Сразу же отметим, что если разъединить двигатель и главную передачу довольно просто, то при соединении возникают определенные трудности. Связаны они с тем, что приходится соединять две большие массы, одна из которых неподвижна (автомобиль), а другая вращается с большой частотой (коленчатый вал с поршнями, шатунами и маховиком). Любое резкое соединение здесь недопустимо, так как последует сильный удар, который может привести к поломкам деталей.
Полностью избежать удара довольно трудно. Необходимо прежде всего в момент соединения валов уменьшить вращающуюся массу, связанную с одним из валов. Тогда сила удара будет небольшая и не причинит вреда.
Конструкторы пошли по пути уменьшения вращающейся массы со стороны маховика. Они установили механизм сцепления, позволяющий соединять валы без удара. Сцепление выполняет и другие функции.
Итак, сцепление передает крутящий момент двигателя и используется для плавного его соединения с трансмиссией при трогании автомобиля с места. Вместе с тем оно служит и для временного разъединения и соединения двигателя и трансмиссии. При этом не происходит больших нагрузок на детали.
В сцеплении используется работа сил трения. Вы знаете, что чем выше давление между трущимися поверхностями, тем больше сила трения. Например, пустые санки везти легче, чем с грузом. Причем, с увеличением нагрузки увеличивается сила трения.
Прежде чем разбираться в конструкции сцепления, проделаем простой опыт. Сделаем из катушки от ниток и диска ворот. Как показано на рис. 50, и,привяжем к нитке гирю и, прижав ладонь к диску, начнем его вращать. Гиря поднимается. Проделав это несколько раз, заметим, что чем дальше ладонь от оси диска, тем легче его вращать и тем с меньшей силой придется на него нажимать ладонью, т. е. для поднятия гири создается момент М, равный произведению силы трения Р на радиус R: М=F·R.
Рис. 50. Схема работы сцепления
Если постепенно увеличивать массу гири, то настанет такой момент, когда сила прижатия ладонью диска будет недостаточна. Ладонь начнет скользить по диску (пробуксовывать), а диск не будет вращаться. Сразу же появится ощущение тепла: работа сил трения переходит в тепловую энергию.
При изготовлении сцепления в ступице диска и на валу нарезаны шлицы, на которые надевают ступицу с диском. Конец вала вставляют в гнездо, выполненное в торце коленчатого вала. При этом плоскость диска соприкасается с обработанной поверхностью маховика. Теперь если диск прижать пружиной к вращающемуся маховику, то начнет вращаться и диск сцепления вместе с валом (рис. 50,б).
Конструкторы учли также, что сила трения между поверхностями зависит от материала, из которого изготовлены детали. Например, санки легко везти по льду, но тяжело, если их полозья попадут на песок. Поэтому к диску приклепывается накладка из фрикционного материала, т. е. из материала, обладающего большим коэффициентом трения (коэффициентом трения, как известно, называется отношение величины силы трения к нормальной перпендикулярной поверхности нагрузке). Теперь с накладкой из фрикционного материала для передачи того же крутящего момента нужно приложить меньшую силу. Размер диска и силу пружины подбирают такими, чтобы сила трения между диском и маховиком была достаточной для передачи крутящего момента двигателя.
Для управления сцеплением (подвода и отвода диска от маховика) между пружиной и диском устанавливают муфту выключения сцепления, а в ее кольцевой паз вводят вилку, закрепленную на валу (рис. 50, в). Вал можно установить в двух опорах и через рычаг и тяги соединить с педалью. При нажатии на педаль вал поворачивается и вилкой сдвигает муфту, преодолевая упругость пружины. Диск от маховика отходит и не передает крутящего момента.
При плавном отпускании педали пружина прижимает диск к маховику. Сила трения плавно возрастает до максимальной. Ведомый диск вместе с ведущим валом начинает вращаться сначала медленно, скользя (пробуксовывая) по поверхности маховика, а затем быстрее, догоняя маховик. Когда педаль отпущена полностью, он вращается вместе с маховиком без пробуксовки.
Длительная пробуксовка не допустима, гак как выделяющееся в результате трения тепло нагревает детали и фрикционная накладка может сгореть. Мы рассмотрели только принцип работы сцепления. На самом деле конструкция сцепления намного сложнее.
Большой крутящий момент потребовал бы слишком большой поверхности трения, что, в свою очередь, привело бы к увеличению габаритов сцепления. Кроме того, необходимо было бы увеличить силу прижатия диска к маховику, т. с. увеличить упругость пружины, а это отразилось бы на долговечности фрикционной накладки.
Поэтому в автомобильных сцеплениях (рис. 50, г) на диске (он называется ведомым диском) наклепывают не одну, а две накладки (по одной с каждой стороны), а сам ведомый диск зажимают между маховиком и нажимным диском. Это позволяет увеличить поверхность трения в два раза и, следовательно, уменьшить вдвое силу пружины. Кроме того, вместо одной большой пружины часто ставят несколько малых, расположенных по окружности нажимного диска, причем пружины одним концом упираются в кожух сцепления, который винтами плотно закрепляется на маховике.
Нажимный диск снабжен тремя приливами, входящими в прорези кожуха. Они препятствуют проворачиванию нажимного диска относительно кожуха. Кроме того, приливы используются для закрепления в них при помощи пальцев наружных концов рычагов выключения сцепления. Таким образом, маховик, нажимный диск и кожух сцепления вращаются как одно целое. Ведомый же диск вращается вместе с ними, лишь когда сцепление включено.
Как выключить сцепление?
Рычаги выключения сцепления, о которых мы только что говорили, соединены при помощи осей с кронштейнами (рис. 51), закрепленными на кожухе. Внутренние концы рычагов выходят к ведущему валу коробки передач. Подшипник и часть ведущего вала закрыты крышкой. По крышке скользит муфта выключения сцепления с упорным подшипником. Она при помощи вилки, управляемой педалью сцепления из кабины водителя, может нажимать на внутренние концы рычагов. При нажатии на них наружные концы рычагов передвигают нажимный диск, сжимая пружины и освобождая ведомый диск. Сцепление выключается. При плавном отпускании педали сцепление включается.
Рис. 51. Сцепление
Для обеспечения плавности работы в механизм сцепления вводят различные усовершенствования. Например, фрикционные накладки наклепывают не сразу на ведомый диск, а между ними с одной стороны помещают упругие пластины, способствующие более плавному включению сцепления
Кроме того, ведомый диск на ступице крепится не жестко, как мы рассматривали, а через гаситель крутильных колебаний. Поэтому ведомый диск может поворачиваться относительно ступицы на некоторый угол и сглаживать значительные колебания крутящего момента, возникающие при работе двигателя из-за интенсивного протекания рабочего процесса в цилиндрах, при резком отпускании водителем педали сцепления, резком нажатии на педаль управления дроссельной заслонкой, при движении по неровной дороге и др. Возникающие при этом значительные динамические нагрузки могут привести к поломкам деталей трансмиссии. Для уменьшения динамических нагрузок и устранения возможных резких колебаний, предохранения валов трансмиссии от крутильных колебаний применяют гаситель крутильных колебаний (демпфер). Он увеличивает плавность включения сцепления, повышает долговечность деталей сцепления.
Гаситель крутильных колебаний (рис. 52) устанавливается между ведомым диском сцепления и его ступицей. Он состоит, как правило, из шести пружин, двух фрикционных колец, двух дисковых пластин и тарельчатой пластины фрикциона. Пружины демпфера удерживаются от выпадания бортами дисковых пластин. Пружины гасителя крутильных колебаний обеспечивают упругую связь ведомого диска сцепления с его ступицей. Тарельчатая пружина (или специальные кольца) находится в предварительно напряженном состоянии и постоянно прижимает фрикционные кольца к ступице ведомого диска.
Рис. 52. Гаситель крутильных колебаний
При резком увеличении крутящего момента ведомый диск с дисковыми пластинами, поворачиваясь относительно ступицы, преодолевает силу трения между фрикционными кольцами и сглаживает динамические (ударные) нагрузки. Пружины демпфера сжимаются, плавно передавая крутящий момент валу. Часть энергии крутильных колебаний коленчатого вала поглощается фрикционными кольцами. Угол поворота ограничивается упорами.
Для нормальной работы сцепления необходимо соблюдение некоторых условий.
Во-первых, внутренние концы рычагов выключения сцепления должны находиться в одной плоскости, перпендикулярной оси ведущего вала. В противном случае ведомый диск будет прижиматься нажимным диском неравномерно, и сцепление быстро выйдет из строя.
Во-вторых, между концами рычагов выключения сцепления и упорным подшипником муфты всегда должен быть зазор, иначе упорный подшипник будет касаться рычагов, постоянно вращаться и в скором времени разрушится.
В-третьих, муфта выключения сцепление по той же причине должна быть всегда отведена от сцепления. Для этого устанавливается оттяжная пружина..
В-четвертых, педаль выключения сцепления должна в свободном состоянии находиться в верхнем положении Для этого используется возвратная пружина. При отсутствии возвратной пружины педаль под действием собственной массы прижмет упорный подшипник к рычагам выключения сцепления. Последствия этого указаны выше.
В-пятых, педаль выключения сцепления должна иметь свободный ход от 30 до 45 мм в зависимости от конструкции. Эти условия выполняются двумя регулировками.
Свободный ход — это ход педали от верхнего положения до начала выключения сцепления. Отсутствие свободного хода сигнализирует о том, что нажимный диск не полностью зажимает ведомый, возможно его пробуксовывание, а в последующем— сгорание накладок. Слишком большой свободный ход говорит о том, что сцепление не выключается полностью при полном нажатии на педаль.
Существует много конструктивных разновидностей сцеплений и их приводов. Здесь мы на них останавливаться не будем. Отметим лишь, что в подавляющем большинстве на отечественных автомобилях устанавливают фрикционные сухие дисковые сцепления, рассмотренные нами. Эти однодисковые сцепления просты по устройству, надежны в эксплуатации, легко и «чисто» включаются и выключаются. Однако эти сцепления не могут передавать .больших нагрузок, поэтому для передачи больших крутящих моментов применяют двухдисковые сцепления.
Итак, сцепление состоит из ведущей и ведомой частей, нажимного механизма и привода. Ведущая часть сцепления воспринимает крутящий момент двигателя, а ведомая — передает его ведущему валу коробки передач. Нажимный механизм обеспечивает плотное прижатие рабочих деталей ведомой и ведущей частей и создания момента трения, способного передать крутящий момент двигателя.
Привод сцепления предназначен для управления сцеплением.
На отечественных автомобилях обычно применяют механический (рассмотрен нами) и гидравлический. Для облегчения труда водителя и создания дополнительного усилия в привод сцепления иногда включают усилитель привода (вакуумный, пневматический, гидравлический).
На легковых автомобилях часто применяют гидравлический привод сцепления (рис. 53). Конструктивно он похож на гидравлический привод тормозов, который будет рассмотрен позже. Отметим лишь, что в гидравлический привод входят два цилиндра: рабочий и главный цилиндр привода выключения сцепления, соединенные трубопроводом. Поршень рабочего цилиндра соединен с вилкой выключения сцепления.
Рис. 53. Схема работы сцепления с гидравлическим приводом
При нажатии на педаль поршень главного цилиндра привода выключения сцепления перемещается и нагнетает жидкость в рабочий цилиндр. Перемещаясь, поршень рабочего цилиндра через толкатель поворачивает вилку выключения сцепления. Дальнейший процесс аналогичен работе сцепления с механическим приводом.
Гидравлический привод облегчает управление автомобилем, повышает безопасность движения и эффективность торможения.