ŠKODA techweb [homepage]
Spojka a převodovka
20. července 2004

Převodná ústrojí I.

I. část


Konečně se dostávám k napsání článečku o spojkách a převodovkách, který bude rozdělen na více částí, protože je výjimečně extra krátký. Hned na úvod upozorňuji čtenářskou obec, že zde nenajde vzorce pro výpočet spojky nebo převodovky, jelikož jsou na to daleko lepší publikace a počítačové programy, kromě toho nepředpokládám že si někdo bude chtít spojku nebo převodovku sám vyrábět. Budu se snažit opět vysvětlit funkci jednotlivých částí převodovky a jak to kde dělají.
 

 Spojka
 
 Spojka je zařízení, které slouží ke krátkodobému odpojení motoru od převodovky. Toto odpojení k umožnění rozjezdu vozidla a řazení převodových stupňů, případně odpojení převodovky při startu vozidla, kdy ztuhlý olej v převodovce zvyšuje odpor při spouštění motoru. Spojka je řešena jako třecí, přenos výkonu je zabezpečen pouze velikostí tření mezi jednotlivými díly. Skládá se z přítlačného kotouče s přítlačnou pružinou a klecí spojky a hnaného kotouče (lamely) s třecím obložením. Spojka přenáší otáčivý pohyb a tak jsou všechny třecí plochy kotoučové. K ovládání spojky je nezbytné vypínací ložisko. Spojka se montuje na setrvačník motoru, který zároveň slouží jako druhá třecí plocha pro lamelu spojky.
Terminologie – zapnutá spojka je spojka přenášející výkon (ovládací pedál uvolněn), vypnutá spojka je spojka výkon nepřenášející (sešlápnutý pedál).

 Spojky rozdělujeme na suché, mokré (olejové) a kapalinové (hydrodynamické). Dnes převažují spojky suché, mokré spojky se používají hlavně u motocyklů. Kapalinové spojky se používají ve spojení s automatickou převodovkou, umožňují rozjezd vozidla bez ovládání pedálem pouze zvýšením otáček motoru. Jejich hlavní nevýhodou je trvalý prokluz ve výši asi 10%, což vytváří další ztráty v převodovém ústrojí. Moderní kapalinové spojky jsou proto vybavovány přemostěním, které se automaticky aktivuje po rozjezdu vozidla.

 Principem funkce třecí spojky je přenos výkonu pouze třením, které se vyvozuje svíráním hnaného kotouče mezi setrvačník motoru (polovina třecí plochy) a přítlačný kotouč (druhá polovina třecí plochy). U spojky je hlavní veličinou pro výpočet velikosti přenášený točivý moment motoru. Z fyziky vyplývá, že přenosu většího výkonu dosáhneme při celkové konstantní přítlačné síle buď zvětšením třecí plochy, nebo při konstantní ploše zvýšením přítlaku, případně použitím materiálů s větším koeficientem tření. První řešení je vhodné pro zvýšení životnosti spojky, druhé ke zmenšení rozměrů spojky. Třetí řešení je nejméně použitelné, protože dnes používané materiály jsou na horní hranici třecího koeficientu, nároky na životnost a provozní vlastnosti omezují použití materiálů jiných a proto se nedá jednoduše změna materiálu provést. Zvýšení přítlaku ale zvýší nároky na ovládací sílu při vypínání. Pokud potřebujeme spojku lehkou a malou s nízkou ovládací silou, jsem nuceni použít vícelamelové provedení. Vícelamelová spojka je ale dražší a proto se používá jen u drahých supersportů nebo tam, kde už není dostatek prostoru pro potřebný velký průměr lamely přenášející extrémní výkon. Vícelamelové provedení je ale často nutností u spojek mokrých, kde se musí plocha výrazně zvětšit pro menší součinitel tření u mazaných ploch a zmenšení rozměrů.

 Třecí materiály se v posledních desetiletích ustálily na kombinaci kov (ocel, litina) a nějaký druh azbestového obložení s měděným vláknem. Z důvodu karcinogenity azbestových vláken určité velikosti se od použití azbestu upustilo a materiál byl použit zcela odlišný, ovšem jeho vlastnosti jsou lepší. Podmínkou správné funkce suchých spojek je nutnost mít spojku skutečně suchou, jakékoli zamaštění způsobí pokles koeficientu tření na méně než polovinu. Posledním výkřikem technologie obložení spojky jsou materiály na keramické nebo uhlíkové bázi, mají sice vynikající vlastnosti, ale také tomu úměrnou cenu.

 Konstrukce suché spojky:

 Hnaný kotouč (lamela) je vyroben s ocelového plechu, který má zvlněný okraj. Toto zvlnění je důležité pro pružnost lamely, progresivní účinek sil při stlačování výrazně zlepšuje funkci při rozjezdu vozidla. Tento plech je přinýtován na náboji, který se pohybuje axiálně na drážkovaném hřídeli převodovky. Oboustranné obložení je na plech přinýtováno. Zapuštění nýtů udává maximální možnou velikost opotřebení obložení. Při přenosech větších výkonů se spojka vybavuje ještě torzními pružinami, kdy mezi nábojem a plechem s obložením je další plech, přenos výkonu se děje přes pružiny umožňující malé pootočení, které v součinnosti s třením mezi oběma plechy (přídavné třecí prvky) snižuje přenos rázů. Lamela nesmí vykazovat axiální házivost, povolené jsou hodnoty okolo 0,05 – 0,07 mm (jinak nelze zajistit plynulý rozjezd vozidla, vozidlo silně cuká, rozjezd je možný pouze bez přidání plynu s velmi citlivým ovládáním spojky). Lamela se dynamicky a staticky vyvažuje.

 Přítlačný kotouč je robustní litinový nebo ocelový odlitek, který je připevněn s klecí spojky na setrvačník motoru. Jeho hmotnost se přičítá k hmotnosti setrvačníku, který o to může být lehčí. Přítlačný kotouč se nemůže vůči setrvačníku otáčet, ale může se pohybovat axiálně, což je nutné pro funkci spojky. Třecí plocha se rozděluje rovným dílem mezi přítlačný talíř a setrvačník. O házivosti třecích ploch platí totéž co o házivosti lamely. Přítlačnou sílu vyvolávají válcové pružiny, umístěné v komůrkách klece spojky. Axiální posuv (vypínání a zapínání spojky) přítlačného kotouče se děje pomocí vypínacího ložiska spojky a vypínacích páček, jde o dvojzvratné páky připevněné na kleci spojky, se kterou se otáčí. Tato konstrukce je rozebíratelná a umožňuje výměnu jednotlivých částí spojky.

Obr. 1

Válcové pružiny vyvíjejí sílu úměrnou jejich stlačení, při postupném úbytku třecího obložení lamely dochází k oddálení přítlačného kotouče od klece, pružiny jsou tak méně stlačené a přítlačná síla úměrně tomu klesne. Vypínací páčky se více vykloní směrem k ložisku a je nutné jejich seřízení (pedál spojky zabírá příliš nahoře). Při přesoustružení přítlačného kotouče se situace ještě více zhorší a je nutné pružiny o velikost opracování podložit. Ve vysokých otáčkách působí na pružiny síly kolmé k jejich ose a pružiny se odstředivou silou přitláčejí na stěny komůrek, to vše negativně ovlivňuje zapínání a vypínání spojky. Z těchto důvodu se přešlo na spojky s talířovou pružinou, která tyto nectnosti nemá, naopak díky své sedlové charakteristice se její přítlak s opotřebením lamely zvyšuje a odstředivá síla ve vysokých otáčkách spojce nevadí. Další její výhodou je menší ovládací síla. Talířová pružina ale nejde nijak vypodložit při opracování přítlačného kotouče a tak se vyrábí jako nerozebíratelný (snýtovaný) komplet obsahující klec, talířovou pružinu a přítlačný kotouč. Při výměně lamely se mění i celý komplet přítlačného kotouče, tedy vlastně se vymění celá spojka včetně vypínacího ložiska. Vypínací ložisko má sice stejnou základní konstrukci pro obě provedení spojek, ale nedá se zaměnit. Pro spojku s vypínacími páčkami stačí rovinná čelní plocha vypínacího ložiska, talířová pružina potřebuje na dotyk se svými lamelami tvar styčné plochy vypínacího ložiska s půlkruhovým výstupkem.
 

Obr. 2

Obr. 3

Podmínkou správné činnosti spojky je také dodržení předepsaného zahloubení pro spojku v setrvačníku, které se musí po opracování třecí plochy setrvačníku před výměnou spojky dodržet. O kolik jsme tedy ubrali na třecí ploše, o stejnou hodnotu musíme ubrat i na ploše pro přišroubování klece spojky. Pokud toto nedodržíme, klesne výsledná přítlačná síla a talířová pružina nebude ve správné poloze, při větší rozdílu mohou nastat problémy s vypínáním spojky, které se projeví ve větším opotřebení lamel ve styku s vypínacím ložiskem.

 Konstrukce mokré spojky:

 Mokrá spojka se používala v dřevních dobách automobilizmu, kdy relativně elegantně řešila problém s nevhodnými třecími materiály. Výroba mokrých spojek je ale náročnější a tak se postupně přešlo na azbestové materiály, které se používaly u brzdových obložení. Před tím se zkoušela tvrzená pryž a další v té době známé materiály, které ale neměly požadovanou životnost. Mokrá spojka je vícelamelová, kdy sudé lamely mají vnitřní drážkování a jsou axiálně posuvné na hnacím hřídeli, liché lamely (celkový počet je lichý) mají drážkování na obvodu, které zapadá do drážek bubnu, na kterém bývá často i vnější ozubení pro pohon převodovky. Přítlak je vytvářen pružinami. Vypínaní spojky se řeší pomocí tyčky a kuličky, procházející dutým hnacím hřídelem. Lamely jsou ponořeny v olejové lázni, která má dvě funkce – zlepšuje plynulost záběru při rozjezdu a odvádí teplo z malého prostoru spojky. Lamely bývají ocelové, kalené a broušené, nebo se používá korek. Korek se buď na lamely lepí, častěji se po jednotlivých segmentech vkládá do tvarovaných otvorů v unášených kotoučích. Mezery mezi segmenty korku slouží k rychlému vytlačení oleje z třecích ploch. Korkové obložení má vyšší koeficient tření než samotná ocel, který klesne při zaolejování pouze nepatrně a tak může mít taková spojka lamel méně, než když jsou použity pouze broušené lamely ocelové. Spojka tanku T 55 měla 37 lamel (19 vnějších a 18 vnitřních). Mokré spojky se používají u motocyklů ve velké míře a mají společnou olejovou náplň s motorem a převodovkou.

 Hydrodynamická spojka:

 Tato spojka se od ostatních spojek liší tím, že nemá mezní stavy – není nikdy úplně vypnutá a nebo úplně zapnutá. Přenos výkonu je realizován pomocí speciální kapaliny, využívá se tření v kapalině a dynamického účinku kapaliny v lopatkovém kole. Spojka má samoregulaci přenosu výkonu, která je závislá na otáčkách.

Obr. 4 Hydrodynamická spojka

Obr. 5  Hydrodynamická spojka – zobrazení
            průtoku kapaliny mezi lamelami

Spojka se skládá z rotoru 1, je to vlastně speciálně vytvarovaný setrvačník 4 se skříní s radiálními lopatkami 3 v zadní polovině dutiny. Druhá část, hnaný rotor 2 má stejné lopatky a tento je nasazen na hnacím hřídeli 5. Funkce je následující: setrvačník s hnacím rotorem se otáčí ve směru otáčení motoru, speciální kapalina o kinematické viskozitě 7,8 – 7,9 . 10-6 m3/s se otáčí stejným směrem a vnitřním třením v kapalině se točivý moment přenáší na druhou polovinu spojky. Přenos výkonu třením v kapalině je ale malý, více se využívá dynamických účinků kapaliny. Odstředivá síla vytláčí kapalinu na vnější obvod a ta přetéká mezi lopatkami do hnaného rotoru. Otáčky hnacího rotoru jsou vždy vyšší než rotoru hnaného a tak je odstředivá síla v pravé polovině rotoru větší, dochází k cirkulaci kapaliny ve směru šipek. Proudící kapalina získává v rotoru 1 tangenciální složku pohybu, která se dynamicky přenáší do levé polodutiny na hnaný rotor 2. V případě vyrovnání otáček obou rotorů by se moment přenášel pouze třením v kapalině. Tento případ je ale málo pravděpodobný (při částečném výkonu a jízdě z kopce), pro správnou činnost je nutný rozdíl v otáčkách obou polovin, který se nazývá skluz. Skluz se zmenšuje s rostoucími otáčkami, zároveň se zvyšuje přenášený moment. Pokud běží motor naprázdno, skluz je 100%. I tak však dochází k určitému přenosu výkonu třením v kapalině, výstupní hřídel je nutné zabrzdit mechanicky, jinak dochází k malému přenosu výkonu na výstupní hřídel. Spojka se tedy nevypíná ani nezapíná, přenos výkonu nastává plynule se zvyšujícími se otáčkami motoru. Přenos je plynulý bez rázů a opotřebení spojky (výjimkou je hydraulická kapalina, která se jednou za čas musí také vyměnit). Problém je v tom, že i v nejvyšších otáčkách dochází ke skluzu, kapalina se hlavně při rozjezdu silně zahřívá (a to tím více, čím větší výkon chceme přenést) a musí se tedy chladit. Jakékoli zahřívaní je ztráta energie, proti třecím spojkám, které jsou v činnosti pouze krátkodobě a v zapnutém stavu pracují bez prokluzu a tedy beze ztrát, je zde prokluz nutný k činnosti spojky a tak má motor větší spotřebu paliva a menší dosažitelnou rychlost nebo hodnotu stoupavosti. Přenos výkonu obráceným směrem (brzdění motorem nebo roztláčení vozidla) je silně problematický a proto se taková spojka většinou doplňuje spojkou třecí, která je také nutná pro přeřazování rychlostních stupňů v klasické převodovce. Hydrodynamické spojky se proto v běžných osobních automobilech nerozšířily, používají se pouze u nejluxusnějších vozidel jako součást automatické převodovky, nebo u vozidel speciálních. Zde je hydrodynamická spojka řešena jako měnič momentu (popis funkce je u automatických převodovek) a v současnosti se doplňuje přemostěním, které blokuje obě poloviny proti vzájemnému pohybu po zařazení patřičného převodu (eliminace skluzu a tím snížení ztrát). Hydrodynamická spojka (dnes výhradně s měničem momentu) se používá u tahačů velmi těžkých nákladů, kdy je rozjezd otázkou dlouhých desítek sekund, kde by třecí spojky shořely. Rozdíl není pouze v době rozjezdu, ale celkové plynulosti záběru, kdy se tahač s hydrodynamickou spojkou s měničem momentu rozjede plynule bez cukání, zatímco třecí spojka by způsobila odskakování kol z důvodu nepřiměřeně velkých přenášených sil.

Obr. 6  Hydrodynamická spojka s třecí spojkou

 
 

 Obr. 7 Hydrodynamický měnič momentu

Automatické třecí spojky:

 Snahou konstruktérů je automatizovat ovládání spojky, aby se ovládání auta stalo ještě jednodušší. Vzniklo několik konstrukcí automatických třecích spojek, většinou u vozidel s menším výkonem motoru a motocyklů. Principem je využití odstředivé síly, závaží přes tvarový převod působí proti vratné pružině a přitláčí třecí segmenty (podobně jako u bubnových brzd) na vnější plochu spojkového bubnu. Nejdůležitější je zabezpečení správného průběhu přítlaku segmentů, aby spojka při rozjezdu netrhala. Při řazení se dostává do činnosti pomocí elektrického nebo elektrohydraulického ovládání druhá lamela klasické konstrukce, vypínání a zapínání spojky se spouští pohybem kontaktem na řadící páce. Velmi známá konstrukce automatické spojky u Jawy 250 byla později opuštěna a zůstalo pouze u poloautomatického řazení, kdy se pro rozjezd použilo normální mechanické ovládání, ale při řazení se pomocí přídavného segmentu u mechanizmu řadící páky spojka samočinně vypínala a zapínala (pouhým pohybem řadící páky), nebylo tedy nutné ruční ovládání. Bohužel i tento poloautomat byl s nástupem řady Jawa 634 opuštěn.
 Většího rozšíření mezi automobily se dočkala odstředivá spojka Fichtel & Sachs (obr. 8). Závažíčka 10 se odstředivou silou odvalují po šikmé ploše na věnci 3 a přitlačují kotouč 4 na lamelu 2. K zapínání spojky dochází mezi otáčkami 1 000 a 1 800 ot/min. Za touto spojkou je ještě klasická třecí spojka 6, ovládaná třecím kroužkem 7, nejčastěji pod tlakem v sacím potrubí. Volnoběžka 11 je určena k roztláčení vozu a brzdění motorem. Tato spojka byla později zdokonalena a pod označením F & S Saxomat měla jen jednu třecí lamelu a při řazení se používalo automatické elektrické ovládání umístěné na řadící páce. Toto dvoupedálové ovládání bylo velmi zdokonaleno a „řadilo“ dokonce s meziplynem. Problém automatických třecích spojek jsou nízké spínací otáčky, což nedovolí přenos většího točivého momentu, které bývá někdy nutné (rozjezd do strmých stoupání atd.). K tomu sloužil elektrický spínač, kterým se posunula hodnota sepnutí spojky do vyšších otáček, tlačítko se podrželo tak dlouho, dokud se nedosáhlo dostatečných otáček motoru, po uvolnění spojka sepnula.
 Dnes se modifikované automatické třecí spojky v součinnosti s planetovým převodem používají u mopedů, na základě zatížení motoru se nejdříve moped rozjede na první stupeň a jakmile rychlost překročí určitou hranici, spojka sepne druhý převodový stupeň.
 

Obr. 8

Vypínací ložisko:

 Vypínací ložisko slouží k ovládání spojky. V principu jde o kuličkové ložisko s kosoúhlým stykem, které je opatřeno držákem, který má za úkol zajistit axiální posuv ložiska po hnacím hřídeli převodovky. Tento komplet je ovládán vypínací pákou nebo podobným mechanismem. Ovládání je hydraulické nebo mechanické pomocí lanka a páky nebo excentru. Vypínací ložisko je konstruováno na krátkodobý provoz, nejvíce ložisku škodí provoz při vypnutí spojky ve vysokých otáčkách.
 První vypínací ložiska se řešily jako jednoduché grafitové kroužky robustních rozměrů, vypínací páky spojky po relativně tvrdém a kluzkém povrchu grafitu klouzaly, kroužek se neotáčel. Později po zkonstruování kuličkového ložiska s kosoúhlým stykem se začalo používat toto. Konstrukce vypínacího ložiska je v principu stejná, pouze se liší tvarem a velikostí. Ke každé lamele spojky přísluší určitý typ vypínacího ložiska, bez úpravy nejsou různé typy vypínacích ložisek mezi sebou záměnné, některá ložiska se upravit ani nedají. Nejde pouze o lamelu, ale hlavně o velikost hřídele, který spojkovým ložiskem prochází.

 Údržba a opravy:

 Spojka nesnáší mastnotu a proto pracujeme co nejobezřetněji s ohledem na oleje a mazací tuky. Zamaštěnou spojku důkladně odmastíme v co nejsilnějším odmašťovači, technický benzín zrovna mezi silné odmašťovače nepatří, i když je lepší než nic. Zkontrolujeme také odkud se mastnota na spojku dostala a případně vadná gufera vyměníme. Nejčastěji se mění lamela spojky a vypínací ložisko. U starších typů spojek s válcovými pružinami je možné opravit třecí plochy a po podložení pružin použít původní klec s přítlačným kotoučem. U spojky s talířovou pružinou není dnes oprava přítlačného kotouče možná, vše je snýtováno a celá konstrukce spojky neumožňuje upnutí do soustruhu nebo brusky, proto se mění jako celek. V prvovýrobě se spojka vyvažuje spolu s klikovým mechanizmem, pokud budeme přítlačný kotouč demontovat, je nutné označit vzájemnou polohu obou částí a zase podle značek přítlačný kotouč namontovat. Před montáží spojky na setrvačník je nutné provést kontrolu stavu třecí plochy setrvačníku a provést její případné přebroušení včetně kontroly velikosti zahloubení, pozdější oprava vše prodražuje – často se rychle zničí nová lamela. Nová spojka a lamela se jako náhradní díl dodávají vyvážené a proto se při montáži volí poloha libovolná. Pokud se spojka mění z důvodu běžného opotřebení, mění se i vypínací ložisko. U některých typů vypínacích ložisek je možné provést výměnu pouze ložiska do původního držáku, vyjde to levněji. Důležité je vyčistit drážky na hřídeli převodovky, aby se mohla lamela lehce axiálně pohybovat, případně tyto drážky lehce namažeme práškovým grafitem nebo molybdensulfidem. Zkontrolujeme těsnost ucpávky hnacího hřídele převodovky, pronikající olej z převodovky se po čase zcela jistě dostane na třecí plochy spojky a znemožní její funkci. Důležité je po namontování převodovky a montáži do vozu provést seřízení pedálu spojky.
 Opravy lamel nanýtováním nového obložení považuji za ztrátu času a vyhozené peníze. Pokud na tuto práci nejsem patřičně vybavený, výsledek je často tristní. Kromě obložení je také nutné přenýtovat náboj, který bývá často volný. Kdo to někdy dělal na koleně ví jak to nakonec dopadlo – lamela byla sice nanýtovaná, ale zkřivená až hrůza. Při dnešních cenách materiálu to sice láká, ale ohledně Š 742 a lamely za 300,- Kč to postrádá smysl. Opravu spojky, která většinou znamená demontáž motoru nebo minimálně převodovky, dnes každý mechanik a i servis řeší prostou výměnou. Spojka běžně vydrží desítky tisíc kilometrů bez problémů a tak nemá cenu šetřit tam kde se šetřit nevyplácí.

 Tuning:

 Jakékoli úpravy spojky jsou prakticky bez ovlivnění funkce nemožné. Pokud chci dosáhnout většího přenášeného výkonu, pokud je to fyzicky možné použiji větší průměr spojky a upravím setrvačník. Druhou variantou je výměna přítlačného talíře ze stejného vozidla, ale výkonnějšího motoru (na Favorita se používá přítlačný kotouč z Felicie 1,3 MPi nebo 1,6 MPi). Větší přítlačná síla znamená i větší vypínací sílu, řeší se to změnou převodu mezi pedálem a pákou vypínacího ložiska. Pokud už fyzické rozměry zařízení změnu převodu neumožní a ovládací síla je nadměrná, je nutné použít posilovač. Pro závodní účely se vyrábějí spojky speciální s nízkou hmotností, čím nižší hmotnost, tím více peněz za ni zaplatíte, cena takových spojek je často neuvěřitelná.
 
 Pokračování.
 

Autor článku: CJ (Jiří Čech)

zobrazit další autorovy články
upravit článek pro tisk

Komentáře k tomuto článku (57):

 

© 1999-2018, Petr Váňa a Insidea Digital s.r.o.
Jakýkoliv výňatek či přetisk obsahu serveru Škoda TechWeb může být použit jinde pouze s písemným svolením provozovatelů serveru, jež jsou uvedeni výše.
Zásady ochrany osobních údajů