Приоритет механики

Приоритет механики

16.03.2015 - 17:19 2120
Приблизительное время чтения: 9 минут. Интересно, но нет времени читать?

Сначала о классике

Однодисковое сухое сцепление, которое считают классическим, состоит из трех основных элементов: нажимного диска в сборе (корпус, диафрагменная пружина и нажимной диск), ведомого диска в сборе с приклепанными к нему фрикционными накладками и упруго-фрикционным гасителем крутильных колебаний и выжимного подшипника.

В принципе, такое однодисковое сцепление мало чем отличается от подобных узлов, «трудившихся» в автомобилях еще в 20-е годы. Сухое однодисковое сцепление с диафрагменной пружиной, более компактное, простое по конструкции и куда более надежное, чем с цилиндрическими пружинами и тремя отжимными лапками, тоже довольно «старомодно», поскольку применялось на американских автомобилях еще в 30-х годах. Мало кто помнит, что конструкция и технология изготовления сцепления FIAT 124 (прототипа «Жигулей» первого поколения) были разработаны Borg&Beck. У этой же компании была закуплена лицензия на производство сцепления для «Москвича 412». Это были первые узлы сцепления с диафрагменной пружиной, выпускаемые в нашей стране с 70-х годов прошлого столетия. Ресурс произведенных в Тюмени сцеплений одно время превосходил 100 000 км – фирменную технологию было не просто «сломать» – это считалось хорошим достижением.

У сцеплений с диафрагменной пружиной масса достоинств. Поскольку она обладает нелинейной характеристикой упругости, то позволяет увеличить усилие прижатия ведомого диска по мере износа накладок. В результате специальной термообработки усталостная прочность диафрагменной пружины достигает 10 и более миллионов циклов, что исключает необходимость ее замены в процессе эксплуатации.

Конструкция ведомого диска, в принципе, осталась неизменной с довоенных времен. Его важная особенность – упругое соединение фрикционных накладок с диском через пластины-сегменты, которые формируют рассечением наружной части диска (особой конфигурации) либо приклепыванием к нему специальных пластин. Это решение необходимо, чтобы компенсировать возможные отклонения параллельности поверхностей трения маховика и нажимного диска и тем самым обеспечить плавность включения сцепления. При этом повышается износостойкость накладок и исключается их перегрев из-за неравномерного контакта с маховиком и нажимным диском.

Фрикционные накладки – ключевой компонент сцепления. Именно они определяют надежность всего узла, оптимальную передачу мощности и комфортную работу трансмиссии. Для того чтобы они могли противостоять центробежным нагрузкам, их «скрепляют» с использованием армирующих нитей. «Арматура» состоит из стекловолокна, хлопчатобумажных нитей, медной или латунной проволоки. Стабильность коэффициента трения при длительной работе достигается добавлением углеродных нитей. Однако точная рецептура, как и другие тонкости технологии, чаще всего остаются предметом секретности. Каждый производитель использует свои рецепты изготовления армирующих нитей и фрикционного наполнителя, поэтому диски у них (вернее, их ресурс и цена) получаются разные.

Накладки крепят к упругим пластинам с помощью медных, латунных или алюминиевых заклепок. Недостаток заклепок всем понятен – можно использовать только треть толщины нажимного диска.

Роль упруго-фрикционных демпферов колебания, состоящих из цилиндрических пружин, тангенциально расположенных в окнах между сжатыми заклепками фрикционных дисков и ступицей, чрезвычайно велика.

При правильно выбранных параметрах они способны существенно снизить крутильные колебания, шум и вибрации (только рабочее перемещение таких демпферов редко превышает +/– 6 град.). Причем этот демпфер влияет на уменьшение амплитуд резонансных крутильных колебаний не только трансмиссии, но и коленчатого вала двигателя.

Выжимной подшипник. В диафрагменных сцеплениях получили распространение поджатые (беззазорные) радиальные самоустанавливающиеся (во внутренней полости могут перемещаться в радиальном направлении до 2 мм) подшипники с вращающимся внутренним кольцом. Они не требуют регулировки и добавления смазки в течение всего срока эксплуатации.

Такова самая «классическая» часть трансмиссии автомобилей, которая продолжает использоваться на значительной части автомобилей с механической КПП. Считается, что эта конструкция известна всем.

За долгие годы технология изготовления сцепления распространилась по всему миру, делают эти узлы многие и даже очень многие. Кто-то сказал, что в магазине запчастей нажимных дисков больше, чем иллюминаторов у «Титаника». Иллюминаторы не считал, но дисков действительно много.

Каждая из компаний, выпускающих диски, стремится полностью удовлетворить потребности рынка, поэтому производят тысячи, а то и десятки тысяч наименований сцепления, номенклатура которых охватывает все автомобили, имеющие сколько-нибудь значительное распространение в странах продажи этих изделий. Каждый год разрабатывают и вводят в ассортимент сотни новых типоразмеров изделий.

С точки зрения теории маркетинга это тупик. Конструкция с виду одинаковая, сведения о ресурсе (самый главный показатель) рядовому потребителю недоступны. А раз они для потребителя «все одинаковые», то он ориентируется только на цену, стремясь купить то, что подешевле. Производитель, чтобы удержаться на рынке, вынужден все более и более удешевлять свою продукцию, бывает, что и в ущерб качества. В результате падает интерес серьезных производителей к этому виду продукции. И рынок заполняют «копии» и даже откровенные подделки. У продавцов на первое место выходят не технические показатели изделий, а маркетинговые схемы, акции, позволяющие продать имеющийся у них товар.

Продукт становится «неинтересен» производителям, однако на него есть устойчивый спрос… Выход из этого противоречия продиктовали сами моторостроители, которых перестали устраивать характеристики «классического» сцепления.

Уход от классики

Каким бы ни было гениальным техническим решением сухое однодисковое сцепление с диафрагменной пружиной, оно продолжает использоваться на автомобилях «рядовой» конструкции и только в паре с механическими коробками передач. Есть несколько причин, по которым этот узел перестал устраивать автомобилестроителей.

Демпфирование

Как уже упоминалось, обычный демпфер фрикционного диска с тангенциальными пружинами одинаковой жесткости редко имеет ход больше +/– 6 градусов. Моторостроители, «зажатые» со всех сторон экологическими требованиями, вынуждены выводить двигатели на режимы, характеризующиеся значительными крутильными колебаниями. Гасить эти колебания, кроме как в сцеплении, оказалось негде. Компании, разрабатывающие новые конструкции для первичного рынка (в отличие от производителей, копирующих «чьи-то» конструкции, таких компаний в мире не много), взялись за решение этой задачи.

Сначала были предложены демпферы фрикционного диска с расширенными возможностями. Конструкция их усложнилась путем введения пружин разной жесткости и дополнительных фрикционных элементов. Такие демпферы улучшили показатели демпфирования, сделали характеристику нелинейной, стали широко использоваться рядом высокотехнологичных компаний, однако кардинально задачу не решили.

Двухмассовые маховики

Полностью устранить проблему демпфирования крутильных колебаний в узле сцепления смогли лишь двухмассовые маховики. Это гениальное изобретение, основанное на законах классической механики. Принцип действия прост: маховик, конструкция которого оставалась неизменной чуть ли не с момента изобретения двигателя внутреннего сгорания, представляющий собой массивный плоский диск, разделили на две части: внешнюю и внутреннюю. Между ними установили упруго-демпфирующие элементы, допускающие значительные (+/– 30 град. и больше) рабочие перемещения одной части маховика относительно другой. Все, кроме принципа действия, оказалось очень непросто. Вписаться в отведенные габариты и обеспечить ожидаемые моторостроителями характеристики стало «высшим пилотажем» конструирования, справиться с которым смогли лишь избранные. Так, в Европе три разработчика: Schaffler (LuK), ZF и Valeo – предложили свои оригинальные конструкции двухмассовых маховиков, все они применяются теми или иными мировыми автомобилестроителями. Конструкция ZF использует традиционные для этой фирмы планетарные передачи. В ряде конструкций LuK применены двухмассовые маховики с дополнительной массой – своего рода «трехмассовые маховики», – обеспечивающие уникальные характеристики всего узла в целом. Каждый разработчик идет своим путем, определяемым опытом, традициями, технологией и патентной базой компании. Общим у этих конструкций остается одно – двухмассовые маховики не удается сделать дешевыми. Поэтому автомобилям группы «Лоу кост» эти конструкции пока недоступны.

Сцепление с компенсацией износа фрикционного диска

В процессе эксплуатации фрикционные накладки ведомого диска изнашиваются. В результате износа нажимной диск постепенно приближается к маховику. Это ведет за собой изменение усилия прижатия лепестков диафрагменной пружины (и, соответственно, силы трения, передающей вращение на трансмиссию). По мере износа фрикционных накладок также растут ход и усилие выключения сцепления. Человек долгое время может не замечать этих изменений, поскольку они нарастают относительно плавно. Однако характеристики меняются в столь значительных пределах, что управление таким сцеплением нельзя доверить механизмам – «роботам». В роботизированных КПП одно электромагнитное устройство – актуатор – выжимает сцепление, а другое переключает передачи. Поэтому, прежде чем поручить переключение передач «роботу», пришлось еще раз пересмотреть узел сцепления, введя в него компенсатор износа накладок фрикционного диска.

Этот же компенсатор износа позволил сохранить неизменными характеристики сцепления во время всего периода эксплуатации, продлить жизнь сцеплению, а срок межсервисного обслуживания увеличить до всего периода эксплуатации. Опять-таки существует несколько очень сложных механических конструкций нажимных дисков с компенсацией износа, разработка и проектирование которых доступны только самым высокотехнологичным фирмам.

Задача «робота» – приблизиться по характеристикам к классическому автомату, но сохранить расход топлива, как у машин с механикой. Однако «робот» с одним сцеплением не может конкурировать в плавности хода и динамике с классическим автоматом, уступая в комфорте и быстродействии. У простейших роботов множество недостатков. Связь между колесами может разорваться в любой момент и надолго. Возникают рывки… в пробках такой «робот» тоже не идеален.

Когда одного сцепления мало

Концерн Volkswagen первым, еще в 2003 году, из автомобилестроителей подготовил к серийному производству механическую шестиступенчатую коробку новаторской конструкции, получившую название DSG (Direct Shift Geabox), разработанную компанией Schaffler. У нее два соосных вала. Один отвечает за подключение нечетных передач, а другой четных. Естественно, такая коробка агрегатируется с двумя пакетами сцеплений, которыми управляет автоматика. Преимущество – не только в отмене педали сцепления. При переключении передач, когда одно сцепление еще не до конца отошло от маховика, второе уже почти подошло к нему, чтобы за сотые доли секунды подхватить поток мощности двигателя. Благодаря такой конструкции крутящий момент передается непрерывно, почти как в вариаторе. DSG – собственно, это две роботизированные трехступенчатые коробки, объединенные в одну. Одна заведует включением четных передач, а другая – нечетных. При этом у каждой коробки свое сцепление. При перемене передач одно размыкается, другое замыкается. Такая конструкция позволяет сократить время переключения до 8 мс (вверх). Переключения происходят без толчков и рывков. DSG – самая достойная альтернатива гидромеханике. Но при этом еще раз пришлось «изобрести» сцепление – точное, компактное, надежное.

Если посмотреть на историю АКПП, то покажется странным, что механически самая сложная АКПП с гидротрансформатором и переключением передач с помощью замыкания планетарных пар оказалась на конвейере самой первой – в 30-е годы на американских Cadillac. Конечно, технически она устроена сложнее других автоматов. Однако вариатор (патент на вариатор был получен в США еще в 1897 году) и «робот» были придуманы раньше «гидромеханики». Просто технологии того времени (в том числе и технологии сцепления) не позволили сделать такие коробки достаточно надежными и недорогими. Поэтому «гидромеханика» более полувека оставалась монополистом. Пока ее КПД 85–90% устраивал потребителей, и пока не удалось разработать новые конструкции сцепления. 


Посмотрите похожие материалы: