Сцепление: устройство, принцип работы и типы

Введение

Механическое устройство, которое соединяет и отсоединяет два вращающихся вала или другие движущиеся части.

Сцепление – это механическое устройство, позволяющее отсоединить выходной вал от вращающегося входного вала. Входной вал сцепления обычно прикреплен к двигателю, а выходной вал сцепления подключен к механизму, выполняющему работу. В автомобиле сцепление действует как механическая связь между двигателем и трансмиссией. При отключении сцепления скорость вращения двигателя (RPM) больше не определяется скоростью вращения ведущих колес. Другой пример использования сцепления – в электрических дрелях. Входной вал сцепления приводится в движение двигателем, а выходной вал соединен со сверлом (через несколько промежуточных компонентов). Сцепление позволяет сверлу вращаться с той же скоростью, что и двигатель (сцепление включено), вращаться с меньшей скоростью, чем двигатель (сцепление проскальзывает), или оставаться неподвижным, пока двигатель вращается (сцепление выключено).

Сухой сцепление

Сухое сцепление использует сухое трение для передачи мощности от входного вала к выходному, например, фрикционный диск, прижимающийся к маховику автомобильного двигателя. Большинство сцеплений являются сухими, особенно в транспортных средствах с механической коробкой передач. Проскальзывание фрикционного сцепления (когда сцепление частично включено, но валы вращаются с разной скоростью) иногда необходимо, например, при разгоне автомобиля с места; однако проскальзывание следует минимизировать, чтобы избежать повышенного износа. В сцеплении тянущего типа нажатие на педаль тянет выжимной подшипник для размыкания сцепления. В сцеплении нажимного типа нажатие на педаль толкает выжимной подшипник для размыкания сцепления. Многодисковое сцепление состоит из нескольких фрикционных дисков, расположенных концентрически. В некоторых случаях оно используется вместо сцепления большего диаметра. В автомобилях для драг-рейсинга используются многодисковые сцепления для управления скоростью передачи мощности на колеса при разгоне с места. Некоторые диски сцепления включают пружины, предназначенные для изменения собственной частоты диска сцепления, чтобы снизить уровень шума и вибрации в автомобиле. Кроме того, некоторые сцепления для автомобилей с механической коробкой передач используют клапан задержки включения сцепления, чтобы избежать резкого включения.

Мокрый сцепление

В мокром сцеплении фрикционный материал находится в масляной ванне (или омывается маслом), что охлаждает и смазывает сцепление. Это может обеспечить более плавное включение и увеличить срок службы сцепления, однако мокрые сцепления могут иметь меньший КПД из-за потерь энергии на нагрев масла. Поскольку поверхности мокрого сцепления могут быть скользкими (например, сцепление мотоцикла, работающее в моторном масле), использование нескольких дисков сцепления позволяет компенсировать более низкий коэффициент трения и, следовательно, избежать проскальзывания при полностью включенном состоянии. В мокрых сцеплениях часто применяется композитный бумажный материал.

Центробежная сцепление

Центробежная муфта автоматически включается по мере увеличения скорости входного вала и отключается по мере уменьшения скорости входного вала. Области применения включают небольшие мотоциклы, мопеды, бензопилы и некоторые старые автомобили.

Конусовое сцепление

Конусовое сцепление аналогично сухому фрикционному сцеплению, за исключением того, что фрикционный материал наносится на наружную поверхность конического элемента. Распространенным применением конусных сцеплений является синхронизирующее кольцо в механической трансмиссии.

Собачий сцепление

Соединение типа "собачка" – это конструкция сцепления, исключающая проскальзывание, применяемая в несинхронизированных коробках передач.

Сцепление с одним оборотом

Однооборотное сцепление было разработано в 19 веке для привода машин, таких как ножницы или прессы, где одно потянуть за рабочий рычаг или (позже) нажатие кнопки приводило в действие механизм, включающий сцепление между источником питания и коленчатым валом машины ровно на один оборот перед отключением сцепления. Когда сцепление отключено, ведомый элемент неподвижен. Ранние конструкции обычно представляли собой кулачковые сцепления с кулачком на ведомом элементе, используемым для разъединения кулачков в нужной точке. В 20 веке были разработаны значительно упрощенные однооборотные сцепления, требующие гораздо меньших усилий для приведения в действие и, в некоторых вариантах, позволяющие фиксированную долю оборота за один цикл. Быстродействующие фрикционные сцепления заменили кулачковые сцепления в некоторых областях применения, устраняя проблему ударной нагрузки на кулачки при каждом включении сцепления. Помимо использования в тяжелом производственном оборудовании, однооборотные сцепления применялись в многочисленных небольших машинах. Например, в табуляторах нажатие клавиши "пуск" приводило в действие однооборотное сцепление для обработки последнего введенного числа. В линотипных машинах нажатие любой клавиши выбирало определенный символ и также включало однооборотное сцепление для циклической работы механизма набора этого символа. Аналогично, в телепринтерах получение каждого символа приводило в действие однооборотное сцепление для выполнения одного цикла печатного механизма. В 1928 году Фредерик Г. Крид разработал однооборотное спиральное сцепление, которое особенно хорошо подходило для повторяющегося пуска и остановки, необходимого в телепринтерах. В 1942 году два сотрудника компании Pitney Bowes Postage Meter Company разработали улучшенное однооборотное спиральное сцепление. В этих сцеплениях спиральная пружина обернута вокруг ведомого вала и удерживается в расширенном состоянии рычагом. При срабатывании пружина быстро сжимается вокруг ведущего вала, включая сцепление. В конце одного оборота, если рычаг был возвращен в исходное положение, он захватывает конец пружины (или храповик, прикрепленный к ней), и угловой момент ведомого элемента снимает напряжение с пружины. Эти сцепления имеют длительный срок службы — многие из них выполнили десятки и, возможно, сотни миллионов циклов без необходимости обслуживания, кроме периодической смазки. Каскадные храповые однооборотные сцепления заменили спиральные однооборотные сцепления в страничных принтерах, таких как телепринтеры, включая Teletype Model 28 и его преемников, используя те же принципы конструкции. Они также использовались в пишущих машинках IBM Selectric. Обычно это дискообразные узлы, установленные на ведомом валу. Внутри полого дискообразного ведущего барабана находятся два или три свободно плавающих храповика, расположенных таким образом, что при включении сцепления храповики выскакивают наружу, как колодки в барабанном тормозе. При включении крутящий момент нагрузки на каждый храповик передается другим, чтобы удерживать их в зацеплении. Эти сцепления не проскальзывают после включения и включаются очень быстро, порядка миллисекунд. Из узла выступает выступ для отключения. Если отключающий рычаг зацеплялся с этим выступом, сцепление отключалось. Когда отключающий рычаг освобождает этот выступ, внутренние пружины и трение включают сцепление. Затем сцепление вращается один или несколько оборотов, останавливаясь, когда отключающий рычаг снова зацепляется с выступом.

The single revolution clutch was developed in the 19th century to power machinery such as shears or presses where a single pull of the operating lever or (later) press of a button would trip the mechanism, engaging the clutch between the power source and the machine's crankshaft for exactly one revolution before disengaging the clutch. When the clutch is disengaged, the driven member is stationary. Early designs were typically dog clutches with a cam on the driven member used to disengage the dogs at the appropriate point. Greatly simplified single revolution clutches were developed in the 20th century, requiring much smaller operating forces and in some variations, allowing for a fixed fraction of a revolution per operation. Fast action friction clutches replaced dog clutches in some applications, eliminating the problem of impact loading on the dogs every time the clutch engaged. In addition to their use in heavy manufacturing equipment, single revolution clutches were applied to numerous small machines. In tabulating machines, for example, pressing the operate key would trip a single revolution clutch to process the most recently entered number. In typesetting machines, pressing any key selected a particular character and also engaged a single rotation clutch to cycle the mechanism to typeset that character. Similarly, in teleprinters, the receipt of each character tripped a single revolution clutch to operate one cycle of the print mechanism. In 1928, Frederick G. Creed developed a single turn wrap spring clutch that was particularly well suited to the repetitive start stop action required in teleprinters. In 1942, two employees of Pitney Bowes Postage Meter Company developed an improved single turn spring clutch. In these clutches, a coil spring is wrapped around the driven shaft and held in an expanded configuration by the trip lever. When tripped, the spring rapidly contracts around the power shaft engaging the clutch. At the end of one revolution, if the trip lever has been reset, it catches the end of the spring (or a pawl attached to it), and the angular momentum of the driven member releases the tension on the spring. These clutches have long operating lives—many have performed tens and perhaps hundreds of millions of cycles without the need of maintenance other than occasional lubrication. Cascaded pawl single revolution clutches superseded wrap spring single revolution clutches in page printers, such as teleprinters, including the Teletype Model 28 and its successors, using the same design principles. IBM Selectric typewriters also used them. These are typically disc shaped assemblies mounted on the driven shaft. Inside the hollow disc shaped drive drum are two or three freely floating pawls arranged so that when the clutch is tripped, the pawls spring outward much like the shoes in a drum brake. When engaged, the load torque on each pawl transfers to the others to keep them engaged. These clutches do not slip once locked up, and they engage very quickly, on the order of milliseconds. A trip projection extends out from the assembly. If the trip lever engaged this projection, the clutch was disengaged. When the trip lever releases this projection, internal springs and friction engage the clutch. The clutch then rotates one or more turns, stopping when the trip lever again engages the trip projection.

Другие конструкции

Кикбек-тормозное сцепление: встречается в некоторых типах синхронных электрочасов, изготовленных до 1940-х годов, для предотвращения обратного хода часов. Сцепление состояло из обмоточной пружинной тормозной муфты, соединенной с ротором одной или двумя ступенями редукции. Муфта блокировалась при вращении назад, но также обладала некоторым пружинным действием. Инерция ротора, вращающегося в обратном направлении, включала муфту и сжимала пружину. При разжатии пружины двигатель перезапускался в правильном направлении. Ременное сцепление: используется на сельскохозяйственной технике, газонокосилках, культиваторах и снегоочистителях. Мощность двигателя передается через систему ремней, которые ослаблены при работе двигателя на холостом ходу, но натяжной ролик может натянуть ремни, увеличивая трение между ремнями и шкивами. Муфта BMA: изобретена Уолдо Дж. Келли в 1949 году и используется для передачи крутящего момента между двумя валами, состоящими из неподвижного ведущего элемента, закрепленного на одном из валов, и подвижного ведущего элемента с контактной поверхностью, имеющей множество углублений. Электромагнитная муфта: обычно приводится в действие электромагнитом, являющимся неотъемлемой частью сцепления. Другой тип – муфта с магнитными частицами – содержит частицы, чувствительные к магнитному полю, в камере между ведущим и ведомым элементами. Подача постоянного тока заставляет частицы слипаться и прилипать к рабочим поверхностям. Включение и проскальзывание происходят особенно плавно. Обмоточное пружинное сцепление: имеет спиральную пружину, обычно намотанную проволокой квадратного сечения. Они были разработаны в конце XIX и начале XX века. В простейшей форме пружина закреплена одним концом на ведомом элементе, а другой конец остается свободным. Пружина плотно охватывает цилиндрический ведущий элемент. Если ведущий элемент вращается в направлении, которое приводит к разматыванию пружины, она незначительно расширяется и проскальзывает, хотя и с некоторым сопротивлением. Поэтому пружинные муфты обычно смазываются легким маслом. Вращение ведущего элемента в противоположном направлении заставляет пружину плотно обматываться вокруг ведущей поверхности, и муфта быстро блокируется. Крутящий момент, необходимый для проскальзывания пружинной муфты, экспоненциально возрастает с увеличением числа витков пружины, подчиняясь уравнению капстана.

Kickback clutch brakes: Found in some types of synchronous motor driven electric clocks built before the 1940s, to prevent the clock from running backwards. The clutch consisted of a wrap spring clutch brake that was coupled to the rotor by one or two stages of reduction gearing. The clutch brake locked up when rotated backwards, but also had some spring action. The inertia of the rotor going backwards engaged the clutch and wound the spring. As it unwound, it restarted the motor in the correct direction. Belt clutch: used on agricultural equipment, lawnmowers, tillers, and snow blowers. Engine power is transmitted via a set of belts that are slack when the engine is idling, but an idler pulley can tighten the belts to increase friction between the belts and the pulleys. BMA clutch: Invented by Waldo J Kelleigh in 1949, used for transmitting torque between two shafts consisting of a fixed driving member secured to one of said shafts, and a movable driving member, having a contacting surface with a plurality of indentations. Electromagnetic clutch: typically engaged by an electromagnet that is an integral part of the clutch assembly. Another type, the magnetic particle clutch, contains magnetically influenced particles in a chamber between driving and driven members—application of direct current makes the particles clump together and adhere to the operating surfaces. Engagement and slippage are notably smooth. Wrap spring clutch: has a helical spring, typically wound with square cross section wire. These were developed in the late 19th and early 20th century. In simple form the spring is fastened at one end to the driven member; its other end is unattached. The spring fits closely around a cylindrical driving member. If the driving member rotates in the direction that would unwind the spring expands minutely and slips although with some drag. Because of this, spring clutches must typically be lubricated with light oil. Rotating the driving member the other way makes the spring wrap itself tightly around the driving surface and the clutch locks up very quickly. The torque required to make a spring clutch slip grows exponentially with the number of turns in the spring, obeying the capstan equation.

Ручные коробки передач

Большинство автомобилей и грузовиков с механической коробкой передач используют сухое сцепление, которое водитель приводит в действие левой педалью. Усилие от педали передается на сцепление посредством гидравлической системы (главный и рабочий цилиндры) или троса. Сцепление разъединяется только тогда, когда водитель нажимает на педаль сцепления, поэтому по умолчанию коробка передач соединена с двигателем. Предусмотрено нейтральное положение, позволяющее отпустить педаль сцепления, удерживая автомобиль неподвижным. Сцепление необходимо для начала движения с места и обычно (но не всегда) используется для согласования оборотов двигателя и коробки передач при переключении передач, то есть для снижения оборотов двигателя (RPM) при повышении передачи и увеличения оборотов при понижении передачи. Сцепление обычно монтируется непосредственно к поверхности маховика двигателя, поскольку он уже обеспечивает удобный стальной диск большого диаметра, который может служить одной из ведущих пластин сцепления. Некоторые гоночные сцепления используют небольшие многодисковые пакеты, не являющиеся частью маховика. И сцепление, и маховик заключены в конический корпус коробки передач. Фрикционный материал диска сцепления может быть различным, часто используется органическая смола с медной проволокой или керамический материал.

Автоматические коробки передач

В автоматической коробке передач роль сцепления выполняет гидротрансформатор. Однако сама коробка передач часто включает в себя внутренние сцепления, такие как блокировка гидротрансформатора, для предотвращения проскальзывания гидротрансформатора, чтобы снизить потери энергии в трансмиссии и, следовательно, повысить экономию топлива.

Вентиляторы и компрессоры

Старые вентиляторы охлаждения двигателя с ременным приводом часто используют теплоактивируемую муфту, выполненную в виде биметаллической полосы. При низкой температуре пружина сжимается и закрывает клапан, позволяя вентилятору вращаться примерно на 20–30% от скорости коленчатого вала. По мере повышения температуры пружины она разжимается и открывает клапан, пропуская жидкость и заставляя вентилятор вращаться примерно на 60–90% от скорости коленчатого вала. Компрессор системы кондиционирования воздуха транспортного средства часто использует магнитные муфты для включения компрессора по мере необходимости.

Использование в мотоциклах

Мотоциклы обычно используют многодисковое мокрое сцепление, в котором диски сцепления работают в том же масле, что и трансмиссия. Такие сцепления обычно состоят из стопки чередующихся фрикционных дисков и стальных дисков. Фрикционные диски имеют выступы на внешних диаметрах, которые фиксируют их в корзине, приводимой во вращение коленчатым валом. Стальные диски имеют выступы на внутренних диаметрах, которые фиксируют их на входном валу трансмиссии. Комплект пружин или диафрагменная пружина прижимают диски друг к другу при включенном сцеплении. На мотоциклах сцепление приводится в действие ручным рычагом на левой рукоятке руля. Отсутствие давления на рычаг означает, что диски сцепления включены (передача крутящего момента), а оттягивание рычага к себе отключает диски сцепления посредством тросового или гидравлического привода, позволяя мотоциклисту переключать передачи или катиться накатом. На гоночных мотоциклах часто используются демпферные сцепления для устранения эффекта торможения двигателем, который, воздействуя только на заднее колесо, может вызвать нестабильность.