Буксование фрикционного сцепления и его нагрев

Выше был описан метод определения основных размеров сцепления, обеспечивающих возможность передачи необходимого мо­мента. Коэффициент запаса сцепления оценивает возможность этого механизма в отношении передачи момента, а значение давле­ния р₀ между поверхностями трения — надежность механизма в от­ношении его износостойкости. Однако р₀ лишь косвенно оценивает способность механизма противостоять изнашиванию и нагреву, наблю­дающимся в процессе буксований при включении сцепления.

Сцепление представляет собой теплообъемное устройство, пре­образующее в теплоту часть мощности при его включении. Полу­ченная теплота вызывает повышение температуры поверхностей трения, которое оказывает влияние на коэффициент трения и ско­рость изнашивания. Нагрев деталей, а значит, и износостой­кость фрикционных элементов обусловлены не только работой буксования, но и значением массы тех деталей, которые восприни­мают выделенную теплоту.

На рис. 3.3,а приведен рабочий процесс трогания автомобиля. Точка А соответствует началу его движения, когда момент сцеп­ления Тс становится равным приведенному моменту сопротивления дороги Та.

Рис. 3.3. Рабочий процесс трогания автомобиля (а) и приведенная система расчета работы и время буксования

В зависимости от отношения момента двигателя и момента тре­ния сцепления в процессе включения угловая скорость коленчатого вала ω_е ψвначале возрастает до точки В, а затем падает до точки С, что соответствует прекращению буксования. Время трогания авто­мобиля, в течение которого ω_е становится равной угловой ско­рости ω_а ведомого вала сцепления, называется временем буксования t₆. Момент трения сцепления Тс в период включения сцепления t_в возрастает приблизительно пропорционально времени его включе­ния. Таким образом, Тс = Kt. Коэффициент К характеризует бы­строту включения сцепления.

Для определения основных параметров, соответствующих ра­боте сцепления, рассмотрим модель двигатель-автомобиль, пред­ставленную на рис. 3.3,б. Для определения работы буксования составим дифференциаль­ные уравнения движения масс этой системы.

где Je — момент инерции вращающихся масс двигателя и ведущих деталей сцепления.

Приведенный момент инерции поступательно движущейся массы автомобиля и прицепа Ja=(M_а + M_п)(r_к²/u_т). Решение системы дифференциальных уравнений, при условии, что в конце буксования ω_е = ω_а, позволяет определить время буксования.

Работа буксования L определяется как произведение пути буксования (площадь между кривыми ω_е и ω_а) и величины момента трения сцепления Тс.

Сложность этих вычислений за­ключается в том, что моменты Те, Тс и Та являются переменными величинами по времени и, как правило, нелинейные. Так, момент двигателя зависит от частоты вращения; момент трения сцепления — от темпа включения, коэффициента трения, температуры нагрева поверхностей трения. Для сравнительной оценки конструкций сцеп­лений исключим влияние водителя и представим, что сцепление включается мгновенно и момент трения сцепления при трогании постоянный. При таких допущениях работа буксования вычисляется существенно проще.

Рис. 3.4. Изменение частот вращений ведущих и ведомых элементов сцепления при постоянных величинах Те,Тс и Та

Как видно из уравнения, работа буксования резко возрастает, если, трогание начинается при высоких значениях n₀ двига­теля и на высоких передачах коробки передач. Известно, что момент, инерции Ja зависит от квадрата передаточного числа и пропорцио­нален массам автомобиле и: прицепа; Поэтому при эксплуатации ав­томобиля с прицепом условия, работы, сцепления значительно ухуд­шаются. Кроме того, при движении автомобиля с прицепом частота выключения и включения сцепления увеличивается, что приводит к повышенным износам фрикционных накладок. Работа буксова­ния, подсчитанная по приведенному уравнению является минимально возмож­ной, не зависящей от плавности включения, и пригодна для сопостав­ления работы сцеплений различных марок автомобилей. Оценку износостойкости сцепления можно проводить по величине удельной работы буксования q, т. е. по работе буксования, отнесенной к пло­щади трения ведомых дисков.

Удельная работа буксования определяется при трогании автомо­биля с места на первой передаче при коэффициенте сопротивления движению 0,1. В этом случае допустимое значение удельной работы буксования для однодисковых сцеплений составляет 196— 245 Дж/см², а для двухдисковых 147—167 Дж/см².

При определении теплового режима сцепления рассчитывают температуру ведущих дисков. Маховик имеет значительно большую массу; чем ведущие диски, температура нагрева его сравнительно невелика: При расчете условно принимаем, что не происходит тепло­отдача в окружающую среду. Тогда уравнение теплового баланса

γL = m_дcτ

где. m_д — масса нагреваемых деталей сцепления; γ — доля теплоты, приходящаяся на рассчитываемую деталь (для однодискового сцепленя γ = 0,5);. τ — перепад температур; с — теплоемкость. Отсюда определяется нагрев диска за одно включение. Допустимый перепад температур за одно включение для одиноч­ного автомобиля не должен превышать 10 °С, а для автомобиля с, прицепом 20 °С. Снижение перепада температур возможно при увеличении массы ведущих дисков и создании необходимой цирку­ляции воздуха во внутренней полости корпуса сцепления. Получен­ная расчетная температура является условной (определение ее про­ведено при одном трогании автомобиля) и используется при сравне­нии, конструкций сцеплений различных типов. В действительности процесс, нагрева дисков значительно сложнее. В условиях городского движения транспорта, число включений сцепления для оди­ночных грузовых автомобилей составляет 300—600, а для автомоби­лей с прицепом 400—700 на 100 км пройденного пути. Поэтому тем­пература деталей сцепления в процессе работы автомобиля значи­тельно, выше. Для формованных накладок сцепления допускаемая температура при длительном воздействии равна 200°С, а при кратковременном воздействии (не более 1 мин)

350 °С.