Сцепление – реальное и мнимое, или Волшебство левой ноги

Думаете, электромобилям не нужно сцепление? Как бы не так! Совершенствуя систему привода, все большее число автомобилестроителей приходит к выводу, что для повышения эффективности транспортного средства ему обязательно необходим некий механизм, обеспечивающий прерывание передачи момента от двигателя/ей к колесам. Ну а автомобилям с традиционным ДВС без него в принципе не обойтись. Так что рано списывать сцепление со счетов. И вот как раз о будущем этого узла, освежив в памяти основные симптомы типичных неисправностей и критичного износа, мы с вами сейчас и поговорим.

Немного теории

Как известно, сцепление – это устройство в автомобиле, которое соединяет и разъединяет валы, позволяя передавать мощность от двигателя к колесам. К сожалению, в автомобильной среде, ввиду определенной терминологической коллизии, все еще распространено заблуждение о том, что в транспортных средствах с автоматической трансмиссией сцепления нет. На самом деле оно есть, просто работает по-другому, и потому педаль сцепления ему не нужна.

Включение необходимой передачи в этих транспортных средствах происходит автоматически без участия водителя при выходе двигателя на те или иные обороты. Либо за счет такого узла, как гидротрансформатор, который выполняет функцию сцепления, но формально термином «сцепление» не называется (довольно интересная конструкция, однако поговорим о ней в другой раз). Либо за счет применения системы с двумя сцеплениями, имеющей по сцеплению для каждого из рядов четных и нечетных передач. При этом электрогидравлические схемы позволяют добиться наиболее плавного на данный момент переключения.  

С другой стороны, в машинах с ручным управлением выбора передач то, что многие называют сцеплением, – это всего лишь педаль сцепления, а не само сцепление. Они различаются так же, как, например, свет и выключатель света на стене в комнате, – естественно, это взаимосвязанные вещи, но ставить между ними знак равенства ни в коем случае нельзя.

Сцепления могут быть двух типов (гидротрансформатор, повторимся, в нашей сегодняшней беседе не участвует). Сухое сцепление – это тип сцепления, который использует сухое трение для переключения передач и является наиболее распространенным. Когда диск сухого сцепления изнашивается, при выборе передачи возникают неприятные скрипы. Они говорят о том, что диск больше не может корректно выполнить свою функцию передачи мощности от коробки передач к ведущим колесам. Многие сцепления оснащаются демпферами, задача которых состоит в предотвращении вибрации автомобиля, возникающей при переключении передач при сильно изношенном сцеплении. Поэтому, если вы услышите скрежет, его виновником могут быть те самые демпферы, а не диски сцепления, но в целом для сцепления это все равно негативный симптом.

Мокрое сцепление – это сцепление, диски которого работают в масляной среде для более плавного переключения и лучшего теплоотвода. Из-за этого они, как правило, служат дольше, чем сухие сцепления. Однако некоторые эксперты считают, что мокрые сцепления грешат серьезными потерями мощности из-за увлажнения. Как бы там ни было, неисправность мокрого сцепления в любом случае определяется по качеству трансмиссионной жидкости. Если в нем присутствуют какие-либо посторонние включения, это, скорее всего, из-за неисправного сцепления. Аналогичным образом, если трансмиссионка пахнет горелым, это признак слишком сильного износа сцепления.

Основные симптомы

В целом износ таких компонентов, как амортизаторы или сцепление, происходит настолько медленно, что практически незаметен, и водитель адаптируется к новой ситуации почти бессознательно.

Проблема еще и в том, что не существует четко установленных интервалов пробега во временном или километражном исчислении, на которых нужно менять сцепление автомобиля. С одной стороны, может показаться, что неинтенсивное движение в городе способствует сохранению его ресурса, однако наличие большого количества остановок и запусков приводит к куда большему износу компонентов сцепления, нежели длительные прострелы по магистралям на дальние дистанции.  

В общем, как ни крути, но срок службы автомобильного сцепления – вопрос сугубо субъективный. Впрочем, опытным путем установлено, что на большинстве легковых автомобилей при нормальных условиях эксплуатации сцепление следует менять через 120–130 тыс. км. Хотя неприятность может приключиться и раньше. В этой связи важно помнить, что существует несколько признаков, которые однозначно указывают на критичный износ сцепления.

Недостаточное ускорение

Явный признак того, что сцепление необходимо поменять, – это когда при попытке обгона или при подъеме в гору в момент ускорения обнаруживается, что двигатель увеличивает обороты, но скорость не повышается так, как должна была бы. Аналогичным образом, если сцепление изношено, обороты не будут снижаться так быстро, как следовало бы, особенно на более высоких передачах.

Если у вас гидравлическое сцепление, возможно, стоит проверить систему на присутствие в ней воздуха – его наличие в системе обязательно приводит к проблемам при переключении передачи. 

Проскальзывание сцепления

Один из наиболее очевидных симптомов того, что пришло время менять сцепление, проявляется при выборе очередной передачи. Если сцепление проскальзывает, вы заметите недостаточную плавность переключения с одной передачи на другую. Вы даже можете услышать скребущий шум или испытать трудности с выбором передач и когда вы находитесь на соответствующем уровне оборотов для переключения передач.

Выявление пробуксовки в одних случаях очевидно, но в других определяется значительно сложнее. Иногда она сопровождается шумом, но часто именно ощущение педали сцепления (в автомобилях с ручным переключением передач) может подсказать, что пришло время провести ревизию и заменить сцепление. К ним относятся:

• более высокие обороты двигателя без увеличения скорости;
• «свободная» педаль, которая кажется нажатой при включении передачи;
• если возникает чувство, что педаль акселератора работает не так хорошо, как раньше.

Когда вы отпускаете сцепление, педаль должна переместиться на 2–3 см, прежде чем сцепление отключится. Если это не так или ощущается особая чувствительность педали сцепления, скорее всего, износ достиг предельного значения. При движении по скоростной дороге или шоссе мы чаще всего не обращаем внимания на сцепление в достаточной степени. Но в поездках по районам, где приходится часто переключать передачу, дефект становится сильно заметен.

С физической точки зрения необычно короткий ход педали сцепления сигнализирует о том, что диски сцепления свой ресурс выработали.

Неполное отключение

При выжиме педали сцепления во время переключения передач вы фактически отключаете коробку передач. При этом она начинает работать свободно, и вы можете легко нажать на рычаг КПП для переключения передач. Если сцепление работает неправильно, коробка передач отключается не полностью. В результате некоторая часть зубчатых колес остается в контакте друг с другом. Поэтому, когда вы переключаете передачу, возникает скрежещущий звук, издаваемый вращающимися деталями. В этом случае очень высока вероятность выхода из строя коробки передач и повреждения профиля зубьев. 

Лязгающий звук трущихся металлов

Передача мощности сцеплением от двигателя к трансмиссии происходит благодаря трению за счет прижатия дисков сцепления. На дисках присутствуют фрикционные накладки. Но как только накладки изнашиваются, несущие пластины соприкасаются друг с другом, вызывая лязгающий шум. Это однозначный признак того, что сцепление автомобиля нуждается в замене.

Рывки на нейтрали

Опять же, по тем же причинам, по которым вы чувствуете треск при переключении передач, вы можете ощущать рывки, когда автомобиль находится на нейтральной передаче. Если рычаг КПП переведен в положение нейтрали, соединение коробки с валом двигателя должно быть полностью отключено. Но когда сцепление не работает должным образом, ведомые шестерни часто соприкасаются с ведущими. И вы ощущаете рывки при этом контакте. Или автомобиль даже начинает движение на нейтральной передаче. Это верный признак того, что сцепление близко к отказу и его необходимо срочно заменить.

Жесткое сцепление

Выжимая педаль сцепления, вы не ощущаете абсолютно никакой реакции. Вам приходится давить очень сильно, чтобы оно заработало. Жесткое сцепление, строго говоря, не является прямым показателем отказа сцепления. Скорее это признак того, что сопутствующие компоненты, такие как трос, подшипник, карданный вал или диски, близки к выходу из строя. Следует как можно быстрее осмотреть автомобиль и попытаться избежать полной поломки.

Педаль сцепления не возвращается в исходное положение

Пружины и рычаги в системе сцепления отвечают за возврат сцепления в исходное положение. Когда рычаги деформированы или пружины находятся в чрезмерно натянутом положении, педаль сцепления не возвращается в исходное положение. Это явный признак того, что срок службы сцепления истек и вам следует заменить его как можно раньше.

Ощущение мягкости, пористости

Вы можете почувствовать «губчатое» или мягкое сцепление по многим причинам. Некоторыми из них могут быть:

• слой масла на дисках из-за утечки;
• изношенные уплотнения, приводящие к снижению давления воздуха в пневматических системах сцепления;
• потеря давления из-за утечки жидкости в гидравлическом сцеплении;
• поврежденная диафрагма не способна оказывать требуемый уровень давления.

Все эти проблемы являются признаками неисправности сцепления. Следовательно, вы должны действовать без промедления в этом сценарии и тотчас менять сцепление.

Запах гари

Появление запаха гари также может быть признаком того, что сцепление на автомобиле нуждается в замене. Изношенная фрикционная накладка провоцирует увеличение трения и, как следствие, «подгорание», из-за которого появляется характерный неприятный запах.

«Дрожь» сцепления

«Дрожь» сцепления наиболее заметна при старте – когда вы отпускаете сцепление, чтобы автомобиль тронулся с места, ощущается более или менее сильная вибрация. Часто причина – попадание масла или гидравлической жидкости на поверхность сцепления, вызывающее эффект тряски из-за того, что сцепление частично: оно то проскальзывает, то схватывается. Кроме того, «дрожь» может быть вызвана несоосностью сцепления или незначительной деформацией маховика, или он просто изношен или покрыт лаком до такой степени, что не обеспечивает стабильного сцепления. Тряска сцепления на самом деле может быть довольно серьезной, настолько сильной, что из-за нее автомобилем очень трудно управлять, особенно в пробке. Единственное реальное решение проблемы вибрации сцепления – это его замена. 

Посторонний звук при выжиме сцепления

Помимо шумов при включенном сцеплении, о появлении неполадок свидетельствует и целый ряд посторонних звуков, возникающих при его включении или отключении, то есть в момент выжима педали. Их причины:

• тонкая или изношенная накладка сцепления;
• выжимной подшипник сцепления поврежден или изношен;
• нажимной диск сцепления проскальзывает;
• приводной механизм сцепления сухой из-за недостатка масла;
• пружина сцепления слабая;
• неровная поверхность маховика или прижимного диска;
• слишком малое натяжение прижимного диска.

Износ-тест

Чтобы проверить степень износа сцепления, вы всегда можете провести тест. Это относительно просто, однако его не следует проводить часто, поскольку сама проверка способствует сокращению срока службы узла. У вас должен быть включен двигатель автомобиля и задействован ручной тормоз. Не проводите данный тест вблизи мест, где возможно повреждение машины при внезапном движении вперед. 

Методика элементарна: при запущенном двигателе включите третью передачу, медленно уберите ногу со сцепления и нажмите на акселератор. При исправном сцеплении мотор должен немедленно заглохнуть. Если же ему требуется некоторое время, чтобы остановиться, скорее всего, сцепление изношено. И чем больше времени для этого требуется, тем в более плачевном состоянии оно пребывает.

Отказ от фрикционного принципа

Несмотря на всю свою важность, сцепление – этот фантастический «предохранитель трения» между двигателем и КПП, который так долго служил нам, – в своей классической реализации имеет весьма туманное будущее. В условиях, когда во всей отрасли уделяется особое внимание эффективности, самые светлые умы машиностроения размышляют над тем, как отказаться от расходующих энергию фрикционных дисков, даже в автоматике с двойным сцеплением. 

Интересное решение предложила команда разработчиков Массачусетского технологического института. Их творение представляет собой трансмиссию гибридного автомобиля, где традиционное сцепление или гидротрансформатор заменяются зубчатой ​​передачей, в которой для соединения двигателя с коробкой передач используются блокирующие зубья, а не трение. Такая конструкция значительно уменьшает размеры, вес и потери на трение. Неназванная «ведущая автомобильная компания» в настоящее время разрабатывает прототип, который может стать основой для самых экзотических гибридов.

Трансмиссия соединяет двигатель с двумя электромоторами, больший из которых рассчитан на запуск автомобиля на пределе трения шин. Работа второго электромотора происходит внутри коробки передач, где он запускает двигатель для согласования оборотов во время переключения передач. Он также действует как стартер при вращении двигателя внутреннего сгорания и как генератор, когда роли меняются местами.

Более мощный электромотор приводит автомобиль в движение, играя роль первой передачи и передачи заднего хода и заменяя необходимость в сцеплении или гидротрансформаторе для плавного сцепления вращающегося двигателя и неподвижных колес. По мере увеличения скорости подключается основной двигатель, и к группе присоединяется второй электродвигатель. Во время переключения передач более крупный электромотор передает непрерывный крутящий момент, в то время как меньший согласовывает скорость двигателя с частотой вращения колес – быстрее и точнее, чем когда-либо могли бы ваши ноги при выключении сцепления и переключении дроссельной заслонки. 

Разработчики говорят, что при достаточно точном управлении фрикционные конусы на синхронизаторах передач также могут быть устранены, что еще больше упростит коробку передач. Теоретически результатом является идеально подобранное по скорости переключение передач без рывков и без необходимости использовать энергосберегающие муфты, характерные для трансмиссий с двойным сцеплением.

Если обозначенный неназванный производитель запустит трансмиссию в серийное производство, это сделает полностью электрический запуск двигателя, усиленный переключением передач с нулевой потерей мощности, реальностью. 

Гонка сцеплений

Koenigsegg Jesko – это 1600-сильное, ориентированное на трассу, разрешенное для дорожного движения оружие, в котором используется девятиступенчатая коробка передач с… семью сцеплениями! Koenigsegg называет ее Light Speed Transmission (LST). Это первая собственная разработка компании, и, как и все, что носит название Koenigsegg, она вызывает глубокое восхищение.

В отличие от коробки передач с двойным сцеплением, LST не имеет вилок переключения, хомутов или синхронизаторов для включения каждой отдельной передачи. Вместо этого выбор осуществляется исключительно путем размыкания сцеплений. По словам Кристиана фон Кенигсегга, эти сцепления способны смыкаться или размыкаться всего за две миллисекунды.

Коробки передач с двумя сцеплениями (DCT) работают по тому же принципу. Одно сцепление смыкается, а другое размыкается, что обеспечивает невероятно быстрое переключение передач. Проблема в том, что они могут одновременно выбирать только одну передачу. Блок управления угадывает, какое передаточное отношение потребуется следующим, предварительно выбирая передачу. Если не угадает – страдает время переключения. Для езды по треку это работает отлично, но если вы когда-либо ездили на ней по шоссе, то, возможно, заметили, что требуется некоторое время, чтобы переключиться на идеальную передачу.

Вместо двух сцеплений в LST используется семь/восемь сцеплений, если считать дифференциал, являющийся частью коробки передач. Это многозаходные сцепления с собственными гидравлическими приводами и датчиками давления. Каждая пара передач оснащена собственным сцеплением, а в трансмиссии используются три зубчатых вала вместо двух, что позволяет комбинировать передачи.

Входной вал поступает непосредственно от двигателя и имеет возможность передавать крутящий момент на одну из трех передач на втором валу. Второй вал имеет возможность передавать крутящий момент через одну из трех передач на третьем валу. Три опции, умноженные на дополнительные три опции, означают, что в общей сложности возможно девять передаточных чисел. В традиционной двухвальной коробке передач для девяти передаточных чисел требуется девять пар передач. При составных передачах на трех валах LST требуется всего шесть пар передач. В то время как некоторые автопроизводители зациклились на сложении, Koenigsegg перешла к умножению.

Поскольку каждая пара передач оснащена сцеплением, переключение с одной передачи на другую с помощью LST просто требует одновременного смыкания и размыкания соответствующих сцеплений. Это похоже на систему с двойным сцеплением, которой никогда не нужно предсказывать, какая передача будет следующей; она готова ко всему, чего захочет водитель. Koenigsegg называет это максимальной мощностью по требованию, или UPOD. Цель состоит в том, чтобы без колебаний включить оптимальную передачу для ускорения.

Система UPOD предоставляет водителю два варианта переключения передач. Отодвиньте подрулевой рычаг назад на одно деление, и вы переключите одну передачу. Переключите ее до упора назад, и первая понижающая передача переключится на идеальную передачу для максимального ускорения. Она также работает с повышающими передачами, переключая вас на максимально возможную передачу без остановки двигателя. Аналогичную функцию выполняет установленный на консоли рычаг переключения передач.

И вот вы на автобане, на скоростном шоссе. Двигатель гудит на низких оборотах на девятой передаче. Вместо последовательного переключения каждой передачи с помощью UPOD вы устанавливаете точно правильное передаточное число, чтобы сорваться с места. При переключении на полную мощность крутящий момент никогда не теряется – одно сцепление отключается при включении следующего. Переключение с первой передачи на девятую обеспечит непрерывный разгон.

Похоже, наконец появилась система сцепления, которая переключается так же быстро, как пожираемое суперкаром высокооктановое топливо истощает банковский счет его владельца. 

Мнимое сцепление

Впрочем, как показывают результаты изучения общественного мнения, собственно сцепления в транспортном средстве может и не быть, но ощущение переключения должно обязательно присутствовать. Опираясь на эти результаты, Toyota разработала некое устройство, которое в прошлом году запатентовала в Бюро по патентам и товарным знакам США. Изучение документа показывает, что японский автомобилестроитель изобрел… механическую коробку переключения передач для электромобиля. Но на самом деле все не так просто, как кажется.

Как мы знаем, коробки передач любого типа в электромобилях встречаются редко, и, хотя Porsche Taycan оснащен двухступенчатой коробкой передач, ее нельзя переключать самостоятельно. КПП используется для распределения крутящего момента, чтобы сделать ускорение плавным, а EV для достижения той же цели применяет кодирование, так что же здесь происходит? Является ли ноу-хау от Toyota ручным приводом без сцепления, и если да, то как это будет работать в EV? Как оказалось, коробки передач нет вообще.

Проще говоря, изобретение Toyota предполагает имитацию работы коробки передач с помощью программного обеспечения. Единственной причиной, по которой Toyota выступила за такое начинание, является, по словам менеджмента, повышение удовольствия от вождения. Идея заключается в том, что программное обеспечение могло бы имитировать ощущение постепенного увеличения ускорения на каждой передаче, а также включение сцепления и нажатие рычага переключения передач. Таким образом, будущая электрическая Toyota GR Supra могла бы оснащаться как педалью сцепления, так и рычагом КПП, но вместо механического соединения они были бы привязаны к датчикам, которые могли бы сообщать автомобилю, как себя вести.

Конечно, ручное управление иногда может быть утомительным, особенно в условиях плотного дорожного движения, поэтому в патенте предлагается установить диск для переключения из режима EV с традиционными характеристиками электропривода в ручной режим, в котором сцепление и рычаг переключения передач могут быть, так сказать, включены. Конечно, это изобретение никогда не обеспечит тех же вибраций, откликов и ощущений, что и настоящая механическая коробка передач со сцеплением, но это лучше, чем ничего.

Сцепление… на оси

Еще один интересный документ из того же учреждения – Бюро по патентам и товарным знакам США, но уже от Hyundai и Kia, которые создали новую систему векторизации крутящего момента для электромобилей – вы удивитесь – с двумя сцеплениями. В нем описывается потенциальный прирост эффективности электромобилей с такой системой, поскольку отключение сцеплений может быть реализовано при движении автомобиля накатом. Кроме того, существует ряд потенциальных преимуществ с точки зрения производительности и более спортивной и точной динамики вождения.

Автомобили с векторизацией крутящего момента могут регулировать величину крутящего момента, прилагаемого к отдельному колесу от ДВС или электромотора. Это может улучшить сцепление автомобиля со скользкими поверхностями, а также придать ему более спортивную динамику, поскольку мощность подается на наиболее подходящее для конкретных условий вождения колесо/а. 

Управление крутящим моментом может осуществляться с помощью дифференциала, торможения или электроники. У каждого из этих способов есть свои плюсы и минусы, причем некоторые более сложны и дороги в разработке, чем другие. Чего стоит только система векторизации крутящего момента на все колеса в Rimac Nevera, которая может обрабатывать 100 вычислений каждую секунду. Этот суперкар оснащен индивидуальным электродвигателем, приводящим в действие каждое колесо независимо, что повышает его возможности векторизации крутящего момента по сравнению с большинством обычных моделей.

Система векторизации крутящего момента сцепления, используемая Hyundai в этом патенте, менее распространена, чем другие формы векторизации, но была замечена в автомобилях с бензиновым двигателем, таких как Ford Focus RS, Mercedes-AMG CLA 45 и Audi RS3.

Концепция Hyundai работает практически по тому же принципу. В ее основе сцепление с каждой стороны оси. Крутящий момент, прилагаемый к каждому сцеплению – и, следовательно, к каждому колесу, – регулируется независимо. Включение диска сцепления осуществляется гидравлически, а при движении накатом крутящий момент двигателя может временно блокироваться для повышения эффективности.

Несколько факторов могут определять, какой крутящий момент необходим или когда применять его на каждое колесо. Это скорость автомобиля, показания датчиков педалей акселератора/тормоза, угол поворота рулевого колеса, боковые перегрузки и многое другое.

Хочется надеяться, что все это позволит Hyundai (и, соответственно, Kia) придать своим электромобилям более высокий уровень вовлеченности водителя, который часто был прерогативой моделей с ДВС. 

BMW ранее подала аналогичный патент, но, в отличие от Hyundai, технология BMW позволяет отключать электродвигатель на каждом колесе, сохраняя при этом привод, в то время как патент Hyundai фокусируется на одном электродвигателе, управляющем двумя колесами за счет двух сцеплений.