Η κατάσταση λειτουργίας του συμπλέκτη χαρακτηρίζεται από το λόγο στροφών εξόδου εισόδου:

Transcript

1 3 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΣΤΡΟΦΩΝ Ο μετατροπέας στροφών, ή όπως έχει καθιερωθεί συμπλέκτης, μεταδίδει ροπή μεταξύ του σφονδύλου του κινητήρα και του άξονα εισόδου του κιβωτίου ταχυτήτων, επιτρέποντας την περιστροφή τους με διαφορετικό αριθμό στροφών. Η ροπή μπορεί να μεταδίδεται από τον κινητήρα στο κιβώτιο ταχυτήτων ή αντίθετα, από το κιβώτιο ταχυτήτων στον κινητήρα, όπως πχ. κατά την πορεία χωρίς πίεση του πεντάλ καυσίμου (όταν το όχημα κινείται λόγω αδράνειας ή σε κατηφόρα), καθιστώντας δυνατή την εκμετάλλευση της πεδητικής ροπής του κινητήρα για την επιβράδυνση του οχήματος. Επειδή ο συμπλέκτης δεν περιλαμβάνει κάποιο σταθερό στοιχείο που να μπορεί να παραλαμβάνει ροπή, η εισερχόμενη στο συμπλέκτη ροπή M 1 είναι ίση προς την εξερχόμενη M : M 1 M (3.1) Η κατάσταση λειτουργίας του συμπλέκτη χαρακτηρίζεται από το λόγο στροφών εξόδου εισόδου: n n 1 (3.) ισχύ: Ο βαθμός απόδοσης η της σύμπλεξης είναι ο λόγος της εξερχόμενης προς την εισερχόμενη P P 1 M M n n 1, (3.3) όπου P 1, P : οι ισχείς, Μ 1, Μ : οι ροπές, ω 1, ω : οι γωνιακές ταχύτητες και n 1, n : οι στροφές εισόδου και εξόδου αντίστοιχα. Δηλαδή ο βαθμός απόδοσης της σύμπλεξης είναι ίσος προς το λόγο στροφών εξόδου εισόδου ν. Η διαφορά μεταξύ εισερχόμενης ισχύος P 1 και εξερχόμενης ισχύος P αν υπάρχει είναι απώλεια ισχύος. Η χρήση συμπλέκτη είναι απαραίτητη σε οχήματα με μηχανικό κιβώτιο ταχυτήτων (με διακριτές σχέσεις μετάδοσης), για την κάλυψη του «διακένου στροφών», δηλ. της διαφοράς 9

2 μεταξύ μηδενικών στροφών και ελάχιστων στροφών λειτουργίας του κινητήρα. Χωρίς τη μεσολάβηση του συμπλέκτη, οι ελάχιστες στροφές με τις οποίες ο κινητήρας μπορεί να κινήσει τους τροχούς είναι οι ελάχιστες στροφές λειτουργίας του διά της μέγιστης συνολικής σχέσης μετάδοσης του μηχανικού συστήματος μετάδοσης κίνησης. Ωστόσο κατά την εκκίνηση του οχήματος, οι τροχοί πρέπει να επιταχυνθούν από αρχικά μηδενικές στροφές μέχρι τις στροφές που αντιστοιχούν στις ελάχιστες στροφές λειτουργίας του κινητήρα. Αυτό γίνεται δυνατό μέσω της διαφοράς στροφών μεταξύ κινητήρα και άξονα εισόδου του κιβωτίου ταχυτήτων (ολίσθηση) που επιτρέπει ο συμπλέκτης. Έτσι ο κινητήρας μπορεί να λειτουργεί εντός του πεδίου στροφών λειτουργίας του, και μάλιστα στις στροφές που αποδίδουν την αναγκαία για την εκκίνηση του οχήματος ροπή, ενώ μέσω του (ολισθαίνοντος) συμπλέκτη να μεταδίδονται στο κιβώτιο ταχυτήτων επαρκώς χαμηλές στροφές για την περιστροφή των τροχών κατά την εκκίνηση. Χρησιμοποιούνται κυρίως μηχανικοί ή υδραυλικοί συμπλέκτες. 3.1 Μηχανικός συμπλέκτης Η αρχή λειτουργίας ενός μηχανικού συμπλέκτη παριστάνεται στο Σχ Επιφάνειες επί του σφονδύλου του κινητήρα και του άξονα εισόδου του κιβωτίου ταχυτήτων πιέζονται μεταξύ τους από μία δύναμη F, ώστε να είναι δυνατή η μετάδοση ροπής μεταξύ τους δια τριβής. Το μέγεθος της δύναμης F καθορίζει τη μέγιστη ροπή που μπορεί να μεταδίδεται. Αν η μεταδιδόμενη ροπή είναι μικρότερη αυτού του ορίου, η μετάδοσή της γίνεται χωρίς ολίσθηση μεταξύ των επιφανειών τριβής (n = n 1 ), ενώ αν η μεταδιδόμενη ροπή είναι ίση προς το όριο, η μετάδοσή της γίνεται με ολίσθηση (n < n 1 ). Όταν παύει η επενέργεια της δύναμης F, διακόπτεται η μετάδοση ροπής. Σχ Αρχή λειτουργίας μηχανικού συμπλέκτη: s: επιφάνειες τριβής, F: δύναμη πίεσης, r m : μέση ακτίνα επενέργειας της δύναμης πίεσης. 10

3 Έτσι, οι λειτουργίες που επιτελεί ένας μηχανικός συμπλέκτης είναι: - Γεφύρωση του «διακένου στροφών» ( 3). - Διακοπή της μετάδοσης ροπής από τον κινητήρα προς το κιβώτιο ταχυτήτων για αλλαγή ταχύτητας (πράγμα που καθιστά αναγκαία τη χρήση μηχανικών συμπλεκτών σε οχήματα με κιβώτια ταχυτήτων στα οποία για αλλαγή ταχύτητας απαιτείται διακοπή της μετάδοσης ροπής, αφού οι υδραυλικοί συμπλέκτες δεν προσφέρουν αυτή τη δυνατότητα). - Διακοπή της μετάδοσης ροπής από τον κινητήρα προς το κιβώτιο ταχυτήτων κατά τη στάση του οχήματος με τον κινητήρα σε λειτουργία (αν το κιβώτιο ταχυτήτων δεν είναι αποσυμπλεγμένο). - Διακοπή της μετάδοσης ροπής από το κιβώτιο ταχυτήτων προς τον κινητήρα κατά την πέδηση, αν μία μεγάλη ροπή πέδησης τείνει να μειώσει τις στροφές του κινητήρα κάτω από τις ελάχιστες στροφές λειτουργίας του, σταματώντας τη λειτουργία του. - Περιορισμός μέσω ολίσθησης της μεταδιδόμενης από το κιβώτιο ταχυτήτων προς τον κινητήρα ροπής λόγω απότομων εμποδίων επί της οδού, για προστασία του κινητήρα από υπερφόρτωση. Κατά τη διάρκεια της ολίσθησης των επιφανειών τριβής η μεταδιδόμενη ροπή M 1 = M είναι ίση προς τη ροπή εμπλοκής Μ e του συμπλέκτη: M z F, (3.1.1) e r m όπου μ : ο κινητικός συντελεστής τριβής μεταξύ των τριβόμενων επιφανειών, z : ο αριθμός των τριβόμενων επαφών ( για συμπλέκτη ενός δίσκου), F : η δύναμη πίεσης, r m : η μέση ακτίνα επενέργειας των τάσεων τριβής (Σχ.3.1.1), r m 3 r 3 a a r r 3 i i r r a r i, r a, r i η εξωτερική και εσωτερική ακτίνα των επιφανειών τριβής. Όπως φαίνεται από την εξ.3.1.1, αν αγνοηθεί η περιορισμένη μεταβολή του συντελεστή τριβής με την ταχύτητα ολίσθησης των τριβόμενων επιφανειών και τη θερμοκρασία, η ροπή εμπλοκής Μ e ενός συμπλέκτη είναι σταθερό χαρακτηριστικό μέγεθος του συμπλέκτη, που εξαρτάται μόνον από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του. 11

4 Η ροπή εμπλοκής Μ e είναι η μέγιστη ροπή που μπορεί να μεταδώσει ο συμπλέκτης και επιλέγεται πάντα μεγαλύτερη της μέγιστης ροπής του κινητήρα. Έτσι, κατά την ομαλή πορεία του οχήματος η μεταδιδόμενη ροπή Μ 1 = Μ είναι μικρότερη της Μ e, η μετάδοση της ροπής γίνεται χωρίς ολίσθηση (n = n 1 ), και ο βαθμός απόδοσης της σύμπλεξης είναι 1. Αν, όπως πχ. κατά τη διάρκεια της εμπλοκής ή λόγω ενός εμποδίου επί του δρόμου, η μεταδιδόμενη ροπή φθάσει την οριακή της τιμή Μ e, ο συμπλέκτης ολισθαίνει. (Στη δεύτερη περίπτωση, επειδή ο στατικός συντελεστής τριβής είναι λίγο μεγαλύτερος του κινητικού, η ολίσθηση αρχίζει για τη λίγο μεγαλύτερη τιμή της Μ e σύμφωνα με την εξ που αντιστοιχεί στο στατικό συντελεστή τριβής). Η μεταδιδόμενη ροπή Μ 1 = Μ (ίση προς τη ροπή εμπλοκής Μ e όταν n n 1 ), οι ισχείς εισόδου και εξόδου P 1 και P (σχετικές τιμές) και ο βαθμός απόδοσης η της σύμπλεξης συναρτήσει του λόγου στροφών εξόδου εισόδου ν = n /n 1 παριστάνονται στο Σχ.3.1., για την απλουστευμένη περίπτωση σταθερού συντελεστή τριβής μεταξύ των τριβόμενων επιφανειών, όπως και για πραγματικές συνθήκες, όπου ο συντελεστής τριβής αυξάνεται με τη μείωση της ολίσθησης. Σχ.3.1. Μεταδιδόμενη ροπή Μ 1 = Μ, εισερχόμενη και εξερχόμενη ισχύς P 1 και P (σχετικές τιμές) και βαθμός απόδοσης της σύμπλεξης η μηχανικού συμπλέκτη συναρτήσει του λόγου στροφών εξόδου εισόδου ν = n /n 1. Για ν = 1 είναι Μ 1 = Μ < M e. Η διαφορά P 1 P είναι απώλεια ισχύος υπό μορφή θερμότητας. Κατά την εκκίνηση του οχήματος ο κινητήρας τίθεται σε λειτουργία χωρίς φορτίο, με αποσυμπλεγμένο το κιβώτιο ταχυτήτων και το συμπλέκτη σε σύμπλεξη. Μόλις ο κινητήρας 1

5 φθάσει τις ελάχιστες στροφές λειτουργίας του, αποσυμπλέκεται ο συμπλέκτης, δηλ. αναιρείται η δύναμη F (και η επαφή των δύο επιφανειών), και εμπλέκεται ταχύτητα (συνήθως η 1 η ) στο κιβώτιο ταχυτήτων. Αμέσως μετά επανασυμπλέκεται ο συμπλέκτης, δηλ. αποκαθίσταται η δύναμη F. Κατά την έναρξη της επαφής των επιφανειών τριβής η επιφάνεια του σφονδύλου περιστρέφεται με την ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα, ενώ αυτή του άξονα εισόδου του κιβωτίου ταχυτήτων είναι ακίνητη. Λόγω της ολίσθησης υπό την επενέργεια της δύναμης F, μεταξύ των δύο επιφανειών αναπτύσσεται ροπή ίση προς τη ροπή εμπλοκής Μ e. Έτσι, στο ένα άκρο της κινητήριας ατράκτου ασκείται η ροπή του κινητήρα M Μ και στο άλλο η (μεγαλύτερη) αντίθετης φοράς ροπή εμπλοκής Μ e, με αποτέλεσμα την επιβράδυνσή της. Αντίστοιχα, στο ένα άκρο της κινουμένης ατράκτου ασκείται η ροπή εμπλοκής Μ e και στο άλλο η (μικρότερη) αντίθετης φοράς ροπή αντίστασης εκκίνησης του οχήματος Μ Α, με αποτέλεσμα την επιτάχυνσή της (Σχ.3.1.3). Η επιβράδυνση της κινητήριας ατράκτου και η επιτάχυνση της κινούμενης συνεχίζονται μέχρι οι γωνιακές ταχύτητες των δύο ατράκτων να εξισωθούν. Σχ Επιβράδυνση της κινητήριας ατράκτου υπό την επίδραση της ροπής Μ e M M και επιτάχυνση της κινούμενης ατράκτου υπό την επίδραση της ροπής Μ e Μ A. Στο Σχ φαίνεται η χρονική εξέλιξη των γωνιακών ταχυτήτων του κινητήρα και του άξονα εισόδου του κιβωτίου ταχυτήτων κατά την εκκίνηση οχήματος, όπως υπολογίστηκε με την απλουστευτική παραδοχή σταθερής ροπής του κινητήρα, ίσης προς τη μέγιστη ροπή του Μ Μ, και σταθερού συντελεστή τριβής δίσκου πλακών, για συμπλέκτες με τρεις διαφορετικές ροπές εμπλοκής Μ e (ίσες προς 1,0, 1,5 και,0 φορές τη μέγιστη ροπή του κινητήρα Μ Μ ) και για τρεις διαφορετικές αρχικές γωνιακές ταχύτητες ω 0 του κινητήρα. Η διάρκεια της εμπλοκής και η κοινή γωνιακή ταχύτητα κινητήρα και άξονα εισόδου του κιβωτίου ταχυτήτων στο πέρας της εμπλοκής είναι τόσο μεγαλύτερες, όσο μεγαλύτερη είναι η αρχική ταχύτητα του κινητήρα και όσο μικρότερη η ροπή εμπλοκής. Στην οριακή περίπτωση που η ροπή εμπλοκής Μ e είναι ίση προς τη 13

6 μέγιστη ροπή του κινητήρα Μ Μ, ο κινητήρας δεν επιβραδύνεται, με συνέπεια πολύ μεγάλο χρόνο εμπλοκής (Σχ.3.1.4). Αυξημένη ροπή αδρανείας των μαζών που περιστρέφονται με την κινητήρια άτρακτο και μειωμένη ροπή αδρανείας αυτών που περιστρέφονται με την κινούμενη συντελεί σε μείωση του χρόνου εμπλοκής. Σχ Χρονική εξέλιξη των γωνιακών ταχυτήτων του κινητήρα ω 1 και του άξονα εισόδου του κιβωτίου ταχυτήτων ω κατά την εκκίνηση οχήματος με συμπλέκτες με διαφορετικές ροπές εμπλοκής Μ e και με διαφορετικές αρχικές γωνιακές ταχύτητες ω 0 του κινητήρα. Στην πράξη ο οδηγός απελευθερώνει προοδευτικά το πεντάλ του συμπλέκτη, ώστε η δύναμη πίεσης F και συνεπώς η ροπή εμπλοκής Μ e (εξ.3.1.1) να εφαρμόζονται προοδευτικά, με αποτέλεσμα μικρότερη επιβράδυνση του κινητήρα και μικρότερη επιτάχυνση των τροχών, δηλ. ομαλότερη εκκίνηση. Συγχρόνως πιέζει ελαφρά το πεντάλ καυσίμου, αυξάνοντας τη ροπή και τις στροφές του κινητήρα, ώστε οι στροφές του κινητήρα στο πέρας της εμπλοκής να μην τείνουν προς τιμή μικρότερη των ελάχιστων στροφών λειτουργίας του. Παρόμοια με την εμπλοκή κατά την εκκίνηση είναι και η διαδικασία εμπλοκής του συμπλέκτη μετά από αλλαγή ταχύτητας. Επειδή ωστόσο κατά τη διάρκεια της διακοπής της μετάδοσης ροπής οι στροφές του κινητήρα τείνουν προς τις ελάχιστες στροφές λειτουργίας του (λειτουργία χωρίς φορτίο), κατά την έναρξη της εμπλοκής η άτρακτος του κιβωτίου ταχυτήτων που περιστρέφεται με στροφές ανάλογες της ταχύτητας πρόωσης του οχήματος περιστρέφεται ταχύτερα από την άτρακτο του κινητήρα, με αποτέλεσμα την αντίστροφη ροή ισχύος. Και πάλι μέσω προοδευτικής εφαρμογής της ροπής εμπλοκής και σύγχρονης αύξησης της ροπής του 14

7 κινητήρα (με πίεση του πεντάλ καυσίμου) επιτυγχάνεται η ομαλή εξίσωση των γωνιακών ταχυτήτων των ατράκτων κινητήρα και κιβωτίου ταχυτήτων και η αποκατάσταση της ροής ισχύος από τον κινητήρα προς το κιβώτιο ταχυτήτων. Συνήθως επιλέγεται ροπή εμπλοκής περίπου ίση προς 1,5 φορά τη μέγιστη ροπή του κινητήρα, που εξασφαλίζει έναν ικανοποιητικό συνδυασμό μικρού χρόνου αλλαγής ταχύτητας (της τάξης του 1 s) και άνεσης των επιβατών Συμπλέκτης με ελικοειδή ελατήρια Σε έναν συμπλέκτη με ελικοειδή ελατήρια (Σχ.3.1.5) η δύναμη πίεσης των επιφανειών τριβής ασκείται μέσω μίας δακτυλιοειδούς πλάκας (πλάκα πίεσης) από ελικοειδή ελατήρια τοποθετημένα περιφερειακά στο κέλυφος του συμπλέκτη, που είναι στερεωμένο στο σφόνδυλο του κινητήρα. Η πλάκα πίεσης ακολουθεί την περιστροφή του κελύφους και του σφονδύλου χάρη στις προεξοχές της οδήγησης που εισχωρούν σε αντίστοιχα ανοίγματα του κελύφους ή, συχνότερα, χάρη σε μικρούς χαλύβδινους συνδετήρες που την συνδέουν περιφερειακά με το σφόνδυλο. Ο πρωτεύων άξονας του κιβωτίου ταχυτήτων εδράζεται μέσω ενός εδράνου κύλισης στο σφόνδυλο. Επί του πρωτεύοντα άξονα εδράζεται σε ένα πολύσφηνο ο δίσκος του συμπλέκτη, που ακολουθεί έτσι την περιστροφή του, αλλά μπορεί να μετατοπίζεται αξονικά. Έτσι το κέλυφος, τα ελατήρια και η πλάκα πίεσης περιστρέφονται με το σφόνδυλο, ενώ ο δίσκος τριβής με τον πρωτεύοντα άξονα του κιβωτίου ταχυτήτων. Και οι δύο πλευρές του εξωτερικού τμήματος του δίσκου είναι επικαλυμμένες από ειδικό υλικό μεγάλης αντοχής σε φθορά και υψηλές θερμοκρασίες. Όταν ο συμπλέκτης είναι σε σύμπλεξη, τα ελατήρια πιέζουν την πλάκα πίεσης πάνω στο δίσκο και το δίσκο πάνω στο σφόνδυλο. Η τριβή που αναπτύσσεται στις επιφάνειες επαφής του δίσκου με το σφόνδυλο και την πλάκα πίεσης καθιστά δυνατή τη μεταφορά ροπής μεταξύ σφονδύλου και πρωτεύοντα άξονα. Για αποσύμπλεξη, ο ωστικός τριβέας πιέζεται επί ενός δακτυλίου, που με τη βοήθεια μικρών ελατηρίων διατηρείται σε μόνιμη επαφή με τρεις η περισσότερους δακτύλους αποσύμπλεξης. Καθώς πιέζονται, οι δάκτυλοι αποσύμπλεξης στρέφονται γύρω από υπομόχλια που εδράζονται σε πίρους στερεωμένους στο κέλυφος, ωθώντας μέσω πολύ λεπτών λεπίδων (για περιορισμό της τριβής) την πλάκα πίεσης αντίθετα προς την πίεση των ελατηρίων. Έτσι η πλάκα πίεσης απομακρύνεται από το δίσκο (κατά 0,5 έως mm) και διακόπτεται η μετάδοση ροπής. 15

8 Σχ Συμπλέκτης με ελικοειδή ελατήρια Συμπλέκτης με ελατηριωτό διάφραγμα Σε έναν τέτοιο συμπλέκτη (Σχ.3.1.6) η δύναμη πίεσης των επιφανειών τριβής ασκείται από ένα ελατήριο μορφής κωνικού διαφράγματος με ακτινικές εγκοπές (ελατηριωτό διάφραγμα), στερεωμένο μεταξύ δύο δακτυλιοειδών υπομοχλίων που συγκρατούνται με ήλους στο κέλυφος του συμπλέκτη. Όταν ο συμπλέκτης είναι σε σύμπλεξη, το ελατήριο συμπιέζεται μεταξύ της πλάκας πίεσης (επί της διαμέτρου D 3 ) και του υπομοχλίου που εδράζεται στο κέλυφος (δεξιά στο σχήμα, επί της διαμέτρου D ), παρέχοντας τη δύναμη πίεσης των επιφανειών τριβής. Για αποσύμπλεξη, ο δακτύλιος του ωστικού τριβέα πιέζεται επί της εσωτερικής πλευράς του ελατηρίου, οπότε το ελατήριο παραμορφώνεται λόγω συμπίεσης μεταξύ του δακτυλίου του ωστικού τριβέα (επί της διαμέτρου D 1 ) και του υπομοχλίου που εδράζεται στις κεφαλές των ήλων (αριστερά στο σχήμα, επί της διαμέτρου D ), απομακρύνοντας την πλάκα πίεσης (μέσω των ελασμάτων συγκράτησης με τα οποία είναι μόνιμα συνδεδεμένο μαζί της) από το δίσκο. Σε σχέση με τα ελικοειδή ελατήρια, το ελατηριωτό διάφραγμα πλεονεκτεί ως προς την απλούστερη κατασκευή του συμπλέκτη (αποφεύγεται ο περίπλοκος μηχανισμός των δακτύλων 16

9 Σχ Συμπλέκτης με ελατηριωτό διάφραγμα. αποσύμπλεξης), ως προς το ότι απαιτεί λιγότερο χώρο για την ίδια δύναμη πίεσης και κυρίως ως προς το ότι η μορφή της χαρακτηριστικής του επιτρέπει τη διατήρηση πρακτικά σταθερής δύναμης πίεσης ανεξαρτήτως της φθοράς των επικαλύψεων. Πρόσθετο πλεονέκτημά του είναι η μικρότερη δύναμη αποσύμπλεξης. Στο Σχ παριστάνονται οι χαρακτηριστικές καμπύλες δύναμης παραμόρφωσης ενός ελατηριωτού διαφράγματος κατά την σύμπλεξη (όταν δηλ. συμπιέζεται μεταξύ υπομοχλίου και πλάκας πίεσης) και κατά την αποσύμπλεξη (όταν συμπιέζεται μεταξύ δακτυλίου του ωστικού τριβέα και υπομοχλίου). Όπως φαίνεται, για ένα μεγάλο εύρος θέσεων x της πλάκας πίεσης, η δύναμη πίεσης F δεν μεταβάλλεται σημαντικά. Αντίστοιχα περιορισμένη είναι και η μεταβολή της δύναμης αποσύμπλεξης F A κατά τη διαδρομή του ωστικού τριβέα x A. Στο Σχ παριστάνονται ενδεικτικά η δύναμη πίεσης F και η δύναμη αποσύμπλεξης F A συναρτήσει της θέσης πλάκας πίεσης (της επιφάνειας επαφής της με την επικάλυψη) για δύο ίδιου μεγέθους συμπλέκτες, έναν με ελατηριωτό διάφραγμα και έναν με ελικοειδή ελατήρια, ρυθμισμένους ώστε να ασκούν την ίδια δύναμη πίεσης πριν αρχίσει η φθορά των επικαλύψεων. 17

10 Σχ Χαρακτηριστικές καμπύλες ελατηριωτού διαφράγματος. F: δύναμη από την πλάκα πίεσης, x: μετατόπιση της πλάκας πίεσης, F A : δύναμη αποσύμπλεξης από το δακτύλιο του ωστικού τριβέα, x A : μετατόπιση του δακτυλίου του ωστικού τριβέα, D 1 : διάμετρος άσκησης της δύναμης του δακτυλίου του ωστικού τριβέα, D : διάμετρος στήριξης επί των δακτυλιοειδών υπομοχλίων, D 3 : διάμετρος άσκησης της δύναμης από την πλάκα πίεσης. Καθώς προχωρά η φθορά των επικαλύψεων, ενώ η δύναμη πίεσης των ελικοειδών ελατηρίων μειώνεται, η δύναμη πίεσης του ελατηριωτού διαφράγματος διατηρεί αυξημένες τιμές, καταλήγοντας στο πέρας της φθοράς στην αρχική τιμή της. Η δύναμη αποσύμπλεξης F A του ελατηριωτού διαφράγματος είναι μικρότερη αυτής των ελικοειδών ελατηρίων, μάλιστα από ένα σημείο και μετά μειώνεται με την αύξηση της μετατόπισης του δακτυλίου του ωστικού τριβέα. Λόγω των πλεονεκτημάτων τους, η χρήση συμπλεκτών με ελατηριωτό διάφραγμα έχει επικρατήσει σε όλα τα επιβατικά οχήματα και σε πολλά επαγγελματικά. Συμπλέκτες με ελικοειδή ελατήρια χρησιμοποιούνται πλέον μόνον σε βαριά επαγγελματικά οχήματα, όταν δεν επαρκεί η δύναμη πίεσης ενός ελατηριωτού διαφράγματος. Συνήθως χρησιμοποιούνται ξηροί συμπλέκτες ενός ή σπανιότερα (σε βαριά οχήματα) δύο δίσκων. Σε ιδιαίτερα δύσκολες συνθήκες λειτουργίας χρησιμοποιούνται υγροί συμπλέκτες, για την ψύξη των οποίων το κέλυφός τους είναι γεμάτο με λάδι που κυκλοφορεί με τη βοήθεια ειδικής αντλίας. Οι διαστάσεις ενός συμπλέκτη υπολογίζονται με βάση την επιλεγμένη τιμή της ροπής εμπλοκής, το συντελεστή τριβής μεταξύ των τριβόμενων επιφανειών (μ = 0, 0,35 για ξηρό συμπλέκτη, 0,05 0,1 για υγρό), την πίεση μεταξύ των τριβόμενων επιφανειών (έως 0, MPa για 18

11 Σχ Δύναμη ελατηρίων επί της πλάκας πίεσης και δύναμη αποσύμπλεξης επί του δακτυλίου του ωστικού τριβέα συναρτήσει της θέσης της επιφάνειας επαφής πλάκας πίεσης επικάλυψης για ελατηριωτό διάφραγμα και ελικοειδή ελατήρια. επιβατικά, 0,08 Mpa για βαριά οχήματα μεγάλης ισχύος, 0,05 MPa για υγρούς συμπλέκτες) και το λόγο της εξωτερικής προς την εσωτερική ακτίνα των επιφανειών τριβής r a /r i (0,6 0,7) Κατασκευή και διαμόρφωση Το κέλυφος του συμπλέκτη κατασκευάζεται από σφυρήλατο χάλυβα, ώστε να διαθέτει την αναγκαία αντοχή και ακαμψία σε συνδυασμό με σχετικά μικρό βάρος για την ευχερή αφαίρεσή του για εργασίες συντήρησης, ενώ η πλάκα πίεσης, όπως και ο σφόνδυλος, από χυτοσίδηρο, ώστε να παρουσιάζει υψηλή αντοχή σε φθορά λόγω τριβής και χάρη στον περιεχόμενο γραφίτη ομαλή έναρξη επαφής με την επικάλυψη του δίσκου. Η πλάκα επαφής είναι αρκετά ογκώδης, ώστε να μην παραμορφώνεται από την πίεση των ελατηρίων και να μπορεί να απορροφά και να διαχέει τη θερμότητα που παράγεται κατά την ολίσθηση του συμπλέκτη. Στο Σχ παριστάνεται ο τρόπος σύνδεσής της με το κέλυφος μέσω χαλύβδινων συνδετήρων (τιράντες), οι οποίοι επιτρέπουν και τη μικρή αξονική μετατόπισή της κατά την αποσύμπλεξη. 19

12 Σχ Σχηματική παράσταση της σύνδεσης της πλάκας πίεσης με το κέλυφος του συμπλέκτη μέσω χαλύβδινων συνδετήρων. Η σχετικά μεγάλη μάζα και συνεπώς ροπή αδρανείας της πλάκας πίεσης περιορίζει και το χρόνο εμπλοκής ( 3.1.1), ώστε να αποφεύγεται η υπερβολική άνοδος της θερμοκρασίας των επικαλύψεων του δίσκου, που οδηγεί σε μείωση του συντελεστή τριβής και επιτάχυνση της φθοράς τους. Για τον ίδιο λόγο επιδιώκεται η μάζα του δίσκου να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη. Μία τυπική κατασκευαστική διαμόρφωση δίσκου συμπλέκτη φαίνεται στο Σχ Εσωτερικά της πλήμνης είναι διαμορφωμένο ένα πολύσφηνο, ώστε να μπορεί να ολισθαίνει επί του αντίστοιχου πολύσφηνου του πρωτεύοντα άξονα του κιβωτίου ταχυτήτων, και εξωτερικά της ένα πλάτυσμα με 6 ή περισσότερες ορθογωνικές οπές για την τοποθέτηση των αντιδονητικών ελατηρίων. Εκατέρωθεν του πλατύσματος είναι τοποθετημένοι δύο δακτύλιοι απόστασης, στις εξωτερικές πλευρές των οποίων εφάπτονται δύο πλάκες, με ορθογωνικές οπές αντίστοιχες του πλατύσματος (λίγο μικρότερες) για τη συγκράτηση των αντιδονητικών ελατηρίων. Η μία από αυτές (αριστερά στο σχήμα), έχει μεγαλύτερη διάμετρο, για την ήλωσή της με το χαλύβδινο έλασμα του δίσκου (που φέρει τις επικαλύψεις). Οι δύο πλάκες συνδέονται με πίρους, πιέζοντας μέτρια τους δακτυλίους απόστασης επί του πλατύσματος. Έτσι το χαλύβδινο έλασμα με τις επικαλύψεις και οι δύο πλάκες είναι σταθερά συνδεδεμένα μεταξύ τους και συμπεριφέρονται ως ένα σώμα, μεταξύ του οποίου και της πλήμνης παρεμβάλλονται τα αντιδονητικά ελατήρια και οι δακτύλιοι απόστασης. Με τον τρόπο αυτό απότομες μεταβολές της μεταδιδόμενης ροπής, προερχόμενες είτε από τον κινητήρα (δονήσεις υψηλών συχνοτήτων) είτε από το σύστημα μετάδοση κίνησης (δονήσεις χαμηλών συχνοτήτων), μετριάζονται κατά τη μετάδοσή τους στην άλλη πλευρά χάρη στην επιβραδυντική δράση των αντιδονητικών ελατηρίων και την απόσβεση λόγω της τριβής των δακτυλίων απόστασης με το πλάτυσμα και τις πλάκες. Μάλιστα για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας του μηχανισμού είναι δυνατόν να χρησιμοποιούνται στον 0

13 Σχ Κατασκευαστική διαμόρφωση δίσκου συμπλέκτη. ίδιο δίσκο ελατήρια με διαφορετικές ακαμψίες (τα μαλακότερα για υψηλές συχνότητες, τα σκληρότερα για χαμηλές) και κατάλληλα ελατήρια (πχ. ελατηριωτά διαφράγματα) αντί των δακτυλίων απόστασης. Εκτός από την ελαστικότητα στην περιφερειακή διεύθυνση κατά τη μετάδοση της ροπής, ο συμπλέκτης απαιτείται να διαθέτει και ελαστικότητα στην αξονική διεύθυνση κατά την επιβολή της δύναμης πίεσης των επιφανειών τριβής, ώστε να υποβοηθείται ο οδηγός στην προσπάθεια για προοδευτική εμπλοκή του συμπλέκτη, δηλ. για ομαλότερη επιβολή της ροπής εμπλοκής. Αυτό επιτυγχάνεται με την ελαστική στήριξη των επικαλύψεων μέσω της κύρτωσης του χαλύβδινου ελάσματος στερέωσης των επικαλύψεων ( Σχ ). Έτσι η δύναμη πίεσης επί των επικαλύψεων και συνεπώς η μεταδιδόμενη ροπή αυξάνεται προοδευτικά από την έναρξη της επαφής τους με τις επιφάνειες της πλάκας πίεσης και του σφονδύλου μέχρι την τελική ισοπέδωση του χαλύβδινου ελάσματος. Η ελαστική στήριξη των επικαλύψεων εξασφαλίζει και την ομοιόμορφη κατανομή της πίεσης στην επιφάνειά τους, ώστε να αποφεύγονται τοπικές ανυψώσεις της θερμοκρασίας που επιταχύνουν τη φθορά τους. 1

14 Σχ Κύρτωση του χαλύβδινου ελάσματος του δίσκου στην περιοχή στερέωσης των επικαλύψεων για την επίτευξη ελαστικότητας κατά την επιβολή της δύναμης πίεσης: α) μονό χαλύβδινο έλασμα, β) διπλό χαλύβδινο έλασμα. Ως υλικό επικαλύψεων χρησιμοποιούνται κυρίως επιστρώματα από μεταλλικές ίνες, μερικές φορές με πυρήνα από ορείχαλκο, ενιαία ή αποτελούμενα από πολλαπλές στρώσεις, εμποτισμένα με συνδετικό υλικό, συνήθως συνθετικές ρητίνες ή, σπανιότερα, μίγματα καουτσούκ. Από το συνδετικό υλικό εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό ο συντελεστής τριβής, η αντοχή σε φθορά και η ευαισθησία των επικαλύψεων σε υψηλές θερμοκρασίες. Σε υψηλότερων απαιτήσεων επαγγελματικά οχήματα χρησιμοποιούνται συχνά προϊόντα κονιομεταλλουργίας, συνήθως με βάση τον ορείχαλκο, που αντέχουν σε υψηλότερη επιφανειακή πίεση και έχουν σταθερότερη συμπεριφορά σε τριβή και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής λόγω πολύ υψηλότερης θερμικής αγωγιμότητας, που έχει σαν αποτέλεσμα την ανάπτυξη χαμηλότερων θερμοκρασιών κατά τη λειτουργία τους. Πολλές φορές οι τριβόμενες επιφάνειες των επικαλύψεων έχουν αυλακώσεις για τη διευκόλυνση της ψύξης τους και την απαγωγή της σκόνης. Επιφάνειες τριβής χωρίς επίστρωση χρησιμοποιούνται μόνον σε υγρούς συμπλέκτες, όπου λόγω της παρουσίας λαδιού η καταπόνησή τους είναι ηπιότερη, τόσο κατά την έναρξη της επαφής, όσο και κατά την ολίσθηση. Η στερέωση των επικαλύψεων στο μεταλλικό έλασμα γίνεται συνήθως με ήλους από ορείχαλκο, ώστε η επαφή τους με τις μεταλλικές επιφάνειες του σφονδύλου ή της πλάκας πίεσης

15 σε περίπτωση μείωσης του πάχους των επικαλύψεων λόγω φθοράς να μην προξενεί την καταστροφή τους. Κόλληση των επικαλύψεων εφαρμόζεται σπανιότερα, παρά τη βελτίωση της αντοχής των κολλήσεων και το χαμηλότερο κόστος, λόγω της αδυναμίας αντικατάστασης των φθαρμένων επιστρώσεων. Στο Σχ απεικονίζεται σε τομή ένας συμπλέκτης με ελατηριωτό διάφραγμα. Σχ Τομή συμπλέκτη με ελατηριωτό διάφραγμα. 3

16 3.1.4 Χειρισμός Ο χειρισμός του συμπλέκτη γίνεται μέσω ενός ποδόπληκτρου. Η μετατόπιση και η δύναμη επί του ποδόπληκτρου μεταδίδονται μέσω ενός μηχανικού ή υδραυλικού μηχανισμού στον ωστικό τριβέα, που πιέζεται επί του δακτυλίου του, ασκώντας τη δύναμη αποσύμπλεξης. Σε πολλούς συμπλέκτες με ελατηριωτό διάφραγμα ο δακτύλιος παραλείπεται και ο ωστικός τριβέας πιέζει απ ευθείας την εσωτερική περιφέρεια του διαφράγματος. Προκειμένου η δύναμη επί του ποδόπληκτρου να μην υπερβαίνει τα 50 N, η σχέση μετάδοσης του μηχανισμού (ενίσχυσης της δύναμης επί του ποδόπληκτρου) πρέπει να είναι Σε βαριά οχήματα ο μηχανισμός μετάδοσης μπορεί να διαθέτει και πνευματικό ή υδραυλικό σύστημα πρόσθετης (εξωτερικής) ενίσχυσης της δύναμης αποσύμπλεξης. Στο Σχ παριστάνονται σχηματικά ένα μηχανικό και ένα υδραυλικό σύστημα χειρισμού συμπλέκτη. Σχ Σχηματική παράσταση μηχανικού και υδραυλικού συστήματος χειρισμού συμπλέκτη. Σε ένα μηχανικό σύστημα η δύναμη επί του ποδόπληκτρου μεταδίδεται μέσω ενός καλωδίου ως δύναμη έλξης στο μοχλό αποσύμπλεξης. Η σχέση μετάδοσης του συστήματος είναι ίση προς το γινόμενο των σχέσεων μετάδοσης του μοχλού του ποδόπληκτρου και του μοχλού αποσύμπλεξης. Το περίβλημα του καλωδίου χρησιμεύει για την οδήγηση και προστασία του και είναι εσωτερικά επενδυμένο με πλαστικό (PTFE) για να μην προβάλλει μεγάλη αντίσταση στην έλξη του καλωδίου, ιδιαίτερα κατά την έναρξη της αποσύμπλεξης. Σε ένα υδραυλικό σύστημα η δύναμη επί του ποδόπληκτρου μεταδίδεται στο έμβολο του εντολοδόχου κυλίνδρου, και μέσω του υδραυλικού υγρού και του εμβόλου του εντολοδότη 4

17 κυλίνδρου ως δύναμη ώθησης στο μοχλό αποσύμπλεξης. Η σχέση μετάδοσης του συστήματος είναι ίση προς το γινόμενο των σχέσεων μετάδοσης του μοχλού του ποδόπληκτρου, του υδραυλικού συστήματος (δηλ. του λόγου των εμβαδών διατομής των δύο εμβόλων) και του μοχλού αποσύμπλεξης. Και στα δύο συστήματα ένα ελατήριο επαναφοράς επαναφέρει το μοχλό αποσύμπλεξης στην αρχική του θέση όταν απελευθερωθεί το ποδόπληκτρο. Σε αντίθεση με παλαιότερα συστήματα χειρισμού στα οποία η σύνδεση ποδόπληκτρου μοχλού αποσύμπλεξης γινόταν μέσω ενός συστήματος μοχλών, η σύνδεση μέσω ενός εύκαμπτου μέσου (καλωδίου ή σωλήνωσης) απομονώνει το ποδόπληκτρο, που εδράζεται στο αμάξωμα του οχήματος, από τις δονήσεις του ελαστικά εδρασμένου συγκροτήματος κινητήρα κιβωτίου ταχυτήτων. Επειδή η μείωση του πάχους των επικαλύψεων λόγω φθοράς προκαλεί τη μετατόπιση των εσωτερικών άκρων των μοχλών αποσύμπλεξης ή της εσωτερικής περιμέτρου του ελατηριωτού διαφράγματος προς τον ωστικό τριβέα, πρέπει, όταν οι επικαλύψεις είναι καινούργιες, μεταξύ του ωστικού τριβέα και του δακτυλίου του να υπάρχει ένα διάκενο 3 mm, ώστε, όταν οι επικαλύψεις φθαρούν, να αποφεύγεται η πίεση του δακτυλίου επί του ωστικού τριβέα και η συνεπαγόμενη ελάττωση της δύναμης πίεσης των τριβόμενων επιφανειών. Ωστόσο πρόσφατα εφαρμόζονται και συστήματα συνεχούς επαφής ωστικού τριβέα δακτυλίου. Η υποχώρηση του ωστικού τριβέα λόγω της πίεσης από το δακτύλιο στα μεν μηχανικά τέτοια συστήματα μεταδίδεται μέσω του εφελκυόμενου καλωδίου στο μοχλό του ποδόπληκτρου και προκαλεί αύξηση του ύψους του ποδόπληκτρου από το πάτωμα, στα δε υδραυλικά, που στην περίπτωση αυτή δεν έχουν ελατήριο επαναφοράς, αντισταθμίζεται από υποχώρηση ενός ασθενούς ελατηρίου στην πίσω πλευρά του εμβόλου του εντολοδόχου κυλίνδρου χωρίς ουσιαστική αύξηση της αντίστασης του εμβόλου. Για την επαφή του ωστικού τριβέα με το δακτύλιό του μπορεί να χρησιμοποιείται είτε ένας ένσφαιρος τριβέας είτε μία στεφάνη από γραφίτη. Στο συμπλέκτη του Σχ ο ωστικός τριβέας ολισθαίνει επί ενός χιτωνίου στερεωμένου στο κέλυφος του κιβωτίου ταχυτήτων, ώστε να μετατοπίζεται συγκεντρικά ως προς τον άξονα του κιβωτίου ταχυτήτων από το μοχλό αποσύμπλεξης μέσω ειδικής άρθρωσης. Ο ωστικός τριβέας είναι σε συνεχή απ ευθείας επαφή (χωρίς μεσολάβηση δακτυλίου) με την εσωτερική περίμετρο του ελατηριωτού διαφράγματος μέσω ενός ένσφαιρου τριβέα, του οποίου ο εσωτερικός δακτύλιος ακολουθεί την περιστροφή του διαφράγματος, ενώ ο εξωτερικός δακτύλιος εδράζεται στο σώμα του τριβέα. 5

18 Σχ Ωστικός τριβέας με ένσφαιρο τριβέα. Αντίθετα με τον ένσφαιρο τριβέα, κατά την πίεσή της επί του δακτυλίου η στεφάνη από γραφίτη τρίβεται πάνω του, χωρίς να ακολουθεί την περιστροφή του. Έτσι δεν είναι απαραίτητη η συγκεντρική ως προς τον άξονα του κιβωτίου ταχυτήτων μετατόπισή της κατά την ώθηση του δακτυλίου, και το χιτώνιο οδήγησης μπορεί να παραλείπεται. Στο παράδειγμα του Σχ η στεφάνη είναι στερεωμένη σε έναν χυτοσιδηρό φορέα συνδεδεμένο με άρθρωση με το μοχλό αποσύμπλεξης, με συνέπεια κατά την ώθηση του δακτυλίου να εκτελεί κίνηση επί τόξου. Παρά Σχ Ωστικός τριβέας με στεφάνη από γραφίτη. 6

19 τη σχετικά απλούστερη κατασκευή και την αντιστάθμιση που προσφέρει η φθορά της στεφάνης στη μείωση του διακένου μεταξύ ωστικού τριβέα και δακτυλίου του λόγω φθοράς των επικαλύψεων, η περιορισμένη διάρκεια ζωής της λόγω φθοράς έχει οδηγήσει στη σχεδόν καθολική χρησιμοποίηση ένσφαιρων τριβέων. Μία σημαντική βελτίωση σε υδραυλικά συστήματα χειρισμού συνεχούς επαφής αποτελεί η αντικατάσταση του εντολοδότη κυλίνδρου από έναν κεντρικά τοποθετημένο μηχανισμό αποσύμπλεξης, χάρη στον οποίο αποφεύγεται η χρησιμοποίηση μοχλού αποσύμπλεξης (Σχ ). Ένα ασθενές ελατήριο σε συμπίεση διατηρεί τον ωστικό τριβέα σε συνεχή επαφή με το δακτύλιό του, επιτρέποντας παράλληλα την υποχώρησή του χωρίς ουσιαστική αύξηση της αντίστασής του όταν ο δακτύλιος πιέζεται επάνω του λόγω φθοράς των επικαλύψεων. Σχ Κεντρικά τοποθετημένος υδραυλικός μηχανισμός αποσύμπλεξης. Οι μηχανικοί συμπλέκτες πλεονεκτούν έναντι των υδραυλικών ως προς το βαθμό απόδοσης και το κόστος, ενώ στις περισσότερες εφαρμογές ανταποκρίνονται ικανοποιητικά στις απαιτήσεις για ομαλή εκκίνηση και ελαστική, χωρίς μετάδοση κραδασμών από το δρόμο πορεία. 7

20 3. Υδραυλικός συμπλέκτης Σε σχέση με τους μηχανικούς, οι υδραυλικοί συμπλέκτες προσφέρουν ομαλότερη, πιο προοδευτική και ελαστικότερη μετάδοση της κίνησης, παρουσιάζουν όμως το βασικό μειονέκτημα της αδυναμίας απεμπλοκής του κιβωτίου ταχυτήτων από τον κινητήρα. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται είτε με κιβώτια αλλαγής ταχυτήτων υπό φορτίο, στα οποία δεν απαιτείται απεμπλοκή του κινητήρα για αλλαγή ταχύτητας, είτε με κιβώτια αλλαγής ταχυτήτων εκτός φορτίου σε συνδυασμό με μηχανικό συμπλέκτη, με σκοπό τη βελτίωση της συμπεριφοράς του οχήματος κατά την εκκίνηση, την αλλαγή ταχυτήτων και την πορεία. Σε έναν υδραυλικό συμπλέκτη μία αντλία στερεωμένη στο σφόνδυλο του κινητήρα κινεί ένα στρόβιλο στερεωμένο στον άξονα εισόδου του κιβωτίου ταχυτήτων. Η μηχανική ενέργεια του κινητήρα μετατρέπεται από τη αντλία σε κινητική ενέργεια ενός υδραυλικού υγρού, το οποίο τη μεταφέρει στο στρόβιλο, όπου μετατρέπεται πάλι σε μηχανική ενέργεια. Αντλία και στρόβιλος έχουν παρόμοια μορφή, κοίλων δακτυλίων ημικυκλικής διατομής με επίπεδα ακτινικά πτερύγια, ορισμένες φορές με εσωτερικό δακτύλιο καθοδήγησης για την αποφυγή εμφάνισης τυρβώδους ροής, και τοποθετούνται αντικριστά, με μικρό διάκενο μεταξύ τους (Σχ.3..1). Για την αποτροπή θορυβώδους λειτουργίας, τα ακτινικά πτερύγια της αντλίας και του στροβίλου πρέπει να μην έχουν την ίδια ακριβώς διάταξη. Έτσι, είτε τα πτερύγια τοποθετούνται σε λίγο άνισες μεταξύ τους αποστάσεις, είτε οι αριθμοί πτερυγίων αντλίας και στροβίλου διαφέρουν ελαφρώς. Το κέλυφος του συμπλέκτη είναι συνήθως ενσωματωμένο στην αντλία. Το υδραυλικό υγρό, συγχρόνως με την περιστροφική κίνηση λόγω της περιστροφής της αντλίας, εκτελεί και εγκάρσια Σχ.3..1 Σχηματική παράσταση υδραυλικού συμπλέκτη. 8