Расчет сцепления легкового автомобиля

1. Введение. Назначение и требования к сцеплению 

     Сцепление представляет собой узел трансмиссии, передающий во включенном состоянии  крутящий момент и имеющий устройство для кратковременного его выключения. Сцепление предназначено для  плавного трогания автомобиля и кратковременного разъединения двигателя и трансмиссии при переключении передач и предотвращения воздействия на трансмиссию больших динамических нагрузок, возникающих на переходных режимах.

     С учетом назначения, места в схеме  передачи энергии трансмиссией автомобиля, к сцеплению предъявляются следующие специфические требования:

     1.Надежная  передача крутящего момента от  двигателя к коробке передач.  Обеспечивается необходимым запасом  момента сцепления (момента трения) на всех режимах работы двигателя,  сохранением нажимного усилия в необходимых пределах в процессе эксплуатации.

     2.Полнота  включения, т. е. отсутствие  пробуксовывания ведущих и ведомых  деталей сцепления, обеспечивающая  надежную передачу крутящего  момента двигателя. Достигается  в эксплуатации наличием зазора в механизме выключения и недопущением попадания смазочного материала на трущиеся поверхности.

     3.Полнота  («чистота») выключения, обеспечивающая  полное разъединение двигателя  и трансмиссии. Достигается заданной  величиной рабочего хода подшипника выключения и соответственно рабочим ходом педали сцепления.

     4.Плавное  включение, обеспечивающее заданную  интенсивность трогания с места  автомобиля или после включения  передачи. Достигается конструкцией  сцепления, его привода и темпом  отпускания педали водителем.

     5.Предохранение  трансмиссии и двигателя от  перегрузок и динамических нагрузок. Достигается оптимальной величиной  запаса момента сцепления, установкой  в нем гасителя крутильных  колебаний, специальными мероприятиями  в конструкции ведомых дисков.

     6.Малый  момент инерции ведомых деталей  сцепления, снижающий ударные  нагрузки на зубья колес при  переключении передач.

     7.0беспечение  нормально теплового режима работы  и высокой износостойкости за  счет интенсивного отвода тепла  от поверхностей трения.

     8.Хорошая уравновешенность с целью исключения «биений» и соответственно динамических нагрузок при работе сцепления.

     9.Легкость  и удобство управления, возможность  автоматизации процессов включения  и выключения.

     К сцеплениям предъявляют и общие конструкционные требования, такие как: простота устройства, малая трудоемкость и удобство технического обслуживания; минимальные размеры и масса; технологичность и низкая стоимость производства; ремонтопригодность; низкий уровень шума. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Конструкция сцепления 

     В современных автомобилях наибольшее распространение получили сухие  фрикционные одно- и двухдисковые сцепления с неавтоматическим механическим приводом. Другие типы сцепления применяются, в основном, на специальных автомобилях. Механический привод применяется при размещении педали сцепления вблизи от сцепления.

     Диафрагменные (тарельчатые) пружины получили широкое  применение в сцеплениях легковых и  изготовленных на их шасси грузовых автомобилях. Обычно применяют пружину, хотя известны конструкции с двумя пружинами (грузовые автомобили).

     Значение  коэффициента выбирают в зависимости  от типа автомобиля: для легковых автомобилей 1.3-1.75; грузовых одиночных 1.6-2.2.; грузовых работающих с прицепом 2.0-2.5; автомобилей  повышенной проходимости, работающих с прицепом 2.5-3.0. Большие значения принимаются для сцеплений, работающих в тяжелых условиях (автобусы городского типа, автомобили-самосвалы, автомобили повышенной проходимости, автомобили с малой удельной мощностью).

    Сцепление автомобилей ВАЗ  с передним приводом

На схеме 3 представлено сцепление переднеприводных легковых автомобилей ВАЗ. Кожух 11, нажимной диск 8 и центральная нажимная пружина 12 представляют собой неразборный узел, который крепится к маховику 7 болтами 10. Чугунный нажимной диск соединяется тремя парами упругих пластин 19 с кожухом сцепления. 
 

 
 

Схема 3 – Сцепление переднеприводных легковых автомобилей ВАЗ

1 – картер; 2, 13 – втулки; 3 – вилка; 4 – подшипник; 5 – ведомый диск; 6 – вал; 7 –  маховик; 8 – нажимной диск; 9 –  крышка; 10 – болт; 11 – кожух; 12 –  нажимная пружина; 14 – пружина; 15 – рычаг; 16 – ступица; 17 – накладка; 18 – гаситель крутильных колебаний; 19 – пластина; 20 – кольцо; 21 – муфта

Упругие пластины обеспечивают передачу крутящего момента от кожуха сцепления на нажимной диск, осевое перемещение нажимного диска и отвод его от ведомого диска при выключении сцепления.

В стальном штампованном кожухе сцепления закреплены опорные  кольца 20 для нажимной пружины 12, относительно которых она прогибается при  выключении сцепления. Нажимная пружина, отштампованная из листовой пружинной  стали, имеет форму усеченного конуса с радиальными прорезями. Прорези образуют лепестки, которые имеют отогнутые до закругления концы и являются упругими выжимными рычажками.

Ведомый диск 5 сцепления состоит из ступицы 16, стального разрезного диска и фрикционных накладок 17. Он имеет пружинно-фрикционный гаситель крутильных колебаний 18. Упругая связь между ступицей и диском осуществляется через пружины гасителя, а гашение крутильных колебаний – с помощью его фрикционных колец. Ведомый диск сцепления установлен на шлицах ведущего вала 6 коробки передач.

Сцепление вместе с маховиком находится в отлитом из алюминиевого сплава картере 1, который крепится к блоку цилиндров двигателя и закрывается с его стороны верхней и нижней крышками 9. В картере сцепления установлена вилка 3 выключения сцепления в металлической 2 и пластмассовой втулках.

Привод

Сцепление имеет  механический привод с пружинным усилителем.  Педаль 13 сцепления (схема 4) прикреплена к кронштейну 11 педалей сцепления и тормоза, связанному с передним щитом кузова. С педалью сцепления связан рычаг 14, шарнирно соединенный с толкателем 15, на конце которого установлена предварительно сжатая пружина 16. Эта пружина уменьшает усилие на педали при выключении сцепления и обеспечивает возврат педали в исходное положение.

Схема 4 – Механический привод сцепления ВАЗ.    1 – поводок; 2 – чехол; 3, 11 – кронштейны; 4 – шайба; 5 – гайка; 6, 8 – наконечники; 7 – оболочка; 9 – втулка; 10 – трос; 12 – серьга; 13 – педаль; 14 – рычаг; 15 – толкатель; 16 – пружина

Педаль сцепления соединена с пластмассовой серьгой 12 троса привода сцепления. Трос 10 размещен в оболочке 7, на концах которой закреплены наконечники. Верхний наконечник 8 находится в резиновой втулке 9, установленной в переднем щите кузова. Нижний наконечник 6 закреплен в кронштейне 3 двумя регулировочными гайками 5 и шайбами 4.

На нижнем конце  троса закреплен поводок 1, который шарнирно соединяется с рычагом вилки выключения сцепления. Нижний конец троса закрыт резиновым чехлом 2.

При выключении сцепления педаль 13 поворачивается на оси и через серьгу 12 тянет трос 10. Трос через рычаг 15 (см. схема 3) поворачивает вилку 3 выключения сцепления, которая перемещает муфту 21 с подшипником 4. Подшипник воздействует на лепестки нажимной пружины 12, и она прогибается относительно опорных колец в сторону маховика. При этом наружный край пружины прекращает давить на нажимной диск, ведомый диск отходит от маховика, и сцепление выключается – не передает крутящий момент.

При отпускании педали сцепления пружина 12 возвращается в исходное положение под действие пружины усилителя, а оттяжная пружина 14 рычага 15 отводит в исходное положение вилку 3 и муфту с подшипником 4 выключения сцепления. При этом под действием пружины 12 нажимной диск прижимает ведомый диск к маховику, и сцепление включается – передает крутящий момент.

Резиновые элементы, используемые в приводе сцепления, исключают вибрации его деталей, снижают шум при работе и обеспечивают эластичность привода. В связи с  этим по усилию на педали сцепления  трудно определить ее свободный ход. Поэтому свободный ход педали сцепления проверяют на рычаге 15 вилки выключения сцепления. Свободный ход рычага вилки выключения сцепления в исходном положении привода должен составлять 3,5…4 мм. Его регулируют гайками 5 (см. схема 4) путем изменения положения нижнего наконечника 6 троса привода сцепления относительно кронштейна 3. 
 
 
 

3. Расчет сцепления 

     3.1 Выбор основных параметров сцепления 

Грузоподъемность, а/м = 3,92кН. Максимальная скорость движения 42,2 м/с. За основу выбора параметров взята марка, а/м ВАЗ 2110.  Максимальный момент двигателя M_{e max} = 110 Н×м. Устанавливаем размеры накладок: D_н = 190 мм; D_в = 130 мм; толщина накладки = 3,3 мм. 
 

     3.2 Расчет сцепления на износ 

     Требуемое нажимное усилие на поверхностях трения вычисляется по формуле 

       

     где b - коэффициент запаса сцепления, принимаем b = 1,5;

     m - коэффициент трения, принимаем m = 0,3;

     i – число поверхностей трения, у однодискового сцепления i = 2 

       
 

     Удельное давление на фрикционные накладки

       

     Величина  q оказывает существенное влияние на интенсивность износа накладок и не должна превышать рекомендуемых значений (0,15…0,25 МПа) 

       

     Для расчета работы буксования используют формулы, базирующиеся на статической обработке экспериментальных данных. Для практических расчетов может быть использована следующая формула 

       

     где J_a – приведенный момент инерции автомобиля, Н×м×с²;

     w_е – угловая скорость вращения коленчатого вала, с^-1;

     М_y - момент сопротивления движению автомобиля, приведенный к коленчатому валу двигателя, Н×м

     Момент  инерции J_a определяют по формуле 
 

       

     где i_k и i₀ – передаточные числа коробки перемены передач и главной передачи, по заданию i_k = 3,8 и i₀ = 4,4;

     m_a – полная масса автомобиля, по заданию m_a = 1650 кг

     r - радиус колеса =0,38 

       

     Угловая скорость коленчатого вала двигателя  при максимальной скорости 

       

     Угловая частота вращения коленчатого вала двигателя в момент включения сцепления 

       

     Приведенный момент сопротивления движению 

       

     где y - коэффициент суммарного сопротивления дороги = 0,04

     h_тр – коэффициент полезного действия трансмиссии =0,93