Lekcja 23

Temat: Zadania i rodzaje sprzęgieł

Pierwszym zespołem układu przeniesienia napędu w samochodzie jest sprzęgło, nazywane sprzęgłem głównym. Umieszczone jest między silnikiem i mechanizmami napędowymi pojazdu.

• Umożliwia przeniesienie momentu obrotowego i napędu z silnika przez układ napędowy do kół pojazdu,

• Umożliwia chwilowe odłączenie silnika od zespołów układu napędowego oraz łagodne i płynne załączanie pracującego silnika z zespołami układu napędowego,

• Zabezpiecza wszystkie elementy układu napędowego przed nadmiernymi przeciążeniami mogącymi powstać w wyniku gwałtownego przyspieszania mas obrotowych mechanizmów napędowych samochodu. Obciążenia tego rodzaju w postaci momentu skręcającego w układzie napędowym występują w przypadku gwałtownego połączenia silnika posiadającego dużą prędkość obrotową z mechanizmami napędowymi w czasie ruszania samochodu z miejsca.

• Zabezpiecza elementy mechanizmów napędowych szczególnie koła zębate od drgań skrętnych przekazywanych przez silnik do układu napędowego, wynikających z cykliczności pracy silnika. Do tłumienia tych drgań służy sprzęgło w kole dwumasowym lub tłumik drgań skrętnych w tarczy sprzęgłowej.

Sprzęgło główne w samochodzie oprócz zadań, jakie musi spełniać ma również znaczny wpływ na komfort jazdy i powinno zapewniać:

• miękkie ruszanie z miejsca bez szarpnięć,

• szybkie przełączanie biegów oraz płynną bez szarpnięć jazdę po zmianie biegów,

• obniżenie poziomu hałasu.

Ponadto sprzęgło musi spełniać wiele określonych wymagań konstrukcyjnych takich jak:

• utrzymanie prędkości obrotowej w całym zakresie pracy silnika bez poślizgu w określonym przedziale obciążeń podczas użytkowania pojazdu,

• posiadać możliwie małe wymiary oraz gwarantować przenoszenie momentu obrotowego w całym zakresie pracy silnika podczas eksploatacji.

• użycie niewielkiej siły do wyłączenia sprzęgła,

• posiadać dużą niezawodność i trwałość.

W samochodach jako sprzęgła główne stosowane są: tarczowe sprzęgła cierne, sprzęgła hydrokinetyczne, sprzęgła elektromagnetyczne.

Podczas ruszania pojazdu z miejsca na członach (elementach) czynnych i biernych sprzęgła następuje proces wyrównywania prędkości kątowej na wejściu
i na wyjściu
. Natomiast wartości momentu obrotowego na wejściu
i na wyjściu
są sobie równe przy różnych wartościach prędkości kątowej
i
.

Wartość momentu przenoszonego przez sprzęgło główne jest ograniczona, możliwością wystąpienia poślizgu, jeżeli moment skręcający w układzie napędowym osiąga zbyt dużą wartość. Poślizg sprzęgła zabezpiecza mechanizmy napędowe przed przeciążeniem.

Moc na wejściu
i na wyjściu
sprzęgła wynosi odpowiednio

Stąd sprawność sprzęgła jest równa ilorazowi mocy na wejściu i na wyjściu (może być wyrażona
w procentach)

Sprawność sprzęgła rośnie liniowo ze zwiększeniem prędkości kątowej osiągając 1 (100%) przy

Poślizg względny sprzęgła wyrażony jest w podobny sposób jak poślizg kół i wynosi

stąd

Sprawność sprzęgła jest funkcją liniową stosunku prędkości kątowej
lub funkcją liniową poślizgu
.

W pojazdach samochodowych ze względu na zasadę działania stosowane sprzęgła można podzielić na trzy grupy sprzęgła cierne, sprzęgła hydrokinetyczne, sprzęgła elektromagnetyczne (patrz podział funkcjonalno-konstrukcyjny rys.23.1)

Rys.23.1 Podział sprzęgieł według cech funkcjonalno - konstrukcyjnych

Sprzęgło cierne (sprzęgło przełączalne asynchronicznie) przenosi napęd wówczas, gdy tarcza sprzęgła lub tarcze w przypadku sprzęgła wielotarczowego są dociskane z odpowiednio dużą siła wywołującą na powierzchniach ciernych siłę tarcia, która umożliwia przeniesienie momentu obrotowego z członu (elementu) napędzającego na człon (element) napędzany. Podstawową cechą sprzęgieł ciernych jest możliwość ich włączania przy różnej prędkości obrotowej elementu napędzającego i napędzanego,
a nawet wtedy, gdy element napędzany jest w spoczynku. W okresie od włączenia do osiągnięcia pełnej synchronizacji obrotów tych elementów między powierzchniami ciernymi występuje poślizg, wskutek czego sprzęgło silnie się nagrzewa, jednocześnie zużywają się powierzchnie cierne, dlatego okres pracy asynchronicznej sprzęgła powinien być jak najkrótszy.

Podstawowe typy sprzęgieł ciernych różnią się kierunkiem i sposobem docisku oraz kształtem, liczbą
i materiałem powierzchni ciernych. Ze względu na kształt trących elementów rozróżnia się sprzęgła cierne tarczowe, stożkowe i bębnowe. Ze względu na sposób wywierania siły docisku sprzęgła cierne dzielimy na mechaniczne, hydrauliczne, elektryczne i pneumatyczne.

Materiał powierzchni ciernych ma duży wpływ na własności ruchowe oraz na trwałość sprzęgła. Z wielu właściwości, jakie są wymagane od tych materiałów, do najważniejszych należą: duży współczynnik tarcia, dobra wytrzymałość mechaniczna, dobre odprowadzenie ciepła oraz odporność na zużycie przy braku skłonności do zatarć. Najczęściej stosuje się materiały cierne organiczne lub ze spieków metalowych. Te ostatnie charakteryzują się większą trwałością, umożliwiają stosowanie większych nacisków dopuszczalnych, lecz posiadają mniejszy współczynnik tarcia od materiałów organicznych.

Sprzęgła cierne mogą pracować na sucho lub przy smarowanych powierzchniach ciernych np. w oleju sprzęgła mokre. Smarowanie zmniejsza wartość współczynnika tarcia, zmniejsza zużycie oraz powoduje chłodzenie sprzęgła.

Z analizy powyższych właściwości i cech wynika wniosek, że przy konstrukcji sprzęgła lub jego wyborze dla zespołu układu napędowego pojazdu w celu przenoszenia momentu obrotowego należy uwzględnić właściwości i cechy materiałów ciernych, warunki pracy, sposób załączania oraz żądaną jego trwałość.

Sprzęgła hydrokinetyczne należą do napędów hydraulicznych, służą do przenoszenia ruchu i momentu obrotowego w układzie napędowym z miejsca jego wytwarzania (silnika) do urządzenia napędzanego (np. skrzyni biegów).

W napędach hydraulicznych czynnikiem przenoszącym energię ruchu jest ciecz. Napędy hydrokinetyczne wykorzystują do przenoszenia ruchu energię kinetyczną cieczy (energię prędkości). Schemat blokowy napędu hydrokinetycznego przedstawia rys.23.2.

Rys.23.2 Schemat blokowy napędu hydrokinetycznego

Pompa zamienia dostarczoną energię mechaniczną na energię hydrauliczną, w napędach hydrokinetycznych stosuje się pompy wirowe, w których elementem roboczym jest obracający się z dużą prędkością wirnik łopatkowy.

Turbina - silnik hydrauliczny, wirowy zamienia energię hydrauliczną dostarczaną przez pompę z powrotem na energię mechaniczną.

Ponadto w skład układu mogą wchodzić urządzenia dodatkowe, jak pompa (zmienia ilość płynu w obudowie sprzęgła - zmienniki momentu obrotowego), elementy sterujące, instalacja zasilająca, chłodnice.

Przenoszenie ruchu obrotowego w napędzie odbywa się z wału wejściowego na wał napędowy rys.23.3.

Rys.23.3 Schemat blokowy napędu o ruchu obrotowym

Ruch obrotowy wału charakteryzuje się dwoma wielkościami: momentem obrotowym
i prędkością kątową
, lub obrotami
. Przy przenoszeniu ruchu obrotowego za pośrednictwem napędu z jednego wału na drugi (z wału wejściowego na wał wyjściowy), parametry te mogą ulegać zmianie (transformacji). Zmiany te określa się za pomącą dwóch pojęć: przełożenia dynamicznego i przełożenia kinematycznego.

Przełożenie dynamiczne
(przełożenie momentów) określa następująca zależność

gdzie:

- moment obrotowy na wale wejściowym,

- moment obrotowy na wale wyjściowym.

Przełożenie dynamiczne określa, w jakim stopniu napęd hydrokinetyczny zmienia (transformuje) moment obrotowy przy przekazywaniu ruchu.

Przełożenie kinematyczne
(przełożenie prędkości) określa następująca zależność

gdzie:

i
- odpowiednio prędkość kątowa wału na wejściu i wyjściu,

i
- odpowiednio prędkość obrotowa na wejściu i wyjściu.

Przełożenie kinematyczne określa, w jakim stopniu napęd zmienia prędkość ruchu przy przekazywaniu go z jednego wału na drugi.

Przełożenie dynamiczne
i przełożenie kinematyczne
może być stałe lub może ulegać zmianie według określonej funkcji. Zmiana przełożenia dynamicznego i kinematycznego może odbywać się samoczynnie pod wpływem zmiany warunków ruchu, lub może być zmieniana przez kierowcę pojazdu.

W napędach hydraulicznych oprócz pojęcia przełożenia dynamicznego i kinematycznego używa się pojęcia poślizgu względnego

Związek między poślizgiem a przełożeniem kinematycznym może być wyrażony tylko formalnie za pomocą powyższej zależności, ponieważ sens fizyczny obu tych pojęć jest inny.

Zauważ, że w podstawach konstrukcji maszyn pojęcia przełożenie kinematyczne używa się do wszystkich rodzajów napędów, natomiast poślizg nie występuje w przekładniach zębatych i cięgnowych
z pasem zębatym oraz łańcuchowych.

Poślizg występuje wyłącznie w napędach, w których ma miejsce wzajemne przemieszczanie się względem siebie elementów przenoszących ruch i moment obrotowy pod wpływem zmiany obciążenia. Podczas poślizgu w tych napędach zmianie ulega przełożenie kinematyczne.

Poślizg będzie występował w napędach, w których ruch i moment obrotowy przenoszony jest za pomocą tarcia (sprzęgła cierne), energii kinetycznej cieczy (sprzęgła i przekładnie hydrokinetyczne), pola magnetycznego (sprzęgła indukcyjne).

Sprzęgła elektromagnetyczne służą do przenoszenia momentu obrotowego i ruchu z wału napędzającego na wał napędzany. Napęd przenoszony jest dzięki oddziaływaniu pola magnetycznego, które powoduje zaciśnięcie tarczy ciernej lub zestalenie albo stężenie proszku lub pasty ferromagnetycznej znajdującej się pomiędzy elementami napędzającymi i napędzanymi.

4

POD.NAD-TS-3

Lekcja 23

---