Technologia, bez której jeszcze kilkadziesiąt lat temu trudno było wyobrazić sobie branżę motoryzacyjną, obecnie jest na wymarciu. Różnorodność sprzęgieł mechanicznych skurczyła się obecnie do bardzo małych ilości, ponieważ dzisiaj tylko najprostsze samochody (oraz niektóre sportowe modele) posiadają ręczną skrzynię biegów. Z technicznego punktu widzenia ma ona jednak kilka bardzo interesujących cech. W artykule omówimy sprzęgła stosowane w połączeniu z ręcznymi skrzyniami biegów ze szczególnym naciskiem na suche sprzęgła mechaniczne.

Rys historyczny

Historia sprzęgła mechanicznego jest ze względów konstrukcyjnych powiązana z ręczną skrzynią biegów. Można zatem powiedzieć, że oba te rozwiązania są niemal tak stare jak samochody.

Elementy te są potrzebne dlatego, że zakres obrotów silnika, w którym możliwe jest wytwarzanie użytecznej mocy jest bardzo wąski, a był jeszcze węższy przed wynalezieniem turbodoładowania.

Celem skrzyni biegów jest utrzymanie prędkości obrotowej silnika przez cały czas w tym zakresie. Podstawowym problemem, który wymagał rozwiązania, była jednak konieczność zatrzymania samochodu, aby zmienić bieg.

Wynalezienie skrzyni biegów można przypisać dwóm wynalazcom: Louis-Rene Panhard i Emile Levassor, w 1894 r.

Ogólne informacje o sprzęgłach

Sprzęgło to wymienna konstrukcja, która tworzy połączenie między silnikiem pojazdu a skrzynią biegów. Metoda połączenia może być różna, w tym przypadku mówimy o czysto mechanicznej.

W profesjonalnych kręgach bywa ono nazywane sprzęgłem głównym, ponieważ w pojazdach silnikowych mogą być instalowane dodatkowe sprzęgła rozłączalne lub nierozłączalne – np. elastyczna tarcza Hardy’ego na półosi, która zapewnia kątowe przenoszenie napędu lub sprzęgło rozłączalne stożkowe niezbędne do synchronizacji wyposażenia skrzyń biegów.

Do zadań sprzęgła należy niezawodne przenoszenie maksymalnego momentu obrotowego silnika na skrzynię biegów oraz zapewnienie możliwości płynnego, równomiernego i wolnego od wibracji ruszania. To ostatnie osiąga się nie tylko dzięki dwóm pozycjom krańcowym sprzęgła, kierowca może bowiem je regulować, dzięki czemu narastanie momentu obrotowego może być płynniejsze lub bardziej stopniowe.

W niektórych przypadkach konieczne jest jednak działanie dokładnie odwrotne: przy zmianie biegu na wyższy wymagane jest szybkie wysprzęglenie i ponowne zasprzęglenie bez przerywania jazdy.

Może nie jest to oczywiste, ale sprzęgło pełni również funkcję tłumiącą: pochłania znaczną część drgań skrętnych pochodzących od silnika.

Wreszcie, sprzęgło zapewnia również ochronę: ślizga się przy ekstremalnych przeciążeniach, chroniąc w ten sposób układ przeniesienia napędu przed uszkodzeniem.

Sprzęgła mechaniczne

W samochodach osobowych popularność zyskały szybko wersje mechaniczne sprzęgieł. Głównym tego powodem było to, że były one tanie w produkcji, ponadto mieściły się w niewielkiej przestrzeni, były łatwe w serwisowaniu, a ich mały rozmiar zapewniał również znikomy moment bezwładności, co znacznie przyspieszało czas przełączania i synchronizacji.

Sprzęgła mechaniczne są połączone z jednostkami napędowymi za pomocą tarczy ciernej, co pozwala dokładnie określić, ile momentu obrotowego mogą przenieść z silnika. Musi on być oczywiście większy niż maksymalny moment obrotowy silnika. Stosunek tych dwóch liczb to współczynnik bezpieczeństwa sprzęgła, tj. współczynnik nadwyżki momentu obrotowego. Jego wybór jest ważnym aspektem: musi być większy niż 1, ale nie może być zbyt duży, ponieważ wtedy sprzęgło nie będzie się ślizgać nawet przy dużych obciążeniach, przez co uszkodzeniu mogą ulec inne elementy napędu.

W przypadku samochodów osobowych wartość ta wynosi zazwyczaj od 1,8 do 2, co oznacza, że sprzęgło byłoby w stanie przenieść około dwa razy więcej momentu obrotowego na układ napędowy niż może dostarczyć silnik.

Jednotarczowe, suche sprzęgło mechaniczne

Na kurczącym się rynku sprzęgieł mechanicznych jest to wciąż najpopularniejsza konstrukcja wśród samochodów osobowych.

Jego główne elementy konstrukcyjne:

• Koło zamachowe: jest przymocowane do głównego wału silnika, więc zawsze obraca się razem z nim. Zwykle jest żeliwne, ponieważ ważna jest dobra odporność na ciepło. Sens takiej konstrukcji polega na tym, że dzięki dużej bezwładności, koło zamachowe kompensuje nierówny moment obrotowy dostarczany przez silnik. Stanowi również platformę do podłączenia rozrusznika elektrycznego.
• Tarcza dociskowa: zawsze obraca się razem z kołem zamachowym, a tym samym z silnikiem. Również żeliwna, ponieważ wysoka temperatura wynikająca z tarcia odgrywa tu kluczową rolę. Jej głównym zadaniem jest przeniesienie części momentu obrotowego na tarczę sprzęgła.
• Pokrywa obudowy sprzęgła: również obraca się razem z wałem silnika, stanowiąc zewnętrzną obudowę sprzęgła. Jej głównym zadaniem jest zabezpieczenie konstrukcji przed brudem.
• Sprężyny śrubowe dociskowe: ze względu na swoją wymowną nazwę, te elementy konstrukcyjne dociskają tarczę sprzęgła do powierzchni ciernej koła zamachowego za pomocą tarczy dociskowej.
• Ramiona lub widełki podnoszące: istnieją konstrukcje, w których część momentu obrotowego silnika jest przenoszona z obudowy sprzęgła przymocowanej do koła zamachowego na tarczę dociskową za pomocą widełek podnoszących.
• Łożysko oporowe: ta część działa tylko po zainicjowaniu rozłączenia. Jego żywotność odgrywa kluczową rolę w określaniu interwału serwisowego.

Wysprzęglanie

Przerwanie napędu przez sprzęgło jest określane kilkoma nazwami: rozłączanie, zwalnianie, wysprzęglanie – wszystkie mają to samo znaczenie.

Mechanizm rozpoczyna się od kierowcy: kierowca naciska pedał sprzęgła. Następnie mechanizm roboczy sprzęgła (linka stalowa lub układ hydrauliczny) przesuwa nieruchomą część łożyska w kierunku osiowym. Obracający się pierścień łożyska przenosi siłę osiową na ramiona podnoszące.

Drugi koniec ramion jest połączony z otworem tarczy dociskowej i przesuwa tarczę dociskową osiowo. Eliminuje to bezpośrednią siłę połączenia mechanicznego, która utrzymuje tarczę sprzęgła razem z obracającym się kołem zamachowym i tarczą dociskową.

Sprzęgło spiekowe

Istnieje sprzęgło mechaniczne, którego nie można przesuwać, może bowiem przybrać wyłącznie jedną z dwóch pozycji końcowych. Sprzęgło spiekowe przenosi niezbędny moment obrotowy nie tylko poprzez tarcie, ale także poprzez blokowanie za pomocą połączenia wielowypustowego.

Dużą zaletą tego rozwiązania, w porównaniu do tradycyjnych tarcz ciernych, jest możliwość przeniesienia znacznie większego momentu obrotowego. Z drugiej strony, wadą jest to, że nawet podczas jazdy musimy rozwiązać problem ruszania bez poślizgu, co stanowi dodatkowe obciążenie dla układu napędowego samochodu i jego kierowcy. Rozwiązanie to jest zazwyczaj stosowane w pojazdach przeznaczonych na tory wyścigowe.