Сцепление предназначено для передачи крутящего момента от двигателя к коробке передач, кратковременного разъединения двигателя и трансмиссии на время переключения передач, а также плавного соединения их между собой, кроме того, сцепление выполняет функцию ограничителя динамических нагрузок в трансмиссии автомобиля.

4.1. Классификация сцеплений

По принципу действия сцепления подразделяют на фрикционные и гидравлические.

Наибольшее распространение получили фрикционные сцепления. Они подразделяются по форме и конструкции трущихся деталей на дисковые, конусные, ленточные, колодочные и др.

Конусные и колодочные сцепления применяются редко, а ленточные часто находят применение в трансмиссиях с автоматическими коробками передач.

Дисковые сцепления применяются наиболее часто. Их, в свою очередь, подразделяют на сухие и масляные, одно, двух и многодисковые. По способу создания силы, сжимающей диски, различают: пружинные (с одной центральной пружиной или несколькими периферийными), полуцентробежные (с пружинами и центробежными грузиками), центробежные (только с грузиками) и электромагнитные.

По типу привода управления сцепления делят на четыре группы: с механическим, гидравлическим, пневматическим и электромагнитным приводами.

4.2. Требования, предъявляемые к сцеплениям

Кроме общетехнических требований, касающихся простоты конструкции и обслуживания, высокой надежности, минимальной массы, ремонтопригодности и т. п., к сцеплениям предъявляется ряд специфических требований: плавность включения, чистота выключения, полнота включения, минимальный момент инерции ведомых частей, хороший отвод тепла, ограничение динамических нагрузок на элементы трансмиссии и двигатель, легкость включения.

Ниже, при рассмотрении устройства и принципа действия различных видов сцеплений, будут отмечены конструктивные меры, позволяющие исполнить перечисленные требования.

4.3. Устройство сцепления

На отечественных автомобилях наибольшее распространение получили фрикционные одно или двух дисковые сцепления сухого типа.

Сцепление включает ведущие элементы – маховик, кожух, нажимные диски и ведомые – ведомый диск и вал сцепления. В многодисковых сцеплениях применяют два и более нажимных и ведомых дисков. Ведомый диск зажат между маховиком и нажимным диском усилием одной центральной или нескольких периферийных пружин.

Чаще всего на легковых и некоторых грузовых автомобилях применяют однодисковые сцепления с центральной диафрагменной пружиной, а на тяжелых грузовых автомобилях двух или многодисковые сцепления с периферийными пружинами (может быть до 28 пружин, расположенных равномерно по окружности нажимного диска).

Кроме ведущих и ведомых деталей в состав сцепления входит механизм управления, служащий для включения и выключения сцепления. Он состоит из педали, элементов проводки (тяги, тросы, качалки), рычагов выключения и нажимного подшипника. В сцеплениях с гидравлическим или пневматическим приводом управление осуществляется посредством давления жидкости или газа.

На рис.4.1.1, представлена схема однодискового постоянно-замкнутого сцепления с периферийными пружинами и механическим приводом управления. Узел сцепления расположен в корпусе, жестко соединенном с корпусом маховика 10. На маховике закреплен кожух 2, внутрь которого помещен нажимной диск 1. Нажимной диск с помощью приливов Б на нажимном диске 1 через отверстия В плотно соединен с кожухом 2 и, таким образом, получает вращение от маховика. Нажимной диск имеет возможность перемещаться вдоль вала 7. Между маховиком и нажимным диском находится ведомый диск 9, посаженный на шлицы вала 7. Ведомый диск представляет собой стальной диск, с приклепанными к нему фрикционными накладками. Между кожухом 2 и нажимным диском 1 расположены равномерно по окружности пружины 8 , прижимающие диск 1 к диску 9 и, последний, к маховику 10 с усилием P. Благодаря возникающему при этом трению, вращающий момент от двигателя передается на трансмиссию. При действии на диски нажимного усилия P возникает сила трения, т.е. сцепление включается, а когда P = 0 сила трения исчезает, т.е. сцепление выключается.

Момент трения определяется зависимостью:

M_max – максимальный момент двигателя;

R_ср = (R + r)/2 – средний радиус трения;

Для выключения сцепления водитель нажимает на педаль 6 и через тягу и рычаг 5 воздействует на нажимной подшипник 4. Он смещается в сторону двигателя, нажимает на концы рычагов 3, поворачивает их относительно осей отжимного рычажка 11 и, прилива Б, преодолевая сопротивление пружин 8, отводят нажимной диск от ведомого диска. Сцепление выключается и вал 7 не получает вращения от двигателя. При плавном отпускании педали, диск 1 пружинами 8 смещается в сторону двигателя и прижимает ведомый диск к маховику. Сцепление включается.

В отличие от однодискового, двухдисковое сцепление (рис 4.1.2), имеет два ведомых, и два ведущих диска: промежуточный 3 и нажимной 12, установленные поочередно.

Число ведомых дисков более одного увеличивает поверхность трения при передаче больших моментов. Ступицы ведомых дисков помешены на шлицы вала 14, который одновременно является валом коробки передач. Передний конец вала опирается на шариковый подшипник, установленный в расточке коленчатого вала.

Ведомые диски сцепления зажаты между торцовыми поверхностями маховика и ведущих дисков цилиндрическими нажимными пружинами 10, которые равномерно расположены в кожухе.

Промежуточный ведущий диск 3 имеет рычажный механизм 2, который автоматически устанавливает диск в среднее положение при выключении сцепления.

Отжимные рычажки 4 прикреплены к кожуху вилками и гайками. Наружные концы рычажков шарнирно соединены с нажимным диском 12, а внутренние — с упорным кольцом 9. Педаль сцепления связана с подшипником через вилку 8 выключения, рычаги и тяги.

При нажатии на педаль упорный подшипник 6 переместит вперед кольцо с внутренними концами отжимных рычажков, а наружные концы рычажков 4 отведут назад нажимной диск 12. Под действием рычажного механизма 2 промежуточный ведущий диск 3 отойдет от маховика и нажимного диска, вращение на ведомые диски от коленчатого вала передаваться не будет.

При включении сцепления сначала в контакт с ведомым диском 21 входит задний нажимной диск 12, а потом все остальные диски прижимаются к маховику. Этот порядок обеспечивает плавность включения.

При выключении сцепления (рис. 4.1.3.в) нажимной диск 6, отходит от маховика, и рычаг 2 поворачивается усилием закрученных пружин и занимает показанное на рис. 4.1.3.в положение. В этом положении рычаги отталкивают промежуточный диск 1 от маховика и ограничивают сближение с ним нажимного диска.

Применение вместо периферийных пружин диафрагменной нажимной пружины существенно изменяет конструкцию сцепления. На рис.4.2 представлена схема такого типа сцепления.

Пружина 4, рис.4.2.а, в свободном состоянии имеет вид конуса с радиальными прорезями, которые образуют сходящиеся к центру лепестки, выполняющие функцию рычагов выключения. Пружину устанавливают между нажимным диском 3 и кожухом 2. Наружным краем пружина опирается на два кольца 5, прикрепленные к кожуху. При сборке сцепления пружина упирается наружным краем в приливы нажимного диска и прижимает его к ведомому диску, а при выключении (рис.4.2.б) нажимают на нажимной подшипник и пружина, поворачиваясь относительно опорных колец, отходит от выступов нажимного диска.

Упругая характеристика пружины нелинейная (см. рис. 4.2.д), в результате чего в конце хода выключения усилие уменьшается, что облегчает управление сцеплением.

4.4. Конструктивные мероприятия, удовлетворяющие специальным требованиям к сцеплениям

Плавность включения обеспечивается, в основном, увеличением эластичности ведомых дисков путем придания им пружинящих свойств при сжатии их между ведущими элементами сцепления.

Чистота выключения обеспечивается принудительным отводом нажимного диска от ведомого настолько, чтобы зазор между ними был не менее 0,5…0,7 мм. Для этого педаль должна иметь достаточный рабочий ход. Кроме того, необходимо обеспечить (за счет регулировки) одинаковый зазор “а” между пятками рычагов выключения и опорной поверхностью нажимного подшипника.

Полнота включения обеспечивается созданием гарантированного зазора “l” (рис.4.1а) между рычагами выключения и нажимным подшипником.

Минимизация момента инерции ведомых деталей необходима для снижения опасности разрушения зубьев шестерен коробки передач при неудачном включении. Она достигается за счет уменьшения массы ведомой части сцепления, уменьшения диаметра ведомых дисков, увеличения коэффициента трения фрикционных накладок и т.д.

Хороший отвод тепла обеспечивают выполнением вентиляционных окон в корпусе и кожухе сцепления, выполнением на фрикционных накладках радиальных прорезей, приданием рычагам выключения формы лопастей вентилятора, увеличением массивности нажимных дисков и т.д.

Ограничение динамических нагрузок достигается за счет выбора минимально-необходимого запаса сцепления и установки гасителя крутильных колебаний.

Гаситель крутильных колебаний ставят, обычно, на ведомом диске. Он предохраняет силовую передачу от появления на ее валах крутильных колебаний, возникающих по причине цикличности работы двигателя внутреннего сгорания и резких изменений угловых скоростей в силовой передаче, при движении по неровной дороге.

При наличии гасителя ведомый диск соединяют со ступицей 6 (рис. 4.3), не жестко, а при помощи шести-восьми пружин 8. Пружины установлены в сжатом состоянии в прямоугольных вырезах фланца ступицы 6, ведомого диска 3 и диска 9 гасителя. Диски 3 и 9 соединены штифтами 5. Для увеличения трения между фланцем ступицы и дисками установлены фрикционные прокладки 4 и регулировочная шайба 7.

Когда усилие через диск не передается, прорези на нем и фланце ступицы 6 совпадают. При включении сцепления усилие от диска 3 на ступицу 6 передается через пружины 8. Пружины сжимаются и диск 3, несколько, смещается относительно ступицы 6, что увеличивает плавность включения. Смещение сопровождается трением между прокладками 4 и дисками, что приводит к гашению колебаний.

Установка гасителя позволяет изменить частотную характеристику трансмиссии и добиться исключения явления резонанса крутильных колебаний.

Легкость управления достигается подбором необходимых передаточных отношений в механизмах управления сцеплением, применением, где возможно, подшипников качения для повышения КПД передачи усилия управления, использованием гидро- и пневмоприводов, а также усилителей.

4.5. Устройство привода управления сцеплением

При изучении данного вопроса ограничимся рассмотрением механического и гидравлического устройств управления сцеплением.

Механический привод включает в себя педаль сцепления (рис. 4.4), выжимной подшипник 3, вилку б выключения сцепления, рычаг 9 вилки и тягу 8. Нажатием на педаль 1 с помощью тяги, рычага и вилки перемещается вперед выжимной подшипник 3. Он нажимает на внутренние концы отжимных рычажков 4, которые наружными концами отводят нажимной диск от маховика, освобождая ведомый диск, т. е. сцепление  выключается.

Для включения сцепления педаль отпускают. Под усилием пружин педаль, рычаг вилки и выжимной подшипник отходят назад, а нажимной диск под действием пружин прижимает ведомый диск к маховику. При включенном сцеплении между выжимным подшипником 3 и отжимными рычажками Одолжен быть зазор, который соответствует определенному свободному ходу падали.

Гидропривод (рис. 4.5) обеспечивает более плавное нарастание силы трения между дисками сцепления. Основные элементы гидропривода — бачок 1 с тормозной жидкостью, рабочий 17 и главный 3 цилиндры, тяги, шланги и педаль. Педаль 7 сцепления, главный цилиндр 3 с рычагами и тягами составляют отдельный блок, прикрепленный болтами к кабине автомобиля. Педаль удерживается в исходном (крайнем заднем) положении пружиной 6. Главный цилиндр 3 соединен питающим шлангом 2 с бачком, а гибким соединительным шлангом 8 — с рабочим цилиндром 17.

При нажатии на педаль 7 сцепления усилие от нее передается толкателю 5 главного цилиндра. Под действием толкателя поршень 9 перемещается вперед и вытесняет жидкость в рабочий цилиндр.

Полость главного цилиндра сообщается с бачком 1 через перепускное А и компенсационное Б отверстия. При нажатии на педаль 7 поршень 9 главного цилиндра переместится справа налево и, после перекрытия отверстия -Б, вытеснит жидкость через трубопровод в рабочий цилиндр. Поршень 18 через толкатель 15 повернет вилку 13 выключения сцепления. При отпускании педали детали привода возвращаются в исходное положение (под воздействием пружин) и сцепление включается. При этом давление в системе понижается до атмосферного.

При резком отпускании педали в главном цилиндре может возникнуть разрежение, если жидкость, поступая из трубопровода, не успеет заполнить полость слева от поршня 9, тогда, часть жидкости из бачка, через перепускное отверстие - А, отжимая края манжеты, поступит в пространство слева от поршня. Потом, по мере поступления жидкости из трубопровода, избыток ее через отверстие - Б вернется в бачок.

Зазор между нажимным подшипником и рычагами выключения сцепления регулируется за счет длины толкателя 15, зазор между поршнем 9 и толкателем 5 главного цилиндра, обеспечивающий свободный ход педали, регулируется за счет длины штока 5.

Кроме рассмотренных приводов управления сцеплений достаточно широко применяются приводы с пневмоусилителями, а также электровакуумные приводы.

4.6. Другие виды сцеплений

Электромагнитное сцепление бывает без ферронаполнителя и с ферронаполнителем (рис 4.6).

Сцепление без ферронаполнителя состоит из связанного с двигателем сердечника 2 электромагнита, рис.4.6а, его обмотки 3 и якоря 4, установленного на шлицах первичного вала коробки передач.

Напряжение к обмотке подводится через щетку 1, кольцо 7 и “массу” автомобиля. Под воздействием электромагнитного поля якорь 4 притягивается к сердечнику 2. В результате возникает трение, обеспечивающее передачу момента от двигателя к коробке передач.

При выключении обмотки 3 пружина 5 отводит якорь 4 от сердечника и сцепление выключается.

В таком сцеплении легко автоматизировать процесс управления, но плохо то, что сердечник приходится выполнять из чистого железа (для улучшения электромагнитных свойств), а с точки зрения износостойкости требуется достаточно твердая сталь.

В последнее время находит применение сцепление с ферронаполнителем, рис.4.6б

Сердечник 2 электромагнита (ведущий элемент) с обмоткой 3 установлен на маховике 8 двигателя, а якорь 4 (ведомый элемент) – на шлицах первичного вала коробки передач. Пространство между якорем и сердечником (зазор 0.6…0.8 мм) заполнено ферропорошком или ферроэмульсией. Напряжение к обмотке подводится через щетку 1 и кольцо 7. В результате намагничивания частиц ферронаполнителя они притягиваются одна к другой и к рабочим поверхностям сердечника и якоря и, таким образом, соединяют ведущую и ведомую части сцепления.

В таком сцеплении почти не изнашиваются рабочие поверхности сердечника и якоря, можно плавно регулировать передаваемый момент за счет регулирования напряжения питания обмотки. Однако вращающиеся детали очень массивные, что усложняет процесс переключения передач в коробке.

4.7. Материалы основных деталей сцепления

Ведомые диски сцепления изготавливают из сталей 85 (ГАЗ) или 50 (ЗИЛ), ступицы ведомых дисков из сталей 30 или 40Х. Для нажимных дисков применяется чугун марки СЧ18-36. Пружины сцепления изготавливают из сталей 60Г, сталь 85 или 50ХФА.

Фрикционные накладки изготавливают из прессованных тканевых, плетеных, металлокерамических или синтетических фрикционных материалов. В качестве наполнителя при прессовании применяются металлы или минеральные вещества (медь, цинк, графит), а связующим являются синтетические смолы, каучук и др.