Rodzaje dwumasowych kół zamachowych

Trendy rozwoju w samochodowych układach napędowych od wielu lat są wytyczane głównie przez trzy firmy należące do Grupy Schaeffler, a mianowicie LuK, INA oraz FAG. Specjalistą od potocznie zwanych dwumasów jest pierwsza z nich - LuK.

Istotę stosowania oraz ogólną zasadę działania tego podzespołu przedstawiliśmy już jakiś czas temu. Tym razem przyjrzymy się występującym różnicom w ich budowie oraz celu stosowania niektórych rozwiązań konstrukcyjnych.

Dla przypomnienia przyjrzyjmy się najpierw jak jest zbudowane typowe dwumasowe koło zamachowe. Jak wskazuje sama nazwa, składa się ono z dwóch mas, które są ze sobą połączone dzięki systemowi sprężyn/tłumików wspartych na łożysku co umożliwia ich względne przemieszczenie.

Pierwsza z mas nazywana jest pierwotną. To na niej osadzony jest zębaty wieniec koła zamachowego służący do rozruchu silnika. Masa ta napędzana przez silnik jest na stałe połączona z jego wałem korbowym i wraz z pokrywą tworzy wnękę, w której osadzone są sprężyny łukowe. Montowane w specjalnych ślizgach spełniają rolę tłumika drgań skrętnych.

Po przeciwnej stronie znajduje się masa wtórna, która łączy dwumasowe koło zamachowe ze skrzynią biegów poprzez powierzchnię cierną. Moment obrotowy z silnika przekazywany jest poprzez tarczę zabierakową mocowaną do masy wtórnej, a jej zderzaki umieszczone są pomiędzy sprężynami łukowymi. To właśnie ten element zapewnia współpracę pomiędzy masą pierwotną a masą wtórną.

Dlatego tez jego konstrukcja jest bardzo istotna z punktu widzenia skuteczności tłumienia drgań skrętnych w układzie napędowym z dwumasowym kołem zamachowym. Pierwsza, sztywna wersja tarczy zabierakowej jest przynitowana do masy wtórnej.

Zderzaki tarczy zabierakowej znajdujące się docelowo pomiędzy sprężynami mogą mieć różny kształt dla poprawienia właściwości tłumienia. Przeważnie są one jednak symetryczne.

Aby przenieść stale zwiększające się momenty obrotowe silników na niskich obrotach zaczęto stosować sprężyny o coraz ostrzejszych charakterystykach, przez co spadła zdolność tłumienia. Druga generacja tarcz zabierakowych została więc wyposażona w wewnętrzny tłumik drgań.

Boczne panele zaprojektowano wraz z otworami, w których wstawiono proste sprężyny tłumiące. W ten sposób otrzymano jeszcze lepsze właściwości tłumienia nawet w najwyższych zakresach momentu obrotowego.

Trzecia generacja tarczy zabierakowej nie jest mocowana do masy wtórnej. Zabierak jest swoistą sprężyną talerzową ściśniętą przez dwie tarcze. Moment obrotowy silnika przekazywany jest dzięki sile tarcia pomiędzy zaciskiem i sprężyną talerzową. Tego typu połączenie chroni dwumasowe koło zamachowe przed nadmiernymi przeciążeniami.

W budowie dwumasowych kół zamachowych stosuje się także różnej konstrukcji sprężyny łukowe. Ich zróżnicowanie pozwala dopasować cały układ do danego pojazdu i parametrów obciążenia. Najprostszą formą jest pojedyncza sprężyna łukowa.

Obecnym standardem jest jednak tzw. jednostopniowy układ równoległy, który składa się ze sprężyny zewnętrznej i wewnętrznej o podobnej długości. W dwustopniowej sprężynie równoległej wewnętrzna sprężyna jest krótsza dzięki czemu otrzymuje się zróżnicowane tłumienie dla poszczególnych prędkości obrotowych silnika.

Połączeniem zalet systemów równoległych i liniowych jest trzystopniowa sprężyna łukowa, która składa się ze sprężyny zewnętrznej i dwóch wewnętrznych, co pozwala na optymalne tłumienie w każdym zakresie obrotów silnika.

Jednym z najnowszych rozwiązań w omawianej dziedzinie jest dwumasowe koło zamachowe z tłumikiem drgań skrętnych typu wahadłowego.

W tym rozwiązaniu zrezygnowano z wewnętrznego tłumika drgań w tarczy zabierakowej. W to miejsce zamontowano cztery wahadełka umieszczone na piaście dwumasu. Każde z nich osadzono na dwóch bolcach, które mogą się w nich przemieszczać dzięki nerkowatym otworom.

Wahadełka nie przenoszą żadnej siły, a ich rola amortyzacji bierze się z momentu bezwładności masy, która wynosi zaledwie 1 kg. Podczas jazdy drgania wahadła wywoływane są jego własną częstotliwością rezonansową. W skutek bezwładności masy wahadełka poruszają się w przeciwnym kierunku do drgań i w ten właśnie sposób amortyzują układ.

Rozwiązanie to zostało opracowane przy współpracy Grupy Schaeffler i BMW. Tak skonstruowane dwumasowe koło zamachowe charakteryzuje się znacznie lepszymi właściwościami tłumiącymi niż jego odpowiednik z wewnętrznym tłumikiem.

Kolejna wersją jest dwumasowe koło zamachowe zespolone ze sprzęgłem czyli DFC (Damped Flywheel Clutch). Zostało ono opracowane specjalnie na potrzeby konkretnych modeli aut (m.in. VW). Tak zbudowany dwumas stanowi specjalny moduł, w którym dwumasowe koło zamachowe zostało zespolone ze sprzęgłem zawierając przy tym optymalnie dobrane do całego układu tarczę i docisk.

Ostatnim z omawianych wariantów jest dwumasowe koło zamachowe powstałe na potrzeby układów napędowych z podwójnym sprzęgłem i bezstopniową skrzynią biegów CVT.

W tej wersji moment obrotowy przenoszony jest nie poprzez połączenie cierne pomiędzy masą wtórną i tarczą sprzęgła, ale bezpośrednio na wałek sprzęgłowy dzięki specjalnemu połączeniu. Takie rozwiązanie pozwala również na montaż różnych typów skrzyń biegów.

W tego rodzaju konstrukcji również występuje masa pierwotna i wtórna, tak jak to ma miejsce w typowym dwumasie, ale ta druga została zredukowana do postaci kołnierza, który łączy masę pierwotną z podwójnym sprzęgłem. W ten sposób podwójne sprzęgło stanowi część masy wtórnej dwumasowego koła zamachowego.

Dzięki temu pozbyto się wspólnego łożyskowania obu mas, gdzie łożysko przejmowało ciężar wywierany przez masę wtórną i docisk sprzęgła. Nie występuje także po stronie masy wtórnej powierzchnia cierna, znajduje się ona w podwójnym sprzęgle w postaci centralnej płyty umieszczonej pomiędzy tarczami obydwu sprzęgieł.

Dalszy rozwój dwumasowych kół zamachowych jest bardzo istotny, jako że bez tego elementu rozwój samochodowych układów napędowych byłby znacznie ograniczony wytrzymałością części mechanicznych. Skuteczne tłumienie drgań skrętnych w podzespołach pozwala nie tylko na dalszy wzrost parametrów w silnikach ale także na obniżenie spalania oraz emisji dwutlenku węgla.