Многодисковая муфта

Многодисковая муфта — это механическое устройство, предназначенное для передачи крутящего момента между двумя валами или между валом и вращающейся деталью, а также для регулирования этой передачи (плавного включения, отключения, ограничения передаваемого момента) за счёт сил трения, возникающих между несколькими парами дисков, прижатых друг к другу с определённым усилием. Относится к классу фрикционных муфт.

Устройство и принцип действия

Основным конструктивным элементом многодисковой муфты является пакет чередующихся дисков, разделённых на две группы: ведущие и ведомые. Ведущие диски, как правило, имеют наружные шлицы или пазы, которыми они соединяются с ведущей полумуфтой (например, с барабаном или корпусом). Ведомые диски, напротив, имеют внутренние шлицы, соединяющие их с ведомым валом (или ступицей). Диски изготавливаются из стали, чугуна, а в высоконагруженных узлах — с фрикционными накладками (из металлокерамики, композитных материалов, бумаги, пропитанной смолой).

Принцип действия основан на законе сухого или жидкостного трения. Для передачи крутящего момента пакет дисков сжимается осевым усилием. Сила сжатия создаётся различными способами: пружинами (в постоянно замкнутых муфтах), гидравлическим или пневматическим поршнем, электромагнитным полем (в электромагнитных муфтах), рычажной системой. При сжатии между поверхностями дисков возникает сила трения, которая и обеспечивает передачу вращения. Чем больше количество дисков и коэффициент трения, тем больший крутящий момент может передать муфта при том же осевом усилии.

Ключевое преимущество многодисковой схемы перед однодисковой — возможность передачи значительно большего крутящего момента при компактных габаритах, так как суммарная площадь поверхности трения увеличивается пропорционально числу пар дисков.

Классификация

Многодисковые муфты классифицируются по нескольким основным признакам.

По способу управления

• Постоянно замкнутые (нормально замкнутые). В исходном состоянии пакет дисков сжат пружинами, и муфта передаёт крутящий момент. Для отключения (размыкания) необходимо приложить внешнее усилие (например, отжать пружины гидравликой). Широко применяются в трансмиссиях тракторов, тяжёлых грузовиков, мотоциклов.
• Управляемые (нормально разомкнутые). В исходном состоянии диски не сжаты, передача момента отсутствует. Включение происходит при подаче управляющего воздействия (гидравлического давления, электрического тока, механического усилия). Используются в коробках передач с переключением под нагрузкой, в станках, в приводах лебёдок.

По условиям работы

• Сухие. Работают в воздушной среде без смазки. Обеспечивают высокий коэффициент трения, но подвержены износу и нагреву, требуют точной регулировки зазоров. Применяются в автомобильных сцеплениях, на мотоциклах.
• Масляные (работающие в масляной ванне или с подачей масла). Диски находятся в потоке масла, которое отводит тепло, смазывает трущиеся поверхности и уменьшает износ. Коэффициент трения ниже, чем у сухих, но ресурс и плавность включения значительно выше. Являются основным типом для автоматических коробок передач (АКПП), роботизированных коробок (DSG, DCT), гидромеханических трансмиссий спецтехники.

По типу привода сжатия

• Механические. Сжатие осуществляется рычагами, вилками, кулачками, нажимными дисками с пружинами.
• Гидравлические. Сжатие производится поршнем, на который подаётся давление масла. Обеспечивают плавное и точное регулирование.
• Пневматические. Аналогичны гидравлическим, но рабочим телом является сжатый воздух. Используются в промышленных приводах большой мощности.
• Электромагнитные. Сжатие дисков происходит за счёт электромагнитного поля, создаваемого катушкой. Позволяют осуществлять быстрое дистанционное управление.

Применение

Многодисковые муфты получили широкое распространение в различных отраслях техники благодаря своей компактности, надёжности и способности передавать большие моменты.

Автомобилестроение

• Сцепление. В мотоциклах, спортивных автомобилях, грузовиках и тракторах многодисковое сцепление (часто масляное) позволяет передавать высокий крутящий момент двигателя при ограниченном диаметре маховика. Оно обеспечивает плавное трогание с места и переключение передач.
• Автоматические коробки передач (АКПП). Внутри планетарных рядов и гидротрансформаторов используются пакеты многодисковых муфт (фрикционов) для блокировки и разблокировки элементов планетарных механизмов. Управление осуществляется гидравликой.
• Роботизированные коробки передач (DSG, DCT). Используют два многодисковых сцепления (сухих или масляных) для работы с чётным и нечётным рядами передач, обеспечивая переключение без разрыва потока мощности.
• Раздаточные коробки и системы полного привода. Многодисковые муфты (часто с электрогидравлическим или электромагнитным управлением) используются для подключения переднего или заднего моста, а также для межосевой блокировки. Пример — муфта Haldex, применяемая на автомобилях Volkswagen, Audi, Volvo.

Промышленность

• Металлорежущие станки. В коробках скоростей и подач для включения и выключения вращения шпинделя, переключения частот вращения.
• Прессы и кузнечно-штамповочное оборудование. Для включения и отключения маховика от привода, а также для управления муфтой-тормозом ползуна.
• Лебёдки и краны. Для управления подъёмом и опусканием груза.
• Судовые двигатели и редукторы. Для реверса и разобщения гребного винта от двигателя.

Специальная техника

• Тракторы и сельхозмашины. В трансмиссиях, для включения ВОМ (вала отбора мощности).
• Танки и БТР. Механизмы поворота и планетарные коробки передач часто содержат многодисковые муфты.

Интересные факты

• Первые многодисковые муфты начали применяться в начале XX века, в частности, в трансмиссиях первых танков и тяжёлых грузовиков. Одним из пионеров их внедрения была компания Daimler.
• В масляных муфтах современных АКПП для изготовления фрикционных дисков используется специальная бумага (целлюлозная основа с добавлением углерода, кевлара и других наполнителей), пропитанная маслом. Это обеспечивает высокий и стабильный коэффициент трения в масляной среде.
• Ресурс работы многодисковых муфт в значительной степени зависит от качества и температуры масла. Перегрев масла (выше 120–130 °C) приводит к деградации фрикционного слоя и выходу муфты из строя.
• В некоторых конструкциях мотоциклов (например, Ducati) используется «сцепление сухого типа» с открытыми дисками, которое издаёт характерный звук (треск) при работе на холостом ходу и трогании.

Критика и недостатки

Несмотря на широкое распространение, многодисковые муфты имеют ряд недостатков:

• Сложность конструкции и высокая стоимость изготовления по сравнению с простыми кулачковыми или однодисковыми муфтами.
• Требовательность к качеству смазки и охлаждения (для масляных типов). Выход из строя системы смазки приводит к быстрому разрушению муфты.
• Наличие гистерезиса и остаточного момента (момента «волочения») в выключенном состоянии, особенно в масляных муфтах с большим количеством дисков. Это приводит к потерям энергии и нагреву.
• Необходимость точной регулировки зазоров в сухих муфтах, так как по мере износа дисков зазор увеличивается, и муфта может начать пробуксовывать.

Источники

• ГОСТ 18306-72 «Муфты механические. Термины и определения».
• Анурьев В. И. «Справочник конструктора-машиностроителя». Том 2. — М.: Машиностроение, 2001.
• Орлов П. И. «Основы конструирования». Книга 2. — М.: Машиностроение, 1988.
• «Автоматические коробки передач. Устройство, принцип работы, диагностика». — М.: Легион-Автодата, 2015.
• Техническая документация фирм ZF, BorgWarner, Haldex Traction.