Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Ведомый диск сцепления

Как уже говорилось в предыдущих статьях, ведомый диск сцепления предназначен для передачи крутящего момента от маховика и ведущего диска сцепления на первичный вал коробки передач, а также для обеспечения плавного трогания автомобиля с места и быстрого переключения передач водителем. В от о том, из каких элементов состоит ведомый диск сцепления, мы и поговорим в этой статье.

Кроме этого, задача ведомого диска состоит в ограничении распространения на трансмиссию колебаний крутящего момента двигателя (крутильных колебаний). Недорогим и компактным решением этой проблемы является ведомый диск сцепления с демпфером крутильных колебаний (рис. 1 «Ведомый диск сцепления с демпфером крутильных колебаний и упругими лепестками крепления фрикционных накладок«). Он оснащен системой пружинных демпферов определенной жесткости с фрикционными элементами управления, позволяющей гарантировать надлежащее демпфирование крутильных колебаний в любом рабочем состоянии (рис. 2 «Функциональная схема и графическая характеристика демпфера крутильных колебаний«).

С помощью современных технологий моделирования можно достичь значительного ограничения распространения колебаний в области трансмиссии (рис. 3 «Диаграммы крутильных колебаний с демпфером крутильных колебаний и без него на холостом ходу«). Ограничение распространения колебаний способствует, среди прочего, снижению расхода топлива и уровня токсичности отработавших газов при работе двигателя на холостом ходу.

Кроме этого, оптимальная конструкция крепления фрикционных накладок обеспечивает плавную передачу на трансмиссию крутящего момента при трогании автомобиля с места, а также эргономичную передачу усилия с педали сцепления, что значительно улучшает плавность выключения и включения сцепления.

Фрикционные накладки

Основным свойством переключаемого фрикционного сцепления, как явствует из названия, является передача крутящего момента за счет фрикционного замыкания. Фрикционное замыкание создается с помощью фрикционных накладок, установленных с помощью заклепок и/ или клея на упругой основе ведомого диска сцепления, в связи с чем изготовлению накладок отводится особое место в технологии производства сцеплений.
Фрикционные накладки, в зависимости от условий эксплуатации, подвергаются растяжению, сдвигу и изгибу, поэтому должны обладать следующими свойствами:

• Высокая механическая прочность;
• Термостойкость;
• Медленный износ материала поверхности, сопряженной с поверхностью трения;
• Возможность использования в широком диапазоне температур;
• Невосприимчивость к атмосферным воздействиям;
• Отсутствие шумов при трении.

Коэффициент трения фрикционных накладок и параметры износа зависят от таких факторов, как:

• Длительность нагрузки (фаза проскальзывания);
• Состав материала фрикционной накладки;
• Температура поверхности трения;
• Давление прижима;
• Скорость скольжения;
• Материал сопряженных поверхностей трения.

Фрикционные накладки сцепления должны обладать также дополнительными свойствами в зависимости от условий эксплуатации. Расположенные на ведомом диске накладки вращаются с высокой частотой. Возникающие при этом центробежные силы способны вызвать в накладках высокое внутреннее напряжение. Именно поэтому важным критерием при конструировании и выборе фрикционных накладок сцепления является их прочность на разрыв.
Прочность на разрыв, или прочность при повышенной частоте вращения, должна превышать на величину коэффициента надежности прочность накладок в обычных условиях эксплуатации. Она зависит от технологии производства, диаметра ведомого диска и величины возможных температурных воздействий. Фрикционные накладки должны до определенных пределов легко переносить пиковые температуры в сочетании с высокой частотой вращения ведомого диска сцепления, что возможно из-за ошибок водителя (например, неправильный выбор ступени при переключении на пониженную передачу).
Масса фрикционных накладок оказывает серьезное влияние на момент инерции масс ведомого диска сцепления и, тем самым, на легкость переключения ступеней в коробке передач и срок службы синхронизаторов. Поэтому при выборе фрикционных накладок этот критерий имеет особенное значение. В результате последних разработок были созданы фрикционные накладки с уменьшенной массой, которые можно узнать по выемкам на обратной стороне фрикционной поверхности. Необходимая прочность обеспечивается перемычками в местах расположения заклепок.
Канавки на поверхности фрикционных накладок служат для отведения пыли, образующейся при рабоче сцепления. Кроме этого, они способствуют оптимальному завихрению потока охлаждающего воздуха и предотвращают присасывание к сопряженным поверхностям трения на маховике и нажимном диске сцепления. Для той же цели служат полые заклепки крепления фрикционных накладок.

Фрикционные накладки из органических материалов

В настоящее время на автомобилях используются преимущественно фрикционные накладки ведомого диска сцепления, изготовленные из органических материалов (рис. 4 «Варианты исполнения фрикционных накладок сцепления«). Еще пару лет назад основным материалом для производства фрикционных накладок был длинноволокнистый асбест. Сегодня же используются исключительно безасбестные заменители, такие, как стекловолокно, минеральная вата, а также угольные и арамидные волокна. В качестве заполнителей и основы применяется множество материалов, по разному влияющих на свойства фрикционных накладок, а именно:

• Шпат, каолит, силикаты и оксиды алюминия обеспечивают прочность фрикционных накладок;
• Металлы, сульфиды и оксиды металлов улучшают эффективность отверждения и вулканизации при изготовлении накладок;
• Смолы и хлопок обеспечивают постоянный коэффициент трения и уменьшают износ накладок;
• Смолы, кроме того, служат связующим веществом и положительно влияют на коэффициент трения.

При производстве прессованных фрикционных накладок безасбестные заменители соединяются с заполнителем и смолами, тщательно перемешиваются, после чего полученная масса заливается в форму и затвердевает при нагреве под давлением. Полученные заготовки подвергаются механической обработке.
Преимуществом этой экономичной технологии является равномерное перемешивание волокнистых материалов и заполнителей, что гарантирует стабильность свойств фрикционных накладок.
При производстве тканых фрикционных накладок в качестве основы используются длинноволокнистые заменители, а также частично латунные, медные и оловянные волокна, которые сплетаются в нити. Из этих нитей, в свою очередь, плетется ткань с сетчатой или решетчатой структурой. Полученные заготовки также соединяются с заполнителем и спекаются в форме при нагреве под давлением.
Преимуществом тканых фрикционных накладок является высокая прочность при повышенной частоте вращения.
Навитые фрикционные накладки в прошлом производились преимущественно из асбеста. Асбестовые волокна сплетались с металлическими волокнами в нить, которая пропитывалась заполнителем и по спирали навивалась на диск.
Основными аргументами в пользу этой технологии была небольшая масса фрикционных накладок и высокая прочность при повышенной частоте вращения.
Коэффициент трения фрикционных накладок из органических материалов составляет от 0,26 до 0,30 при термостойкости до 300 °С.

Фрикционные накладки из неорганических материалов

В сцеплениях, испытывающих сильные термические нагрузки, используются преимущественно фрикционные накладки из неорганических порошковых материалов (рис. 4).
В зависимости от основного компонента различают накладки на основе бронзового или железного порошка. Коэффициент трения и свойства фрикционных накладок зависят от содержания в них углерода, оксида алюминия, кварцита, магнезита и муллита.
В процессе производства порошковый материал предварительно прессуется в форме и подвергается в печи диффузионному спеканию. На следующем этапе производится спекание под давлением и окончательное прессование. Полученные спеченные детали (рис. 4, внизу) закрепляются на держателе фрикционной накладки с помощью заклепок.
Для использования в среде крайне высоких температур подходят порошковые материалы с высоким содержанием керамических добавок. Однако из-за высокой хрупкости таких металлокерамических фрикционных накладок они должны быть установлены на специальных держателях.
Коэффициент трения фрикционных накладок из неорганических материалов составляет до 0,5, что, хотя и обеспечивает высокую эффективность передачи крутящего момента, вызывает сильный износ сопряженных поверхностей трения и внезапное зацепление при включении сцепления. Кроме этого, сравнительно высокая масса спеченных фрикционных накладок является причиной высокого момента инерции масс ведомого диска сцепления.
Благодаря своей высокой термостойкости спаянные фрикционные накладки могут без проблем выдерживать температуру до 600 °С.

Упругое крепление фрикционных накладок

Для крепления фрикционных накладок сцепления используются тонкие волнистые упругие сегменты, или лепестки, из листового металла. Эти сегменты образуют упругую основу ведомого диска, они изготавливаются путем штамповки из рессорной полосовой стали, имеют толщину от 1 до 2 мм и жестко соединяются с демпфером крутильных колебаний ведомого диска.
Упругая основа крепления фрикционной накладки обычного ведомого диска имеет ход от 0,8 до 1,2 мм и обладает четырьмя основными преимуществами по сравнению с жестким креплением:

• Равномерное пятно контакта фрикционной накладки
  Упругая основа крепления компенсирует отклонения в толщине фрикционных накладок и деформацию при нагреве.
  Выпуклые упругие сегменты обеспечивают более равномерное пятно контакта и, тем самым, более медленный износ накладок.
  В свою очередь, равномерное пятно контакта обеспечивает равномерное распределение тепла, что значительно снижает риск появления трещин в результате чрезмерного нагрева и напряжения.
• Обеспечение плавного трогания автомобиля с места
  При включении сцепления нажимной диск должен сначала прижать ведомый диск к маховику, преодолев сопротивление упругой основы. Так как это сопротивление нарастает постепенно, уменьшение разницы частоты вращения между коленчатым валом двигателя и коробкой передач происходит плавно и без рывков, что обеспечивает мягкое включение сцепления и плавное трогание автомобиля с места.
• Плавная работа сцепления
  Обеспечиваемая упругим креплением «осевая упругость» фрикционных накладок в определенных пределах влияет на плавность выключения и включения сцепления.
• Постоянный диаметр трения
  При большом диаметре сцепления, что часто встречается в транспортных средствах промышленного назначения, мгновенная ударная нагрузка может стать причиной деформации и значительного уменьшения диаметра трения. Упругое крепление фрикционных накладок способно предотвратить это и обеспечить высокую эффективность передачи сцепления.

В настоящее время используются четыре различных типа упругого крепления фрикционных накладок в зависимости от условий эксплуатации: упругое крепление с одинарными сегментами, упругое крепление с двойными сегментами, пластинчатое упругое крепление и упругое крепление с промежуточной плитой.

Упругое крепление с одинарными сегментами

Упругое крепление с одинарными сегментами представляет собой набор выпуклых лепестков, к которым в шахматном порядке приклепаны две фрикционные накладки. Лепестки, в свою очередь, соединены заклепками с демпфером крутильных колебаний ведомого диска сцепления.
При этом желательно, чтобы выпуклая сторона упругих лепестков (упругого крепления) была обращена в сторону нажимного диска сцепления. В этом случае уменьшается осевой ход ступицы ведомого диска на валу коробки передач при выключении и включении сцепления, что оказывает положительное влияние на степень износа деталей.

Ведомые диски, имеющие упругое крепление с одинарными сегментами (рис. 5 «Ведомый диск сцепления легкового автомобиля, на котором фрикционные накладки приклепаны к упругой основе с одинарными сегментами«), обладают небольшим маховым моментом, что положительно сказывается на включении передачи заднего хода (например, при парковке или маневрировании). Для полной остановки ведомого диска сцепления требуется немного времени, поэтому переключение передач происходит быстро.
Заклепочный шов между упругими сегментами с фрикционной накладкой и демпфером крутильных колебаний является «слабым местом» сцепления. Смещение вала коробки передач относительно коленчатого вала или неправильная посадка ступицы ведомого диска на первичный вал коробки передач могут стать причиной деформации и, как неизбежное следствие, поломки в этом месте.

Упругое крепление с двойными сегментами

При упругом креплении с двойными сегментами (рис. 6 «Ведомый диск сцепления легкового автомобиля, на котором фрикционные накладки приклепаны к упругой основе с двойными сегментами«) два ряда симметричных упругих лепестков расположены тыльной стороной друг к другу между фрикционными накладками. Они предварительно напряжены друг относительно друга, соединены в шахматном порядке с фрикционными накладками и позволяют в полной мере использовать имеющийся упругий ход лепестков.

По сравнению с упругим креплением с одинарными сегментами каждый двойной сегмент обеспечивает только половину упругого хода, поэтому такие ведомые диски отличаются меньшей осадкой и большим сроком службы.

Недостатками данного варианта упругого крепления является более высокий маховый момент и увеличенная стоимость изготовления.

Пластинчатое упругое крепление

Ведомые диски с пластинчатым упругим креплением (рис. 7 «Ведомый диск сцепления легкового автомобиля, имеющий пластинчатое упругое крепление фрикционных накладок«) используются там, где из- за ограниченного пространства невозможно использовать заклепочное соединение одинарных сегментов с демпфером крутильных колебаний.

Сплошной диск пластинчатого упругого крепления позволяет уменьшить конструктивную высоту ведомого диска сцепления.
Диск пластинчатого крепления, соединяемый заклепками с демпфером крутильных колебаний, имеет волнистую поверхность наружного края с прорезями. Принцип действия аналогичен упругому креплению с одинарными сегментами.
При высокой нагрузке относительно тонкий диск пластинчатого крепления может быть усилен вторым, дополнительным диском в области демпфера крутильных колебаний.

Упругое крепление с промежуточной опорой

В тяжелых транспортных средствах промышленного назначения с большим диаметром дисков сцепления часто используются ведомые диски, в которых используется упругое крепление фрикционных накладок с промежуточной опорой (рис. 8 «Ведомый диск сцепления грузового автомобиля, имеющий упругое крепление фрикционных накладок с про­межуточной опорой«).

В данном случае фрикционная накладка со стороны маховика приклепана непосредственно к промежуточной опоре, представляющей собой жесткую шайбу большого диаметра. Со стороны нажимного диска сцепления к этой опоре приклепаны волнистые упругие лепестки (как в конструкции с одинарными сегментами), которые поддерживают вторую фрикционную накладку.
Хотя этот вариант и имеет недостаток в виде высокого махового момента, однако он гарантирует долгий срок службы сцепления при самых экстремальных нагрузках.

Демпфер крутильных колебаний

В отличие от электродвигателей или турбин, у двигателей внутреннего сгорания отдаваемый крутящий момент не является постоянной величиной, а характеризуется определенной степенью неравномерности. Постоянное изменение угловой скорости коленчатого вала вызывает колебания как следствие его ускорения или замедления. Без специальных мер эти колебания могли бы беспрепятственно передаваться через сцепление на первичный вал коробки передач и вызывать дребезжание из-за соприкосновения шестерен друге другом.
Подобные колебания вызывают, кроме всего прочего, появление посторонних шумов, однако их появление зависит не только от неравномерной работы двигателя. Возникновению и усилению нежелательных шумов способствует несоответствующее качество изготовления шестерен, коленчатого вала и его вкладышей, неправильно выбранная вязкость используемого трансмиссионного масла, количество находящихся в зацеплении шестерен, а также все более низкая инерционная масса и легкие конструкции современных автомобилей.
Для того, чтобы возникающие крутильные колебания не передавались беспрепятственно от двигателя на коробку передач, ведомый диск сцепления оснащен демпфером (или гасителем) крутильных колебаний (рис. 9 «Демпфер крутильных колебаний легкового автомобиля с отдельным предварительным демпфером«), включающим в себя поворотный и фрикционный механизмы.

Поворотный механизм состоит из основы ведомого диска и пластины демпфера, жестко соединенных заклепками, а также нескольких демпферных пружин, которые предназначены для передачи крутящего момента на ступицу ведомого диска, сжимаясь в зависимости от вели-чины передаваемого момента. Пружины расположены в окнах основы ведомого диска, пластины демпфера и фланца ступицы, что обеспечивает поворачивание последнего на угол до ±18° относительно основы ведомого диска. При этом демпферные пружины пребывают поочередно в состоянии сжатия и растяжения. За счет изменения величины зазора и упругости пружин достигаются различные характеристики демпфера крутильных колебаний. Использование нескольких пружин с различной упругостью позволяет обеспечить многоступенчатую или прогрессивную характеристики работы механизма.
Фрикционный механизм предотвращает раскачивание демпфера крутильных колебаний, которое возникает из-за осевого перекоса фланца ступицы между основой ведомого диска и пластиной демпфера.
Самый простой вариант, при котором сталь трется о сталь, не обеспечивает надлежащее фрикционное демпфирование и таит в себе опасность глубокой коррозии.
Фрикционные кольца, изготовленные из пластика или органического материала, позволяют достичь желаемых коэффициентов трения и соответствующих параметров износа. Небольшие тарельчатые пружины сжимают фрикционный механизм и обеспечивают постоянный коэффициент трения.

Двухступенчатый демпфер крутильных колебаний с простым фрикционным приспособлением

Двухступенчатый демпфер крутильных колебаний (рис. 10 «Двухступенчатый демпфер крутильных колебаний с металлическим фрикционным приспособлением«) оснащен простым фрикционным приспособлением. В данном варианте металл трется о металл, а тарельчатая пружина (2) обеспечивает постоянный коэффициент трения.

Фланец ступицы (8) располагается между основой ведомого диска (6) и пластиной демпфера (7) и поддерживается двумя пружинами основного демпфера первой (3) и второй ступени (4).
Максимальный угол поворота между фланцем ступицы и основой ведомого диска с пластиной демпфера составляет 18°. Перегрузка может вызвать соприкосновение с заклепкой (1).

Двухступенчатый демпфер крутильных колебаний с фрикционными кольцами

В отличие от варианта с простым фрикционным приспособлением, изображенного на рисунке 10, демпфер крутильных колебаний с рисунка 11 «Двухступенчатый демпфер крутильных колебаний с фрикционными кольцами» оснащен двумя фрикционными кольцами (9) . Они могут быть выполнены из органического материала (высокий коэффициент трения, сильный износ) или пластика (низкий коэффициент трения, хорошие параметры износа).

Постоянный уровень трения достигается за счет тарельчатой пружины (2) с опорной шайбой (10) . Вторая ступень демпфирования реализуется с помощью двух вложенных друг в друга пружин (4) , дающих более крутую графическую характеристику.

Двухступенчатый демпфер крутильных колебаний с отдельным предварительным демпфером

Следующим вариантом, более дорогим с точки зрения производства, является демпфер крутильных колебаний с отдельным предварительным демпфером.
На рисунке 12 «Двухступенчатый демпфер крутильных колебаний с отдельным предварительным демпфером и фрикцион­ными кольцами» изображен трехступенчатый механизм, состоящий из двухступенчатого основного демпфера и отдельного двухступенчатого предварительного демпфера.

Пружины первой (11) и второй (12) ступеней предварительного демпфера отличаются очень низкой упругостью и работают в основном в режиме холостого хода. По достижении определенного угла поворота фланца (14) относительно кожуха (15) предварительного демпфера в работу включаются пружины (3 и 4) первой и второй ступеней основного демпфера.
Три фрикционных кольца (9) начинают работать при различных углах поворота подвижных деталей демпфера относительно друг друга. В данном случае постоянный коэффициент трения достигается за счет предварительного натяжения тарельчатых пружин.

Двухступенчатый демпфер крутильных колебаний со встроенным предварительным демпфером и переменным коэффициентом трения

В данном варианте предварительный демпфер встроен в демпфер крутильных колебаний, что позволяет уменьшить общую конструктивную высоту изделия (рис. 13 «Двухступенчатый демпфер крутильных колебаний со встроенным предварительным демпфером и перемен­ным коэффициентом трения«).

Пружины предварительного демпфера (11) и (12) работают на первой и второй ступенях предварительного демпфирования. Пружины основного демпфера первой (3) и второй (4) ступеней обладают более высокой упругостью и включаются в работу только по достижении определенного угла поворота фланца предварительного демпфера.
Нагрузочный фрикционный диск работает в зависимости от угла поворота деталей механизма относительно друг друга и обеспечивает переменный коэффициент трения.

Ступицы и профили ступиц

Ступица ведомого диска сцепления (рис. 14 «Ступица ведомого диска сцепления с фланцем«) обеспечивает соединение ведомого диска с первичным валом коробки передач и, соответственно, передачу крутящего момента от двигателя на трансмиссию.
В качестве материала ступицы используется, как правило, более мягкая сталь, чем та, что идет на изготовление первичного вала коробки передач. Благодаря этому более дорогой первичный вал меньше изнашивается и поэтому крайне редко нуждается в замене по причине износа профиля сопряжения со ступицей ведомого диска.

Для улучшения свойств поверхность ступицы может подвергаться дополнительной обработке, например, фосфатированию, никелированию, азотированию или индуктивной закалке.

Не рекомендуется использовать консистентные смазки с содержанием твердых фракций (например, медесодержащую пасту). Из-за воздействия высоких температур такая смазка может затвердеть, и твердые фракции могут «запечься» на первичном валу коробки передач. В результате ведомый диск сцепления не сможет свободно скользить по шлицам первичного вала, что может стать причиной рывков при включении сцепления или проблем с разъединением трансмиссии.
Благодаря хорошему скольжению ступицы с никелированной поверхностью вообще не требуют смазывания. Их легко можно узнать по блеску, который отличает их от азотированных ступиц, имеющих матовую серебристую поверхность.

Профили ступиц

Требуемый шлицевой профиль выполняется в теле ступицы методом протяжки. Шлицы могут быть мелкими или крупными, причем мелкие шлицы благодаря большему количеству обеспечивают лучшее пятно контакта с первичным валом. Недостатком мелких шлицов является риск соударения при заведении вала коробки передач в профиль ступицы. Повреждение профиля ступицы отрицательно сказывается на скольжении ведомого диска сцепления по шлицам вала коробки передач и вызывает проблемы при работе механизма сцепления.
При описании профиля ступицы, как правило, указывается диаметр [мм] вершины шлица (А), диаметр [мм] основания шлица (В) и количество шлицов (С), (рис. 15).

Пример:
26,5 28,7 26 г
Диаметр вершины шлица: 26,5 мм. Диаметр основания шлица: 28,7 мм. Количество шлицов: 26.
Нередко параметры профиля ступицы указаны в дюймах. В этом случае для перевода значений в метрическую систему можно воспользоваться таблицей А 1.»Соотношение метрических и дюймовых размеров ступицы ведомого диска сцепления«.

https://press.ocenin.ru/vedomyj-disk-sczepleniya/