Sprzęgło Haldex cz. 1.
Od prawie dwudziestu lat Volkswagen stosuje sprzęgło Haldex do przeniesienia napędu na wszystkie koła. Rozwiązanie to jest alternatywą dla napędu Quattro, pozwalając na pełną regulację rozdziału siły napędowej za pośrednictwem sterownika elektronicznego, uwzględniając warunki jazdy, jak i współpracę z systemami ABS, ESP, ASR, EBV czy EDS.
Do 1998 roku koncern Volkswagena w swoich pojazdach realizował stały napęd wszystkich kół za pośrednictwem sprzęgła wiskotycznego. Takie rozwiązanie konstrukcyjne zwane Synchro pozwalało na rozdzielenie momentu obrotowego silnika na podstawie różnicy prędkości obrotowej przednich i tylnych kół. Jednak brak zaawansowanej elektroniki uniemożliwiał pełniejsze zlokalizowanie przyczyny poślizgu kół, a pozwalał jedynie go rozpoznać. Kolejnym etapem rozwoju układu napędowego na wszystkie koła było wprowadzenie w 1998 roku sterowanego elektronicznie elektro-hydraulicznego wielkopłytowego sprzęgła Haldex. Poszczególne generacje Haldexa umożliwiały optymalizowanie gabarytów systemu, szybszą pracę układu i uproszczenie obiegu hydraulicznego. Najnowsza generacja Haldexa pozwala na elektroniczną regulację wszystkich kół, dzięki czemu możliwa jest natychmiastowa reakcja układu napędowego dostosowana do warunków panujących na drodze.
Dla lepszego zobrazowania działania i budowy napędu na wszystkie koła ze sprzęgłem Haldex na wstępie zostanie przedstawiona pierwsza generacja systemu. Konstrukcja sprzęgła Haldex przewidziana jest do współpracy z samochodami o poprzecznej zabudowie silnika. Napęd na wszystkie koła wymaga odmiennej formy zawieszenia tylnych kół, modyfikacje obejmują również układ paliwowy ze względu na obecność wału napędowego. Zbiornik paliwa pozostaje zwykle podzielony na dwie komory więc stosuje się odrębne pompy paliwa – główną i strumieniową.
Transfer momentu obrotowego na koła przedniej osi następuje w tradycyjny sposób poprzez mechanizm różnicowy osi przedniej i dalej za pośrednictwem przekładni kątowej do wału napędowego. Dzielony wał napędowy napędza wałek wejściowy w sprzęgle Haldex, który oddzielony od wałka wyjściowego jest połączony z mechanizmem różnicowym tylnej osi.
Warunkiem koniecznym do przekazania napędu na tylną oś jest włączenie sprzęgła Haldex, czyli uzyskanie wzajemnego docisku płytek sprzęgła. To właśnie różnica obrotów pomiędzy przednią a tylną osią generuje ciśnienie robocze oleju, by osiągnąć wymaganą siłę docisku poprzez tłok roboczy. Olej przepompowywany jest na pośrednictwem przesuwnej tarczy oraz zestawu ruchomych rolek i dwóch równoległych tłoków w kształcie pierścienia, zwanych pierścieniowymi. Przekazywany moment napędowy jest zależny od doprowadzonego ciśnienia roboczego, a regulacja docisku płytek sprzęgła jest sterowana elektronicznie za pośrednictwem sterownika i zaworów ciśnieniowych układu.
Pod względem konstrukcyjnym sprzęgło Haldex składa się z trzech głównych sekcji:
- mechanicznej, w skład której wchodzą wałek wejściowy i wyjściowy, tarcza skokowa, zestaw płytek zewnętrznych i wewnętrznych, tłoki pierścieniowe z łożyskami wałeczkowymi,
- hydraulicznej, obejmującej akumulator ciśnienia, filtr oleju, zawory tłoczne i regulacyjne, tłok pierścieniowy,
- elektrycznej, w skład której wchodzą elektryczna pompa oleju, sterownik Haldex, czujnik temperatury i nastawnik (silnik) zaworu regulacyjnego.
Sekcja mechaniczna
Budowa i zasada działania wielopłytkowego sprzęgła Haldex.
Dzielony wał napędowy połączony jest z wałkiem wejściowym (patrz ilustracja 2 i 3) sprzęgła Haldex (oznaczony kolorem zielonym). Równocześnie z wałkiem wejściowym obracają się płytki zewnętrzne, łożysko tłoka pompującego wraz z łożyskiem tłoka roboczego. Z kolei wałek wyjściowy sprzęgła (oznaczony kolorem różowym) stanowi całość ze stożkowym kołem zębatym przekładni głównej (tylnej przekładni) oraz tarczą skokową. Płytki wewnętrzne osadzone są na wielowypuście wałka wyjściowego.
W momencie ruszenia i przyśpieszania samochodu wał napędowy obraca wał wejściowy sprzęgła Haldex, co powoduje ruch obrotowy zespolonego łożyska tłoka pompującego. Tarcza skokowa wałka wyjściowego pozostaje jeszcze nieruchoma, aż do momentu wytworzenia odpowiedniego ciśnienia oleju, które kanałem olejowym dociera do tłoka roboczego i dociska go za pomocą wałeczków łożyska, powodując ściśnięcie płytek sprzęgła. Wzrost ciśnienia potrzebny do docisku płytek sprzęgła Haldex spowodowany jest ruchem posuwisto-zwrotnym wałeczków łożyska tłoka pompującego, a mechanizm tego ruchu wymuszają wyprofilowane wzniosy na tarczy skokowej, poruszając w analogiczny sposób tłok pompujący. W ten sposób powstaje połączenie pomiędzy wałkiem wejściowym a wyjściowym sprzęgła Haldex, co powoduje przeniesienie napędu na tylne koła. Wałek wejściowy stanowi jeden podzespół wraz z koszem sprzęgła i wielowypustem do mocowania płytek zewnętrznych oraz łożyskami. Natomiast wałek wyjściowy tworzy wspólną całość z wielowypustem dla płytek wewnętrznych, kołem zębatym przekładni głównej i tarczą skokową.
Zarówno pierwsza, jak i druga generacja Haldex’a wykorzystuje różnicę obrotów pomiędzy przednią a tylną osią do uzyskania ciśnienia roboczego oleju. Jak wynika z wcześniejszego opisu, ciśnienie to niezbędne jest to ściśnięcia płytek sprzęgła za pośrednictwem pierścieniowego tłoka roboczego. Olej przepompowywany jest dzięki współpracy pierścieniowego tłoka pompującego z tarczą skokową, po której toczą się wałeczki łożyska pompującego. Regulacja siły docisku, a co za tym idzie momentu przeniesionego na tylną oś, ustalana jest za pośrednictwem zaworów – regulacyjnego i ciśnieniowych (tłocznych i ssących) oraz sterownika sprzęgła. Czwarta generacja układu Haldex do wytworzenia ciśnienia roboczego wykorzystuje pompę elektryczną. Dzięki takiej konstrukcji sprzęgło nie posiada tłoka pompującego z tarczą skokową, co znacznie zoptymalizowało budowę układu. Zwiększyła się również szybkość reakcji przeniesienia siły napędowej na poszczególne osie, ponadto w nowej generacji systemu nie jest już wymagana różnica prędkości obrotowych przedniej i tylnej osi do włączania napędu na tył.
Sekcja hydrauliczna sprzęgła Haldex
Do prawidłowej pracy sprzęgła Haldex niezbędny jest niewielki poślizg zarówno w fazie rozłączonego, jak i włączonego napędu (płytki ściśnięte siłą wywieraną przez ciśnienie robocze). Maksymalne dopuszczalne ciśnienie działające na płytki sprzęgła Haldex zabezpiecza zawór bezpieczeństwa, natomiast rola akumulatora ciśnienia sprowadza się do określenia ciśnienia wstępnego wynoszącego 4 bary oraz tłumienia pulsacji ciśnienia w układzie.
Elektryczna pompa oleju wysterowana sygnałem prędkości silnika powyżej 400 obr./min zasysa olej z obudowy sprzęgła i przetłacza go przez sito a następnie filtruje, kierując do zaworów ssących i pierścieniowych tłoków pompujących. Zapewnia to skasowanie luzów pomiędzy tłokami i łożyskami oraz pozwala przesunąć je w kierunku tarczy skokowej oraz wypełnić olejem cylindry tłoków.
Zniwelowanie luzu pomiędzy płytkami sprzęgła Haldex i dociśnięcie pierścieniowego tłoka roboczego wraz z łożyskami do tarczy dociskowej powoduje przepływ oleju przez zawór regulacyjny do zaworów tłoczących. Gdy zawór regulacyjny jest zamknięty, następuje faza wytwarzania ciśnienia przez pierścieniowe tłoki pompujące, więc wygenerowane ciśnienie dostaje się przez zawory tłoczące do promieniowego tłoka roboczego. Sprzęgło Haldex jest wówczas włączone, czyli dochodzi do połączenia wału wejściowego z wyjściowym. Maksymalne ciśnienie działające na płytki sprzęgła osiągane jest w momencie całkowitego zamknięcia zaworu regulacyjnego. Sam zawór regulacyjny wysterowywany jest za pomocą silnika elektrycznego kontrolowanego poprzez sterownik sprzęgła Haldex. Nadzór nad maksymalnym ciśnieniem działającym na płytki sprzęgła pełni zawór bezpieczeństwa. Redukcja przeniesienia momentu napędowego na tyle koła ma miejsce wówczas, gdy zawór regulacyjny otwarty jest w około 30 procentach. Część oleju kierowana jest wtedy do akumulatora ciśnienia, a stamtąd do miski olejowej. Pozwala to na dostosowanie transferu momentu napędowego do warunków jazdy. Całkowite rozłączenie sprzęgła Haldex wystąpi wtedy, gdy zawór regulacyjny będzie całkowicie otwarty, pozwala to na obieg oleju z pominięciem jego dławiącego wpływu i skierowanie go do miski olejowej przez akumulator ciśnienia. Wówczas na pierścieniowy tłok roboczy nie będzie działać żadne ciśnienie, więc sprzęgło Haldex pozostanie rozłączone. W tej fazie ważną rolę odgrywa akumulator ciśnienia, utrzymując ciśnienie wstępne wynoszące ok. 4 barów w przewodzie powrotnym z zaworu regulacyjnego. Sterowanie zaworu regulacyjnego w poszczególnych fazach pracy sprzęgła Haldex odbywa się za pomocą nastawnika będącego silnikiem krokowym realizującym program sterownika Haldex. Trzpień regulacyjny w zaworze zmienia swoje położenie poprzez niewielkich rozmiarów zębnik, modyfikując średnicę otworu, przez który przepływa olej i regulując ciśnienie oddziaływające na pierścieniowy tłok roboczy dociskający płytki sprzęgła.