2. fejezet - Tengelykapcsoló működtető rendszerek

A tengelykapcsolóban a nyomatékot súrlódás viszi át, amelyet leginkább egy előfeszített membrán rugó által keltett normálerő hoz létre. A kiemelés során ezt a normál erőt szüntetjük meg a súrlódó felületek egymáshoz képesti eltávolításával. A működtetés fő szakaszai: zárt állapot, csúsztatás és nyitott állapot.

A száraz tengelykapcsolók működtetése a normálerőt létrehozó membrán rugó deformálásával történik. A fedélben rögzített rugó nyúlványainak benyomásával a rugó peremén kifejtett nyomóerő csökken és perem elmozdul a fedél irányában. Ezt a mozgást követi a fedélhez lágy rugókötegekkel kötött nyomólap. A kiemelés befejezésekor a nyomólap és a súrlódó tárcsa között hézag keletkezik. A nyúlványok benyomása a kinyomó csapággyal történik, amely a nyúlványok végére központosan rögzített golyóscsapágy.

A száraz tengelykapcsolók működtetése a normálerőt létrehozó membrán rugó deformálásával történik. A fedélben rögzített rugó nyúlványainak benyomásával a rugó peremén kifejtett nyomóerő csökken és perem elmozdul a fedél irányában. Ezt a mozgást követi a fedélhez lágy rugókötegekkel kötött nyomólap. A kiemelés befejezésekor a nyomólap és a súrlódó tárcsa között hézag keletkezik. A nyúlványok benyomása a kinyomó csapággyal történik, amely a nyúlványok végére központosan rögzített golyóscsapágy.

Az egytárcsás száraz tengelykapcsolók mellett a nagyobb nyomaték átvitel érdekében használhatnak kéttárcsás tengelykapcsolót is, amelyeknél a két súrlódó tárcsa közös tengelyen van, két nyomólapot nyom az egyetlen membrán rugó. A kiemelés a membránrugó közepére illesztett kinyomó csapággyal történik, mint az egytárcsás kapcsolóknál. Különbség, hogy a kiemelés hossza ezeknél nagyobb, mivel a szükséges légrést 4 helyen kell biztosítani a súrlódó felületek között kiemelésnél. A kiemelés problémája a közbenső nyomólap korrekt mozgatása: éppen annyit mozduljon el a súrlódó tárcsától, hogy a légrések mind a 4 helyen egyenlők legyenek a kopottsági állapotoktól függetlenül. A megoldás az, hogy a közbenső nyomólapot (is) laprugókötegek vezetik meg a fedélhez (motor főtengelyhez) képest és ezek húzzák el a fedél felé kiemeléskor. A korrekt légrést a nyomólapba épített ütköző csapok (az ábrán szürke) állítják be, amelyek súrlódással vannak a nyomólapba illesztve. A csapok illesztő ereje kisebb, mint a fő membrán rugó erő de nagyobb, mint a visszahúzó (laprugókötegek) rugók ereje. Ezért képesek a pontos hézagtartásra és az állandó kopáskorrekciókra.

A kéttárcsás száraz tengelykapcsolókkal nem szabad összetéveszteni a kettős tengelykapcsolót, amelyet a DSG sebességváltókban használnak. Ezeknél a szerkezeteknél két behajtó tengelyen keresztül jut a nyomaték a sebességváltóba. A két tengelykapcsoló egymástól függetlenül működtethető két kinyomó csapággyal. A kinyomó csapágyak lehetnek kívülről mozgatott kiemelő karokon, illetve központi hidraulikus munkahengeren.

A száraz tengelykapcsolókon kívül alkalmaznak olajban lévő lemezes szerkezeteket is, amelyeknél több tárcsát tekercs, membrán vagy tányérrugóval illetve hidraulikus munkahengerrel nyomnak össze. A főként motorkerékpároknál alkalmazott mechanikus kiemelésű tengelykapcsolóknál a nyomórugó(k) deformálása egy tárcsával történik, amit a tengelykapcsoló tengelyében lévő csappal nyomnak meg. A csap két része között a csapágyat helyettesítő golyó van. A hidraulikus működtetésű tengelykapcsolókról bővebben a sebességváltóról szóló fejezetben lesz szó.

A kiemelő szerkezet fontos része a szerkezet kopás utánállítására szolgáló együttes. Az utánállítást korábban a szervíztevékenység során végezték, a pedál holtjáték rendszeres beállításával. A korszerű tengelykapcsolókban automatikus utánállítókat használnak a folyamatos állításra.

Erre jó példa a LUK SAC (Self Adjusting Clutch=önszabályzó tengelykapcsoló) automatikus rendszere.

A hagyományos tengelykapcsoló (2.8. ábra balra) hátránya, hogy ha kopik a súrlódó betét, akkor a nyomólap balra mozdul a rugó peremével együtt. Mivel a rugó közepe a csapágyra van ültetve, ami a pedálon keresztül felütközik, a tengelykapcsoló önmagát kezdi kiemelni, és az átvihető nyomaték csökken. A cél tehát a membrán rugó közepét a tengelykapcsoló kopása során is helyben tartani. Ezt az SAC rendszer a rugók megfogásának a mozgatásával éri el. A hagyományos tengelykapcsolónál a rugót két huzalkarikába ültetve szegecselik a fedélhez, tehát a feltámasztási pont nem tud mozogni, a rugó deformációt viszont megengedi ez a megfogás. Az SAC a membrán rugót ugyan azon a helyen egy tányérrugó (piros az ábrán, szenzor rugó) és egy állító gyűrű (sárga) között rögzíti. Amennyiben a membrán rugó karimája alaphelyzetben (zárt tengelykapcsoló) a kopás miatt balra elmozdul, a szenzor rugó deformálódni engedi a membrán rugót, és a membrán rugó érintkezési pontja balra mozdul az állítógyűrűhöz képest. A keletkező elmozdulás miatti résbe az állító gyűrű ék alakú szegmensei benyomódnak. Az ékeket a fedélhez képest kicsi csavarrugók mozgatják tangenciális irányban, az ékek pedig a fedélben kiképzett ferde felületsorra fekszenek fel. Ezzel a módszerrel a tengelykapcsoló a betétek teljes kopásáig karbantartásmentesen használható.

F_A működtető erő, F_sensor a szenzor rugó alátámasztó ereje, M_TF a rugó billentő nyomatéka. Kopott tárcsánál a rugó kúposabb, nagyobb erő keletkezik a kinyomócsapágyon, a szenzor rugó lenyomódik és a kis sárga ék az alátámasztást balra nyomja.

A működtetéshez szükséges erőt személygépkocsikban huzallal (bovden) vagy hidraulikával vezetik a pedáltól a tengelykapcsoló kinyomó csapágyig. Korszerű megoldás a központi kinyomó csapágynak nevezett hidraulikus működtetésű rendszer (2.12. ábra), amelyiknél a hidraulikus munkahenger és a csapágy egybe van építve. A működtetést tehát ennek a csapágynak a mozgatása jelenti, miközben erőt fejtünk ki a tengelykapcsolóban lévő membrán rugóra.

A tengelykapcsolók több fajtájánál a normálerőt hidraulikus úton hozzuk létre és a kiemelés a nyomás megszüntetésével történik. Főként az automata sebességváltóknál használnak ilyeneket.

A rugóval nyomott tengelykapcsolóknál beavatkozás nélküli állapotban a tengelykapcsoló zárt (energiatakarékos, passzív megoldás), míg az olajnyomással záródó tengelykapcsolókat a hidraulikus rendszer aktív állapotában tartja nyomatékot átvinni képes állapotban. A rugós rendszerek működtetéshez tehát egyenes vonalú elmozdulást kell létrehozni és erőt kell kifejteni, amelyre a hidraulikus munkahenger kiválóan alkalmas. Amennyiben tehát a rendszert függetleníteni akarjuk az embertől, akkor célszerű a hidraulikus munkahenger használata aktuátorként (központi kinyomócsapágy). A hidraulikus munkahengerrel nyomott tengelykapcsolón munkahengerében állandóan fenntartott nyomást kell létrehozni a normálerő kifejtéséhez.

Tehergépkocsiknál a tengelykapcsoló működtetés sűrített levegővel történik, amelyet vagy a tengelykapcsoló pedál vezérel vagy automatikusan vezérel/szabályoz egy elektronikus berendezés.

A tengelykapcsoló használata a gépkocsivezetés egyik kritikus eleme, gyakorlatot igényel, és közben igénybe veszi a gépkocsivezető figyelmét. Ezért a motorizáció kezdete óta törekednek a jármű indítás és a sebességváltás automatizálására, amelyre számtalan mechanikus, villamos, hidraulikus és hidrodinamikus megoldás született és létezik a gyakorlatban.

Ésszerű automatizálási törekvés a hagyományos tengelykapcsoló működtetés felváltására a széria autók átalakításával olyan járművezetők számára, akik képtelenek a pedálokat működtetni. Ezek utólagosan is beszerelhetők és kizárólag a tengelykapcsolót működtetik automatikusan indításkor és egyszerű kapcsolással sebességváltáskor. A fékpedál lenyomásakor egy villamos motor elforgatja a tengelykapcsoló pedált (kinyomja a tengelykapcsolót). Ekkor kapcsolhatjuk az induló fokozatot, és ha gázt adunk, akkor a motor a tengelykapcsolót egy megfelelő függvény szerint csúsztatási állapotba hozza, majd zárja. Sebességváltáskor egy a sebváltó karon lévő gombot kell megnyomni és old a tengelykapcsoló, gázadásra pedig ismét zár. A folyamat fizikailag átgondolva algoritmizálható a jármű indítás belsőégésű motorhoz kapcsolódó feltételrendszerének figyelembe vételével. Az algoritmus számítógépen futtatható szoftverben valósítható meg, amihez természetesen megfelelő hardver (számítógép) szükséges. A rendszer előre meghatározott függvények alapján működhet, nem veszi figyelembe a környezet (jármű, motor) jellemzőit, vagyis a tengelykapcsoló egyszerű vezérlése történik.

A tengelykapcsoló működtetésében a fentiek alapján két műveletsor van, amely mechatronizálható:

Az első műveletsorra sebességváltáskor van szükség. A hagyományos kéttengelyes és előtét tengelyes szinkron kapcsolású sebességváltóknál a sebességváltás terheletlen állapotban történhet, tehát a sebességváltás műveletei: gáz elvétel, tengelykapcsoló kiemelés, üres fokoztaba kapcsolás, sebesség fokozat választás, sebességfokozat kapcsolás, tengelykapcsoló zárás, gázadás. A folyamat egyszerűen végrehajtható és automatizálható. Hátránya ennek a kapcsolásnak, hogy a jármű hajtását abba kell hagyni egy bizonyos időre (néhány másodpercre), amely sem a motor vezérlésére, sem a jármű dinamikájára nincs jó hatással. A folyamat idejét lehetőség szerint minimalizálni kell.

Az automata bolygóműves és az automatizált kettős tengelykapcsolóval rendelkező nyomatékváltóknál két tengelykapcsoló (vagy súrlódó fék) együttes csúszása közben kapcsolódik a fokozat (változik a kinematikai áttétel), amit a sebességváltókról szóló fejezetben mutatunk be.

A tengelykapcsoló csúsztatására a hagyományos sebességváltóknál a jármű indításakor kerül sor. A motor csak forgó főtengelyén ad le a jármű indításához elegendő nyomatékot és ezért a kezdetben álló később lassabban forgó sebességváltó behajtó tengely és a motor főtengely közé aszinkron gépet kell építeni. A későbbiekben tárgyalt kettős tengelykapcsolóval rendelkező (DSG) sebességváltók fokozatkapcsolásánál is csúsznak a tengelykapcsolók, itt a nyomaték átvitel itt is változó relatív fordulatszámok mellett. megy végbe.

A jármű indítása nem mindig előre meghatározott időbeli folyamatként játszódik le, a folyamat függvényei a motor állapotától (fordulatszám, gázpedálállás, üzemmeleg állapot), a járműre ható ellenállásoktól (külső erők, terheléstől függő tömegerő, emelkedési ellenállás) a külső hőmérséklettől, a gumiabroncs tapadási viszonyaitól függenek. Ez annyit jelent, hogy ha előre meghatározott körülmények alapján algoritmizáljuk az indítási folyamatot, akkor lesznek olyan esetek, amikor a járművel nem a megkívánt módon tudunk indulni.

A felpörgetett motor főtengely lassul a rá ható súrlódó nyomaték következtében, amely a csúsztatás elején meredeken emelkedik, majd a főtengely lassulás megszűnése után jelentősen csökken. A jármű a súrlódó nyomaték indítási küszöb értékénél elindul és csúsztatás közben gyorsulását a nyomatéklefutás határozza meg. A motor egyenetlen járásából adódó nyomatéklüktetés látható a nyomaték időfüggvényen. A nyomaték a gázpedál állásától (annak időbeli változásától, a lenyomás sebességétől, gyorsulásától), a motor fordulatszámtól (a fordulatszám időbeli változásától) és a kinyomó csapágy elmozdulástól (sebességétől) függ, amelyet az ún. indítási függvényekben adnak meg. Korlát, illetve határérték lehet a tengelykapcsoló hőmérséklete (túlterhelés védelem). Automatizált működtetés esetén a gépkocsivezető szándékát csak a gázpedálon keresztül képes érvényesíteni, tehát a szabályzás referencia (bemenő) jeleként csak ez használható. Az indítási stratégia céljai lehetnek: a nyomaték maximalizálása a hőterhelés és keréktapadás figyelembevételével (legnagyobb járműgyorsítás elérése), a tengelykapcsoló élettartam maximalizálása, a csúsztatási idő rövidítése (minimalizálása), a veszteségek minimalizálása a tengelykapcsolónál és a motornál. A stratégiák aktivizálására a jármű adaptív irányítása ad lehetőséget, amely a teljes járműirányítást felhasználva közelíti, vagy meghatározza az indítási folyamat jellegét (következtet a vezető szándékára, annak magatartásából). A stratégiák a szabályzásban indítási függvényként, fordulatszám-nyomaték függvények formájában vannak jelen.

A sebességváltáskor végzett tengelykapcsoló működtetés a szinkron kapcsolású automatizált váltóknál akár egyszerű vezérlésként is megoldható, de a legtöbb esetben két tengelykapcsoló együttműködésről van szó, amely szabályzást igényel. Erről a sebességváltó fejezetben lesz szó.

Kritikus körülmény a tengelykapcsoló csúsztatásnál a tengelykapcsoló és a teljes hajtáslánc illetve a jármű rezonálása (Rupf), amelyet az indítás szabályzásnál figyelembe kell venni. Szintén fontos eleme a szabályzásnak a tengelykapcsoló túlhevülésének megakadályozása, amelyet a hőmérséklet szabályzásnál való figyelembe vételével kell megoldani.

Itt a jármű még passzív elem, a kerék fordulatszám és a jármű mozgásállapota nem avatkozik a szabályzásba. A szabályzó (13) referencia jele a gázpedál állás (14). Beneneti jelei az egyes hajtóműelemek aktuális fordulatszámai, valamint a kiemelő aktuátor helyzete (1106 útadó). Kimeneti jel a szabályzott motor fordulatszám (Nmot, soll) és a kiemelő aktuátor állása (St).

A gépkocsivezető a gázpedállal avatkozik be, a motor nyomatékának referencia értékével. A működtetés jellegét az indítási stratégia határozza meg, amely a biztonsági rendszerben a fordulatszám különbségben és a csúsztatási időben jelentkezik. A túlmelegedés szempontjából kiértékelt vezérlő jelet kapja a tengelykapcsoló aktutátor és amennyiben mégis túlmelegedés veszélyhelyzetbe kerül a tengelykapcsoló, a rendszer a vezetőt figyelmezteti. (ne adjon akkora gázt!)

A fenti indulási folyamat során a motor fordulatszámot az aktuátor a folyamatosan növekvő nyomaték elérése érdekében szabályozza. Nincs hirtelen nyomaték ugrás a motor fordulatszám erős csökkenése miatt. Az indulási folyamatnak 4 szakasza van. Az elsőben a gázpedál lenyomást követően kiemelési holt tartományt mozogja be a működtető rendszer. A második szakaszban kezdődik a tengelykapcsoló szabályzás, amely az előírt motorfordulatszámra történik, az aktuátor helyzete és az átvitt nyomaték figyelembe vételével. A referencia fordulatszámot egy olyan függvény állítja elő, amelyet a bekapcsolt sebességfokozat, a sebességváltó behajtó fordulatszáma (tengelykapcsoló ki) és a motor üresjárati fordulatszáma alapján hoztak létre. Amint a tengelykapcsoló ki és bemenő fordulatszám különbsége elér egy bizonyos értéket (pl. 50 ford/perc) kezdődik a 3. szakasz, amikor a tengelykapcsolót lehetőség szerint gyorsan zárja a rendszer. Ha a zárás kb. 90%-ra megtörtént, akkor kezdődik a 4. szakasz, amikor a tengelykapcsoló zárt. Ebben a szakaszban a motornyomaték a vezető által kívánt értékre növekszik.