Sprzęgło elektromagnetyczne i hydrokinetyczne

W samochodach montuje się skrzynie biegów różnego typu. Najpopularniejsza jest przekładnia manualna, najtańsza w eksploatacji i najmniej skomplikowana. Inne często spotykane rozwiązania to skrzynie automatyczne, półautomatyczne lub bezstopniowe.

Do przeniesienia napędu generowanego przez silnik do skrzyni biegów potrzebne jest sprzęgło. Umożliwia ono rozłączenie przekazywania momentu obrotowego w celu zmiany przełożenia, tak aby przełożenie danego biegu jak najmniej obciążało jednostkę napędową. Jak można się domyślić, w zależności od rodzaju przekładni stosowane są różnego rodzaju sprzęgła.

Najbardziej rozpowszechnione jest sprzęgło cierne (jednotarczowe, dwutarczowe lub wielotarczowe), wykorzystywane przede wszystkim przy manualnych skrzyniach biegów. Są również takie rodzaje, jak sprzęgło elektromagnetyczne lub hydrokinetyczne.

Sprzęgło elektromagnetyczne

Przenoszenie napędu odbywa się poprzez oddziaływanie pola magnetycznego na elektromagnesy. Sterowane są one przez kierowcę poprzez pedał sprzęgła. W tym momencie musimy rozróżnić dwie konstrukcje. Pierwsza z nich wykorzystuje zaciskane tarcze, a druga specjalny proszek umieszczony między elementami.

W pierwszym przypadku, z zaciskaną tarczą cierną, uzwojenie magnesu jest zlokalizowane w kole zamachowym. Dopływający do elektromagnesu prąd powoduje powstawanie pola magnetycznego. W efekcie tarcza dociskowa jest przysuwana do tarczy sprzęgła. Rozłączenie realizowane jest poprzez wciśnięcie pedału sprzęgła, co prowadzi do przerwania przewodzenia prądu i zaniku pola magnetycznego.

W drugim przypadku spotykane są rozwiązania sprzęgieł proszkowych tarczowych bądź bębnowych. Główną różnicą jest ich konstrukcja. Zasada działania jest jednak dość podobna. Pomiędzy elementami napędzającymi i napędzanymi znajduje się pasta bądź proszek ferromagnetyczny. Na skutek powstawania pola magnetycznego wspomniana substancja zaczyna tężeć. Polega to na zmianie struktury wewnętrznej, która pod wpływem działania siły magnetycznej zaczyna przypominać ciało stałe (w zależności od pola magnetycznego zmienne jest zestalenie pasty). Dzięki temu elementy układu się łączą.

Do zalet tego typu sprzęgieł zalicza się dużą trwałość ze względu na brak efektu ścierania się elementów sprzęganych. Pewną niedogodnością jest konieczność doprowadzania prądu do sprzęgła elektromagnetycznego. Konsekwencją wirowania elektromagnesu jest zużywanie się szczotek oraz pierścieni stykowych. Ich szybkie ścieranie się powoduje konieczność serwisowania, a serwisowanie do najtańszych nie należy.

Obecnie tego typu rozwiązanie stosuje się w różnych samochodach. Często sprzęgło elektromagnetyczne można spotkać w małych autach typu SUV bądź crossover.

Sprzęgło hydrokinetyczne

Wszystko zaczęło się w momencie opracowania przez prof. Hermanna Föttingera (1877-1945) zasady działania sprzęgła hydrokinetycznego. Według jego założenia sprawdzającym się rozwiązaniem jest umieszczenie w jednej obudowie pompy oraz turbiny. Napędzane są one przez krążącą w obiegu zamkniętym ciecz (najczęściej stosuje się olej, emulsję lub wodę). Praca sprzęgała odbywa się przez wymuszony ruch obrotowy z elementu czynnego do biernego. Przez lata ta koncepcja była rozwijana i ulepszana.

Obecnie zasada działania sprzęgła kinetycznego polega na wykorzystaniu bezwładności cieczy umieszczonej w sprzęgle. Moment obrotowy przekazywany jest przez płyn krążący między łopatkami pompy i turbiny (ustawione są przeciwlegle). Siła napędowa przenoszona jest między wałem korbowym a skrzynią biegów. Do poruszania cieczy służy wirnik pompy umieszczony na wale korbowym silnika. Za to łopatki wirnika turbiny odbierające przekazywaną energię znajdują się na wałku sprzęgłowym skrzyni biegów. Łopatki umieszczone są naprzeciw siebie i wypełnione cieczą w 70-80% objętości.

Energia kinetyczna cieczy wytwarzana jest przez obracający się wał korbowy i pracującą pompę. Wymuszenie obiegu płynu w sprzęgle powoduje poruszanie się odśrodkowe łopatek pompy. Płyn wpływający w kanały międzyłopatkowe turbiny powoduje ich poruszanie się i w efekcie energia kinetyczna jest z powrotem zamieniana na energię mechaniczną. W sprzęgle hydrokinetycznym ruch cieczy jest wirowy, pomiędzy pompą a turbiną. Ruch obu tych elementów jest powodowany przez różnicę prędkości.

Przenoszony moment obrotowy jest zależny od wirowania cieczy. Można z tego wywnioskować, że im większy jest poślizg sprzęgła, tym większy moment zostanie przeniesiony. Poślizg sprzęgła określany jest stosunkiem:

s = (np-nt)/np

gdzie:

s – poślizg sprzęgła,

np – prędkość obrotowa pompy,

nt – prędkość obrotowa turbiny.

Należy pamiętać, że moment obrotowy pompy jest równy momentowi turbiny:

Mp = Mt = M

gdzie:

Mp – moment obrotowy pompy,

Mt – moment obrotowy turbiny.

Sprawność sprzęgła jest to stosunek mocy turbiny do mocy pompy. Podstawiając do zależności, otrzymujemy:

η = Nt/Np = (Mt x nt)/(Mp x np) = nt/np

gdzie:

η – sprawność sprzęgła,

Np – moc pompy,

Nt – moc turbiny,

np – prędkość obrotowa pompy,

nt – prędkość obrotowa turbiny,

Mp – moment obrotowy pompy,

Mt – moment obrotowy turbiny.

Przełożeniem kinematycznym sprzęgła nazywamy stosunek prędkości turbiny i pompy:

i = nt/np

gdzie:

i – przełożenie kinematyczne sprzęgła,

np – prędkość obrotowa pompy,

nt – prędkość obrotowa turbiny.

Podstawiając do powyższych wzorów, otrzymujemy:

η = i = 1-s

gdzie:

η – sprawność sprzęgła,

i – przełożenie kinematyczne sprzęgła,

s – poślizg sprzęgła.

Sprzęgło hydrokinetyczne pracuje cały czas z poślizgiem. W wyniku tego jego sprawność jest mniejsza niż klasycznego sprzęgła ciernego. Przekłada się to na nieco większe zużycie paliwa.

Tego typu sprzęgło jest idealne do automatycznych skrzyń biegów. Wynika to z własności wykorzystywanej cieczy. Do zalet możemy zaliczyć m.in.:

• płynne przeniesienie generowanego momentu obrotowego przez silnik,
• łagodne sprzęganie wału korbowego z wałem sprzęgłowym,
• łagodny rozruch,
• cicha praca,
• tłumienie drgań momentu obrotowego,
• duża trwałość sprzęgła,
• regulacja prędkości obrotowej elementu biernego (osiągana jest przez zmianę ilości cieczy pośredniczącej lub odległości elementu biernego od czynnego),
• zabezpieczenie układu przed przegrzaniem i przeciążeniem.

Sprzęgło hydrokinetyczne ma też swoje wady:

• zmienny poślizg zmniejsza sprawność układu napędowego,
• zmiana energii mechanicznej na cieplną, co wymaga dodatkowego chłodzenia sprzęgła,
• nieco większe gabaryty,
• dość długi czas potrzebny do włączenia bądź wyłączenia sprzęgła.

Sprzęgło hydrokinetyczne jest wykorzystywane głównie w ciężkich pojazdach. Dzięki ułatwianiu płynnego ruszania i rozbiegu jest ono o wiele bardziej efektywne niż klasyczne rozwiązanie. Ze względu na szybkie zużywanie się okładzin tradycyjnego sprzęgła stosowanie odmiany hydrokinetycznej jest o wiele bardziej efektywne.

Kolejną grupą pojazdów, w których możemy spotkać się z opisywanym sprzęgłem, są samochody terenowe. Jest to spowodowane zabezpieczaniem układu napędowego przed przenoszeniem drgań oraz nagłymi przeciążeniami. Podniesienie trwałości takich elementów, jak wały napędowe, przekładnie zębate oraz silnika, jest istotne ze względów eksploatacyjnych. W szczególności jeżeli samochód jeździ w trudniejszym terenie.

Obecnie używa się różnego rodzaju sprzęgieł w samochodach. Każdy rodzaj charakteryzuje się innymi właściwościami, wadami i zaletami. Wszystko zależy od przeznaczenia pojazdu i rodzaju/typu sprzęgła użytego w skrzyni biegów.

Źródło: Orzełowski S.: Budowa podwozi i nadwozi samochodowych. WSiP • Mlcknass W., Popiol R., Sprenger A.: Sprzęgła skrzyni biegów i półosie napędowe • Voith Polska • Siemens • Transfluid