Свободный ход и обгонная муфта: принцип работы и применение.

Введение

Механизм, отключающий приводной вал от более быстро вращающегося ведомого вала.

В машиностроении или автомобилестроении свободное колесо (или обгоняющая муфта) – это устройство в трансмиссии, которое отсоединяет приводной вал от ведомого вала, когда ведомый вал вращается быстрее, чем приводной. Овердрайв иногда ошибочно называют свободным колесом, но в остальном эти устройства не связаны. Ситуация, когда ведомый вал вращается быстрее приводного, возникает в большинстве велосипедов, когда велосипедист перестает крутить педали. В велосипеде с фиксированной передачей, не имеющем свободного колеса, заднее колесо вращает педали. Аналогичная ситуация возникает в автомобиле с механической коробкой передач при движении под уклон, или в любой ситуации, когда водитель отпускает педаль газа: колеса вращают двигатель, возможно, с более высокой частотой вращения. В двухтактном двигателе это может быть катастрофично, поскольку многие двухтактные двигатели зависят от смеси топлива и масла для смазки, а недостаток топлива приводит к недостатку масла в цилиндрах, что может вызвать заклинивание поршней и серьезные повреждения. Saab использовала систему свободного колеса в своих двухтактных моделях по этой причине и сохранила ее в Saab 96 V4 и ранних Saab 99 для повышения топливной экономичности.

Механика

Простейшее устройство свободного хода состоит из двух зубчатых дисков, нагруженных пружинами, прижимающихся друг к другу зубчатыми сторонами, напоминая храповик. При вращении в одном направлении зубья приводного диска входят в зацепление с зубьями ведомого диска, заставляя его вращаться с той же скоростью. Если приводной диск замедляется или останавливается, зубья ведомого диска проскальзывают по зубьям приводного диска и продолжают вращаться, издавая характерный щелкающий звук, пропорциональный разнице скоростей ведомого механизма относительно (более медленного) приводного механизма. Более сложная и надежная конструкция включает в себя стальные ролики, нагруженные пружинами, внутри ведомого цилиндра. При вращении в одном направлении ролики блокируют цилиндр, заставляя его вращаться синхронно. При вращении медленнее или в противоположном направлении стальные ролики просто скользят внутри цилиндра. Большинство велосипедных свободного хода используют внутренний ступенчатый барабан с двумя или более пружинными, закаленными стальными храповыми зубьями для передачи нагрузки. Увеличение количества храповых зубьев помогает распределить износ и повысить надежность, хотя, если устройство изготовлено с допусками, нехарактерными для велосипедных компонентов, одновременное включение более двух храповых зубьев достигается редко.

Преимущества и недостатки

По своей природе механизм свободного хода действует как автоматическое сцепление, позволяя переключать передачи в механической коробке передач – как на повышение, так и на понижение – без использования педали сцепления, ограничивая применение ручного сцепления только началом движения с места или полной остановкой. Водитель может включать или выключать свободный ход Saab, нажимая или оттягивая рычаг. Это блокирует или разблокирует основной вал со ступицей свободного хода. Свободный ход также обеспечивает незначительное улучшение экономии топлива на карбюраторных двигателях (без отключения подачи топлива при торможении двигателем) и снижает износ ручного сцепления, но увеличивает износ тормозов, поскольку отсутствует возможность торможения двигателем. Это может сделать трансмиссии со свободным ходом опасными для использования на грузовиках и автомобилях, эксплуатируемых в гористой местности, поскольку длительное и непрерывное использование тормозов для ограничения скорости транспортного средства быстро приводит к перегреву тормозной системы и, в конечном итоге, к её полному отказу.

Сельскохозяйственная техника

В сельскохозяйственной технике сцепление с перегрузкой обычно используется на пресс-подборщиках сена и другом оборудовании с высокой инерционной нагрузкой, особенно при работе с трактором, не имеющим постоянно включенного вала отбора мощности (ВОМ). Без постоянно включенного ВОМ, высокая инерционная нагрузка может привести к тому, что трактор продолжит движение вперед даже при нажатой педали сцепления, создавая опасную ситуацию. Сцепление с перегрузкой отключает нагрузку от ВОМ в таких условиях, повышая безопасность. Аналогично, многие несамоходные газонокосилки с цилиндрическим ножом используют обгонную муфту для привода лезвий: они приводятся в движение посредством зубчатой или цепной передачи для вращения на высокой скорости, а обгонная муфта предотвращает передачу импульса в обратном направлении через привод при остановке машины.

Стартеры двигателя

Свободный ход (или обгонная муфта) также широко используется в стартерах двигателей в качестве защитного устройства. Стартерные двигатели обычно должны раскручиваться до 3000 об/мин, чтобы запустить двигатель. Если ключ удерживается в стартовом положении после запуска двигателя, стартер не успевает за маховиком. Из-за большого передаточного отношения между шестерней стартера и маховиком (примерно 15 или 20:1) это привело бы к вращению арматуры стартера на опасно высоких скоростях, что вызвало бы разрушение, когда центростремительная сила, действующая на медные обмотки арматуры, не сможет противостоять центробежной силе, стремящейся их разорвать. В стартерах без обгонной муфты это было бы серьезной проблемой, поскольку при вращении маховика со скоростью около 1000 об/мин на холостом ходу стартер, будучи зацепленным с маховиком, был бы вынужден вращаться со скоростью от 15 000 до 20 000 об/мин. После запуска двигателя обгонная муфта отсоединяет стартер от маховика и предотвращает повторное зацепление шестерен (например, при случайном повороте ключа зажигания) во время работы двигателя. Обгонная муфта сейчас используется во многих мотоциклах с электростартером. Она заменяет соленоид стартера (или более старый привод Bendix), используемый в большинстве автомобильных стартеров, поскольку снижает электрическую нагрузку на стартовую систему.

Коробка передач

В дополнение к перечисленным выше областям применения в автомобилях (например, в двухтактных двигателях и ранних четырехтактных Saab), свободные колеса использовались в некоторых роскошных или автомобилях более высокого класса (таких как Packard, Rover и Cord) с 1930-х по 1960-е годы. Некоторые двигатели того времени также имели тенденцию пропускать масло мимо поршневых колец в условиях закрытой дроссельной заслонки и высоких оборотов двигателя, когда небольшой вакуум в камере сгорания в сочетании с высоким давлением масла и интенсивной разбрызгивающей смазкой от быстро вращающегося коленчатого вала приводили к попаданию масла в камеру сгорания. Свободное колесо обеспечивало возвращение двигателя к оборотам холостого хода при сбросе газа, что значительно снижало шум как от двигателя, так и от коробки передач, а также уменьшало расход масла. Механизм обычно можно было заблокировать для использования торможения двигателем при необходимости. Свободное колесо также применялось в оригинальном Land Rover с 1948 по 1951 год. Оно управляло передачей от коробки передач к переднему мосту, отключаясь при сбросе газа. Это позволяло автомобилю иметь постоянный привод на все четыре колеса, избегая "закручивающих" усилий в трансмиссии. Эта система работала, но обеспечивала непредсказуемую управляемость, особенно в скользких условиях или при буксировке, и была заменена традиционной системой подключаемого полного привода. Во время Второй мировой войны военные автомобили Volkswagen, производимые KdF (Kübelwagen, Schwimmwagen), были оснащены дифференциалом ZF с ограниченным проскальзыванием, состоящим из двух свободных колес, которые передавали всю мощность двигателя на медленнее вращающееся из двух колес. Другие автопроизводители устанавливали свободное колесо между двигателем и коробкой передач в качестве формы автоматического сцепления. Как только водитель отпускал педаль газа и автомобиль двигался накатом, свободное колесо отключалось, позволяя водителю переключать передачи без использования педали сцепления. Эта функция в основном встречалась на больших, роскошных автомобилях с тяжелыми сцеплениями и коробками передач без синхронизаторов, поскольку свободное колесо обеспечивало более плавное и тихое переключение. Citroën объединил свободное колесо и центробежное сцепление, чтобы создать так называемый "TraffiClutch", который позволял водителю трогаться с места, останавливаться и переключать пониженные передачи без использования сцепления. Эта опция была доступна на Citroën 2CV и его производных и, как следует из названия, рекламировалась как преимущество для вождения в перегруженных городских районах. Аналогично, Saab 93 предлагался с дополнительным сцеплением Saxomat. Распространенным применением свободно вращающихся механизмов является автоматическая трансмиссия. Например, традиционные гидравлические трансмиссии General Motors, такие как Turbo Hydramatic 400, обеспечивают свободный ход во всех передачах, более низких, чем выбранная. Например, если селектор передач на трехступенчатой трансмиссии обозначен как "Drive" (3), "Super" (2), "Low" (1), и водитель выбрал "Super", то первая передача будет работать на свободном ходу, но не вторая или третья; при выборе "Drive" свободный ход будет на первой или второй передаче; и, наконец, при выборе "Low" свободный ход не будет работать ни на одной передаче. Это позволяет водителю выбирать более низкий диапазон для торможения двигателем на различных скоростях, например, при спуске с крутого холма. Устройства овердрайва, производимые Laycock de Normanville, использовали свободное колесо для обеспечения плавного переключения между заблокированным режимом (1:1) и режимом овердрайва без использования обычной педали сцепления. Свободное колесо блокировало выходной вал в краткий период перехода между разъединением конического сцепления для заблокированного режима и включением сцепления для режима овердрайва.

In addition to the automotive uses listed above (i. e. in two stroke engine vehicles and early four stroke Saabs), freewheels were used in some luxury or up market conventional cars (such as Packard, Rover and Cord) from the 1930s into the 1960s. Some engines of the period also tended to pass oil past the piston rings under conditions with a closed throttle and high engine speed, when the slight vacuum in the combustion chamber combined with high oil pressure and a high degree of splash lubrication from the fast turning crankshaft would lead to oil getting in the combustion chamber. The freewheel meant that the engine returned to its idle speed on the overrun, thus greatly reducing noise from both the engine and gearbox and reducing oil consumption. The mechanism could usually be locked to provide engine braking if needed. A freewheel was also used in the original Land Rover vehicle from 1948 to 1951. The freewheel controlled drive from the gearbox to the front axle, which disengaged on the overrun. This allowed the vehicle to have a permanent 4 wheel drive system by avoiding 'wind up' forces in the transmission. This system worked, but produced unpredictable handling, especially in slippery conditions or when towing, and was replaced by a conventional selectable 4WD system. During the Second World War, the military Volkswagen vehicles produced by KdF (Kübelwagen, Schwimmwagen) were fitted with a ZF limited slip differential system composed of two freewheels, which sent the whole of the engine power to the slower turning of the two wheels. Other car makers fitted a freewheel between engine and gearbox as a form of automatic clutch. Once the driver released the throttle and the vehicle was on the overrun, the freewheel disengaged and the driver could change gears without using the clutch pedal. This feature appeared mainly on large, luxury cars with heavy clutches and gearboxes without synchromesh, as the freewheel permitted a smoother and quieter change. Citroën combined a freewheel and a centrifugal clutch to make the so called 'TraffiClutch', which let the driver start, stop, and change the lower gears without using the clutch. This was an option on Citroën 2CVs and its derivatives and, as the name implied, was marketed as a benefit for driving in congested urban areas. Similarly, the Saab 93 was available with an optional Saxomat clutch. A common use of freewheeling mechanisms is in automatic transmissions. For instance traditional, hydraulic General Motors transmissions such as the Turbo Hydramatic 400 provide freewheeling in all gears lower than the selected gear. E. g., if the gear selector on a three speed transmission is labelled 'drive'(3) 'super'(2) 'low'(1) and the driver has selected 'super', the transmission freewheels if first gear is engaged, but not in second or third gears; if in 'drive' it freewheels in first or second; finally, if in low, it does not freewheel in any gear. This lets the driver select a lower range to provide engine braking at various speeds, for instance when descending a steep hill. Overdrive units manufactured by Laycock de Normanville used a freewheel to facilitate a smooth gear change between locked mode (1:1) and overdrive mode without use of the conventional clutch pedal. The freewheel would lock the outgoing axle to the outgoing axle in the brief transition period between the conical clutch for locked mode disengaging and the clutch for overdrive mode engaging.

Велосипеды

В более старом типе велосипедов, где механизм свободного хода встроен в звездочный блок, система называется свободно́й коле́сной передачей, а в более новом типе, где механизм свободного хода находится во втулке, – свободно́й втулкой.

Вертолеты

Свободные колеса также используются в вертолетах. Подобно тому, как колеса велосипеда должны иметь возможность вращаться быстрее педалей, лопасти вертолета должны иметь возможность вращаться быстрее приводных двигателей. Это особенно важно в случае отказа двигателя, когда свободное колесо в основной трансмиссии позволяет системам главного и хвостового роторов продолжать вращаться независимо от системы привода. Это обеспечивает сохранение управления полетом и возможность совершить посадку авторотацией.

История

В 1869 году Уильям Ван Анден из города Пуккипси, штат Нью-Йорк, США, изобрел свободный ход для велосипеда. Его конструкция размещала храповый механизм во втулке переднего колеса (ведущего колеса на велоципедах того времени), что позволяло велосипедисту двигаться вперед, не вращая педали постоянно. Первоначально энтузиасты велосипедов отвергли идею свободного хода, полагая, что она усложнит механику велосипеда. Велосипедисты считали, что велосипед должен оставаться максимально простым, без каких-либо дополнительных механизмов, таких как свободный ход. В Великобритании роликовый свободный ход был запатентован Дж. Уайтом и Г. Дэвисом из Coventry Machinist Co. в 1881 году и устанавливался на трехколесный велосипед Chelseymore, однако первыми, кто начал устанавливать свободный ход на велосипед с ромбовидной рамой, были компании Linley and Biggs Ltd (торгующие под названием Whippet Cycle Syndicate), которые начали устанавливать свободный ход с лета 1894 года, отчасти для облегчения работы их двухскоростной передачи "Protean". К 1899 году свободный ход широко применялся в британском велосипедном производстве, как правило, в сочетании с тормозом задним ходом педалей, и предлагалась возможность установки его на существующие велосипеды. В 1899 году в США эта же система была известна как "coaster brake" (тормоз-ножник), который позволял велосипедистам тормозить, вращая педали назад, и включал в себя механизм свободного хода. На рубеже веков производители велосипедов в Европе и Америке стали включать механизм свободного хода в большинство своих моделей, однако теперь он устанавливался в заднюю звезду велосипеда, в отличие от первоначальной конструкции Ван Андена. В 1924 году французская фирма Le Cyclo представила велосипед с переключением передач и двухзвездочным свободным ходом, что облегчало подъем в гору. В конце 1920-х годов Le Cyclo начала использовать передние и задние переключатели в сочетании с двойной системой звезд, что удвоило количество передач на велосипеде. В начале 1930-х годов Le Cyclo изобрела четырехзвездочный свободный ход, а спустя несколько лет компания объединила его с тройной системой звезд, предоставив велосипеду двенадцать передач. В 1960-х и 1970-х годах японские производители представили собственные версии переключателей. Компания SunTour особенно отметилась представлением в 1964 году конструкции заднего переключателя с наклонным параллелограммом, который наклонен для поддержания шкива ближе к каждой звездочке свободного хода при переключении, обеспечивая более плавное и качественное переключение, чем у европейских аналогов. Эта версия переключателя стала стандартом после истечения срока действия патента SunTour в 1980-х годах и до сих пор служит основой для современных конструкций.

In 1869, William Van Anden of Poughkeepsie, New York, USA invented the freewheel for the bicycle. His design placed a ratchet device in the hub of the front wheel (the driven wheel on the velocipede designs of the time), which allowed the rider to propel himself forward without pedaling constantly. Initially, bicycle enthusiasts rejected the idea of a freewheel because they believed it would complicate the mechanical functions of the bicycle. Bicycle enthusiasts believed that the bicycle was supposed to remain as simple as possible without any additional mechanisms, such as the freewheel. In the UK, a roller freewheel was patented by J. White and G. Davies of Coventry Machinist Co. in 1881 and fitted to the Chelseymore tricycle, but the pioneers of fitting the freewheel to the safety bicycle were Linley and Biggs Ltd (trading as the Whippet Cycle Syndicate) who fitted a freewheel from the summer of 1894, in part to assist the operation of their 2 speed 'Protean' gear. By 1899 there was widespread adoption in UK bicycle manufacture of the freewheel, usually combined with the back pedal brake, and conversions were offered to existing bicycles. In 1899 the same system in the USA was known as the “coaster brake”, which let riders brake by pedaling backwards and included the freewheel mechanism. At the turn of the century, bicycle manufacturers within Europe and America included the freewheel mechanism in a majority of their bicycles but now the freewheel was incorporated in the rear sprocket of a bicycle unlike Van Anden’s initial design. In 1924 French firm Le Cyclo introduced a gear shifting bicycle with a two sprocket freewheel, which let riders to go uphill with more ease. In the late 1920s, Le Cyclo began using both front and rear derailleurs in combination with a double chainring, giving the bicycle twice as many gears. In the early 1930s, Le Cyclo invented a four sprocket freewheel, and several years later the company combined the four sprocket freewheel with a triple chainring giving the bicycle twelve gears. In the 1960s and 1970s Japanese manufacturers introduced their own versions of the derailleur. SunTour notably introduced the slant parallelogram rear derailleur design in 1964, which is tilted to keep the pulley closer to each cog of the freewheel as it shifts, providing smoother and better shifting than its European equivalents. This version of the derailleur became the standard when SunTour's patent expired in the 1980s, and is still the model for today's designs.