6. Siły działające na samochód Obciążenia statyczne Opory ruchu Siła napędowa... 31

Transkrypt

1

2 Spis treêci Część I Wiadomości ogólne Rozwój i znaczenie motoryzacji Podział pojazdów samochodowych Podział samochodu na zespoły Charakterystyka techniczna samochodu Część II Teoria ruchu samochodu Wiadomości wstępne Siły działające na samochód Obciążenia statyczne Opory ruchu Siła napędowa Własności ruchowe samochodu Bilans sił Bilans mocy Dobór parametrów układu napędowego Mechanika ruchu samochodu podczas hamowania Siły działające na samochód podczas hamowania Rozkład sił hamowania na poszczególne osie samochodu Mechanika krzywoliniowego ruchu samochodu Podstawowe zależności kinematyczne Siły działające na samochód w ruchu krzywoliniowym Stateczność ruchu samochodu Część III Budowa podwozi A. Mechanizmy napędowe Wiadomości wstępne Sprzęgła Zadania i rodzaje sprzęgieł Budowa i działanie tarczowych sprzęgieł ciernych Elementy tarczowych sprzęgieł ciernych Obliczanie tarczowego sprzęgła ciernego Sprzęgła elektromagnetyczne Sprzęgła hydrokinetyczne

3 12. Skrzynki biegów Zadania i rodzaje skrzynek biegów Budowa i działanie stopniowych skrzynek biegów z przekładniami o stałych osiach Synchronizatory Mechanizmy sterowania stopniowych skrzynek biegów z przekładniami o stałych osiach Zasady i kolejność obliczeń stopniowych skrzynek biegów z przekładniami o stałych osiach Stopniowe skrzynki biegów z przekładniami o osiach obracających się przekładnie planetarne Bezstopniowe skrzynki biegów przekładnie hydrokinetyczne Automatyczne skrzynki biegów Wały napędowe i przeguby Wały napędowe Przeguby Elementy podatne w wałach i przegubach Mosty napędowe Zadania i rodzaje mostów napędowych Przekładnie główne Mechanizmy różnicowe Półosie i piasty kół napędzanych Pochwy Przykłady konstrukcji mostów napędowych B. Mechanizmy nośne i jezdne Osie nienapędzane Zawieszenia Cel i istota pracy zawieszenia Rodzaje zawieszeń Elementy sprężyste Elementy tłumiące amortyzatory Stabilizatory Przykłady konstrukcji zawieszeń Ramy Koła i ogumienie Koła Ogumienie C. Mechanizmy prowadzenia Układy kierownicze Zadania układu kierowniczego Mechanizmy zwrotnicze Ustawienie kół kierowanych Mechanizmy kierownicze Układy kierownicze ze wspomaganiem Specjalne układy kierownicze Układy hamulcowe Zadania i rodzaje układów hamulcowych Hamulce Mechanizmy uruchamiające hamulce Układy hamulcowe przyczep i zwalniacze

4 Część IV Budowa nadwozi Zadania i rodzaje nadwozi Nadwozia samochodów osobowych Rodzaje i odmiany nadwozi Budowa i wyposażenie nadwozi Ogrzewanie i klimatyzacja Nadwozia samochodów ciężarowych Kabiny kierowców Skrzynie ładunkowe Nadwozia autobusów Część V Przyczepy. Pojazdy o specjalnym przeznaczeniu. Motocykle Przyczepy i naczepy Pojazdy o specjalnym przeznaczeniu Ciągniki drogowe Pojazdy kontenerowe Samochody terenowe Pojazdy do przewozów specjalistycznych Pojazdy samowyładowcze Pojazdy pożarnicze, służby zdrowia i służb technicznych Pojazdy komunalne Pojazdy motocyklowe Rodzaje pojazdów motocyklowych Budowa motocykli Motocykle czterokołowe Część VI Badania pojazdów Wiadomości ogólne Pojęcia podstawowe Rodzaje badań Eksperymenty na drogach publicznych Badania właściwości ruchowych samochodów Testy trwałościowe Badania eksploatacyjne Badania właściwości użytkowych samochodu Badania warunków eksploatacji Badania awaryjności i uszkodzeń eksploatacyjnych Badania trwałości i niezawodności Badania skutków kolizji Badania na wydzielonych kompleksach dróg poligon badawczy Laboratoryjne badania samochodów Badania statyczne i kwazistatyczne Badania dynamiczne symulatory Laboratoryjne badania zespołów Stanowiska badawcze Organizacja laboratorium Literatura

5 Część I Wiadomości ogólne 1. Rozwój i znaczenie motoryzacji W dzisiejszych czasach trudno sobie wyobrazić życie bez transportu samochodowego bez samochodów osobowych, ciężarowych, autobusów, karetek pogotowia itd. A jednak, mimo że zbudowanie pojazdu, który by się sam poruszał, było od dawna marzeniem konstruktorów, historia samochodu mającego znaczenie użytkowe sięga zaledwie przełomu XIX i XX wieku. Próby skonstruowania naziemnego pojazdu poruszającego się o własnych siłach czyniono już znacznie dawniej. W roku 1769 Francuz Mikołaj Józef Cugnot skonstruował pierwszy pojazd o napędzie parowym. Pojazd ten nie miał własnego paleniska i aby nagrzać parę, trzeba było pod kotłem rozpalać na ziemi ognisko. W następnych latach powstało wiele mniej lub bardziej udanych konstrukcji o napędzie parowym, z którymi w drugiej połowie XIX wieku zaczęły konkurować pojazdy napędzane silnikiem elektrycznym. Pierwszy samochód z silnikiem spalinowym zasilanym benzyną zbudował w roku 1875 Siegfried Marcus. Był to jednak tylko pojazd eksperymentalny. Natomiast pierwszy użytkowy samochód z silnikiem benzynowym o mocy 0,55 kw, z elektrycznym układem zapłonowym wysokiego napięcia oraz łańcuchowym napędem tylnych kół, zbudował dziesięć lat później Karol Benz. Lata były przełomowe dla rozwoju motoryzacji. Gottlieb Daimler i Karol Benz, po wykonaniu prób ze swymi pierwszymi prawdziwymi samochodami, założyli dwie rywalizujące wytwórnie, znane później ze swych wyrobów na całym świecie. Jednocześnie przemysł samochodowy rozwija się w wielu krajach. We Francji powstają firmy Panhard-Levassor (1887), de Dion-Bouton, Peugeot. Nieco później w roku 1894 powstaje pierwsza amerykańska wytwórnia samochodów Duryea Motor Company. Wkrótce po niej powstają zakłady Oldsmobil oraz założone przez Henry Forda Detroit Automobile Company. 7

6 Mimo ciągle jeszcze wątpliwych wartości użytkowych produkowanych wówczas samochodów rozwój motoryzacji na przełomie XIX i XX wieku cechował wyjątkowy dynamizm. O ówczesnych konstrukcjach świadczą najlepiej rezultaty rozgrywanych imprez sportowych. Pierwszy światowy rekord prędkości, ustanowiony w roku 1902 na samochodzie z silnikiem spalinowym (poprzednie należały do samochodów parowych lub elektrycznych), wynosił 122,4 km/h. W roku 1909 samochód firmy Benz przekroczył prędkość 200 km/h. Było to oczywiście związane z nieustannym doskonaleniem konstrukcji samochodu oraz metod jego wytwarzania. Pierwsze polskie konstrukcje samochodów powstały w założonych w roku 1921 Centralnych Warsztatach Samochodowych (CWS). Były to skonstruowane przez inż. Tadeusza Tańskiego samochody osobowe CWS-T1 i CWS-T2. Samochody te nie były jednak produkowane seryjnie. W roku 1926 fabryka Ursus, produkująca dotychczas silniki spalinowe dla rolnictwa, kupiła licencję samochodu ciężarowego o nazwie Ursus typ A. Również w Ursusie, w roku 1930, została uruchomiona produkcja silników na licencji firmy Saurer. Silniki te były montowane do importowanych podwozi tej samej firmy. Od roku 1928 Ursus organizacyjnie wszedł w skład Państwowych Zakładów Inżynierii (PZInż), które produkowały także samochody osobowe i ciężarowe na licencji włoskiej firmy FIAT. Były to modele 508-III i 518 osobowe oraz 621 i 618 ciężarowe. Wykorzystując ich zespoły, wykonano w PZInż wiele odmian pochodnych, między innymi 20-miejscowy autobus. W latach opracowano wiele polskich konstrukcji. Były to: prototyp dużego samochodu osobowego typ LS, prototyp samochodu ciężarowego o ładowności 4,5 tony, silniki samochodowe typ 403 i typ 705, motocykle Sokół 200, Sokół 600, M-111 i inne. Cały ten dorobek unicestwiła wojna. Po wojnie polski przemysł motoryzacyjny trzeba było budować od podstaw. Pod kierunkiem inżyniera Jana Wernera została opracowana dokumentacja samochodu ciężarowego o ładowności 3,5 t, oznaczonego symbolem Star 20. Fakt, że mimo niezwykle ciężkich warunków w roku 1948 wyprodukowano w Starachowicach pierwszych 10 takich samochodów, świadczy o niezwykłym wysiłku, zapale i wysokich umiejętnościach ludzi, którzy w tych latach budowali naszą motoryzację. Regularną produkcję Starów rozpoczęto w roku Trzy lata później w nowo zbudowanej Fabryce Samochodów Osobowych w Warszawie została zmontowana seria próbna samochodów FSO Warszawa, których konstrukcja była oparta na licencji radzieckiej. W tym samym roku w Lublinie rozpoczęto produkcję 2,5-tonowych samochodów ciężarowych FSC Lublin, również na licencji radzieckiej. Oba te samochody cechowała przestarzała konstrukcja, a o wyborze licencjodawcy zadecydowały względy polityczne. Dalszy rozwój polskiej motoryzacji to nie tylko modernizacja zakładów w Starachowicach, Warszawie i Lublinie, ale również uruchomienie nowych. Były to: Sanocka Fabryka Autobusów, Jelczańskie Zakłady Samochodowe, Fabryka Samochodów Dostawczych w Nysie, Fabryka Mechanizmów Samo- 8

7 chodowych w Szczecinie i wiele innych. Stara 20 zastąpiły kolejno: Star 21, Star 25, Star 28 i 29, Star 200, Star 1142 i Star 742. Jednocześnie powstało wiele konstrukcji pochodnych samochody samowyładowcze, ciągniki siodłowe, cysterny, furgony, autobusy i inne. Skonstruowano samochód terenowy Star 66, a następnie jego nowsze odmiany Star 660M1, Star 660M2, Star 266. Rozwój licencyjnej Warszawy (górnozaworowy silnik, zmienione nadwozie itp.), dał całą gamę samochodów pochodnych sanitarki, mikrobusy (Nysa), samochody dostawcze (Żuk) itp. Autobusy San, Jelcz i Sanok, samochody o dużej ładowności A80, Jelcz 315, popularny samochód osobowy Syrena to kolejne etapy rozwoju naszej motoryzacji. Pojazdy te były wykonywane w różnych odmianach i stopniowo modernizowane. Powstała rodzina samochodów dużej ładowności dziesięciotonowy Jelcz 217, autocysterna i wiele innych. Duże znacznie dla rozwoju polskiego przemysłu samochodowego miało zakupienie w roku 1965 we Włoszech licencji na samochód osobowy noszący u nas nazwę Polski Fiat 125p. Na bazie tego samochodu wyprodukowano wersje kombi i pick-up oraz sanitarkę. W roku 1971 podpisano umowę licencyjną z zakładami FIAT na produkcję samochodu Polski Fiat 126p w nowo wówczas wybudowanych zakładach w Bielsku i Tychach. Przez wiele lat były to bardzo popularne na naszych drogach samochody. Przestano je produkować dopiero w 2000 r. W roku 1978 w FSO uruchomiono produkcję samochodów osobowych Polonez. Ich produkcja przebiegała równolegle do produkcji Polskich Fiatów 125p. Samochody te miały zresztą wiele wspólnych zespołów. Przez wiele lat produkcji Polonez podlegał modernizacji, a jego zespoły wykorzystano w budowie samochodów dostawczego i sanitarnego. Dzięki zawartej w 1972 r. umowie z francuską firmą Berliet w Jelczańskich Zakładach Samochodowych uruchomiono produkcję skonstruowanego wspólnie przez polskich i francuskich inżynierów autobusu Jelcz-Berliet PR 110. Autobusy produkowano też w Sanoku (Autosan H9). Jelczańskie Zakłady Samochodowe nawiązały też kontakt z austriacką firmą Steyr, podejmując wspólną pracę nad rodziną samochodów dużej ładowności. W Antoninku pod Poznaniem powstała fabryka samochodów rolniczych Tarpan. W Fabryce Samochodów Ciężarowych w Lublinie podjęto prace nad rodziną samochodów dostawczych. A przecież motoryzacja to nie tylko samochody. W tym czasie produkowano również motorowery, przyczepy samochodowe, powstały fabryki produkujące zespoły takie, jak: skrzynki biegów (Tczew), mechanizmy kierownicze i wały napędowe (Szczecin), amortyzatory (Krosno) i inne. Nastąpił też rozwój zaplecza technicznego motoryzacji, a więc stacji obsługi, zakładów naprawczych itp. W latach osiemdziesiątych rozwój przemysłu motoryzacyjnego uległ zahamowaniu. Przyczyną był zastój gospodarczy wywołany polityczną sytuacją naszego kraju. Wstrzymano realizację niektórych inwestycji. Osłabło tempo prac rozwojowych. Regres nie trwał jednak zbyt długo. Po przełomie 9

8 politycznym z 1989 r. nastąpiło wyraźne ożywienie w przemyśle samochodowym. Wymienialność waluty i rynkowe zasady gospodarki spowodowały napływ do Polski obcego kapitału. Polska stała się ważnym rynkiem zbytu oraz liczącym się partnerem, dysponującym wysoko kwalifikowaną i relatywnie tanią siłą roboczą. Znaczne inwestycje poczyniły w Polsce koncerny FIAT, Daewoo i General Motors. Ten ostatni wybudował w Gliwicach fabrykę produkującą Opla Zafirę, Astrę Classic II i Agilę. Powstały zakłady montujące samochody Ford, Volkswagen, Mercedes. Na polskim rynku motoryzacyjnym rywalizują tacy producenci, jak Renault, Citroën, Toyota, Nissan, Mitsubishi. Powstają salony sprzedaży, sieci stacji obsługi oraz zakłady produkujące zespoły i podzespoły dla przemysłu motoryzacyjnego. Na przykład w Wałbrzychu są wytwarzane skrzynie biegów oraz silniki małolitrażowe do samochodów produkowanych wspólnie przez Toyotę i Peugeot-Citroën w czeskim mieście Kolin, a najnowocześniejsze dziś silniki wysokoprężne Toyoty są produkowane (od 2000 r.) w Jelczu-Laskowicach. Polska jest też liczącym się w Europie producentem autobusów miejskich. Rozwoju przemysłu samochodowego nie da się powstrzymać. Samochód jest środkiem komunikacji, który dociera tam, gdzie nie dojeżdża kolej ani samolot. Żaden inny środek transportu nie spełni zadań, które spełniają samochody, np. w rolnictwie, budownictwie, handlu czy łączności. Dlatego stopień zmotoryzowania kraju jest jednym z podstawowych mierników poziomu gospodarczego społeczeństw. W miarę rozwoju motoryzacji obserwuje się zmiany w konstrukcji pojazdów, mające na celu poprawę ich właściwości eksploatacyjnych, zwiększenie wygody i bezpieczeństwa oraz zmniejszenie ich uciążliwości dla otoczenia. Wzrasta ładowność samochodów ciężarowych, zwiększa się liczba odmian pojazdów przystosowanych do przewozów specjalistycznych oraz do wykonywania ściśle określonych zadań. Dąży się do maksymalnego wydłużenia przebiegów międzynaprawczych, uproszczenia i zmniejszenia liczby niezbędnych czynności obsługowych oraz skrócenia czasu załadunku i wyładowywania. Przejawami tych tendencji są m.in.: dbałość o zwiększenie trwałości zespołów, eliminowanie punktów wymagających okresowego smarowania, stosowanie samochodów samowyładowczych oraz przystosowanych do automatycznego ładowania, stosowanie kontenerów. Równolegle z dążeniem do poprawy właściwości eksploatacyjnych pojazdów coraz większą wagę przykłada się do zapewnienia maksymalnego bezpieczeństwa oraz komfortu jazdy. Szczególnego znaczenia nabierają więc niezawodność układów hamulcowego i kierowniczego, stateczność ruchu pojazdów oraz konstrukcja nadwozia zapewniająca maksimum bezpieczeństwa w razie wypadku. Wprowadzono obowiązek stosowania pasów bezpieczeństwa i zagłówków. Powszechnym wyposażeniem stają się poduszki powietrzne, układy ABS, zapobiegające blokowaniu hamulców, wzmocnienia nadwozia, zabezpieczające kierowcę i pasażerów przed skutkami kolizji. 10

9 Konstruuje się skuteczniejsze reflektory, dążąc jednocześnie do wyeliminowania oślepiania kierowców pojazdów nadjeżdżających z przeciwka. W trosce o bezpieczeństwo i wygodę jazdy samochody zaczęto wyposażać w coraz większą liczbę elektronicznych urządzeń monitorujących oraz sterujących. Tym samym pojawiło się w nich wiele przewodów i złączy elektrycznych, których nie stosowano dotychczas. Komplikowało to budowę samochodu, zwiększało jego masę, pogarszało niezawodność. Problemy te rozwiązano, gdy wzorując się na budowie komputerów w samochodach zastosowano magistrale informatyczne. Dzięki takiemu rozwiązaniu unika się też dwukrotnej zmiany sygnałów: cyfrowych na analogowe i z powrotem analogowych na cyfrowe. Komunikacja jest więc szybsza, a sygnały cyfrowe (1 i 0) są ponadto odporne na zakłócenia zewnętrzne (pola magnetyczne), które mają charakter analogowy. W większości obecnie produkowanych samochodów jest stosowana magistrala CAN (z ang. Control Area Network), opracowana przez firmę Robert Bosch. Po raz pierwszy zastosowano ją w 1992 r. w samochodzie Mercedes- -Benz S. Steruje ona układami zwiększającymi bezpieczeństwo jazdy (ABS, ASR), pracą silnika (wtryskiem paliwa), a także urządzeniami diagnostycznymi. W samochodach pojawiły się też wcześniej nie stosowane urządzenia (GPS, telefon ratunkowy, diagnostyka na odległość, , obsługa bankowa i in.). Sygnały jednorazowe, potrzebne do sterowania tymi urządzeniami, nie mogą obciążać magistrali CAN, pracującej w sposób ciągły, a odpowiadającej za bezpieczeństwo jazdy. Dlatego samochody wyposaża się w dodatkowe sieci LIN (z ang. Local Interconnect Network). Stanowiąc proste dopełnienie sieci CAN, zwiększają one szybkość transmisji i niezawodność układu. Zmniejszenie ciężaru instalacji zapewnia zastosowanie światłowodów lub sterowanie urządzeniami za pomocą sygnałów radiowych. Te ostatnie umożliwiają też korzystanie w czasie jazdy z telefonów komórkowych, laptopów, słuchawek bezprzewodowych, zdalne sterowanie radiem, odtwarzaczem CD/DVD itd. Perspektywy rozwoju w budowie samochodów upatruje się obecnie w rosnącym zastosowaniu tworzyw sztucznych. Zalety tych tworzyw w porównaniu z metalami to: łatwość nadawania im żądanego kształtu, co zmniejsza koszt produkcji części; odporność na korozję (zbędne staja się pokrycia antykorozyjne); mały ciężar właściwy. Dbałość o poprawę komfortu jazdy przejawia się też w rozwoju konstrukcji zawieszeń, foteli, poprawie izolacji akustycznej itp. Jeszcze nie tak dawno komfort jazdy traktowano jako przywilej kierowców samochodów osobowych. Rozwój dalekiego transportu samochodowego pociągnął za sobą konieczność zapewnienia jak najlepszych warunków pracy kierowcy. Poprawa komfortu jazdy, a więc zmniejszenie zmęczenia kierowcy, zwiększa bowiem bezpieczeństwo ruchu na drogach. Istotnym zagadnieniem jest również eliminowanie negatywnych skutków rozwoju motoryzacji. Doskonaląc silniki i stosując bezołowiowe paliwa, dąży się do zmniejszenia emisji substancji szkodliwych, znajdujących się w spalinach samochodowych. Zgodnie z obowiązującymi w Unii Europejskiej 11

10 przepisami producenci są zobowiązani do montażu w samochodach osobowych urządzeń elektronicznych, automatycznie kontrolujących prawidłowość procesu spalania paliwa w silniku. Duże znaczenie przywiązuje się także do minimalizowania hałasu spowodowanego pracą pojazdu. 2. Podzia pojazdów samochodowych Pojazdami samochodowymi nazywamy środki transportu przeznaczone do poruszania się po drogach, wyposażone w silnik, których konstrukcja umożliwia jazdę z prędkością przekraczającą 25 km/h. Określenie to nie obejmuje motorowerów, pojazdów szynowych i ciągników rolniczych. Do pojazdów samochodowych należą więc samochody osobowe i ciężarowe, autobusy, motocykle, samochody specjalizowane i specjalne oraz ciągniki drogowe. Do pojazdów samochodowych nie należą przyczepy i naczepy, ponieważ nie są wyposażone w silniki. Są one jednak eksploatowane razem z samochodami i w związku z tym nie można ich pominąć przy omawianiu pojazdów samochodowych. Różnorodność pojazdów zaliczanych do wspólnej rodziny pojazdów samochodowych sprawia, że dzielimy je zwykle na grupy charakteryzujące się jakimiś wspólnymi cechami. Podziału takiego można dokonać w zależności od przeznaczenia pojazdu, a więc ze względu na zadania, jakie ma spełniać, lub w zależności od jego konstrukcji, a więc ze względu na rodzaj lub usytuowanie silnika, sposób przekazywania napędu na koła, rodzaj zawieszenia itp. Pod względem wykonywanych zadań pojazdy samochodowe można podzielić na: pojazdy przeznaczone do przewozu osób: samochody osobowe, autobusy, motocykle; pojazdy przeznaczone do przewozu ładunków: samochody ciężarowe z uniwersalną skrzynią ładunkową i samochody do przewozów specjalistycznych samochody cysterny, samochody do przewozu materiałów sypkich, samochody chłodnie itp.; pojazdy specjalnego przeznaczenia, spełniające określone zadania gospodarcze lub społeczne: pojazdy komunalne, samochody pożarnicze, samochody pogotowia technicznego, ambulanse służby zdrowia itp.; ciągniki drogowe; pojazdy wojskowe. Ciągnione przez ciągniki przyczepy i naczepy mogą być wyposażone w uniwersalne skrzynie ładunkowe lub są przystosowane do przewozów specjalistycznych. Wśród pojazdów wojskowych również rozróżniamy pojazdy przeznaczone do transportu osób i ładunków, ciągniki i pojazdy specjalne. Biorąc pod uwagę konstrukcję pojazdu stosuje się różne kryteria podziału. Można pojazdy dzielić ze względu na ich zdolność przewozową, a więc 12

11 Część III Budowa podwozi A. MECHANIZMY NAP DOWE 10. WiadomoÊci wst pne Poszczególne zespoły układu napędowego samochodu mogą być rozmaicie rozmieszczone. Zależy to przede wszystkim od usytuowania silnika oraz od tego, do której osi jest doprowadzony napęd. Rozróżnia się pojazdy z silnikiem umieszczonym z przodu lub z tyłu, z napędzanymi kołami tylnymi lub przednimi, a także inne wersje np. z napędem na wszystkie koła. Na rysunku 10.1 przedstawiono tzw. klasyczny sposób rozmieszczenia mechanizmów napędowych w samochodzie. Silnik jest umieszczony z przodu pojazdu, a napęd jest przenoszony przez sprzęgło, skrzynkę biegów i wał napędowy z przegubami do mostu napędowego. W moście napędowym są usytuowane: przekładnia główna, mechanizm różnicowy i półosie napędowe, doprowadzające napęd do kół. Rys Klasyczny układ napędowy samochodu [20] Inne, często spotykane, rozwiązanie stanowią zblokowane mechanizmy napędowe (rys. 10.2), tzn. takie, w których sprzęgło, skrzynka biegów, przekładnia główna i mechanizm różnicowy znajdują się we wspólnej obudowie połączonej bezpośrednio z silnikiem. Takie układy napędowe nie mają wału 77

12 Rys Zblokowany mechanizm napędowy [49] 1 silnik, 2 sprzęgło, 3 skrzynka biegów, 4 przekładnia główna i mechanizm różnicowy, 5 półosie napędowe Rys Rozmieszczenie mechanizmów napędowych oraz przestrzeni bagażowych w samochodach osobowych: a) napęd klasyczny, b) napęd zblokowany przedni, c) napęd zblokowany tylny 78

13 napędowego. Napęd jest przekazywany ze zblokowanego zespołu napędowego przez półosie do kół. O ile w układzie klasycznym silnik jest umieszczony z przodu pojazdu, a napędzane są koła tylne, to układy zblokowane najczęściej są umieszczone z przodu (np. samochody Volkswagen Golf, Opel Corsa, FIAT Punto), wówczas napędzane są przednie koła samochodu, lub rzadziej umieszcza się je z tyłu (Polski Fiat 126p, Volkswagen garbus ), wówczas napędzane są koła tylne. Na rysunku 10.3 przedstawiono schematycznie usytuowanie w samochodzie osobowym mechanizmów napędowych w układach: klasycznym, zblokowanym przednim i zblokowanym tylnym. Oprócz omówionych, najczęściej spotykanych rozwiązań konstrukcyjnych układu napędowego, spotyka się także inne, jak np. w niektórych samochodach osobowych doprowadzenie napędu do wszystkich czterech kół, w autobusach usytuowanie silnika pod podłogą, w samochodach terenowych doprowadzenie napędu do dwóch lub trzech osi i inne. Na rysunku 10.4 przedstawiono rozmieszczenie zespołów napędowych w samochodzie dostawczym z napędem na wszystkie koła. Zblokowany zespół napędowy, usytuowany z przodu pojazdu, poprzecznie do kierunku jazdy, poprzez półosie napędza przednie koła. Sztywny tylny most napędowy jest napędzany za pośrednictwem dzielonego podpartego w środku wału napędowego. Takie usytuowanie zespołów napędowych zapewnia samochodowi bardzo dobre właściwości jezdne oraz zwiększa przestrzeń użytkową wewnątrz pojazdu. Rys Układ napędowy samochodu dostawczego Citroen C 25 [49] 79

14 O wyborze sposobu rozmieszczenia mechanizmów decydują przede wszystkim: optymalne wykorzystanie miejsca, rozkład nacisków na osie samochodu oraz zdolność do poruszania się w trudnym terenie. 11. Sprz g a Zadania i rodzaje sprz gie Sprzęgło jest mechanizmem służącym do rozłączania oraz płynnego sprzęgania wału korbowego silnika z zespołami układu napędowego samochodu. Kierowca posługuje się sprzęgłem podczas ruszania, zmiany biegów oraz w innych przypadkach, gdy istnieje potrzeba chwilowego rozłączenia układu napędowego w celu przerwania przekazywania napędu od silnika do kół. Podczas ruszania samochodem zachodzi konieczność sprzęgnięcia obracającego się wału korbowego silnika z nieruchomymi zespołami napędowymi. Ze względu na znaczną bezwładność samochodu nie jest możliwe szybkie wyrównanie prędkości obrotowej wału silnika i elementów połączonych z kołami. W celu wyrównania prędkości tych elementów kierowca powoli włącza sprzęgło, doprowadzając stopniowo taką ilość energii do kół, która wystarcza do wprawienia w ruch samochodu i wyrównania prędkości obrotowej elementów napędzających i napędzanych. Dopiero wówczas następuje całkowite sprzęgnięcie układu napędowego z silnikiem. Podczas zmiany biegów wraz ze zmianą przełożenia zmienia się prędkość obrotowa wałków skrzynki biegów. Posługując się sprzęgłem, kierowca najpierw odłącza mechanizmy napędowe od silnika, umożliwiając zsynchronizowanie prędkości obrotowej tarczy sprzęgła i związanych z nią wirujących elementów z prędkością obrotową elementów układu napędowego połączonych z kołami; następnie włącza nową przekładnię, po czym znów za pomocą sprzęgła płynnie łączy wał korbowy silnika z zespołami napędowymi. Rozłączanie sprzęgła jest także konieczne przy zatrzymywaniu samochodu, kiedy porusza się on już tak wolno, że odpowiadająca tej prędkości jazdy prędkość obrotowa silnika jest zbyt mała, żeby silnik mógł prawidłowo pracować. Przez rozłączenie sprzęgła kierowca umożliwia pracę silnika na biegu jałowym. Ponadto sprzęgło w układzie napędowym spełnia zadanie ogranicznika maksymalnego momentu obciążającego mechanizmy. Wskutek znacznej bezwładności mas wirujących silnika i mas napędzanych w układzie napędowym przy szybkich zmianach prędkości obrotowej (zbyt gwałtowne ruszanie, ostre hamowanie itp.) mogą powstać obciążenia dynamiczne znacznie 80

15 przewyższające wartością moment obrotowy silnika. Wartość momentu przenoszonego przez włączone sprzęgło jest jednak ograniczona możliwością poślizgu sprzęgła. Jeżeli moment skręcający w układzie napędowym osiąga zbyt dużą wartość, to dochodzi do poślizgu sprzęgła, dzięki czemu mechanizmy napędowe są zabezpieczone przed przeciążeniem. We współczesnych samochodach spotyka się rozmaite rodzaje sprzęgieł, dość znacznie różniące się między sobą. Ze względu na zasadę działania spotykane rozwiązania można podzielić na trzy grupy: sprzęgła cierne, sprzęgła elektromagnetyczne i sprzęgła hydrokinetyczne. Sprzęgła cierne przenoszą napęd dzięki siłom tarcia przeciwstawiającym się poślizgowi napędzających i napędzanych elementów sprzęgła. Pod względem kształtu trących się elementów rozróżnia się sprzęgła cierne tarczowe, stożkowe i bębnowe. Sprzęgła stożkowe i bębnowe są w samochodach rzadko spotykane. Sprzęgła cierne tarczowe są budowane jako jedno-, dwulub wielotarczowe. Sprzęgła jedno- i dwutarczowe to najczęściej sprzęgła suche, natomiast sprzęgła wielotarczowe pracują zwykle w oleju i są nazywane mokrymi. Biorąc pod uwagę sposób wywierania siły docisku, sprzęgła cierne dzielimy na mechaniczne, hydrauliczne, elektryczne i pneumatyczne. Szczególną odmianę sprzęgieł tarczowych mechanicznych stanowią sprzęgła odśrodkowe i półodśrodkowe. Sprzęgła elektromagnetyczne przenoszą napęd dzięki oddziaływaniu pola magnetycznego, powodującego zaciśnięcie tarczy ciernej lub zestalenie albo stężenie proszku lub pasty ferromagnetycznej, znajdujących się pomiędzy elementami napędzającymi i napędzanymi. Sprzęgła hydrokinetyczne przenoszą napęd dzięki bezwładności cieczy wprawionej w ruch wirowy pomiędzy łopatkami dwóch wirników napędzającego i napędzanego Budowa i dzia anie tarczowych sprz gie ciernych Sprzęgła tego typu są często stosowane w samochodach zarówno osobowych, jak ciężarowych. Zasadę działania jednotarczowego suchego sprzęgła ilustruje rys Elementami napędzającymi związanymi stale z wałem korbowym silnika są koło zamachowe i połączona z nim przesuwnie tarcza dociskowa. Między tymi elementami znajduje się napędzana tarcza sprzęgła, osadzona na wielowypuście wałka sprzęgłowego. Do tarczy sprzęgła są przymocowane z obydwu stron okładziny cierne. Gdy sprzęgło jest włączone, sprężyny dociskowe powodują, że tarcza sprzęgła jest zaciśnięta między elementami napędzającymi (kołem zamachowym i tarczą dociskową). Występująca między tymi elementami siła tarcia sprawia, że sprzęgło może przenosić moment obrotowy. Aby wyłączyć sprzęgło, tzn. rozłączyć układ napędowy, należy wcisnąć pedał sprzęgła. Wciskając pedał powodujemy ściśnięcie sprężyn docisko- 81

16 Rys Zasada działania jednotarczowego sprzęgła ciernego: a) sprzęgło rozłączone, b) sprzęgło włączone wych i odsunięcie tarczy dociskowej od tarczy sprzęgła. Zanika wówczas siła tarcia i sprzęgło nie przenosi momentu. Na rysunku 11.2 przedstawiono przykładowo konstrukcję suchego, jednotarczowego sprzęgła ciernego. Między kołem zamachowym 1 i tarczą dociskową 2 znajduje się tarcza sprzęgła 3 z przynitowanymi okładzinami ciernymi. Tarcze są ściśnięte sprężynami dociskowymi 7, opartymi o wytłoczoną z grubej blachy pokrywę sprzęgła 6. Wyłączanie sprzęgła polega na przesunięciu tulei wyciskowej 8 w kierunku koła zamachowego. Powoduje to wciśnięcie końców dźwigienek 4, które obracając się względem wsporników 5, odciągają tarczę dociskową od tarczy sprzęgła. 82

17 Rys Sprzęgło jednotarczowe ze śrubowymi sprężynami dociskowymi [37] W sprzęgle przedstawionym na rys śrubowe sprężyny dociskowe 7 są rozmieszczone na tarczy dociskowej wokół wałka sprzęgłowego. Często zamiast tak rozmieszczonych sprężyn stosuje się jedną, centralnie umieszczoną, sprężynę dociskową. We współczesnych sprzęgłach ciernych jest to z reguły sprężyna talerzowa. Na rysunku 11.3 przedstawiono przykładowo sprzęgło jednotarczowe z centralną sprężyną talerzową. Zalety takiego sprzęgła to: uproszczenie konstrukcji, gdyż sprężyna talerzowa spełnia jednocześnie zadanie dźwigienek odwodzących tarczę dociskową, oraz korzystniejsza charakterystyka sztywności sprężyny talerzowej. Wadą jest trudniejsze wykonanie samej sprężyny. Kształt sprężyny talerzowej oraz zasadę jej działania w sprzęgle ilustruje rys Sprężyna jest wykonana z blachy stalowej w kształcie ściętego stożka o promieniowych nacięciach zakończonych otworami. W otwory te wchodzą śruby lub kołki 6 związane z pokrywą sprzęgła. Sprę- 83

18 żyna jest osadzona w sprzęgle między dwoma pierścieniami oporowymi 5 zamocowanymi na kołkach 6. Na rysunku 11.4 b i c przedstawiono dwa położenia sprężyny przy włączonym i wyłączonym sprzęgle. W dużych samochodach ciężarowych i autobusach stosuje się czasem suche sprzęgła cierne wielotarczowe. Na rysunku 11.5 przedstawiono dwutarczowe suche sprzęgło cierne, o obwodowo rozmieszczonych śrubowych sprężynach dociskowych. Zasadnicza różnica między tym sprzęgłem a sprzęgłem przedstawionym na rys polega na tym, że na wałku sprzęgłowym są umieszczone dwie tarcze sprzęgła, między którymi znajduje się dodatkowy element napędzający tarcza związana przesuwnie z kołem zamachowym silnika. Zaletą takiego sprzęgła jest zdolność przenoszenia większego momentu obrotowego (ze względu na większą liczbę powierzchni ciernych), przy stosunkowo małej średnicy. Wadą jest gorsze Rys Sprzęgło z centralną sprężyną talerzową [8] nieczność stosowania dodatko- odprowadzenie ciepła oraz kowych elementów. Szczególną odmianą tarczowych sprzęgieł ciernych są sprzęgła półodśrodkowe i odśrodkowe. W sprzęgłach półodśrodkowych siła docisku między elementami napędzającymi i napędzanymi jest spowodowana łącznym działaniem sprężyn dociskowych i siły odśrodkowej działającej na wirujące ciężarki. Sprężyny dociskowe zapewniają tylko częściowe zaciśnięcie tarczy sprzęgła. Ostateczne zaciśnięcie tarczy następuje pod działaniem momentu wywołanego przez siłę odśrodkową wirujących ciężarków. Docisk tarcz jest więc zmienny i zależy od prędkości obrotowej wału korbowego. Ciężarki zwykle są umieszczone na końcach dźwigienek, które służą do wyłączania sprzęgła oraz do dociskania tarcz podczas pracy. Na rysunku 11.6 przedstawiono półodśrodkowe jednotarczowe sprzęgło cierne, stosowane 84

19 Rys Zasada działania sprzęgła z centralną sprężyną talerzową: a) sprężyna talerzowa, b) sprzęgło włączone, c) sprzęgło wyłączone [8] 1 koło zamachowe, 2 tarcza sprzęgła, 3 pokrywa sprzęgła, 4 obejma sprężyny talerzowej, 5 pierścień oporowy, 6 śruba przechodząca przez otwór w sprężynie, 7 sprężyna talerzowa, 8 tuleja wyciskowa, 9 tarcza dociskowa Rys Dwutarczowe sprzęgło cierne [37]

20 86 Rys Sprzęgło półodśrodkowe [49]

21 w starszych modelach samochodów Star. Widoczny jest charakterystyczny kształt dźwigienek wyłączających z ciężarkami. Poza tym sprzęgło to nie różni się niczym od zwykłego sprzęgła ciernego. Do zalet sprzęgieł półodśrodkowych należą: duża elastyczność włączania i łatwość wyłączania przy małej prędkości obrotowej, związane z zastosowaniem stosunkowo miękkich sprężyn dociskowych. Istotnymi wadami sprzęgieł półodśrodkowych są: skłonność do poślizgu w zakresie małej prędkości obrotowej oraz zbyt silne zaciśnięcie tarcz przy dużej prędkości obrotowej, powodujące, że sprzęgło takie nie zabezpiecza we właściwy sposób układu napędowego przed działaniem znacznych momentów skręcających. Wymienione wady zadecydowały o tym, że mimo iż w pewnym okresie sprzęgła półodśrodkowe były w samochodach dość powszechnie stosowane, w nowoczesnych konstrukcjach spotyka się je coraz rzadziej. Sprzęgła półodśrodkowe stanowiły tylko pewnego rodzaju odmianę zwykłych sprzęgieł tarczowych, natomiast sprzęgła odśrodkowe są sprzęgłami automatycznymi działającymi samoczynnie. Zasada działania sprzęgła odśrodkowego polega na tym, że w miarę zwiększania prędkości obrotowej wału korbowego silnika rośnie siła odśrodkowa działająca na wirujące ciężarki, co powoduje wzrost nacisku tarczy dociskowej na tarczę sprzęgła. Analogicznie zmniejszenie prędkości obrotowej wału korbowego pociąga za sobą spadek wartości sił odśrodkowych, a co za tym idzie, osłabienie zacisku tarczy sprzęgła i samoczynne rozłączenie sprzęgła. Prędkość obrotowa wału korbowego silnika zmienia się w dużym zakresie. Gdyby tak dobrać ciężarki sprzęgła odśrodkowego, żeby włączało się ono już przy małej prędkości obrotowej, wówczas przy dużej prędkości obrotowej następowałby tak znaczny przyrost siły odśrodkowej, że mogłoby to nawet doprowadzić do uszkodzenia sprzęgła. Dlatego bardzo często oddziaływanie sił odśrodkowych wykorzystuje się tylko do sterowania tarczą dociskową, natomiast docisk tarcz jest wywołany działaniem sprężyn dociskowych. Przykład takiej konstrukcji przedstawiono na rys Ciężarek osadzony obrotowo na ośce ustalonej w pokrywie sprzęgła opiera się jednym występem o obrzeże tarczy dociskowej, a drugim o twardą sprężynę odciągającą. Obrót ciężarka, wywołany działaniem wzrastającej siły odśrodkowej, powoduje zwolnienie tarczy dociskowej, która zostaje dociśnięta do tarczy sprzęgła przez sprężyny dociskowe. Dalszy wzrost prędkości obrotowej (i sił odśrodkowych) nie powoduje więc silniejszego zacisku tarczy sprzęgła. Istnieją różne konstrukcje sprzęgieł odśrodkowych. Oprócz sprzęgieł o ciężarkach sterujących (omówionych wyżej), stosuje się też sprzęgła o ciężarkach zaciskających, ze specjalnym ogranicznikiem siły docisku tarcz; sprzęgła odśrodkowe bębnowe, w których ciężarkami są rozmieszczone obwodowo elementy cierne, dociskane siłą odśrodkową do znajdującego się na zewnątrz nich bębna, i inne. O ich rozpowszechnieniu zadecydował fakt, że działanie takiego sprzęgła jest automatyczne i nie wymaga sterowania przez 87

22 Rys Sprzęgło odśrodkowe z ciężarkami sterującymi [37] kierowcę. Wadami sprzęgieł odśrodkowych są: możliwość poślizgu przy małej prędkości obrotowej i brak możliwości połączenia układu napędowego przy nieruchomym wale silnika. Oprócz suchych sprzęgieł ciernych w pojazdach samochodowych stosuje się niekiedy sprzęgła mokre, tzn. takie, w których elementy trące są zanurzone w oleju. Spotykane sporadycznie mokre sprzęgła jednotarczowe nie różnią się w zasadzie konstrukcją od sprzęgieł suchych. Nieco częściej spotyka się sprzęgła mokre wielotarczowe. Stosuje się je w motocyklach oraz w automatycznych skrzynkach biegów, gdzie spełniają nieco inne zadania niż sprzęgło główne samochodu. Ich zaletą jest stosunkowo mała średnica zewnętrzna oraz elastyczność włączania. Wadą jest duży ciężar i skłonność do niezupełnego wyłączania Elementy tarczowych sprz gie ciernych Wprowadzenie Najważniejszymi elementami tarczowych sprzęgieł ciernych są: tarcza sprzęgła, tarcza dociskowa, sprężyny dociskowe, dźwigienki wyłączające, łożysko wyciskowe i pokrywa sprzęgła Tarcza sprz g a Tarcza sprzęgła składa się z piasty osadzonej na wielowypuście wałka sprzęgłowego oraz tarczy nośnej, do której są przymocowane okładziny cierne. Tarcza nośna może być przynitowana do piasty lub połączona z nią za pośrednictwem łączników sprężystych (sprężyn). Łączniki takie wraz z elementami ciernymi, umieszczonymi między tarczą nośną i piastą, stanowią tzw. tłumik drgań skrętnych. 1) 1) Określenie tłumik drgań skrętnych w odniesieniu do elementów podatnych i ciernych stosowanych w tarczach sprzęgła jest nieścisłe, jednak tak powszechnie przyjęte, że w dalszym ciągu będziemy je stosować. 88