29.1.85. Гаситель крутильных колебаний. Конструкция, назначение.
При движении автомобиля крутящий момент, действующий в трансмиссии, непостоянен. Даже при постоянной скорости автомобиля и постоянной подаче топлива момент пульсирует. Основной причиной этого является периодичность рабочего процесса автомобильного двигателя, сильную пульсацию момента могут вызывать дорожные неровности. На рис. 2.10 показана осциллограмма крутящего момента при движении автомобиля в тяжелых условиях (на участках А и Б включенное сцепление, нагруженное моментом, большим, чем максимальный момент, который оно может передать, пробуксовало подобно предохранительной муфте).
Колебания крутящего момента вызывают переменные напряжения в деталях и сокращают срок их службы. Для уменьшения колебаний применяют специальные гасители колебаний (демпферы). Основной причиной установки демпфера именно в ведомый диск сцепления является желание приблизить его к основному источнику колебаний -двигателю. Следует, однако, отметить, что существуют и альтернативные конструкции, когда гаситель устанавливается в коробку передач или маховик двигателя.
Один из вариантов демпфера крутильных колебаний, встроенного в ведомый диск сцепления, показан на рис. 2.11 (та же конструкция приведена на рис. 2.9). Он включает в себя диск 5, соединенный со ступицей 4 посредством тангенциально расположенных предварительно сжатых пружин 6, установленных в прямоугольных окнах. Диск 5 связан с пластиной 7 при помощи дистанционных заклепок 8. В центральной части находятся фрикционные кольца 9, тарельчатая пружина 10 и упорное кольцо 11. Последнее установлено относительно диска при помощи отогнутых усов, вставленных в окна диска. Крутящий момент с ведомого диска сцепления на ступицу передается двумя путями:
—с граней прямоугольных окон диска 5 и пластины 7 окружная сила передается на торцы пружин и через противоположные торцы на грани окон фланца ступицы. Этим путем передается 80— 90% крутящего момента;
— с диска 5 и пластины 7 трением через фрикционные кольца на ступицу. Если передаваемый сцеплением крутящий момент превысит сумму момента трения фрикционных колец 9 и крутящего момента, создаваемого предварительно сжатыми пружинами 6, то диск повернется относительно ступицы. При пульсации крутящего момента в трансмиссии ведомый диск и его ступица непрерывно колеблются относительно друг друга и кольца 9 трутся о фланец ступицы. Работа трения сопровождается выделением тепла, которое эквивалентно энергии, выведенной гасителем из колеблющейся системы. Так как энергия колебаний определяет их амплитуду, то в результате работы гасителя в трансмиссии уменьшается амплитуда колебаний крутящего момента. Следует иметь в виду, что полного гашения колебаний не происходит, поскольку по мере уменьшения амплитуды колебаний уменьшается и работа трения и, следовательно, эффективность работы гасителя.
Из конструктивных особенностей гасителя нужно отметить, что из-за малой работы трения возможно использование в качестве фрикционного материала металла. В некоторых случаях вместо единых фрикционных колец применяют несколько сегментов. Величина поджатая тарельчатых пружин 10 задается длиной утолщенной части дистанционных заклепок 8. Они же служат ограничителем динамического сжатия пружин 6. Такой ограничитель предохраняет пружины от поломок при пиковых значениях передаваемого момента.
Тарельчатые пружины имеют очень высокую жесткость, что затрудняет получение стабильного значения момента трения, поэтому иногда вместо них применяют витые цилиндрические пружины.
Изображенные на рис. 2.12 возможные характеристики гасителей крутильных колебаний показывают изменение передаваемого крутящего момента в зависимости от угла поворота ведомого диска относительно ступицы. На рис. 2.12 a MT соответствует величине момента трения, М< характеризует предварительное сжатие пружин гасителя, угол а — их жесткость, a q>max, — угол срабатывания ограничителя. Гаситель колебаний, имеющий такую характеристику, настроен на определенный режим работы трансмиссии (резонансный, наиболее опасный с точки зрения прочности и неприятный с точки зрения комфортабельности), на котором он эффективно рассеивает энергию колебаний.
Характеристика, изображенная на рис. 2.12 б, отличается тем, что благодаря последовательному включению пружин (четыре из шести пружин установлены в окна с зазором, который постепенно выбирается при увеличении передаваемого крутящего момента) крутильная жесткость демпфера прогрессивно возрастает при увеличении внешней нагрузки и он более эффективно работает в широком диапазоне нагрузочных режимов.
Гаситель крутильных колебаний
Гаситель колебаний (демпфер) вводят в конструкцию сцепления для предохранения трансмиссии автомобиля от резонансных крутильных колебаний, возникающих при совпадении одной из частот собственных колебаний трансмиссии с частотой действия возмущающей силы, вызываемой пульсацией крутящего момента двигателя.
Гаситель крутильных колебаний (а) и его нерабочее (б) и рабочее <в) положения:
1 и 9 — накладки диска; 2 — пластинчатая пружина; 3 — ведомый диск; 4 — фрикционные шайбы; 5 — ступица ведомого диска; 6 — регулировочная шайба; 7 — пружина; 8 —пластина гасителя.
Для предотвращения передачи угловых колебаний от двигателя на валы трансмиссии в конструкции сцепления предусмотрен гаситель крутильных колебаний (демпфер). Пружины демпфера обеспечивают упругую связь ведомого диска сцепления с его ступицей.
При отсутствии передачи крутящего момента вырезы фланца ступицы и ведомого диска, в которых расположены демпферные цилиндрические пружины, совпадают. Передача крутящего момента от ведомого диска к его ступице осуществляется через демпферные пружины. При этом ведомый диск поворачивается на некоторый угол относительно фланца ступицы и между ними возникает трение. Таким образом, энергия крутильных колебаний превращается в тепловую. Предельное угловое смещение дисков ограничено размером вырезов во фланце ступицы.
Гаситель колебаний (демпфер) вводят в конструкцию сцепления для предохранения трансмиссии автомобиля от резонансных крутильных колебаний, возникающих при совпадении одной из частот собственных колебаний трансмиссии с частотой действия возмущающей силы, вызываемой пульсацией крутящего момента двигателя.
Устройство сцепления современного
автомобиля
На рисунке показаны наиболее распространенные схемы гасителей. Упругим элементом служат пружины 3, тангенциально расположенные и вставленные в окна, прорезанные в ведущих дисках 1 и 2 и во фланце ведомой ступицы 4. На диске 1 закреплен ведомый диск сцепления; диски 1 и 2 соединены между собой заклепками 6. Прокладки 5 (а), изготовленные из стали или фрикционного материала, по толщине и количеству подбирают так, чтобы обеспечить необходимый момент трения между ведущим и ведомым элементами гасителя для поглощения энергии колебаний при резонансе.
В сцеплениях грузовых автомобилей обычно вместо прокладок 5 устанавливают пружинные кольца 7 (б), которые при стягивании заклепками создают осевую силу, необходимую для получения определенного момента трения. В данном случае при сборке гасителя не требуется такая точная регулировка момента трения, как в первом варианте.
Конструкционные схемы гасителей в трансмиссии автомобиля.
Для более эффективного гашения колебаний иногда гасители конструируют с переменной жесткостью: сначала жесткость меньше, а затем она увеличивается. Такое изменение начальной жесткости достигается тем, что сначала в работу вступает лишь часть пружин 3, а затем уже все остальные. Для этого длину окон во фланце ступицы и в ведомых дисках, в которые вставлены пружины 3, делают меньше, чем у остальных окон. Предельный момент Мmax, скручивающий гаситель до упоров и ограничивающий его минимальную жесткость, выбирают обычно равным моменту, определяемому сцепным весом автомобиля при коэффициенте сцепления 0,8, то есть:
Приспособления, обеспечивающие чистоту выключения сцепления.
Предохранение трансмиссии автомобиля от инерционных нагрузок обеспечивается правильным выбором коэффициента запаса сцепления. Дальнейшего снижения инерционных нагрузок, передаваемых от двигателя на трансмиссию, можно добиться, ограничивая резкость включения сцепления или введением гидродинамической муфты. Гаситель (демпфер) при небольшом числе оборотов коленчатого вала двигателя снижает инерционный момент, передаваемый от двигателя на трансмиссию, на 10-15%. При числе оборотов свыше 2500 в минуту инерционный момент уменьшается при наличии гасителя лишь на 5-6%.
Полное отключение двигателя от трансмиссии достигается наличием зазора между дисками сцепления в выключенном состоянии. В однодисковых сцеплениях при отсутствии рычажков выключения, принудительно отводящих нажимной диск, для этой цели применяют слабую пружину 2, оттягивающую нажимной диск 1 от ведомого при выключенном сцеплении (а). В двухдисковых сцеплениях средний ведущий диск 4 в момент выключения сцепления отталкивается от маховика слабой витой или пластинчатой пружиной 3 (б) и упирается в болт 5, ввернуты в корпус 6 сцепления.
Гаситель крутильных колебаний
Крутильные колебания коленчатого вала возникают при его вращении под влиянием приложенных к кривошипам периодически действующих сил. Если период действия этих сил совпадает с периодом свободных колебаний коленчатого вала или кратен ему, то возникает явление резонанса: амплитуда крутильных колебаний возрастает, и вал вследствие увеличения напряжения может разрушиться. Двигатели конструируют так, чтобы резонанс не наступал при частоте вращения, соответствующей эксплуатационным режимам работы, однако крутильные колебания существуют всегда. Гаситель крутильных колебаний, устанавливаемый в некоторых конструкциях сцеплений, служит для предохранения трансмиссии от крутильных колебаний, которые могут возникнуть в ней вследствие неравномерности вращения коленчатого вала двигателя, вызываемой его крутильными колебаниями.
Рис. Ведомый диск сцепления с гасителем крутильных колебаний
Виды гасителей крутильных колебаний
Существуют два типа гасителей крутильных колебаний:
- фрикционные
- гидравлические
Наиболее широкое распространение получили фрикционные гасители. К ведомому диску 1 с его фрикционными накладками 10 и балансировочной пластиной 11 сцепления присоединен заклепками 7 диск 9 гасителя, который установлен между двумя дисками 5, прикрепленными к фланцу ступицы 6 ведомого диска. В дисках гасителя и фланца ступицы имеются окна (например, их может быть восемь), в которых при сборке установлены пружины 2 гасителя вместе с опорными пластинами 3. К фланцу ступицы прикреплены также маслоотражательные кольца 4, благодаря чему исключается возможность выпадания пружин из дисков. Между дисками фланца ступицы и диском гасителя расположены фрикционные элементы 8 (в виде кольца или пластин). Диск гасителя, не связанный жестко со ступицей, при возникновении крутильных колебаний получает угловое перемещение относительно дисков фланца ступицы, которое сопровождается трением между указанными деталями и фрикционными элементами. Этим и достигается поглощение энергии крутильных колебаний и как следствие гашение колебаний ведущего вала коробки передач и связанных с ним деталей трансмиссии. Деформация пружин гасителя при взаимном перемещении дисков гасителя и фланца ступицы уменьшает резкость включения сцепления. Наличие гасителя крутильных колебаний способствует уменьшению шума и износа зубьев шестерен коробки передач.
Гасители крутильных колебаний
Гасители крутильных колебаний предназначены для уменьшения амплитуды крутильных колебаний. Их работа основывается на двух принципах:
- • энергия колебаний не поглощается, а гасится за счет динамического воздействия в противофазе;
- • энергия колебаний поглощается.
На первом принципе основаны маятниковые гасители крутильных колебаний (например, двигатель Д-12), которые выполняются в виде противовесов и соединяются с бандажами, установленными на щеках первого колена с помощью штифтов. При этом соединение осуществляется таким образом, что из-за неравенства диаметров штифтов и отверстий противовес может перемещаться относительно
Рис. 13.10. Схема маятникового гасителя крутильных колебаний: I — щека коленчатого вала; 2 — противовес; 3 — штифт
щеки. Путем специального профилирования отверстий добиваются такой траектории относительного движения центра тяжести противовеса, чтобы она была близка к окружности радиусом г (рис. 13.10).
Таким образом, противовес 2, колеблющийся относительно центра О,, образует маятник, который обладает определенной частотой собственных колебаний, обусловленных величиной радиуса г.
При равномерном вращении вала противовес под воздействием центробежной силы занимает положение, наиболее удаленное от оси вращения, и его центр тяжести находится на линии ОА. Если возникают крутильные колебания, и щека начинает перемещаться относительно равномерно вращающегося радиуса шейки коленчатого вала, то противовес вследствие инерции отклоняется от своего нейтрального положения, создавая момент, противодействующий закручиванию вала.
Маятниковый гаситель не поглощает энергию колебаний, а лишь аккумулирует ее во время закручивания вала и отдает запасенную энергию при его раскручивании до нейтрального положения.
Радиус качания противовесов подбирают так, чтобы частота его собственных колебаний была равна частоте опасных резонансных крутильных колебаний. В этом случае при возникновении критического резонанса настроенный на эту частоту маятник колеблется в противофазе со щекой вала с максимальной амплитудой, вследствие чего его гасящее действие на этом режиме становится наибольшим.
Однако маятниковый гаситель уменьшает амплитуду крутильных колебаний только в узком диапазоне частот, на которые он настроен. На остальных режимах маятниковые противовесы могут даже увеличивать размах колебаний вала. Поэтому они применяются редко и только на двигателях, имеющих один ярко выраженный критический режим.
Гасители крутильных колебаний, работающие с поглощением энергии, выполняют свои функции в основном за счет использования силы трения и делятся на следующие группы:
- • гасители сухого трения;
- • гасители жидкостного трения;
- • гасители молекулярного (внутреннего) трения.
Данные гасители обычно представляют собой свободную массу, соединенную с системой вала в зоне наибольших крутильных колебаний нежесткой связью, которая может быть фрикционной (сухого трения) и жидкостной (жидкостного трения), но чаще всего применяются упругие резиновые элементы (внутреннее трение). Эти элементы присоединены способом вулканизации к свободной массе (рис. 13.11).
Если на участке вала, на котором закреплена ступица, возникают крутильные колебания, то упругий элемент, заключенный между ней и свободной массой, стремящейся сохранить равномерное вращение, начинает периодически деформироваться. Вследствие этого часть энергии вынуждающего момента расходуется и, преобразуясь в теплоту, рассеивается в окружающей среде. Сама же амплитуда вынужденных крутильных колебаний уменьшается.
Рис. 13.11. Демпферы с упругим резиновым элементом: 1 — свободная масса; 2 — упругий элемент