Sprzęgło cierne [cz.1] - budowa i działanie

Silnik spalinowy to piękna, pełna inżynierskiej wiedzy konstrukcja, niestety niedoskonała. Koniecznością stało się stosowanie skrzyń przekładniowych, a razem z nimi sprzęgieł. Na czym polega działanie sprzęgła ciernego?

Skrzynie przekładniowe zapewniają dostosowanie obrotów wału silnika do warunków jazdy. Jest to koniecznością, ponieważ tylko silnik elektryczny ma moc użyteczną w szerokim zakresie prędkości obrotowych.

Istnienie skrzyni biegów nie jest możliwe bez sprzęgła. Najbardziej dostrzegalna jego rola jest podczas ruszania. Wtedy to wał silnika musi obracać się z określoną prędkością, równoważącą siły działające na elementy ruchome. Problemem jest to, że wał napędowy pojazdu jest wtedy nieruchomy. Konieczny jest zatem zespół części, który przeniesie ruch jedno na drugie.

Zmiany przenoszone są głównie w trakcie ruszania, ale też podczas zmiany biegów w trakcie jazdy. Wtedy to również następuje zrównanie prędkości obrotowych. Najprostsze i najskuteczniejsze jest przeniesienie ruchu obrotowego poprzez tarcie. Stąd właśnie popularność konstrukcji sprzęgieł ciernych.

Jednak obecnie konstrukcje samochodowe są znacznie bardziej zaawansowane technicznie i zwykłe przenoszenie ruchu obrotowego nikomu już nie wystarcza. Dlatego od konstruktorów wymaga się, aby wymiary sprzęgła były niewielkie, jego trwałość znaczna oraz by mogło przenosić odpowiedni moment obrotowy. W obliczeniach uwzględniona jest także siła jego włączania po to, aby nie wypuścić samochodu męczącego w codziennej eksploatacji.

Działanie sprzęgła to zasługa wielu odrębnych elementów, z których każdy ma swoją oddzielną funkcję. Pierwszym z nich jest koło zamachowe, które stosowane jest ze względu na cykle pracy jednostki napędowej. Jego rolą jest wygładzenie przenoszonej siły napędowej i uniezależnienie się w pewnym stopniu od konkretnych cykli spalania paliwa w silniku.

Ponieważ dla sprzęgła koło zamachowe jest jedną z powierzchni ciernych, to konieczne jest dobre odprowadzanie ciepła podczas włączania i wyłączania. Jednym z ciekawych rozwiązań są stosowane w kole zamachowym otwory, które służą usuwaniu zużytego materiału ze startych okładzin.

Koło zamachowe może być jedno lub dwumasowe. Ta druga konstrukcja znacznie lepiej redukuje hałas oraz wibracje. Lepiej filtruje drgania przenoszone przez skrzynię biegów. Niestety jest też droższe w serwisowaniu.

Drugim elementem jest zespół dociskowy, który złożony jest z oprawy sprzęgła oraz tarczy dociskowej, połączonej z nią sprężyną obwodową. Dopiero pomiędzy nimi znajduje się słynna sprężyna talerzowa.

Najważniejszym elementem jest tarcza cierna, która zbudowana jest z okładzin ciernych i tłumików drgań skrętnych. Jej piasta współpracuje z wałem sprzęgłowym. To właśnie jej zużycie odpowiedzialne jest za popularne „ślizganie się” sprzęgła.

Sprzęgło nie mogłoby działać bez mechanizmu wyciskowego odpowiedzialnego za rozłączanie. Składa się on z łożyska wyciskowego, tulei prowadzącej oraz widełek włączających.

Jak działa sprzęgło? To wbrew pozorom proste – moment obrotowy z koła zamachowego przenoszony jest na tarczę cierną. Polega to na zwykłym, fizycznym tarciu. Część tego momentu przekazywana jest bezpośrednio, a część poprzez oprawę, sprężyny i tarczę dociskową.

Wyróżniamy dwa podstawowe tryby pracy. W pierwszym z nich tarcza sprzęgła jest mocno dociśnięta do koła zamachowego. Wtedy tarcza sprzęgła kieruje przez wielowypust piasty cały moment obrotowy na wałek sprzęgłowy skrzyni biegów. Aby przejść do drugiego trybu pracy – rozłączenia, należy wywrzeć siłę na łożysko wyciskowe, które przeniesie ją na sprężynę talerzową. To doprowadzi do uwolnienia tarczy ciernej i koła zamachowego przy użyciu do tego sprężyn obwodowych.

W zespole dociskowym najważniejsza jest wspomniana tarcza dociskowa współpracująca z tarczą cierną. Ze względu na tarcie rozgrzewa się ona do znacznych temperatur rzędu kilkuset stopni. Dlatego wykonana jest zazwyczaj z żeliwa sferoidalnego lub szarego. Istotny jest także jej kształt, który wspomaga odprowadzanie ciepła. Średnica jest maksymalnie duża w stosunku do przekroju. Stosowane są także wypustki zwiększające powierzchnię chłodzącą.

Duże znaczenie mają także sprężyny płytkowe, które blokują tarczę w obudowie sprzęgła, przenoszą nawet do połowy momentu obrotowego i odsuwają tarczę dociskową od tarczy sprzęgła w momencie rozłączenia.

Jednak główną sprężyną w układzie jest sprężyna talerzowa, wykonana zazwyczaj ze stopowej stali chromowej po obróbce cieplnej i powierzchniowej. Obróbkę – np. hartowanie stosuje się, aby zapobiec przedwczesnemu zużyciu. Zadaniem sprężyny talerzowej jest wywieranie nacisku na tarczę sprzęgła. Nacisk powstaje poprzez przegięcie sprężyny, zależnie od wymiarów talerza i kąta ugięcia.

Więcej o pracy sprzęgła, usterkach i poszczególnych jego składowych w drugiej części artykułu.