Co trzy masy, to nie jedna

Schaeffler
Maciej Blum
1.10.2014
Reklama
Reklama

Sprzęgła samochodowe składają się z kilku podstawowych elementów. Są nimi: koło zamachowe, tarcza sprzęgła, docisk sprzęgła i łożysko oporowe. Jednak koło zamachowe przechodzi prawdopodobnie największą ewolucję wraz z rozwojem motoryzacji.

 

  • Do koła zamachowego przykręcony jest docisk, który - dzięki ruchomej powierzchni ciernej - jest odpowiedzialny za rozsprzeglanie i zasprzęglanie przeniesienia momentu obrotowego z silnika na skrzynię biegów
  • Według teorii koło zamachowe to koło o dużym momencie bezwładności, wykorzystywane do krótkotrwałego magazynowania energii mechanicznej
  • Energia kinetyczna koła zamachowego jest zależna od jego prędkości kątowej oraz od momentu bezwładności
  • Rozwój silników Diesla, a przede wszystkim systemów wtrysku common rail sprawił, że obroty wału korbowego silnika stawały się coraz bardziej nierównomierne
  • By zapobiec zjawisku nierównomiernych obrotów silnika przy zachowaniu jego gabarytów, zaczęto stosować koła 2 masowe
  • Ze względu na swoje parametry dotyczące tłumienia drgań skrętnych koło dwumasowe jest trudne do zastąpienia kołem o jednej masie
Reklama

Podstawowym rozwiązaniem jest tradycyjne koło zamachowe w kształcie dysku posiadającego powierzchnie cierne współpracujące z tarczą sprzęgła. Do koła zamachowego przykręcony jest docisk, który - dzięki ruchomej powierzchni ciernej - jest odpowiedzialny za rozsprzeglanie i zasprzęglanie przeniesienia momentu obrotowego z silnika na skrzynię biegów.
Według teorii koło zamachowe to koło o dużym momencie bezwładności, wykorzystywane do krótkotrwałego magazynowania energii mechanicznej. Stosuje się je w szeroko pojętej mechanice, gdzie znajduje zastosowanie zarówno w prostych konstrukcjach (np. koło garncarskie), jak i nowoczesnych silnikach spalinowych. Jeśli chodzi o zastosowanie w silnikach, to masowo zaczęto je używać w momencie rewolucji przemysłowej w silnikach parowych, aby nadać im równomierny bieg.
Energia kinetyczna koła zamachowego jest zależna od jego prędkości kątowej (ɷ – prędkość kątowa) oraz od momentu bezwładności koła (I).

Ek=1/2*I*ɷ2

Z tego równania wynika, że tym większą energię kinetyczną można zgromadzić w kole zamachowym, im większe ma ono obroty oraz im większy moment bezwładności. Moment bezwładności koła zamachowego wyraża się wzorem:

I=1/2*m*R2

We wzorze tym m odpowiada masie koła zamachowego, natomiast R to jego promień zewnętrzny. Po połączeniu wzoru na energię kinetyczną oraz wzoru na moment bezwładności otrzymamy następujący wzór:

Ek=1/4*m*R22

Z niego wynika jasno, że czynnikami wpływającymi na zwiększenie się energii kinetycznej kołą zamachowego są:
- masa koła zamachowego,
- średnica koła zamachowego (R wyraża promień),
- prędkość kątowa tego koła (prędkość obrotowa silnika).

Reklama

W silniku koło zamachowe pod względem tych parametrów jest wykorzystywane przede wszystkim po to, aby zachować równomierność biegu silnika na przykład podczas gwałtownego zasprzęglenia (aby w tym momencie silnik nie zgasł). Od wielkości koła zamachowego zależą także parametry silnika. Duże koło wpływa na to, że silnik gorzej reaguje na szybkie zmiany obrotów (gwałtowne przyspieszenie), stąd dość popularne jest zmniejszanie masy koła zamachowego podczas bardziej zaawansowanego tuningu silnika (toczenie).

Rozwój silników Diesla, a przede wszystkim systemów wtrysku common rail sprawił, że obroty wału korbowego silnika stawały się coraz bardziej nierównomierne. W momencie wtrysku następuje gwałtowny przyrost ciśnienia w cylindrze, co z kolei powoduje bardzo gwałtowną zmianę prędkości kątowej wału korbowego. Okazało się, że to postawiło nowe wymagania kołom zamachowym, które muszą równoważyć teraz coraz bardziej nierówny w ramach dwóch obrotów wału korbowego (1 cykl pracy wszystkich cylindrów w silniku 4-suwowym). Aby sprostać nowym wymaganiom, koło zamachowe musiałoby być na tyle dużych rozmiarów, że jego umieszczenie w obudowie sprzęgła okazało się bardzo kłopotliwe.
By zapobiec zjawisku nierównomiernych obrotów silnika przy zachowaniu jego gabarytów, zaczęto stosować koła 2 masowe. Polegają one na połączeniu ze sobą 2 osobnych mas za pomocą elementów sprężystych. Dzięki takiemu zabiegowi udało się skutecznie zredukować ilość drgań kątowych dostarczanych z silnika na pozostałe elementy układu napędowego. Ogranicza to szarpanie w momencie załączania sprzęgła i dłuższą żywotność synchronizatorów.

Elementem tłumiącym drgania obrotowe w dwumasowym kole zamachowym jest pakiet sprężyn rozmieszczonych łukowo. Wzajemne wychylenie masy wtórnej w stosunku do masy pierwotnej może wynosić nawet 120o. Problemem występującym w kole dwumasowym są jednak drgania w górnym zakresie prędkości obrotowych silnika. Aby je wyeliminować, zaczęto stosować dodatkowe – ruchome masy połączone z masą wtórną.
Masy te są zawieszone na masie wtórnej w sposób wahadłowy i dopasowują swoje wychylenie w zależności od prędkości obrotowej silnika. Wychylenie tych mas zmienia częstotliwość rezonansową koła zamachowego i przesuwa ją poza użyteczny zakres prędkości obrotowych, powodując wyrównanie biegu silnika w górnym zakresie obrotów.

Ze względu na swoje parametry dotyczące tłumienia drgań skrętnych koło dwumasowe jest trudne do zastąpienia kołem o jednej masie i wydajniejszych tłumikach drgań skrętnych w tarczy sprzęgła. Oczywiście, że drgania na wejściu skrzyni biegów będą zmniejszone, co oznacza, że skrzynia biegów na tej wymianie nie ucierpi, natomiast problem powstanie na elemencie, do którego to koło zamachowe się przykręca, czyli na wale korbowym, który w takim przypadku może pękać. Możliwość zastosowania koła jednomasowego w miejsce dwumasowego jest więc sprawą bardzo indywidualną, ponieważ niższa cena może okazać się w przyszłości źródłem znacznie wyższych wydatków.

Maciej Blum
fot. Archiwum, Schaeffler

Czy znasz silniki, które dobrze tolerują wymianę dwumasowego koła zamachowego na jednomasowe?
tel. 71 78 23 190
e-mail: maciej.blum@autoexpert.pl

 

Reklama

O Autorze

Maciej Blum

Redaktor naczelny miesięcznika „autoEXPERT”

Tagi artykułu

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę
Reklama