Jak działa sprzęgło cierne? [poradnik]

Jednak czy ktoś z Was wie, jak prawidłowo eksploatować sprzęgło? Większość używa go mechanicznie, wciskając odpowiedni pedał i jednocześnie zmieniając bieg (przy ręcznej skrzyni biegów). Nikt nie zastanawia się, jak skomplikowany może być proces, dzięki któremu następuje przeniesienie napędu z silnika do skrzyni biegów, a następnie na koła, i jakie negatywne skutki ma jego niewłaściwa obsługa.

Jak działa sprzęgło cierne? Mówiąc najprościej: gdy wciskamy pedał sprzęgła, przesuwna tarcza dociskowa jest odsuwana od napędzanej tarczy sprzęgłowej osadzonej na wielowypuście wałka sprzęgłowego. Ustaje wtedy nacisk na tarczy sprzęgła i znika siła tarcia. Tarcza sprzęgła, a wraz z nią dalsze elementy układu napędowego mogą teraz wirować niezależnie od wału korbowego silnika. Gdy puszczamy, tarcza dociskowa z powrotem dosuwana jest do tarczy sprzęgłowej i zaczyna wirować razem z nią, zgodnie z prędkością obrotową wału korbowego silnika.

Bardziej technicznie: układ sprzęgła składa się z kilku istotnych współpracujących ze sobą elementów. Pierwsza ważna część to koło zamachowe. Jego zadaniem jest krótkotrwałe magazynowanie energii kinetycznej koniecznej do wspomagania kolejnych suwów pracy silnika. Tylko przy jednym z nich (pracy) wytwarzana jest energia, która musi wystarczyć na trzy pozostałe suwy: dolot, sprężanie oraz wylot. Koło zamachowe (może być jedno- lub dwumasowe) również odgrywa istotną rolę przy rozruchu silnika. To właśnie ono jest napędzane przez rozrusznik, inicjując tym samym pracę jednostki napędowej.

Drugim, nie mniej ważnym elementem układu sprzęgła jest mechanizm dociskowy. Składa się on z obudowy i wyżej wymienionej tarczy dociskowej. Sprężyna, na przykład talerzowa, powoduje przy tym nacisk tarczy dociskowej na tarczę sprzęgłową. Trzecia, chyba najistotniejsza część opisywanego układu to tarcza sprzęgłowa. Jest ona zbudowana z okładzin ciernych i tłumików drgań skrętnych. Ostatnim elementem odpowiedzialnym za pracę opisywanego układu jest mechanizm wyciskowy. Składa się on z łożyska wyciskowego, tulei prowadzącej i widełek włączających. Właśnie ten mechanizm działa jako pierwszy po wciśnięciu pedału sprzęgła.

Podsumowując: zasada działania sprzęgła polega na przekazywaniu momentu obrotowego z koła zamachowego na skrzynię biegów. Rozróżnia się dwa tryby pracy. Pierwszy, gdy wciskamy pedał sprzęgła. W tym przypadku możliwa jest zmiana biegu. Drugim trybem pracy (następującym przy zwolnieniu pedału sprzęgła) jest przesuwanie tarczy dociskowej w stronę koła zamachowego. Tarcza dociskowa ma wówczas ścisły kontakt z tarczą sprzęgłową oraz kołem zamachowym i zaczyna się obracać w rytmie prędkości obrotowej silnika.

Zużycie sprzęgła jest największe przy dynamicznej jeździe, ale też podczas jazdy miejskiej (częste włączanie i rozłączanie sprzęgła). Przez dynamiczną jazdę rozumie się szybkie przemieszczanie się pojazdem, co związane jest z dużymi prędkościami obrotowymi wału korbowego silnika. Zmiana biegu w takich warunkach pracy wpływa na szybsze zużywanie się okładzin tarczy sprzęgłowej.

Poruszanie się samochodem w mieście wiąże się z zatorami drogowymi. Większość czasu to jazda na tzw. półsprzęgle. W takim przypadku sprzęgło znacznie się zużywa ze względu na przemieszczanie się tarczy dociskowej w stosunku do sprzegłowej, mimo występującego tarcia między nimi. Trzeba również brać pod uwagę częste włączanie i rozłączanie sprzęgła podczas zatrzymywania się i ruszania.

Obecnie stosowane sprzęgła z okładzinami ciernymi powstały dopiero w XX wieku. Wcześniej w przypadku tzw. suchych sprzęgieł używane były nietrwałe elementy cierne. Wykonywano je z drewna bukowego lub dębowego. Wszystko zmieniło się w momencie wynalezienia żywicy fenolowej. Dzięki tej substancji wiążącej materiał cierny w okładzinach sprzęgłowych możliwe jest nadawanie dowolnego kształtu.

Największą zaletą są jednak właściwości wytrzymałościowe (po zastosowaniu odpowiedniej obróbki), a więc odporność na wysokie temperatury pracy i ścieranie. Wraz z wprowadzeniem na rynek nowoczesnych ciernych tarcz sprzęgłowych poddawano je niełatwym próbom wytrzymałościowym. Badania prowadzone były w temperaturach przekraczających nawet 400°C. Wraz z biegiem lat zmieniały się stosowane materiały. Do budowy okładzin ciernych jako głównego komponentu zaczęto wykorzystywać syntetyczne polimery.

Obecnie siły oraz momenty obrotowe, które muszą zostać przeniesione przez sprzęgło, są zdecydowanie większe. We współczesnych konstrukcjach sprzęgieł suchych używa się polimerów organicznych. Stosuje się głównie duroplasty lub elastomery o chemicznej strukturze ulegającej zmianom powyżej 320°C. Całkowity ich rozkład następuje przy temperaturze 450°C.

Z tego wniosek, że szybkość zużywania się okładzin ciernych wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Średnia temperatura pracy powierzchni ciernych wynosi ok. 100°C. Przy największych obciążeniach wartość ta może wzrosnąć nawet do 400°C. Jak już wspominałem, w takim wypadku okładziny zużywają się znacznie szybciej. Uszkodzenie powierzchni ciernej charakteryzuje się spadkiem współczynnika tarcia.

Z punktu widzenia komfortu podróżujących niepożądane są drgania skrętne. Wpływają one również negatywnie na mechanizmy pojazdu. Jak można się domyślić, elementem generującym drgania jest silnik. Są one przenoszone z wału korbowego silnika przez tarczę sprzęgłową na układ przeniesienia napędu.

Efekt migotania tarczy sprzęgłowej polega na krótkotrwałym, cyklicznym osłabieniu (w skrajnych przypadkach zrywaniu) kontaktu ciernego pod wpływem drgań rezonansowych. Powoduje to zwiększony hałas pracy oraz okresowe przeciążenia układu. Z tym problemem inżynierowie przez długi czas nie mogli sobie poradzić. Obecnie został on rozwiązany przez odpowiedni dobór materiałów i współpracujących z nimi części metalowych.

Rozróżnia się kilka rozwiązań konstrukcyjnych okładzin ciernych. Przykładowe to:

• okładzina cierna o konstrukcji plecionej,

• okładzina cierna o konstrukcji prasowanej (wykonywana w głównej mierze z żywic fenolowych, melaminowych, kauczuku, sulfatu baru, kevlaru czy włókna szklanego).