Устройство и принцип работы многодисковой фрикционной муфты
Содержание
В описании технических характеристик многих внедорожников и некоторых легковых автомобилей, имеющих разные модификации трансмиссии с полным приводом, нередко можно встретить понятие многодисковая муфта. Этот фрикционный элемент является составляющей так называемого подключаемого полного привода. Работа этого элемента позволяет при необходимости делать неактивную ось ведущей. Такая конструкция используется, например, в системе xDrive, о которой есть отдельная статья.
Помимо автомобилей многодисковые муфты успешно применяются в разных механических устройствах, в которых отбор мощности происходит между двумя разными механизмами. Это устройство устанавливается в качестве переходного элемента, нивелирующего и синхронизирующего приводы двух механизмов.
Рассмотрим принцип работы данного устройства, какие бывают разновидности, а также их плюсы и минусы.
Принцип работы муфты
Под многодисковыми фрикционными муфтами подразумеваются устройства, позволяющие осуществлять отбор мощности ведомым механизмом с ведущего. В ее конструкцию входит пакет дисков (используются фрикционные и стальные типы деталей). Действие механизма обеспечивается за счёт сжатия дисков. Часто в автомобилях такой вид муфт используется в качестве альтернативы блокирующемуся дифференциалу (данный механизм подробно описывается в другом обзоре). В этом случае она устанавливается в раздаточной коробке (о том, что это такое и зачем она нужна в трансмиссии, читайте здесь) и подключает ведомый вал второй оси, благодаря чему крутящий момент передается на неактивные колеса, и трансмиссия начинает их крутить. Но в более простом варианте такое устройство используется в корзине сцепления.
Основная задача данных механизмов заключается в том, чтобы соединять/разъединять два работающие агрегата. В процессе соединения ведущего и ведомого дисков сцепление происходит плавно с поступательным нарастанием мощности в приводном агрегате. Предохранительные муфты наоборот разъединяют устройства, когда крутящий момент превышает максимально допустимое значение. Такие механизмы могут самостоятельно подключать агрегаты после того, как пиковая нагрузка была устранена. Из-за низкой точности работы данного типа муфт их применяют в механизмах, в которых часто, но на протяжении небольшого промежутка времени образуются приличные перегрузки.
Чтобы понять принцип работы данного механизма, достаточно вспомнить, как функционирует фрикцион коробки передач (механика или робот), или корзина сцепления. Подробно об этом узле автомобиля рассказывается отдельно. Если коротко, то при помощи мощной пружины диск прижимается к поверхности маховика. Благодаря этому происходит отбор мощности с силового агрегата на первичный вал КПП. Этот механизм используется, чтобы временно отключить трансмиссию от ДВС, и водитель смог переключиться на нужную передачу.
Основное отличие многодисковой муфты от блокирующегося дифференциала в том, что рассматриваемый механизм обеспечивает плавное подключение ведущего и ведомого валов. Действие осуществляет сила трения, которая обеспечивает прочное сцепление между дисками и происходит отбор мощности на ведомый узел. В зависимости от устройства, которое сжимает диски, давление на них может обеспечивать мощная пружина, электрический сервопривод или гидравлический механизм.
Коэффициент крутящего момента прямо пропорционален силе сжатия дисков. Когда начинается передача мощности на ведомый вал (каждый диск постепенно прижимается друг к другу, и фрикцион начинает крутить ведомый вал), трение между исполнительными элементами обеспечивает плавное увеличение силы, действующей на вал второстепенного механизма. Ускорение происходит плавно.
Также сила крутящего момента зависит от количества дисков в муфте. Многодисковый вид обладает большей эффективностью передачи мощности на второстепенный узел, так как увеличивается контактная поверхность соприкасающихся элементов.
Чтобы устройство работало корректно, необходимо соблюдать зазор между поверхностями дисков. Этот параметр устанавливает производитель, так как инженеры рассчитывают усилия, которые необходимо приложить, чтобы механизм эффективно передавал крутящий момент. Если дисковый зазор будет меньше заданного параметра, ведущий диск будет проворачивать и ведомые элементы без необходимости в их работе.
Из-за этого покрытие дисков быстрее изнашивается (насколько быстро, зависит от величины зазора). Но и увеличенное расстояние между дисками неизбежно приведет к преждевременному износу устройства. Причина в том, что диски будут прижиматься не с такой силой, и при увеличении мощности вращения сцепление будет проскальзывать. Основа исправной работы муфты после ее ремонта заключается в том, чтобы выставить корректное расстояние между контактными поверхностями деталей.
Устройство и основные компоненты
Итак, фрикцион состоит из стальной конструкции. В ней располагается несколько фрикционных дисков (количество этих элементов зависит от модификации механизма, а также силы момента, который он должен передавать). Между этими дисками устанавливаются стальные аналоги.
Фрикционные элементы контактируют с гладкими стальными аналогами (в некоторых случаях на всех контактных деталях имеется соответствующее напыление), а сила трения, которую обеспечивает материал покрытия (допустимо использование керамики, как в керамических тормозах, кевлара, композитных углеродистых материалов и так далее), позволяет передать нужные усилия между механизмами.
Самой распространенной модификацией подобной модификации дисков являются стальные, на которых нанесено специальное покрытие. Реже встречаются аналогичные варианты, но из высокопрочного пластика. Одна группа дисков закреплена на ступице ведущего вала, а другая – на ведомой. Стальные гладкие диски без фрикционного слоя фиксируется к барабану ведомого вала.
Чтобы плотно прижать диски друг к другу, используется поршень и возвратная пружина. Поршень перемещается под действием давления привода (гидравлика или электрический мотор). В гидравлическом варианте после того, как давление в системе понизится, пружина возвращает диски на свое место, и крутящий момент перестает поступать.
Среди всех разновидностей многодисковых муфт существует два вида:
- Сухой. В этом случае диски в барабане имеют сухую поверхность, благодаря чему достигается максимальный коэффициент трения между деталями;
- Мокрый. В таких модификациях используется небольшое количество масла. Смазочный материал необходим для того, чтобы улучшить охлаждение дисков и смазывать детали механизма. При этом будет наблюдаться значительное снижение коэффициента трения. Чтобы компенсировать этот недостаток, инженеры предусмотрели для такой муфты более мощный привод, сильнее прижимающий диски. Дополнительно в состав фрикционного слоя деталей будут входить современные и эффективные материалы.
Существует большое разнообразие дисковых фрикционных муфт, но принцип работы у всех их один: фрикционный диск сильно прижимается к поверхности стального аналога, благодаря чему происходит подключение/отключение соосных валов разных агрегатов и механизмов.
Используемые в конструкции материалы
Традиционно стальной диск изготавливается из высоколегированной стали, которая покрывается антикоррозийным веществом. В современных автомобилях может использоваться вариант, изготавливаемый из композитных углеродистых материалов или кевлара. Но максимально эффективные на сегодняшний день являются обычные фрикционные варианты.
Производители используют разные компоненты для изготовления подобной продукции, но чаще всего это:
- Ретинакс. В состав такого материала входит барит, асбест, фенолформальдегидные смолы и латунная стружка;
- Трибонит. Данный материал изготавливается из смеси некоторых нефтепродуктов и композитных веществ. Такая продукция более устойчива к окислительной реакции, благодаря чему устройство можно эксплуатировать в условиях повышенной влажности;
- Прессованный композит. Помимо ключевых компонентов, обеспечивающих целостность изделия, в состав данного материала входят волокна высокой прочности, которые повышают рабочий ресурс изделия, предотвращая его преждевременный износ.
Форма выпуска деталей
Как говорилось ранее, многодисковая муфта состоит минимум из двух дисков. Это изделия, выпускаемые в форме пластин, на которых нанесено специальное покрытие или закреплены фрикционные накладки (изготавливаются и материалов, упомянутых выше). Существуют также нестандартные модификации деталей, которые способны обеспечить несоосную сцепку узлов.
Видовое разнообразие
В зависимости от механизма, в котором используются многодисковые муфты, могут устанавливаться модификации, отличающиеся своей конструкцией. Рассмотрим, в чем их отличительные особенности. Если коротко, то они отличаются друг от друга габаритами, формой, количеством контактных дисков и крутящим моментом, который способно передать устройство.
Как мы уже обратили внимание, основными элементами устройства чаще всего являются диски. Но в качестве альтернативы и в зависимости от требуемого действия могут использоваться барабаны, конусные или цилиндрические детали. Подобные модификации используются в тех узлах, в которых крутящий момент передается в нестандартном режиме, например, если валы агрегатов несоосны.
Дисковые
Этот тип муфт является самым распространенным. В конструкции такой модификации имеется барабан, к которому закреплен ведущий вал. Между стальными дисками устанавливаются фрикционные аналоги, которые закреплены на ведомом валу. Каждый из этих комплектов крепится в один блок при помощи стойки (или нескольких стяжек).
Применение дисковых муфт имеет несколько особенностей:
- Во-первых, для повышения надежности и эффективности можно использовать несколько дисков;
- Во-вторых, конструкция дисков может быть сложной, поэтому их производство может быть сопряжено с разными дополнительными растратами, из-за чего наблюдается большой разброс цен визуально одинаковых элементов;
- В-третьих, одним из достоинств данных элементов является небольшие габариты детали.
Конусные
Конусные муфты часто используются в механизмах сцепления. Это вариант, который применяется в разных приводных устройствах, на постоянной основе передающих большое количество крутящего момента с ведущего элемента на ведомый.
Устройство данного механизма состоит из нескольких барабанов, соединенные между собой пластиной. Вилки, разжимающие элементы, имеют разные размеры. Особенность данной модификации в том, что пластины ведомой части устройства могут сильно вращаться, а пальцы устанавливаются в механизме под определенным углом.
К особенностям данных модификаций муфт относятся:
- Максимальная плавность нарастания крутящего момента;
- Высокий показатель сцепления;
- На небольшом промежутке времени такая конструкция позволяет регулировать частоту вращения сопрягаемых агрегатов. Для этого необходимо просто изменить силу прижима фрикционных элементов.
Несмотря на высокую эффективность, данная продукция имеет сложное устройство, поэтому и стоимость механизмов намного выше по сравнению с предыдущим аналогом.
Цилиндрические
Такая модификация крайне редко встречается в автомобилях. Чаще они используются в кранах. Ширина ведущего барабана в устройстве большая, а стойки могут быть разными по величине. Стяжные пальцы также имеют большие размеры, а в устройстве механизма может входить несколько подшипников. Особенность данного типа муфт в том, что они способны выдерживать большие нагрузки.
При изготовлении такой продукции используются материалы, которые способны выдерживать высокие температуры. Ключевой недостаток этих механизмов в их больших размерах.
Многодисковые виды
Как уже обращалось внимание, многодисковые муфты часто используются в автомобилях. В устройство такого элемента входит один барабан, в котором размещено три пластины. На стяжных пальцах устанавливаются прокладки. В зависимости от модели устройства в конструкции может использоваться не одна опора. Существуют варианты с двумя пружинами. Они обеспечивают большую прижимную силу, а прижимная вилка имеет большой диаметр. Часто такие виды муфт устанавливаются на привод. Корпус данного фрикционного элемента – конусный.
Такая модификация муфт позволяет уменьшить радиальные размеры устройства, не жертвуя производительностью. Вот ключевые факторы, которые касаются применения данной модификации:
- Они позволяют уменьшить радиальные габариты устройства, но при этом также увеличить производительность механизма;
- Такие устройства успешно применяются в грузовом транспорте;
- Количество фрикционных элементов позволяет увеличить силу трения, благодаря чему можно передавать крутящий момент большей мощности (устройство может быть неограниченной толщины);
- Подобные муфты могут быть сухими и мокрыми (со смазкой фрикционных дисков).
Типы с единственным барабаном
В такой модификации внутри барабана располагается одна или несколько пластин. Прижимная сила корректируется подпружиненными пальцами. Подобные механизмы еще используются в некоторых моделях авто, но чаще они встречаются в кранах. Причина тому – способность выдерживать большие нагрузки на ось.
Вилка включения в конструкции устанавливается возле ее основания. Фрикционные диски ведущие, а ведомые – отшлифованные, и могут вращаться с большой скоростью. К особенностям данной продукции относятся:
- Небольшие размеры;
- Отсутствие фрикционных или абразивных материалов (в большинстве разновидностей);
- Конструкция позволяет снизить нагрев в процессе работы устройства;
- Если применять фрикционный аналог, то можно увеличить мощность крутящего момента.
Типы с множественными барабанами
Нередко можно встретить предохранительную муфту фрикционного типа, в конструкцию которой входит несколько барабанов. К плюсам подобной разновидности устройств относится большая прижимная сила, качественный упор, а также способность справиться с большими нагрузками. В этих модификациях редко используются накладки.
В моделях с несколькими барабанами используется большая ведущая шестерня, а в некоторых модификациях используются растяжные пальцы и двойная стойка. Подключающая вилка расположена спереди устройства.
Данные модификации устройств не используются в приводах, так как у них медленное подключение. Некоторые производители разработали варианты модели с несколькими барабанами, в которых используется выжимной диск. В такой конструкции шток располагается горизонтально, а пальцы небольшие.
Данные модификации обладают большой прижимной силой. Барабаны вращаются только в одну сторону. Приводной диск может располагаться как перед выжимной пластиной, либо за ней.
Втулочные
Такая модификация используется только в сцеплениях. Иногда они могут устанавливаться в приводном механизме. В них используются выжимные пружины, над которыми устанавливаются стяжные пальцы, а внутри может быть несколько перегородок. Каждая пластина механизма расположена горизонтально, а втулка установлена между перегородками (дополнительно она выполняет функцию демпфера).
Недостатком такой модификации муфт является слабое сжатие дисков. Еще нельзя допускать сильное вращение вала. По этим причинам устройства данной категории не используют в приводах.
Фланцевые
Достоинство фланцевых муфт заключается в том, что в них не так сильно изнашивается барабан. Фиксация дисков происходит за стойкой. Перегородки внутри изделия небольшие. Чтобы стойка могла находиться на одном месте, она зажимается специальными пластинами. Обычно пружины в таких муфтах устанавливаются снизу конструкции. Некоторые модификации могут работать в паре с приводом. Ведущий вал соединяется с устройством при помощи вилки. Иногда встречаются варианты, в которых используется широкий отжимной диск. Данный механизм имеет небольшие размеры, а корпус выполнен в форме конуса.
Фланцевые муфты легче устанавливать и обслуживать. Подобная продукция имеет продолжительный рабочий ресурс и высокую надежность. Несмотря на распространенность таких устройств, их не всегда устанавливают.
Шарнирные
Такая модификация муфт может использоваться в приводах с разной мощностью. В конструкции такого механизм используется широкая перегородка (на ней могут присутствовать насечки) и короткие пальцы. Фиксация дисков происходит у основы пластин. Корпус такого типа устройств может быть разных размеров в зависимости от габаритов их элементов. Перед стойкой устанавливаются стяжные пальцы.
Отбор мощности таким устройством напрямую зависит от габаритов барабана. Зачастую его стенка имеет большую ширину. Его края не контактируют с дисками за счет заточки и использования шарниров.
Кулачковые
Такого типа муфты используются в промышленных станках. Большинство модификаций способны выдержать большие нагрузки, но это зависит от габаритов барабана. Существуют разновидности, в которых барабан фиксируется перегородками, а в их конструкции могут присутствовать еще и пластины. Чтобы детали удерживались вместе, корпус выполняется в виде конуса.
Самыми распространенными модификациями являются варианты с отжимными дисками. В этом случае барабан будет небольшой ширины. Вилка в такой модели соединена со штоками. В некоторых разновидностях сцеплений используются именно такие типы муфт. Фиксация стяжных пальцев (используются небольшие детали) может происходить возле основания перегородки. Достоинство таких типов муфт в том, что ведомый барабан практически не изнашивается.
Принцип работы подобной модификации следующий:
- Когда срабатывает привод, кулачки, расположенные в одной полумуфте, входят в выступы другой полумуфты. Соединение двух элементов происходит жестко;
- Рабочая часть перемещается по оси при помощи шлицевого соединения (вместо шлица может применяться и другой направляющий элемент);
- Подвижная часть для меньшего износа механизма должна устанавливаться на ведомый вал.
Существуют модификации, в которых кулачки имеют треугольную, трапециевидную и прямоугольную форму. Чтобы кулачки были способны выдерживать большую нагрузку, их изготавливают из закаленной стали. В некоторых случаях может использоваться асимметричный профиль.
Варианты для приводов
Для приводных механизмов используются такие многодисковые муфты, в которых может использоваться как один, так и несколько барабанов. В этих модификациях шток подходит для установки на небольшой вал. Барабан располагается горизонтально. Во многих таких муфтах используются алюминиевые диски (или из его сплавов). Также такие механизмы могут быть с подпружиненными элементами.
В классическом случае муфта для приводного устройства имеется два разжимающихся диска, между которыми устанавливается пластина. За штоком устройства крепится втулка. Чтобы барабан преждевременно не износился, конструкция механизма предусматривает наличие подшипника.
В моделях, которые используются в мощных установках, немного другая конструкция. Возле отжимного диска устанавливается перегородка, а на широкой стойке фиксируется ведомый барабан. Пружины могут оснащаться стяжками. Фиксация вилки происходит в основании. Корпус некоторых модификаций конусный. В устройство механизмов могут входить рабочие пластины небольших размеров.
Втулочно-пальцевая
Упругие втулочно-пальцевые муфты тоже распространены. Их используют в конструкциях разных механизмов. К особенностям такой модификации можно отнести следующие факторы:
- В большинстве случаев данные изделия изготавливаются в соответствии с определенными стандартами, благодаря чему можно легко подобрать подходящую модель для конкретного механизма;
- Проектируя данный механизм, можно скачать из интернета несколько вариантов подробных чертежей;
- В зависимости от назначения муфты можно использовать разные материалы.
Обычно данные разновидности муфт используются в качестве предохранителей.
Фрикционная
Фрикционные муфты используются в тех механизмах, в которых должна обеспечиваться плавная передача крутящего момента, независимо от скорости вращения ведущего и ведомого валов. Также данная модификация способна работать под нагрузкой. Особенность эффективности механизма заключается в высокой силе трения, которая и обеспечивает максимально возможный отбор мощности.
К особенностям фрикционных муфт относятся такие факторы:
- Отсутствие ударных нагрузок, так как зацепление происходит плавно с проскальзыванием в процессе соединения дисков. Это ключевое преимущество данной модификации;
- Благодаря сильному прижиму дисков между ними снижается скольжение, а сила трения увеличивается. Это приводит к увеличению крутящего момента на ведомом агрегате до той степени, что обороты валов становятся одинаковыми;
- Корректировать скорость вращения ведомого вала можно при помощи силы сжатия дисков.
Несмотря на эти плюсы, у фрикционных муфт есть и существенные недостатки. Один из них – усиленный износ фрикционных поверхностей контактных дисков. Помимо этого при росте силы трения диски могут сильно нагреваться.
Преимущества и недостатки
К преимуществам многодисковых фрикционных муфт относятся:
- Компактные размеры конструкции;
- Сам агрегат, в котором используется такая муфта, тоже будет меньших габаритов;
- Чтобы увеличить силу крутящего момента, нет необходимости устанавливать огромный диск. Для этого производители используют негабаритную конструкцию с несколькими дисками. Благодаря этому при скромных габаритах устройство способно передавать приличный показатель крутящего момента;
- Поступление мощности на приводной вал происходит плавно, без рывков;
- Можно соединить два вала, находящиеся в одной плоскости (соосное соединение).
Но данное устройство также имеет и некоторые минусы. Самым слабым местом в данной конструкции являются фрикционные поверхности дисков, которые со временем изнашиваются от естественных процессов. Но если водитель имеет привычку резко нажимать на педаль газа при разгоне машины или на нестабильной поверхности, то муфта (если ею оснащена трансмиссия) износится быстрее.
Что касается мокрых типов муфт, то вязкость масла напрямую влияет на силу трения между дисками – чем гуще смазка, тем хуже сцепление. По этой причине в механизмах, оснащенных многодисковыми муфтами, нужно своевременно менять масло.
Применение муфты
Многодисковые муфты могут использоваться в разных системах автомобиля. Вот какие механизмы и агрегаты могут оснащаться данным устройством:
- В корзинах сцепления (это модификации вариатора, в которых отсутствует гидротрансформатор);
- АКПП – в этом агрегате муфта будет передавать крутящий момент на планетарную передачу;
- В роботизированных коробках передач. Хотя здесь используется не классическая многодисковая муфта, но двойное сухое или мокрое сцепление работают по тому же принципу (подробно о преселективных коробках передач читайте в другой статье);
- В системах полного привода. Многодисковая муфта устанавливается в раздатку. В этом случае механизм используется как аналог блокировки межосевого дифференциала (подробно о том, зачем может потребоваться блокировка данного устройства, читайте отдельно). В такой компоновке автоматический режим подключения второстепенной оси будет происходить мягче, чем в случае классической блокировки дифференциала;
- В некоторых модификациях дифференциалов. Если многодисковая муфта используется в таком механизме, то она обеспечивает полную или частичную блокировку устройства.
Итак, несмотря на то, что классические механизмы постепенно заменяются гидравлическими, электрическими или пневматическими аналогами, во многих системах пока не удается полностью исключить наличие деталей, которые работают на основе физических законов, например, силе трения. Многодисковая фрикционная муфта тому доказательство. Благодаря простоте конструкции она по-прежнему востребована во многих агрегатах, и иногда приходит на смену более сложным устройствам.
Несмотря на то, что эти элементы постоянно нуждаются в ремонте или замене, полностью их заменить на более эффективные производителям не получается. Единственное, что предприняли инженеры, это разработали другие материалы, обеспечивающие большую износостойкость изделий.
В завершение обзора предлагаем небольшое видео о фрикционных муфтах:
Ремонт фрикционных муфт
В зависимости от модификации и назначения фрикционной муфты ее можно отремонтировать, а не покупать новую. Если производитель устройства предусмотрел такую возможность, то в первую очередь нужно удалить износившийся фрикционный слой. Он может закрепляться на основе при помощи заклепок или эпоксидных материалов. После демонтажа поверхность основы необходимо хорошо очистить от остатков клея или зашлифовать, если на ней имеются заусеницы.
Так как износ фрикционного материала происходит за счет пробуксовки соединения при больших усилиях, то гораздо практичней было бы не устанавливать новую накладку при помощи заклепок, а соединять ее с металлической основой муфты эпоксидными материалами, предназначенными для эксплуатации в условиях высоких температур.
Если закреплять фрикционный материал заклепками, по мере износа этого слоя заклепки могут цепляться за металлическую рабочую поверхность соединяемого диска, что приведет его в негодность. Для надежной фиксации фрикционного слоя на основе можно использовать клей ВС-ЮТ. Этот клей состоит из синтетических смол, растворенных в органических растворителях.
Пленка этого клея обеспечивает надежную фиксацию фрикционного материала к металлу. Пленка огнеупорная, не подвержена разрушению из-за воздействия воды, низких температур и нефтепродуктов.
После ремонта муфты нужно убедиться, что фрикционный слой будет всей плоскостью прилегать к рабочей поверхности металлического диска. Для этого используется сурик – краска оранжевого цвета. Место контакта должно полностью соответствовать площади фрикционного элемента муфты. Если в процессе эксплуатации некачественный или поврежденный фрикционный элемент повредил поверхность прижимного диска (появились царапины, заусеницы и т.д.), помимо ремонта фрикционной накладки нужно еще отшлифовать и рабочую поверхность. В противном случае фрикционная накладка быстро износится.
Вопросы и ответы:
Для чего нужна фрикционная муфта? Такой элемент обеспечивает сцепление двух механизмов при помощи дисков с фрикционной и гладкой поверхностью. Классический пример такого соединения – корзина сцепления.
Как работает дисковая фрикционная муфта? Ведущий вал с основным диском вращается, ведомые диски/диск прижимаются к нему мощной пружиной. Фрикционная поверхность за счет силы трения обеспечивает передачу крутящего момента от диска к редуктору.
Что происходит при срабатывании фрикционной муфты? Когда срабатывает фрикционная муфта, она поглощает механическую энергию (крутящий момент) и передает ее на следующую часть механизма. При этом выделяется тепловая энергия.
Что такое многодисковая фрикционная муфта? Это модификация механизма, назначение которого передавать крутящий момент. Механизм состоит из пакета дисков (одна группа стальные, а другая – фрикционные), которые плотно прижимаются друг к другу.
