Магнитное сцепление для автомобиля
Электромагнитные сцепления
Электромагнитные сцепления с автоматизированным управлением
Электромагнитные сцепления позволяют автоматизировать управление сцеплением. На рисунке, в качестве примера приведена схема электромагнитного сцепления.
Электрическая схема управления электромагнитного сцепления.
Нажимной диск 3 жестко связан с сердечником электромагнита 5. Якорь электромагнита 4 жестко соединен с кожухом 2 сцепления. При возбуждении обмотки сердечник 5 электромагнита притягивается к якорю 4 и зажимает ведомый диск 1 сцепления между маховиком и нажимным диском. При размыкании тока сердечник оттягивается от якоря пластинчатыми пружинами. Сила, с которой ведомый диск зажимается между маховиком и нажимным диском, зависит от силы тока в обмотке электромагнита. В момент трогания автомобиля с места на первой передаче или на заднем ходу переключатель 8 (б), установленный на рычаге переключения коробки передач, выключается.
Независимое питание обмотки возбуждения генератора 7 обеспечивается от аккумуляторной батареи. В процессе трогания автомобиля с места число оборотов двигателя, а следовательно, и генератора, постепенно увеличивается; соответственно возрастает сила тока, вырабатываемого генератором и поступающего в обмотки электромагнита сцепления 14, а значит и сила, зажимающая ведомый диск сцепления. Автомобиль плавно трогается с места.
Быстрота нарастания тока, а, следовательно, и плавность трогания с места зависят от величины сопротивлений R2 и Rз. Первое из них регулируется при наладке механизма, а второе может включаться или выключаться переключателем 9 водителем в зависимости от эксплуатационных условий трогания с места. При переключении передач на ходу автомобиля переключатель 8 включается, и ток от аккумуляторной батареи проходит не только через обмотку возбуждения генератора 7, но и через обмотку его якоря. При этом ток, поступающий в обмотки электромагнита сцепления 14, нарастает интенсивнее, и сцепление включается более резко.
В случае неисправности генератора с помощью переключателя 11 можно перейти на питание электромагнита сцепления 14 от аккумуляторной батареи. При больших углах открытия дроссельной заслонки контакты 12 замыкаются, сопротивление R1 выключается и сила, сжимающая ведомый диск, увеличивается. Сцепление выключается при автоматическом размыкании контактов 13 в соответствующих положениях рычага переключения коробки передач.
Контакты 10 управляются от реле обратного тока и обеспечивают возможности зарядки аккумуляторной батареи, когда напряжение генератора достигает достаточной величины. Одновременно генератор переходит на режим самовозбуждения.
При включении храповой муфты 6 (а) можно в случае разрядки аккумуляторной батареи пускать двигатель буксировкой автомобиля.
С износом фрикционных накладок ведомого диска сцепления увеличивается воздушный зазор между якорем и сердечником электромагнита, а следовательно, увеличиваются и потери в магнитопроводе. Для нормальной работы сцепления необходимо регулировать электрические сопротивления в соответствии с износом накладок.
Мощность потребляемого электромагнитным сцеплением тока составляет 25—40 Вт. Ток даже при относительно малых числах оборотов идет от генератора и аккумуляторная батарея не разряжается. Расчет электромагнитных сцеплений приводится в специальной литературе.
Регулировка электромагнитного сцепления
Регулировка сцепления применяется главным образом для того, чтобы в эксплуатации иметь возможность поддерживать зазор в установленных пределах. Для этого обычно регулируют длину тяг привода от педали с проверкой зазора по свободному ходу педали.
В сцеплениях с центральной пружиной часто предусматривают, кроме того, регулировку силы нажатия пружины по размеру А с установлением этого размера регулировочными прокладками 5.
При сборке сцепления регулируют одновременность нажатия на все рычажки при соприкосновении с муфтой.
Развитие автомобильного сцепления
За много лет существования автомобилей сцепление эволюционировало от простого механизма до сложнейшего по своей конструкции узла. Современное сцепление – это высокотехнологичный компонент в составе трансмиссии. Прежде чем говорить о том, что представляют собой современные сцепления, вспомним, с чего началось развитие этого компонента.
Клещи капитана Баду
В эпоху первых автомобилей инженеры искали оптимальную конструкцию сцепления. Результатом таких изысканий стали разнообразные варианты этого узла. Прародителем сцепления считают простой механизм, который изобрел французский капитан Баду. Он использовал в качестве ведущего диска маховик с ободом, а в качестве ведомого диска – зажимы. Этот механизм назвали «клещи Баду». Сцепление включалось с помощью специальной муфты, которая сжимала тиски, а специальные губки с фибровыми накладками (почти, как современные тормозные колодки) сжимали обод маховика. Таким образом коробка передач взаимодействовала с промежуточным валом. Это примитивное по нынешним меркам устройство хорошо вписалось в конструкцию машин, которые на заре автомобилестроения оснащались двигателями малой мощности.
От однодискового к многодисковому сцеплению
По мере того, как совершенствовались машины, развивалось и усложнялось сцепление. В первые десятилетия эпохи автомобилизации конструкторы изобрели несколько видов сцепления. На первых автомобилях применялось ленточное сцепление, устройство которого отличалось наличием металлической ленты и металлического барабана. Два этих компонента взаимодействовали друг с другом при помощи системы рычагов. Затем было разработано конусное сцепление, которое нашло свое применение в коробке передач со скользящими шестернями. В составе сцепления был маховик с внутренней поверхностью конической формы, пружины и фрикционные накладки. Такое конусное сцепление представляло собой достаточно сложную для тех лет конструкцию, а особенность ее функционирования — большая инерция ведомого диска — не позволяли водителю быстро переключать передачи. В итоге, этот вид сцепления не нашел своего применения на автомобилях, однако, именно его можно считать прародителем современного сухого однодискового сцепления.
Разработка многодисковых сцеплений — новый этап развития этого узла. Примечательно, что такая конструкция применялась как в сухом, так и в мокром сцеплении. Именно мокрое сцепление, как наиболее надежное, а также способное передавать высокий крутящий момент, долгое время использовалось в трансмиссии грузовых машин и спецтехники. Распространению многодисковых конструкций мешало, по сути, отсутствие эффективных трансмиссионных масел, которые сохраняли бы свои свойства в условиях низких температур воздуха и обеспечивали легкое и эффективное переключение передач.
Впрочем, такой проблемы не стояло в случае однодискового сухого сцепления, которое стало использоваться с 1910 года. Именно этот вариант узла до сих пор широко применяется на современных автомобилях. В составе сухого однодискового сцепления есть маховик, кожух, нажимной и ведомый диски, выжимной подшипник, муфты выключения подшипника.
Перечислим еще некоторые виды сцеплений, которые также используются в со-временных автомобилях. Это гидравлическое и электромагнитное сцепления. Гидравлическое сцепление имеет ведущее насосное колесо, которое взаимодействует с двигателем, и ведомое турбинное колесо, которое связано с трансмиссией. Оба колеса работают в масляной среде. Принцип работы такого сцепления заключается в том, что кинетическая энергия жидкости, которая образуется при вращении ведущего колеса, передается на ведомое колесо. В паре с гидравлическим сцеплением в трансмиссии машины обычно используется классическое фрикционное сцепление, которое и отвечает за переключение передач. Электромагнитное сцепление имеет маховик и закрепленные на нем магнитопроводы. Оно включает в себя ведомый диск, который находится на ведущем валу КПП. В зазорах между ведомым диском и магнитопроводами помещается фрикционный состав с магнитными свойствами. Когда на обмотки магнитопроводов подается электричество, возникает взаимодействие между ведущим и ведомым дисками, и сцепление начинает работать.
Совершенствование однодискового сцепления
При всех своих плюсах однодисковое сцепление имело и ряд заметных недостатков. Вот только некоторые из них: разрыв мощности при переключении передач на бездорожье, необходимость регулировать привод сцепления, которая возникала в следствие износа ведомого диска, ограничение в передаче крутящего момента, слабая способность гасить крутильные колебания мощных турбомоторов, неэффективность работы в сочетании с механической КПП.
Применение двухмассовых маховиков помогло решить проблему гашения крутильных колебаний. Решение заключалось в следующем: необходимо было перенести гаситель колебаний с ведомого диска на маховик, за счет чего удалось снять нагрузку и с сцепления, и с КПП. Так, сцепление с двухмассовым маховиком стало своего рода стандартом для автомобилей, оснащенных мощными двигателями. Проблему износа компонентов однодискового сцепления можно решить в основном за счет применения современных, более прочных и надежных материалов.
Альтернативы однодисковому сцеплению
Широкое распространение с 30-х годов прошлого столетия получили роботизированные КПП, которые использовались на «бюджетных» машинах. Это простая и относительно недорогая в производстве конструкция основывалась на стандартной механической КПП. Отличия от «механики» заключались в наличии специальных устройств, актуаторов, которые обеспечивали переключение передач, а также в наличие компенсатора износа фрикционных накладок ведомого диска. Простота такой конструкции, ее небольшой вес и компактность, а также дешевизна в массовом производстве все же не смогли перекрыть главные недостатки роботизированной КПП с одним сцеплением. К числу таковых относятся: разрыв потока мощности, ограниченная передача крутящего момента, небольшой ресурс эксплуатации сцепления, сложность в выборе оптимального алгоритма работы.
Будущее
Современные автопроизводители широко используют сейчас роботизированные КПП с двойным сцеплением, имеющие два пакета сцеплений и управляющий электронный блок. Есть роботизированная КПП с двойным мокрым сцеплением, которая отличается надежностью и долговечностью, но способствует увеличению расхода топлива.
Коробка передач с двойным сухим сцеплением, наоборот, способна «вносить вклад» в снижение расхода топлива. В среднем, в сравнении с АКПП с гидромуфтой автомобиль с «роботом» с двойным сцеплением потребляет на 15 – 20% меньше топлива. Помимо этого, такие «коробки» отличаются высокой ремонтопригодностью и более просты в обслуживании, чем, к примеру, современные автоматические КПП или «вариаторы».
Можно ожидать, что дальнейшие разработки в сфере трансмиссии в целом и сцеплений, в частности, будут идти по пути создания решений, которые обеспечат повышение топливной экономичности и соответствие автомобиля экологическим нормам. Именно такие задачи стоят сейчас перед автопроизводителями, а также разработчиками автокомпонентов для первичной комплектации и для независимого рынка запчастей.
Электромагнитная муфта
Важным элементом различных конструкций можно назвать муфту. Современные технологические возможности позволили получить более сложные устройства, которые характеризуются более привлекательными эксплуатационными характеристиками. Электромагнитные муфты можно назвать современным предложением. Они устанавливаются на современных автомобилях и многих других устройствах. Довольно сложная конструкция и непростой принцип действия определяет то, что нужно четко разбираться в подобном устройстве для обеспечения его качественного обслуживания. Рассмотрим все особенности данного вопроса подробнее.
Что такое электромуфта?
Электромагнитная муфта представлена специальным устройством для решения самых различных задач, большинство из которых связано с соединением и разъединением пары, находящейся в зацеплении. Производятся электромагнитные муфты для станков и других узлов транспортных средств или тепловозов. При этом выделяют несколько основных разновидностей подобных конструкций:
Электромуфта является промежуточным соединительным элементом. Принцип действия заключается в использовании основных свойств электрического тока для генерации электродвижущей силы.
При этом он может выполнять самые различные функции, к примеру, защиту основного устройства от перегрева или управление.
Принцип работы муфты электромагнитной
Электромагнитная муфта может обладать самой различной конструкцией, но также выделяют и классический вариант исполнения. Его особенности заключаются в следующем:
Рассматриваемая муфта на постоянных магнитах обладает довольно сложной конструкцией, за счет чего обеспечивается точная и надежная работа. Принцип действия устройства следующий:
Подобный принцип работы применяется при создании самых различных механизмов. При этом устройство станка позволяет прекращать передачу вращающего момента в течение нескольких долей секунды, что и определяет его распространение.
Размагничивание электромагнитной муфты происходит за счет отключение источника питания. При этом особые свойства материала определяют то, что магнитное поле пропадает практически сразу, за счет чего происходит обратное движение подвижного элемента. Используемые обмотки электромагнита рассчитаны на достаточно большое количество таков сцепления и расцепления ведущего элемента с ведомым.
При рассмотрении того, что такое электромагнитная муфта также нужно уделить внимание свойств применяемых материалов при ее изготовлении.
Только специальные сплавы обладают магнитными свойствами, которые обеспечивают требуемые условия эксплуатации.
Передача момента на муфту может проводится от электрического двигателя и других подобных элементов. Размеры всех габаритов в большинстве случаев стандартизируются, однако есть возможность заказать производство механизма под заказ. Классификация, как правило, проводится по области применения и многим другим признакам.
Классификация электромуфт
В большинстве случаев электромуфты классифицируются по тому, в какой области они применяются. Чаще всего применяется электромагнитная фрикционная муфта. Она обладает следующими свойствами:
Рассматриваемый тип механизма делится на несколько основных типов:
Довольно част встречается муфта электромагнитная тормозная, которая может снизить количество оборотов при работе.
Вариант исполнения кондиционерного компрессора представлена в виде узла, который состоит из следующих элементов:
В рассматриваемом случае на катушку подается электричество, которое образует электромагнитное поле. За счет этого происходит притягивание прижимной пластины к шкиву. Подобное перемещение дает свободу валу, и механизм начинает работать.
Компрессорные установки получили весьма широкое распространение. Именно поэтому нужно уделять внимание следующим дефектам:
Развитие современных технологий определило то, что в автомобилях проводится установка электромагнитной муфты сцепления. Она делиться на несколько различных типов в зависимости от привода:
Наиболее распространен последний тип механизма. При этом он также классифицируется на несколько основных типов:
В отдельную группу включены электромагнитные порошковые муфты. Они представлены сочетанием веществ, которые при взаимодействии могут обеспечивать прочную связь.
Этот современный вариант исполнения встречается в случае, когда нужно обеспечить смещение соединяемых элементов относительно друг друга на момент эксплуатации.
Элементы защиты, электромагнитные фрикционные многодисковые муфты
Подобная электромуфта чаще всего устанавливается на станках с блоком числового программного управления. К достоинствам отнесем следующие моменты:
Этот вариант исполнения характеризуется довольно высокими эксплуатационными характеристиками, за счет которой он получил широкое распространение. Основными частями конструкции можно назвать:
Исключить вероятность возникновения короткого замыкания можно при помощи вырезанных отверстий в дисках. На момент подачи электрического тока создается электромагнитное поле, которое замыкается при помощи фрикционного диска. Именно за счет этого создается притягивающая сила, за которой происходит смещение основной части.
Встречается несколько вариантов исполнения подобных конструкций. Примером можно назвать устройство с вынесенным и магнитопроводящим диском.
Преимущество соединений при помощи электромуфт
Рассматриваемое устройство получило весьма широкое распространение. Это можно связать с тем, что оно обладает достаточно большим количеством преимуществ, которые должны учитываться. Наиболее важными считаются приведенные ниже:
Однако есть несколько существенных недостатков, которые должны учитываться. Примером можно назвать то, что устройство стоит достаточно дорого, а обслуживание должно проводится исключительно специалистом. Кроме этого, эксплуатация при несоблюдении основных рекомендаций может стать причиной повышенного износа. Не стоит забывать о том, что для работы устройства требуется электрический ток, который и обуславливает появление требуемого электромагнитного поля.
Область применения
Устройство получило весьма широкое применение, так как обеспечивает соединение нескольких элементов и их разъединения при необходимости. Область применения следующая:
В целом можно сказать, что использование электрического тока для генерации сигнала позволяет существенно расширить область применения устройства. Это связано с возможность передачи сигнала от различных датчиков.
В заключение отметим, что электромагнитные муфты выпускают самые различные организации. Рекомендуется уделять внимание продукции исключительно известных производителей, так как заявленные параметры соответствуют реальным. При изготовлении могут применяться самые различные материалы, уделяется внимание защите от воздействия окружающей среды.
Электромагнитное порошковое сцепление
В автомобилях малого класса может применяться так называемое «порошковое» сцепление. Принцип работы подобных устройств основан на том, что наполнитель, состоящий из гранул ферромагнитного порошка, под воздействием магнитного поля меняет свою вязкость. Вместо сухого порошка, состоящего из отдельных гранул, может применяться другой наполнитель – магнитореологическая жидкость (MRF). Она состоит из микрочастиц, изготовленных из магнитного сплава, и жидкой основы. При наличии магнитного поля частицы выстраиваются в прочные цепочки, и вязкость смеси многократно возрастает.
На рисунке 7, приведенном ниже, цифрой «1» обозначен маховик ДВС, цифрой «2» – ведомый диск, соединенный с валом МКПП. Зазор «Б» остается пустым, тогда как зазор «А» заполняют магнитным порошком. Постоянное магнитное поле создается при помощи соленоида «3», величину тока через который можно регулировать. Когда сила тока минимальна, трение между маховиком и ведомым диском почти отсутствует. Ситуация меняется, как только через соленоид начинают пропускать ток, что вызывает появление магнитного поля в зазоре «A».
А – Зазор, заполненный магнитным порошком;
Электромагнитное сцепление, схема которого была рассмотрена, применяется в автомашинах малых классов. Как легко догадаться, на питание соленоида расходуется дополнительная энергия. Значительная ее часть идет на нагрев провода. Увеличивать сечение меди можно только до определенных пределов, а недорогих сверхпроводящих материалов еще не создано. Вот почему в паре с мощными двигателями узел рассмотренного типа не применяется.
Недостатки порошкового сцепления
Заменить узел механического сцепления электромагнитным блоком теоретически можно всегда. Что и было сделано в автомобилях ЗАЗ-968, предназначенных для инвалидов. Но оказалось, что ферромагнитныйпорошок очень редко выдерживает 30 000 километров пробега, как положено согласно теории. В автомобилях ЗАЗ-968М, появившихся позднее, электромагнитное сцепление уже не использовалось. Вместо этого было решено устанавливать электромагнитный привод стандартного механического сцепления.
3.7. Устройство и принцип работы гидротрансформатора
Гидротрансформатор представляет собой закрытую камеру тороидальной формы, внутри которой вплотную друг к другу соосно размещены насосное, реакторное и турбинное лопастные колеса. Внутренний объем гидротрансформатора заполнен циркулирующей по кругу, от одного колеса к другому, жидкостью для автоматических трансмиссий. Насосное колесо выполнено в корпусе гидротрансформатора и жестко соединено с коленчатым валом, т.е. вращается с оборотами двигателя. Турбинное колесо жестко связано с первичным валом автоматической коробки передач.
Между ними находится реакторное колесо, или статор. Реактор установлен на муфте свободного хода, которая позволяет ему вращаться только в одном направлении. Лопасти реактора имеют особую геометрию, благодаря которой поток жидкости, возвращаемый с турбинного колеса на насосное, изменяет свое направление, тем самым увеличивая крутящий момент на насосном колесе. Этим различаются гидротрансформатор и гидромуфта. В последней реактор отсутствует, и соответственно крутящий момент не увеличивается.
Принцип работы гидротрансформатора основан на передаче крутящего момента от двигателя к трансмиссии посредством рециркулирующего потока жидкости, без жесткой связи.
Ведущее насосное колесо, соединенное с вращающимся коленчатым валом двигателя, создает поток жидкости, который попадает на лопасти расположенного напротив турбинного колеса. Под воздействием жидкости оно приходит в движение и передает крутящий момент на первичный вал трансмиссии.
С повышением оборотов двигателя увеличивается скорость вращения насосного колеса, что приводит к нарастанию силы потока жидкости, увлекающей за собой турбинное колесо. Кроме того, жидкость, возвращаясь через лопасти реактора, получает дополнительное ускорение.
Поток жидкости трансформируется в зависимости от скорости вращения насосного колеса. В момент выравнивания скоростей турбинного и насосного колес реактор препятствует свободной циркуляции жидкости и начинает вращаться благодаря установленной муфте свободного хода. Все три колеса вращаются вместе, и система начинает работать в режиме гидромуфты, не увеличивая крутящий момент. При увеличении нагрузки на выходном валу скорость турбинного колеса замедляется относительно насосного, реактор блокируется и снова начинает трансформировать поток жидкости.
1. Плавность движения и троганья с места
2. Снижение вибраций и нагрузок на трансмиссию от неравномерности работы двигателя
3. Возможность увеличения крутящего момента двигателя
4. Отсутствие необходимости обслуживания (замены элементов и т.д.)
1. Низкий КПД (по причине отсутствия гидравлических потерь и жесткой связи с двигателем)
2. Плохая динамика автомобиля, связанная с затратами мощности и времени на раскручивание потока жидкости
3. Высокая стоимость
Режим блокировки
Для того, чтобы справиться с основными недостатками гидротраснформатора (низкий КПД и плохая динамика автомобиля), был разработан механизм блокировки. Принцип его работы схож с классическим сцеплением. Механизм состоит из блокировочной плиты, которая связана с турбинным колесом (а следовательно, с первичным валом КПП) через пружины демпфера крутильных колебаний. Плита на своей поверхности имеет фрикционную накладку. По команде блока управления трансмиссией, плита прижимается накладкой к внутренней поверхности корпуса гидротрансформатора при помощи давления жидкости. Крутящий момент начинает передаваться напрямую от двигателя к коробке передач без участия жидкости. Таким образом достигается снижение потерь и более высокий КПД. Блокировка может быть включена на любой передаче.
Блокировка гидротрансформатора может также быть неполной и работать в так называемом «режиме проскальзывания». Блокировочная плита не полностью прижимается к рабочей поверхности, тем самым обеспечивается частичное проскальзывание фрикционной накладки. Крутящий момент предается одновременно через блокировочную плиту и циркулирующую жидкость. Благодаря применению данного режима у автомобиля значительно повышаются динамические качества, но при этом сохраняется плавность движения. Электроника обеспечивает включение муфты блокировки как можно раньше при разгоне, а выключение – максимально позже при понижении скорости.
Однако режим регулируемого проскальзывания имеет существенный недостаток, связанный с истиранием поверхностей фрикционов, которые к тому же подвергаются сильнейшим температурным воздействиям. Продукты износа попадают в масло, ухудшая его рабочие свойства. Режим проскальзывания позволяет сделать гидротрансформатор максимально эффективным, но при этом существенно сокращает срок его службы.
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.