гидравлическим приводом.

Ведомый диск в постоянном режиме зафиксирован вместе с маховиком с помощью диска нажимного. Для того, чтобы транспортное средство тронулось, ведомый диск должен соприкоснуться с вращающимся маховиком. Водитель нажимает на педаль сцепления, и это позволяет ему включить первую передачу. Когда педаль он отпускает, пружины нажимного диска снова соединяют ведомый диск с маховиком. Скорости вращения диска и маховика постепенно выравнивается, благодаря чему и достигается плавное и правильное движение транспортного средства.

В полной мере крутящий момент начинает передаваться тогда, когда достигается полное выравнивание скоростей вращения ведомого диска, диска сцепления и маховика. Если при трогании с места перестать выжимать педаль сцепления слишком резко, «бросить» её, то машина ли трактор может заглохнуть. При «бросании» педали ведомый диск с силой прижимается к диску ведущему (к маховику) и затормаживает его до такой степени, что мотор может остановиться (заглохнуть). То есть, в этом случае сцепление работает подобно тормозному механизму. Поэтому педаль сцепления после момента начала зацепления дисков нужно отпускать плавно.

При переключении любой другой передачи, кроме первой, нужно также добиваться неизменно плавного хода педали. Это позволит продлить срок эксплуатации механизма сцепления и всей трансмиссии в целом.

Виды механизмов сцепления

Механизмы сцепления можно классифицировать:

• по способу управления – сцепление с механическим, гидравлическим, электрическим или комбинированным приводом (например, гидромеханическим);
• по виду трения – сухое (когда фрикционные накладки работают в воздушной среде) или мокрое (сцепление, работающее в масляной ванне);
• по режиму включения – постоянно замкнутые и непостоянно замкнутые;
• по числу ведомых дисков – одно-, двух-, или многодисковые;
• по типу и расположению нажимных пружин – с расположением нескольких цилиндрических пружин по периферии нажимного диска и с центральной диафрагменной пружиной;
• по числу потоков передач крутящего момента – одно-, или двухпоточные.

Механический вариант является наиболее простым по конструкции и принципу действия. В случае его использования, водитель или механизатор, нажимая на педаль, посредством тяг и тросов передаёт усилие непосредственно на вилку сцепления. В гидравлическом варианте сцепления задействуется также поршень с гидравлической жидкостью. Как правило, данный вариант применяется на большегрузном автотранспорте, чтобы облегчить работу водителя.

При использовании гидравлического привода сцепления величина полного хода педали остаётся постоянной (это обеспечивается наличием у педали сцепления возвратной пружины). Однако величина её рабочего хода меняется, компенсируя уменьшение толщины ведомого диска в результате износа: чем меньше становится толщина диска, тем, при том же полном ходе педали сцепления, бо́льшим оказывается её рабочий ход, и тем «выше» (ближе к концу обратного хода педали при её отпускании) срабатывает сцепление.

У педали сцепления с механическим тросовым приводом полный ход прибавляется по мере износа ведомого диска (педаль сцепления приподнимается вверх относительно уровня пола), вместе с этим увеличивается и её рабочий ход. Свободный ход педали устанавливается регулировкой длины троса. Он составляет в нормальном положении порядка 30…40 мм.

По своей конструкции, сцепление бывает электромагнитного, фрикционного или гидравлического типа.
Фрикционный вариант сцепления обеспечивает передачу вращающего момента при помощи силы трения. Сцепление электромагнитного вида контролируется посредством магнитного поля. В гидравлическом варианте сцепления связь обеспечивается под воздействием потока гидравлической жидкости.

Сцепление является электромагнитным, если сжатие ведущих и ведомых элементов механизма производится посредством электромагнитных сил. Электромагнитное сцепление постоянно находится в разомкнутом состоянии.
Этот редкий вид сцепления устанавливался на некоторых модификациях машин с ручным управлением. Между ведущим и ведомым дисками находился ферромагнитный порошок, не мешающий раздельному вращению валов. Но после подачи электрического тока в обмотку электромагнита порошок «затвердевал» и передавал крутящий момент.

Для высоких нагрузок, таких как грузовые и спортивные автомобили, применяется также керамическое сцепление с высоким коэффициентом трения, однако оно «схватывает» резко, поэтому непригодно для использования в стандартных автомобилях.

Наиболее распространённый тип – фрикционный. В зависимости от количества используемых дисков, оно может быть однодисковым, двухдисковым или многодисковым.

Сухой и мокрый типы сцепления

Кроме того, сцепление может быть мокрым либо сухим. В сухом типе сцепления производится работа дисков в условиях сухого трения. Мокрое сцепление предусматривает эксплуатацию дисков в жидкости. Самым распространённым в современных транспортных средствах является сухое однодисковое сцепление.

Мокрый тип сцепления (работающее в масляной ванне) в наше время применяется, главным образом, на мотоциклах с поперечным расположением двигателя. Поскольку мотоциклетные силовые агрегаты имеют общий масляный картер и для мотора, и для коробки переключения передач. Детали сцепления в них являются совмещёнными с моторной передачей и системой запуска двигателя, и смазываются они общим моторным маслом. На автомобилях же сцепления в масляной ванне практически вышли из употребления.

Двух- и многодисковые сцепления

Двухдисковым или многодисковым сцеплением оснащаются транспортные средства с очень мощными моторами. При тех же размерах такие варианты сцепления осуществляют передачу существенно бо́льшего крутящего момента, обеспечивают значительно бо́льший ресурс всей конструкции. Между ведомыми дисками располагается проставка. В результате получается больше поверхностей трения. Двухдисковые механизмы устанавливаются для повышения срока службы сцепления, в связи с большой мощностью двигателей и необходимостью передавать увеличенные крутящие моменты.

Трёхдисковое сцепление для Nissan Skyline GT.

Принцип работы таков. Выжимной подшипник нажимает на выжимные рычаги, и они оттягивают нажимной диск. Нажимной диск отходит от первого ведомого и отпускает отжимные пружины. Они отпускают промежуточный ведущий диск, а он отходит за счёт других отжимных пружин от второго фрикционного, настолько же, насколько нажимной отошёл от первого фрикционного. При обратном движении отжимные пружины способствуют равномерному прижатию промежуточного диска ко второму ведомому и нажимного — к первому ведомому.
Нажимные диски перемещаются по шпилькам, которые ввёрнуты в маховик, и к ним же прикреплена корзина сцепления. На шпильки надеты отжимные пружины.

Сцепление с пневматическим усилителем

На тяжёлых грузовых автомобилях большой грузоподъёмности, к примеру, на МАЗах, устанавливается привод сцепления с пневматическим усилителем. Пневмоусиление предназначено для уменьшения мускульного усилия, прилагаемого на педаль сцепления.

Устройство таково: педаль, тяга, золотник (он же клапан управления), шланги, пневматическая камера, рычаги, тормозок, первичный вал с барабаном тормозка. Принцип действия: при отпущенной педали впускной клапан золотника закрыт, а выпускной открыт. При нажатии на педаль усилие через тягу и золотник передаётся на вилку выключения сцепления. В это же время в золотнике открывается впускной клапан и закрывается выпускной – корпус золотника надвигается на выпускной клапан, выпускной клапан прижимается к впускному и закрывается, а впускной этим движением открывается. Воздух через впускной клапан поступает в пневматическую камеру, которая за счёт давления воздуха помогает нажимать вилку выключения сцепления.

Распространённые неисправности сцепления и их признаки

• Неполное включение сцепления (с «пробуксовками») – последствие замасливания либо износа фрикционных накладок ведомого диска, поломок пружин, неправильной амплитуды хода педали (её малого свободного хода). Чтобы устранить данную неисправность, требуется заменить ведомый диск, устранить задиры на дисках, осмотреть привод на предмет неисправностей.Когда имеет место «пробуксовка», то при отпущенной полностью педали сцепления диски проскальзывают один относительно другого. От длительной пробуксовки диски начинают значительно нагреваться, стальной ведомый диск при этом может покоробиться, а чугунный маховик и нажимной (или нажимные) диски могут покрыться трещинами. Фрикционные накладки в ускоренном режиме изнашиваются и обгорают, и этот горелый запах достигает кабины. Если не ремонтировать, то процесс постепенно прогрессирует, сперва на высоких, потом на низких скоростях. Вплоть до того, что невозможно становится даже тронуться с места на первой передаче.
• Неполное выключение сцепления (когда сцепление «ведёт») – последствие большого свободного хода сцепления, поломок пружин, покоробившегося ведомого диска или неправильно установленного диска нажимного. Также это возможно при деформации выжимных рычагов; или выжимной подшипник заедает, не передвигается вместе с нажимной муфтой. Возможно, ведомый диск сцепления не передвигается по шлицам (загустела или загрязнилась консистентная смазка). Для устранения этой неисправности необходимо удаление воздуха из гидропривода, регулировка свободного хода педали, замена неработоспособных дисков и пружин.Неполное выключение проявляется хрустящими звуками шестерён при переключении передач и, соответственно, ведёт к ускоренному износу деталей коробки передач.

• Рывки при включении сцепления. Когда автомобиль, несмотря на плавный отпуск педали сцепления, трогается «рывками», то это свидетельствует о разрушении фрикционных накладок, короблении ведомого диска, либо о поломке демпферных пружин, либо об износе фрикционных шайб. Также возможно заедание ведомого диска при передвижении по шлицам первичного вала коробки передач, а также заедание нажимной муфты или разрушение выжимного подшипника.
• Неисправности системы гидропривода. При попадании воздуха в гидравлический привод выключения сцепления возможно «проваливание» педали, и как следствие — неполное выключение сцепления. В этом случае, необходимо удалить пузырьки воздуха с частью жидкости (прокачать сцепление), и долить свежей.
  Когда в механизмах с тросовым приводом сцепление вообще не выключается, то, возможно, произошёл обрыв троса. Когда педаль сцепления не возвращается в первоначальное положение – произошло отсоединение возвратной пружины. Если при выключении сцепления раздаётся сильный шум, создаваемый выжимным подшипником, то это свидетельствует о его износе.

Итак, механизм сцепления играет огромную роль в функционировании любого автомобиля или трактора. От его исправности и работоспособности во многом зависит техническое состояние всего транспортного средства. Поэтому, для обеспечения долгой и надёжной работы всех элементов механизма сцепления важно пользоваться им плавно, и без необходимости не практиковать излишне долгих нажатий на педаль. При таких щадящих условиях работы сцепление прослужит долго.

https://tractorreview.ru/dvigateli/ustroystvo/stseplenie-ustroystvo-printsip-rabotyi.html