Co dwie masy, to nie jedna
Aby zapewnić komfort jazdy, poszczególne elementy układu przeniesienia napędu muszą być elastycznie połączone. Ma to zapobiec przenoszeniu udarowo momentów obrotowych w nim występujących.
- W układach z tarczą sprzęgłową z tłumikiem drgań skrętnych rezonans drgań własnych występuje najczęściej w zakresie pomiędzy 40 a 70 Hz, czyli przy prędkościach obrotowych towarzyszących zakresowi użytkowej prędkości w pojeździe
- Aby przesunąć częstotliwość występowania drgań o charakterze rezonansowym stosuje się tłumiki drgań skrętnych
- Przeniesienie tłumienia drgań skrętnych do koła zamachowego przesuwa częstotliwość rezonansową praktycznie poza zakres obrotów użytkowych silnika
- Dwumasowe koła zamachowe (dkz) zostały wprowadzone do seryjnej produkcji pod koniec lat 80 XX w.
- Pęknięcie wału korbowego jest jednym z gorszych skutków zastosowania sprzęgła odbiegającego od montowanego fabrycznie
Dążenie do redukcji masy współczesnych samochodów i zmiany konstrukcyjne zwiększające obciążenia w układzie napędowym wymuszają bardziej efektywne wytłumienie drgań, nie tylko w celu zapewnienia komfortu jazdy, ale przede wszystkim ochrony i wydłużenia żywotności elementów układu przeniesienia napędu.
Skąd ten hałas
Niepożądane hałasy w układzie napędowym powodowane są przede wszystkim przez:
- wzrost przyspieszeń kątowych na poszczególnych cylindrach związanych z coraz wyższymi ciśnieniami wtrysku w układach wtryskowych nowoczesnych silników,
- stosowanie nowej generacji skrzyń biegów o coraz większej liczbie przełożeń (manualne skrzynie 7-biegowe),
- coraz rzadsze oleje stosowane w skrzyniach biegów w celu redukcji oporów w układzie przeniesienia napędu,
- zwiększenie rozpiętości zmian biegów, pozwalającej na wykorzystanie niższych prędkości obrotowych na wysokich biegach.
W układach z tarczą sprzęgłową z tłumikiem drgań skrętnych rezonans drgań własnych (tzw. trzecia rezonansowa) przy włączonym biegu występuje najczęściej w zakresie pomiędzy 40 a 70 Hz, czyli przy prędkościach obrotowych towarzyszących zakresowi użytkowej prędkości w pojeździe. Z tego powodu konstruktorzy starają się przesunąć częstotliwość występowania drgań o charakterze rezonansowym, aby ewentualnie występowały one poza zakresem użytkowej prędkości obrotowej silnika. Jeżeli nie można tego osiągnąć dzięki zastosowaniu tylko tłumika drgań skrętnych w tarczy sprzęgłowej, konieczne jest przenesienie tłumienia do koła zamachowego. W tym celu skonstruowano dwumasowe koło zamachowe.
Rozwiązanie to przesuwa częstotliwość rezonansową praktycznie poza zakres obrotów użytkowych silnika do prędkości obrotowej, przy której wystąpienie rezonansu nie jest groźne. W przypadku kół dwumasowych częstotliwość ta zawiera się w przedziale między 6 a 20 Hz, czyli w zakresie obrotów rozrusznika - poniżej prędkości obrotowej biegu jałowego (250-400 obr./min). Przy ciężkich pojazdach użytkowych (średnice sprzęgieł = 430 mm) tarcze sprzęgłowe posiadają częstotliwość rezonansową drgań własnych w zakresie pomiędzy 30 a 50 Hz, czyli wystarczająco nisko, aby nie trzeba było stosować dwumasowych kół zamachowych. Ze względu na wykorzystanie większego zakresu prędkości obrotowej na wysokich biegach koła dwumasowe coraz częściej będą spotykane w silnikach ciężkich pojazdów użytkowych.
Moment obrotowy współczesnych pojazdów samochodowych wystarczy, aby pojazd poruszał się przy prędkości obrotowej silnika na poziomie 800-1000 obr./min. Aby wytłumić drgania powstające w tym zakresie prędkości obrotowej tłumikiem drgań skrętnych w tarczy sprzęgłowej, trzeba by skonstruować tłumik o małej sztywności na przykład 1Nm/° lub zwiększyć znacząco moment bezwładności masy pomiędzy układem tłumika a skrzynią biegów. Oba te rozwiązania byłyby trudne do zastosowania w układzie standardowego sprzęgła ze względu na obciążenie skrzyni biegów, zmniejszenie komfortu przełączania biegów w związku ze wzrostem masy sprzęgła czy hałasów towarzyszących uderzeniom miękkich sprężyn przy zmianie momentu oraz zmniejszeniu ich wytrzymałości. Dlatego tłumik drgań skrętnych znajduje się w kole zamachowym, które dzieli się na dwie masy, tzw. masę pierwotną oraz wtórną. Zespół ten znamy pod nazwą dwumasowego koła zamachowego.
Dwumasowe koła zamachowe
Dwumasowe koła zamachowe (dkz) zostały wprowadzone do seryjnej produkcji pod koniec lat 80. zeszłego stulecia, a obecnie stosowane są w układach przeniesienia napędu w około 75% produkowanych pojazdów osobowych. Coraz częściej są też fabrycznie montowane w pojazdach użytkowych powyżej 7 ton ładowności (średnica dkz do 430 mm).
Coraz bardziej powszechne wykorzystanie dkz we współczesnych pojazdach podyktowane jest nie tylko dążeniem do poprawy komfortu jazdy poprzez skuteczniejszą filtrację drgań w układzie przeniesienia napędu. Rozwiązanie to zostało w znacznym stopniu wymuszone przez następujące czynniki:
- rozwój nowych technologii stosowanych w układzie zasilania pojazdu (skutkuje to zwiększeniem ciśnienia wtrysku, szczególnie w przypadku silników wysokoprężnych),
- zastąpienie odlewów żeliwnych lżejszymi materiałami (stopami aluminium oraz magnezu, zmniejszającymi masę pojazdu, ale też posiadającymi gorsze właściwości tłumienia drgań),
- dążenie do ograniczenia emisji spalin, co jest skutkiem coraz bardziej restrykcyjnych norm EURO sukcesywnie wprowadzanych od początku lat 90.,
- rozwój przekładni zmian biegów z coraz większą liczbą przełożeń, które wymagają stawienia czoła wyzwaniom konstrukcyjnym związanym z drganiami rezonansowymi (te ostatnie występują zwłaszcza w zakresie obrotów biegu jałowego oraz przy niskich prędkościach obrotowych, które sprzyjają ograniczaniu ilości spalanego paliwa).
Warto przypomnieć, że stosunek momentów bezwładności silnika i skrzyni biegów w starszych konstrukcjach (ze standardowym pojedynczym kołem zamachowym) sprawia, że generowane przez silnik drgania w zakresie prędkości obrotowej około 1300 obr./min (tradycyjny układ ze sztywną tarczą sprzęgłową bez tłumika drgań skrętnych) są przenoszone na przekładnię zmiany biegów z bardzo słabym współczynnikiem ich tłumienia. Dochodzi wówczas do uderzeń kół zębatych, czemu towarzyszy charakterystyczny odgłos klekotania. Umieszczenie tłumików drgań skrętnych w tarczach sprzęgłowych (w ostatnich generacjach występujących w wersjach trzystopniowych) pozwoliło co prawda na przesunięcie występowania drgań rezonansowych w zakres mniejszych prędkości obrotowych, ale spełniało swoje zadanie jedynie w starszych układach przeniesienia napędu.
Przeniesienie tłumika drgań skrętnych z tarczy sprzęgłowej do koła zamachowego oraz podzielenie tego ostatniego na dwie części (masy) przyczyniło się do powstania układów charakteryzujących się mniejszym współczynnikiem sztywności sprężyn, bardziej elastyczną pracą oraz kątami skrętu dochodzącymi do 60o. Dodatkowo, zastosowanie specjalnych smarów umożliwia redukcję tarcia wewnętrznego oraz dodatkowe tłumienie hydrokinetyczne. Projektowane obecnie manualne przekładnie zmiany biegów również powstają pod kątem zastosowania dkz. Wiąże się to z:
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
- zastosowaniem w przekładniach rzadszych olejów syntetycznych,
- rozwojem nowoczesnych synchronizatorów, w których elementy cierne coraz częściej wykonane są przy użyciu włókien węglowych zamiast molibdenu,
- stosowaniem stopów metali lekkich, które z jednej strony redukują masę pojazdu, a z drugiej są bardziej podatne na przenoszenie drgań na inne elementy układu przeniesienia napędu oraz karoserię.
Zestaw jednomasowy zamiast dkz
Czy jako zamiennika dkz można użyć zestawu jednomasowego, popularnie zwanego czteroelementowym? Przypomnijmy, że w skład takiego zestawu wchodzi jednoelementowe koło zamachowe i tarcza sprzęgła z konwencjonalnym tłumikiem drgań skrętnych.
Odpowiedź na powyższe pytanie brzmi: oczywiście można, ale należy liczyć się z konsekwencjami. Praktyka warsztatowa wskazuje, że taka zamiana może w krótkim czasie doprowadzić do uszkodzenia elementów w silniku lub układzie przeniesienia napędu, generując dodatkowo znaczne koszty naprawy.
Zestaw jednomasowy zamontowany w miejsce dwumasowego nie spowoduje eliminacji rezonansów z ruchu obrotowego wału korbowego i elementów przeniesienia napędu, powodując w rezultacie poważne uszkodzenia. Zastosowanie jednoelementowego koła zamachowego skutkuje także szybszym zużyciem elementów w układzie przeniesienia napędu, m.in. krótszą żywotnością skrzyni biegów wskutek szybszego zużycia synchronizatorów oraz innych elementów. Wiąże się to z drastycznie zwiększoną masą synchronizowaną po stronie skrzyni biegów. Znacząco wzrasta też poziom drgań przenoszonych na elementy zewnętrzne pojazdu, co oczywiście przekłada się na gorszy komfort jazdy, szególnie w zakresie małych prędkości obrotowych. Dalsze konsekwencje wynikające z takiej zamiany mogą mieć wpływ nawet na takie elementy, jak przeguby napędowe czy łożyskowanie silnika i skrzyni biegów. Wszystkie te skutki mogą mieć także nieprzyjemny finał podczas naprawy reklamacyjnej związanej z uszkodzeniami spowodowanymi przez zastosowanie jednomasowego koła zamachowego w miejsce dwumasowego.
Zmiana charakterystyki pracy skrętnej zestawu, na który składa się tłumik drgań skrętnych wraz z kołem pasowym zamontowanym z przodu silnika, wał korbowy oraz zestaw sprzęgła, czyli jednego, sztywno ze sobą połączonego elementu wirującego, powoduje, że w układzie tym zaczynają oddziaływać inne siły. Przypadek zmiany koła zamachowego z dwumasowego na jednomasowe z tłumikiem drgań skrętnych w tarczy sprzęgła jest właśnie taką sytuacją. Dwumasowe koło zamachowe dysponuje pewną dynamiką zmian momentu bezwładności wynikającą ze wzajemnego obrotu mas koła zamachowego względem siebie podczas obrotów wału korbowego. Ze względu na średnicę położenia tych mas wzajemnie się przemieszczających jednomasowe koło zamachowe wraz z tłumikiem drgań skrętnych w tarczy sprzęgła nie będzie dokładnie pokrywać się co do wartości przyspieszeń mas bezwładnych wobec siebie z wartościami oferowanymi przez dwumasowe koło zamachowe. A to oznacza, że wał korbowy będzie obracał się „sztywniej”, co będzie skutkowało szybszym zmęczeniem materiału i możliwym przedwczesnym pęknięciem wału korbowego.
Pęknięcie wału korbowego jest jednym z gorszych skutków zastosowania sprzęgła odbiegającego od montowanego fabrycznie. Najczęściej po zamianie „dwumasy” na zestaw jednomasowy dochodzi do dużego wzrostu hałasu i drgań w układzie napędowym, co jest odczuwalne podczas jazdy. Także drgania te przekazywane są przez przód wału na podzespoły napędzane paskiem klinowym czy wielorowkowym, co powoduje ich szybsze zużycie lub uszkodzenie na skutek zwiększenia się zmian przyspieszeń kątowych podczas pracy.
W opinii specjalistów ZF, czteroelementowy zestaw sprzęgła ze sztywnym kołem zamachowym nie powinien być stosowany jako zamiennik dkz. Gdyby jednak do tego doszło, należy dokładnie zadbać o dostosowanie innych elementów pojazdu do pracy w takiej konfiguracji układu przeniesienia napędu, co jest działaniem kosztownym i skomplikowanym. Ograniczenie się jedynie do mechanicznej wymiany koła dwumasowego na jednomasowe (co teoretycznie jest rozwiązaniem tańszym) w wielu przypadkach generuje w przyszłości dodatkowe koszty związane z wcześniejszą wymianą sprzęgła, a nawet remontem lub wymianą całej skrzyni biegów, nie wspominając o roszczeniach gwarancyjnych klienta.
Grzegorz Fedorowicz
Ekspert z przedstawicielstwa ZF Friedrichshafen AG
