Каждый раз, переключая передачи на ходу, мы вряд ли задумываемся о том, сколько переменных разом должны принять нужное значение, чтобы в итоге все получилось как в «Форсаже» - эффектно и без накладок. И мало кто задумывается над тем, что вся мощь автомобиля (иногда совершенно не малая) передается на трансмиссию при помощи диска толщиной всего от 5 до 8 мм. Этот диск эксплуатируется в самых нелегких условиях. При запуске он какое-то короткое время пребывает в бездействии, а потом зажимается между двумя алюминиевыми плашками и начинает вращаться со скоростью от 4000 до 6000 оборотов в минуту. Вибрация, трение и нагрев, сопровождающие этот процесс, делают сцепление одним из самых важных компонентов автомобиля.

Для начала рассмотрим основы

Обычная система сцепления состоит из двух устройств – диска сцепления и кожуха сцепления, причем последний содержит в себе нажимной диск и тарельчатую нажимную пружину. Диск сцепления «живет» между маховиком и нажимным диском, и его передняя и задняя поверхности покрыты фрикционным материалом. Диск сцепления – та точка, в которой физически соединяются двигатель и трансмиссия. Диск присоединяется к первичному валу коробки передач благодаря пазам в своей центральной секции. Кожух сцепления жестко соединен с маховиком.

Металлическое кольцо на обратной стороне кожуха сцепления – это нажимной диск. Когда он прижимает диск сцепления к маховику, двигатель и трансмиссия соединяются, становятся одним целым. Ключ этого единения в контакте поверхностей этих трех деталей. При этом кожух сцепления жестко присоединен к маховому колесу и всегда вращается с той же скоростью, что и двигатель.

В состоянии покоя (когда никто никуда не едет), двигатель и коробка передач соединены. Но когда водитель выжимает педаль сцепления, гидравлический поршень или разъединение троса приводит в действие вилку сцепления, которая давит на выжимной подшипник, а тот, в свою очередь, жмет на нажимную пружину. Вжатая внутрь пружина приводит в действие набор кулачков, отталкивающих нажимной диск наружу от диска сцепления. В совокупности этих действий возникает эффект рычага. В этот момент диск сцепления свободно вращается на трансмиссионном валу с постепенно снижающейся скоростью – до следующего переключения передач.

Снимая ногу с педали сцепления, водитель инициирует другой процесс: нажимной диск снова сцепляется с диском сцепления и двигатель снова соединяется с трансмиссией. Смягчить удар от этого воссоединения помогают пружины в центральной секции диска сцепления.

Теперь немного подробнее

Нам удалось немного пообщаться с Диком Старксеном, президентом и техническим директором компании Advanced Clutch Technology Inc. Мы задали ему несколько вопросов. Ответы на них призваны пролить немного света на некоторые аспекты выбора и производство усиленных систем сцепления.

Вопрос: каковы основные параметры, по которым нужно выбирать сцепление?
Ответ: перечислим эти параметры: несущая способность по крутящему моменту; качество включения сцепления; диапазон рабочих температур (допустимые пределы нагрева); срок «жизни» сцепления; то, как лично вы переносите шум; усилие, с которым будет выжиматься педаль сцепления; сила инерции; сертификат SFI (организации, которая занимается стандартизацией оборудования спортивных автомобилей; для России это вряд ли актуально – прим. переводчика). Ну и, конечно, цена.

Вопрос: можно ли найти компромисс между двумя крайностями: сцепление для высокомощных машин и их менее мощных собратьев?
Ответ: основной параметр характеристик сцепления – это крутящий момент, который оно способно перенести. В большинстве случаев его несущие способности не зависят от оборотов двигателя. От оборотов зависит мощность, но не крутящий момент. Очень трудно дать однозначный ответ на ваш вопрос. Ответ всегда будет каким-то компромиссом. Давайте рассмотрим несущую способность сцепления по крутящему моменту. Она определяется формулой:

T = P x F x N x R

Где
T = крутящий момент
P = усилие зажима
F = коэффициент трения
N = количество поверхностей (обычно 2)
R = радиус циркуляции (здесь подразумевается радиус трущейся поверхности).

Как можно понять из формулы, каждая переменная здесь имеет прямое влияние на итоговое значение крутящего момента, которое способно выдержать сцепление. Это ведь простое умножение. Но, увеличивая значение того или иного множителя в этом произведении, мы получаем не только увеличение крутящего момента как результата, но и свои достоинства или недостатки, которые приобретает эта математическая модель.

Компромисс было бы намного проще найти, если бы у нас была возможность заново сконструировать любое сцепление, маховик и вообще всю действующую систему автомобиля. Но нам приходится иметь дело с соединениями, колоколом и другими деталями в том виде, в каком они вышли с завода. Так что для постройки более мощных проектов нам приходится идти на большое количество уступок. Заметьте: даже спортивные автомобили или дизельные грузовики (а у них крутящий момент очень высок) редко выпускаются с нестандартным сцеплением. Нормой являются обычные однодисковые сцепления пружинного типа. И причиной здесь является не цена, а простота в плане компоновки с остальными системами автомобиля.

Когда водитель выжимает педаль сцепления, выжимной подшипник начинает давить на диафрагменную пружину (металлические «лепестки», которые видны на фото в центре сцепления), которая, по закону действия рычага, приподнимает нажимной диск, отсоединяя его от диска сцепления.

T (крутящий момент, точнее, несущая способность сцепления по этому параметру)
Выбирая сцепление с большей, чем нужно, несущей способностью, вы рискуете сократить срок службы трансмиссии (хотя это зависит от ваших водительских навыков) и получить не очень приятные дополнения в виде высокой цены, чрезмерного усилия, с которым будет выжиматься педаль, интенсивного изнашивания, вибрации, шума и т.д.

P (усилие зажима)
Усилие зажима – это функция силы диафрагменной пружины сцепления и шарниров, которые усиливают силу действия пружины через усиление действия силы рычага. Чем сильнее давит на пружину выжимной подшипник, тем сильнее сопротивляется пружина и тем большее усилие нужно приложить к педали сцепления. Шарниры опоры при этом не играют никакой роли в усилии, которое придется приложить к педали. Если вы измените только силу действия рычага, вы пропорционально сократите срок работы сцепления и увеличите рабочий ход, как сделали бы это в простой рычажной системе.

Этот прием обычен для наших конкурентов, но я считаю, что он дает лишь временные преимущества (причем незначительные). Наша компания предпочитает использовать более мощные пружины. Они обеспечат более длительный срок работы сцепления, так что мы можем одновременно немного изменить шарниры и при этом не сократить срок работы сцепления. При этом мы предпочитаем скорее сильнее изменить силу действия пружины, а не рычага. Более мощные пружины обычно выбирают сами автопроизводители для своих более мощных моделей (например, с турбонаддувом).

F (коэффициент трения)
Обычно чем выше коэффициент трения, тем быстрее происходит износ и тем хуже качество соединения (что вызывает вибрацию). Органические материалы, по нашим подсчетам, имеют коэффициент трения около 0.25, керамические – 0.36. Но эти цифры на самом деле зависят от методов тестирования. Мы тестировали различные материалы и в итоге получили для металлокерамического сцепления коэффициент 0.40 – самый высокий из того, что мы опробовали.

N (количество поверхностей)
У одного диска сцепления их, понятное дело, две. Но если вы удвоите количество дисков, этот показатель возрастет до 4, и при этом вдвое увеличится емкость крутящего момента. Звучит прекрасно, но есть проблема: двойной диск спортивного типа не разделяет поверхности, так что вы можете встретиться с трудностями в переключении на трансмиссиях синхронного типа.

Чтобы многодисковые сцепления нормально работали с трансмиссиями синхронного типа, в нажимной диск и промежуточную пластину (которая вкладывается между дисками сцепления) должен быть встроен подъемный механизм компенсации износа. Проделать это правильно – довольно сложная задача. Этот механизм был реализован в первой модели NSX, но позже на 6-скоростной модификации от него отказались в пользу менее проблемного однодискового варианта. Старый Porsche 928 также вернули к одному диску сцепления после экспериментов с двумя.

В простом многодисковом сцеплении присутствует еще один фактор – шум, вызванный тем, что производители не используют накладок, центрующих нажимное кольцо или промежуточные диски. Когда сцепление отсоединяется от маховика, детали начинают дребезжать вследствие колебаний, идущих от двигателя. В автоспорте мы были свидетелями успеха автомобилей с синхронными трансмиссиями, дополненными карбоновыми сцеплениями Tilton – суперлегкий вес дисков компенсирует силу трения поверхности обычных двухдисковых сцеплений. Однако немногие люди могут позволить себе заплатить за такое сцепление $4,000, а краткий срок его работы не подразумевает повседневное использование. Отметим, что дело здесь не в качестве покрытия дисков, а в количестве сцепляющихся поверхностей. Площадь поверхности имеет весьма малое отношение к емкости крутящего момента и весьма большое – к температурному диапазону работы сцепления.

R (радиус циркуляции)
Это радиус трущейся поверхности. Иногда размер сцепления можно довольно легко поменять, но в большинстве случаев это не самый практичный вариант. Например, на Civic 89-го года выпуска вполне можно поставить сцепление и маховик от того же Civic, но 90-го и более поздних годов выпуска. При этом мы получим не только выигрыш в емкости крутящего момента сцепления, но и увеличение температурного диапазона, и более широкий выбор доступных вариантов сцепления – что очевидно. Правда, придется уступить в другом: сцепление большего размера имеет увеличенную инерцию, что выражается в более медленном переключении передач или разрушении фрикционного материала. Диск большего радиуса подразумевает также и более крупные, жесткие демпферы (что добавит лишний вес).

Диск сцепления «крепят» к трансмиссии шлицы в его центральной секции. При выжатой педали сцепления диск свободно вращается в пространстве между маховиком и кожухом сцепления, которые, в свою очередь, тоже вращаются с теми же оборотами, что и двигатель. При переключении передач в этот момент диск и трансмиссия замедляют свое вращение.

Немного модифицированные версии стоковых дисков имеют измененные амортизирующие пружины между накладкой и опорой, что позволяет уменьшить ход диска. Диски этого типа идут в комплекте с нажимными дисками нашего производства, но фрикционный материал здесь оставлен опять же без изменения.

Спортивные диски сцепления, которые мы предлагаем, отличаются органическими материалами высшего качества, которые имеют немного улучшенные характеристики трения и высокое содержание меди – для лучшего отвода тепла. К тому же они сделаны на стальной основе, что придает им большую прочность. Смолистая основа, на которую крепится фрикционный материал, лучше переносит нагрев, чем большинство дисков с органическими материалами.

На фото – сцепление полного профиля, то есть с фрикционным материалом, нанесенным по всей трущейся поверхности диска. Спортивные диски бывают 4-, 6-, 8-секторными (подразумевается количество отдельных секторов, на которые нанесен фрикционный материал. Эти секторы напоминают лопасти вентилятора). На таких дисках фрикционный материал более крепкий, так что наносить его на диск можно в меньшем количестве, что облегчает сам диск и ускоряет процесс его соединения с маховиком. К числу недостатков этого типа дисков относят более жесткое включение и вибрацию. Свойства фрикционного материала и конфигурация его расположения на диске – тот момент, в котором приходится идти на многие компромиссы.

Фрикционный материал, который здесь используется, несет несколько функций: создавать необходимую силу трения; переносить крутящий момент и выдерживать нужные обороты двигателя; иметь желаемые свойства зацепления и стойкость к износу; допускать определенный нагрев и быстро восстанавливать свойства после перегрева.

Кевлар, например, известен своими изолирующими свойствами. Если использовать его в качестве фрикционного материала, это становится проблемой. Кевлар не восстанавливает свойства после перегрева достаточно быстро, потому что не отдает тепло со своей поверхности. В результате получается материал, который способен «сварить» стыкующиеся поверхности (маховик и нажимной диск) и имеет меньший, чем в стоке, коэффициент трения, необходимый для работы. Да, диск из кевлара служит долгое время, если обращаться с ним должным образом, но и он не идеален.

Вопрос: в чем разница между подпружиненной и не подпружиненной центральной ступицей?
Ответ: при традиционной компоновке махового колеса пружины в центре диска сцепления предназначены для того, чтобы уменьшить трансмиссионные шумы, вызванные вибрацией двигателя. Такой диск будет работать тише, а его центральные шлицы будут меньше изнашиваться. Диск с жесткой центральной частью, имея меньший вес, будет быстрее переключаться, более ровно сцепляться с материалами, обладающими высоким коэффициентом трения. К тому же в этом случае не будет неполадок, связанных с пружинами. Напомним, что такие диски предназначены для спортивного использования, то есть не для больших пробегов, так как от вибрации шлицы преждевременно изнашиваются.

Вибрация от вращения двигателя обычно возрастает при таких факторах, как небольшое число цилиндров, высокая компрессия, перегрев кулачков распредвала, овербуст, неотрегулированное зажигание или слишком легкий маховик.

Центральная ступица диска сцепления поддерживается пружинами, которые помогают снизить удар при соединении его с маховиком.

Вибрация обычно начинается, когда при включении сцепления двигатель смещается на своих подушках, а потом смещается обратно, тем самым на какой-то момент разъединяя диск сцепления с маховиком, чтобы в следующий момент они снова соединились, сместив двигатель на подушках и повторив весь процесс по второму (и не только) кругу. Зачастую «агрессивное» сцепление, от которого будет ходить ходуном обычный городской автомобиль, не будет вызывать вибрацию на машине с более жесткими креплениями двигателя. Уменьшить вибрацию может и диск сцепления с жестким центром, который сведет на нет эффект смещения двигателя туда-сюда.

Вопрос: что вызывает пробуксовку сцепления?
Ответ: попадание масла, изношенный фрикционный материал, недостаточная сила трения.

Вопрос: каковы причины плохого переключения передач, жесткого хода рычага КПП?
Ответ: нажимной диск с дефектами (точнее, неполадки в ходе его отсоединения от диска сцепления), повреждения во время установки сцепления, из-за которых диск может погнуться, неудачная регулировка педали сцепления или проблемы с проводкой, неверный подбор деталей (диск не того типа).

Вопрос: почему так важно обкатывание сцепления?
Ответ: при установке наших дисков сцепления мы рекомендуем 300-500 км проехать в спокойном режиме для их «обкатки». Цель в том, чтобы диск какое-то время включался контролируемым, согласованным образом; это обеспечит «притирание» друг к другу диска сцепления, нажимного диска и маховика. К тому же в таком режиме работы фрикционный материал с большой долей вероятности испытает некоторое количество циклов нормального нагрева.