Сцепление (автомобиль)

Существует много различных типов сцеплений, но большинство основано на одном или нескольких фрикционных дисках, плотно сжатых друг с другом или с маховиком при помощи пружин. Фрикционный материал по свойствам близок к применяемому в тормозных колодках и ранее обычно содержал асбест, но в настоящее время применяются безасбестовые материалы. Плавность включения и выключения передачи обеспечивается проскальзыванием постоянно вращающегося ведущего диска, присоединённого к коленчатому валу двигателя, относительно ведомого диска, соединённого через шлиц с коробкой передач.

Усилие от педали сцепления передаётся на механизм механическим (рычажным или тросовым) или гидравлическим приводом.

Нажатие на педаль сцепления (выжимание, выключение) разводит диски сцепления, оставляя между ними свободное пространство, а отпускание педали (включение) приводит к плотному сжатию ведущего и ведомого дисков.

При включённом сцеплении крутящий момент передаётся от коленчатого вала на маховик, затем на кожух сцепления и через пластинчатые пружины на ведущий (нажимной) диск. От маховика и ведущего нажимного диска, благодаря силам трения, крутящий момент передаётся зажатому между ними ведомому диску, ступица которого соединена с ведущим валом коробки передач посредством шлицевого соединения.

Для выключения сцепления нажимают на педаль, которая через систему тяг и рычагов передаёт усилие на вилку, муфту: рычаги и пальцы отводят назад ведущий нажимной диск. При этом пружины сжимаются и освобождают ведомый диск, по обеим сторонам которого образуются зазоры, что прерывает передачу через него крутящего момента. В двухдисковом сцеплении для обеспечения необходимых зазоров между ведущими и ведомыми дисками имеются отжимные пружины и регулировочный болт промежуточного диска. При плавном отпускании педали нажимные пружины возвращают все детали механизма в исходное положение, ведомый диск прижимается к ведущему и маховику.

Если при включении сцепления резко отпустить педаль, ведомый диск прижмётся к ведущему (маховику) и затормозит его настолько, что двигатель может заглохнуть — сцепление сработает подобно тормозу. Поэтому с момента начала зацепления дисков педаль следует отпускать плавно. Техника работы педалью зависит от конструкции привода сцепления.

В современных автомобилях используют два типа привода сцепления — гидравлический и механический тросовый.

При гидравлическом приводе полный ход педали сцепления остаётся постоянным (обеспечивается возвратной пружиной), а рабочий ход педали меняется, компенсируя уменьшение толщины ведомого диска при износе: чем меньше толщина оставшегося диска, тем больше рабочий ход педали и тем «выше» момент срабатывания сцепления. Педаль с гидравлическим приводом можно отпускать резко вплоть до момента, когда ведущий и ведомый диски начинают входить друг с другом в зацепление (это ощущается по слабому рывку автомобиля), далее необходим плавный ход. С новым диском сцепление срабатывает «внизу», при изношенном — ближе к концу обратного хода педали. У педали с гидроприводом всегда есть небольшой свободный ход (обычно не более 10-15 мм), обусловленный зазором в 2-3 мм между толкателем и поршнем главного цилиндра сцепления.

У педали сцепления с тросовым приводом полный ход увеличивается по мере износа ведомого диска (педаль приподнимается относительно пола), вместе с ним увеличивается и рабочий ход. Педаль следует отпускать плавно с самого начала, так как сцепление срабатывает всегда «внизу». Свободный ход обеспечивается регулировкой длины троса и обычно составляет 30-40 мм.

Ведомый диск состоит из диска с пружинными пластинами, к которым приклёпаны или приклеены независимо две фрикционные накладки. Такое крепление обеспечивает их расхождение при выключенном сцеплении, при включении пластины постепенно сжимаются, обеспечивая плавное включение. Центральная часть — ступица — имеет шлицевое соединение и перемещается по первичному валу коробки передач. Ступица соединена с диском подвижно, через демпферные пружины и фрикционные шайбы гасителя крутильных колебаний (видны на снимке), служащие для выравнивания колебаний крутящего момента, возникающих из-за переменных нагрузок и инерции массы при передаче от двигателя к колёсам и обратно. Иногда такие колебания приводят к поломке валов.

• По способу управления — с механическим, гидравлическим, пневматическим, электрическим или комбинированным (например, гидромеханическим) приводом.
• По виду трения — сухие (фрикционные накладки работают в воздушной среде) и мокрые (в масляной ванне).
• По режиму включения — постоянно замкнутые и непостоянно замкнутые.
• По числу ведомых дисков — одно-, двух- и многодисковые.
• По типу и расположению нажимных пружин — с несколькими цилиндрическими пружинами по периферии нажимного диска и с центральной диафрагменной пружиной.
• По числу потоков передаваемого момента — одно- и двухпоточные.

Принцип действия:

При нажатии на педаль (8) вал (7) поворачивается, сначала выбирается зазор («свободный ход педали сцепления») между вилкой (5) и нажимной муфтой (6). Затем муфта с выжимным подшипником (11) перемещается, подшипник нажимает на внутренние концы рычагов (10), которые отодвигают наружные концы нажимного диска (9) от ведомого диска (3). При этом пружины (4) сжимаются, сцепление выключено, крутящий момент от двигателя к трансмиссии не передаётся. После отпускания педали муфта возвращается в исходное положение под действием пружин. Затем нажимной диск (9) прижимается к маховику (1), обжимая ведомый диск (3) — сцепление включено, момент передаётся от двигателя к коробке передач. Ведомый диск (3) имеет шлицы и перемещается по шлицам первичного вала коробки передач (12). Плавную передачу момента при включении сцепления обеспечивают демпферные пружины, встроенные в ведомый диск.

Все детали сцепления закрыты кожухом («корзина сцепления»), который крепится к маховику болтами; оси выжимных рычагов крепятся к кожуху.

Сцепление мотоциклов с продольным расположением двигателя аналогично по принципу.

• Выжимной подшипник обычно — специальный упорный шарикоподшипник; иногда используются графитовые подпятники (автомобили «Запорожец», «Москвич-412» до поздних годов).

На легковых автомобилях обычно используют сцепление с диафрагменной нажимной пружиной, вместо многочисленных рычагов и пружин. Пружина — плоская или в форме усечённого конуса, в центре штампуются «лепестки», играющие роль выжимных рычагов. При нажатии на педаль вилка перемещает муфту с подшипником (7), кромка пружины выдвигается, прогибается и наружная кромка отодвигает нажимной диск — сцепление выключается. При отпускании детали возвращаются обратно, диафрагменная пружина принимает исходную форму, сцепление включается. Такой тип легче и дешевле рычажно-пружинного, требует меньше регулировок.

На тяжёлых грузовых автомобилях, тракторах, бронетехнике, некоторых тяжёлых мотоциклах («Урал», «Днепр»), а также на ряде спорткаров используются двухдисковые сцепления.

Такая конструкция увеличивает срок службы сцепления и позволяет передавать большие крутящие моменты.

• Фрикционная поверхность маховика (синий цвет, слева)
• Два ведомых диска (коричневый цвет)
• Промежуточный ведущий диск (голубой цвет)
• Нажимной ведущий диск (зелёный цвет)
• Нажимные пружины (серый цвет)
• Кожух (синий справа)

• Вилки
• Рычаги выключения сцепления
• Выжимной подшипник
• Вилка выключения сцепления
• Отжимные пружины

Выжимной подшипник нажимает на рычаги, те оттягивают нажимной диск, который отходит от первого ведомого и отпускает отжимные пружины. Те отпускают промежуточный диск, он отходит от второго ведомого настолько же, насколько нажимной диск от первого. В обратном порядке пружины обеспечивают равномерное прижатие промежуточного диска ко второму ведомому, а нажимного — к первому.

Нажимные диски двигаются по шпилькам, ввёрнутым в маховик, к ним же крепится корзина сцепления. На шпильки надевают отжимные пружины.

Тяжёлые грузовики, например МАЗ, могут иметь привод сцепления с пневматическим усилителем, снижающим требуемое усилие на педали.

Устройство: педаль, тяга, золотник, шланги, пневмокамера, рычаги, тормозок, первичный вал с барабаном тормозка. Принцип: при отпущенной педали впускной клапан золотника закрыт, выпускной открыт. При нажатии усилие передаётся на вилку выключения сцепления, в золотнике открывается впускной клапан, воздух поступает в пневмокамеру, помогая нажатию.

Старейший вид сцепления, применявшийся на многих автомобилях начала XX века. Фрикционные поверхности конические. Преимущество — больший момент при тех же габаритах, простота. Недостаток — большая инерция ведущего диска осложняла переключение; для торможения диска применялся отдельный тормоз, однако это не решало всех проблем. Конфигурация была тяжёлой и громоздкой. В 1920-х годах от таких сцеплений отказались.

Также были обратные конические сцепления, работающие на разжимание.

Синхронизаторы коробок передач, по сути, представляют собой миниатюрные конические сцепления, действующие за счёт трения бронзы о сталь.

Мотоциклетное многодисковое сцепление в разобранном виде: слева — барабаны, справа — диски сцепления

Двигатель мотоцикла Иж Планета-5, крышка сцепления

На мотоциклах с поперечным расположением двигателя обычно применяют сцепление, работающее в масляной ванне.

Причина — мотоциклетные двигатели (и двухтактные, и четырёхтактные) имеют общий картер для двигателя и коробки передач. Детали сцепления совмещены с моторной передачей и системой запуска и смазываются моторным маслом, которое должно обладать особыми свойствами^[2].

Многодисковые сцепления в масляной ванне также применялись в ранних автомобилях, но со временем вышли из употребления.

Фрикционы автоматических коробок передач — по сути многодисковые сцепления в масляной ванне.

На заднем конце коленвала расположена ведущая (малая) звёздочка, соединённая цепью с ведущим барабаном сцепления. Ведущий барабан свободно вращается на первичном валу коробки передач и является большим (ведомым) звеном моторной передачи; на барабане — храповик кикстартера. Ведомый барабан стоит на том же валу на шлицах. В обоих барабанах собран пакет дисков — ведомых и ведущих, они чередуются и разделяют момент. Ведущие диски связаны с наружным барабаном, ведомые — с внутренним. Последним ставится нажимной диск, который притягивается к барабану пружинами. На ведущих дисках фрикционные накладки из пробки или пластика. Феродо не работает в масляной среде, замасливание автомобильного сцепления — неисправность, пробка или пластмасса в свою очередь для сухого трения не применяются. Плавное включение достигается тем, что пары ведущих и ведомых дисков, разделённые слоем масла, не «схватываются» одновременно.

Первичный вал КПП полый, через него проходит толкатель: усилие по тросу от рукоятки преобразуется червячным или рычажным узлом; шток оканчивается шариком (выжимным подшипником), далее усилие передаётся на грибок — нажимной диск отходит, и момент не передаётся.

Пробуксовка — при неполностью отпущенной педали диски проскальзывают. Это вызывает нагрев, коробление и трещины, износ и обгорание фрикционных накладок, появление запаха.

Первые признаки — на высоких передачах: при увеличении оборотов скорость не вырастает. Без ремонта развившаяся пробуксовка может привести к тому, что автомобиль не трогается даже на первой передаче.

Главная причина — малый свободный ход педали, обычно 15-25 мм от верхнего положения. Нужно восстановить (отрегулировать) свободный ход.

При дефектах ведомого диска его демонтируют и оценивают. При сильном износе накладок нужна их замена либо замена всего диска. Замасливание накладок и ослабление пружин (особенно если пружины перегрелись) также вызывают пробуксовку.

Обнаруживается при включении передачи у неподвижного автомобиля: «хруст» шестерён и износ КПП. Возможная причина — большой рабочий ход педали. Также причиной могут быть деформация рычагов, заедание подшипника или муфты, либо затруднение перемещения ведомого диска из-за загустевшей смазки.

Первичный вал коробки вставляется в подшипник маховика — неполадки с ним могут вызывать «ведение» сцепления. В двухдисковых системах проблема встречается при замасливании и склеивании ведомых и нажимных дисков.

Если, несмотря на плавную работу педалью, автомобиль трогается рывками, возможна поломка фрикционных накладок, коробление ведомого диска, поломка демпферных пружин, износ шайб, заедание диска по шлицам или дефект подшипника.

В гидроприводе при попадании воздуха возможен «провал» педали и неполное выключение сцепления. Необходимо прокачать систему, убрав воздух и долив жидкость^[3].

В механизмах с тросовым приводом возможен обрыв троса. Возвратная пружина, если отсоединена, не возвращает педаль в исходное положение.

Сильный шум от выжимного подшипника — признак его износа.

При тросовом приводе педаль по мере износа накладок будет подниматься выше, при гидроприводе положение педали не меняется, снижается только уровень жидкости^[3].

• Сцепление следует выключать полностью («в пол»), включать плавно, в момент схватывания задержать педаль, повысить обороты и затем плавно отпустить.
• На второй и следующих передачах отпускают сцепление быстрее, но без «бросания».
• При манёврах (движение на малое расстояние) сцепление полностью не отпускают, перемещение происходит с пробуксовкой, далее педаль снова выжимают.

Навыки управления со сцеплением закрепляются практикой.

• Удерживать машину на подъёме с помощью сцепления нельзя, используйте стояночный тормоз.
• Запуск двигателя — обычно в «нейтрали», но надёжнее с выжатым сцеплением. На ряде современных авто запуск возможен только при выжатой педали (эта функция контролируется электроникой).
• В сильный мороз масло густеет так, что стартер не проворачивает двигатель с коробкой; запускают двигатель с выжатым сцеплением, после прогрева плавно его включают.
• Не ездите с постоянно нажатой педалью сцепления — это вызывает ускоренный износ и перегрев. Левая нога должна без необходимости стоять рядом с педалью.
• При спортивном вождении бывает допустима пробуксовка сцепления (например, на первой передаче по грязи или снегу), когда для предотвращения остановки двигателя водитель кратковременно повышает обороты, вызывая пробуксовку.
• При ремонте удобно центрировать ведомый диск по старому первичному валу или специальному приспособлению (ремонтный фальшвал).

• В грузовых и спортивных автомобилях применяется керамическое сцепление с высоким коэффициентом трения, но оно срабатывает резко и не используется в обычных авто.
• На отдельных модификациях «Запорожца» с ручным управлением (для людей с инвалидностью) ставилось порошковое электромагнитное сцепление: между ведущим и ведомым дисками — ферромагнитный порошок. После подачи тока в обмотку порошок формирует сцепку, передавая момент.
• В бензопилах, бензокосах применяется центробежное сцепление: с ростом оборотов двигателя под действием центробежной силы накладки прижимаются к барабану, приводя во вращение пилу или косу. При снижении оборотов накладки отходят, момент прекрашается.
• В мотокультиваторах, например, «Крот», функцию сцепления выполняет клиновой ремень: натяжение передаёт момент к почвенным фрезам.

В классических автоматических трансмиссиях (гидромеханических и вариаторных) традиционное сцепление, разобщающее двигатель и трансмиссию, отсутствует; оно используется только в роботизированных коробках передач. Однако фрикционные муфты широко применяются в автоматических КПП для плавного выключения и включения передач (без прерывания потока мощности).

В роботизированных коробках переключение сцепления и передач выполняют электромеханические приводы; для плавности существуют системы с двумя сцеплениями, действующими поочерёдно (одно в работе, другое в ожидании следующей передачи).

В кулачковых коробках на спортивных авто педаль сцепления используется только при старте, далее переключение не требует её использования.