A hidrodinamikai elven működő tengelykapcsolók működési elve és típusai

A tengelykapcsoló egy alapvető mechanikus alkatrész, amelynek fő feladata, hogy két tengelyt (hajtótengelyt és hajtott tengelyt) összekapcsoljon különböző mechanizmusokban, lehetővé téve a nyomaték átvitelét. Ezen felül, a nagy sebességű és nagy teljesítményű erőátvitelben egyes tengelykapcsolók pufferelő, csillapító és a tengely dinamikus teljesítményét javító funkcióval is rendelkeznek. A tengelykapcsoló két félből áll, amelyek a hajtótengellyel és a hajtott tengellyel vannak összekötve. Az általános erőgépet többnyire tengelykapcsolóval kötik össze a munkagéppel.

Az önműködő tengelykapcsolók csoportosítása

Az önműködő kapcsolók fő jellemzője, hogy külső kapcsolási lehetőség nélkül valamilyen különleges üzemi követelményt elégítenek ki. Ezek lehetnek például védelmet nyújtanak nyomaték túlterhelés ellen, kedvező terhelésfelvételt tesznek lehetővé, korlátozzák a fordulatszámot vagy megakadályozzák a visszaforgást.

Ide tartoznak a nyomaték-kapcsolású és a fordulatszám-kapcsolású tengelykapcsolók.

Nyomaték-kapcsolású tengelykapcsolók

A nyomaték-kapcsolású tengelyek feladata, hogy a gép működése szempontjából káros terhelések esetén a tengelykapcsoló automatikusan lekapcsoljon. Ide tartoznak a törőcsapos és az alakzárásos biztonsági kapcsolók.

Törőcsapos biztonsági kapcsoló: Működésének lényege abban van, hogy a beépített acélcsap a megnövekedett nyomaték hatására eltörik és a kapcsolófelek között megszakad a kapcsolat. Sajnos csak az eltört csap cseréje után fog újra működni a tengelykapcsoló. Ezt különösen nagy terhelésekhez használják.
Alakzárásos biztonsági kapcsoló: Szintén nyomaték-kapcsolású az alakzárásos biztonsági kapcsoló, melyekből főleg a súrlódó rendszerűek terjedtek el. Elve, hogy a lemezek közötti maximális súrlódó erőt a rugók előfeszítésével lehet beállítani.

Fordulatszám-kapcsolású tengelykapcsolók

Fordulatszám-kapcsolású tengelyeknél az összekapcsolás foka a fordulatszám függvénye. Ide tartoznak a hidrodinamikus tengelykapcsolók, a porkapcsolók és a röpsúlyos tengelykapcsolók. Önműködő tengelykapcsolók esetén a forgás- ill. a nyomatékátvitelt önműködően, minden külső beavatkozás nélkül indítják vagy szakítják meg.

15 éves Mercedes átírása

Porkapcsolók: Fordulatszám-szabályozásúak a porkapcsolók is, ahol a tengelykapcsoló két tárcsája között a centrifugális erő következtében a külső peremre szorult vasreszelékek, acélgolyók, acéltűk biztosítják a kötést. Ez a tengelykapcsoló-fajta lágyindítású.
Röpsúlyos tengelykapcsolók: A röpsúlyos tengelykapcsolók szintén fordulatszám-szabályozásúak, melyek a centrifugális erőt használják ki, és súrlódó ellenálláson alapulnak.

A hidrodinamikus tengelykapcsoló működési elve

A hidraulikus tengelykapcsoló egy fordulatszám-kapcsolású tengelykapcsoló. Az egyik tengelyére szivattyúkerék van erősítve, amelyhez a tömszelencés burkoló köpeny is tartozik, míg a másik tengelyre egy turbinakerék van felfogatva. A zárt teret kb. 2/3-ad részéig munkafolyadék, általában olaj tölti ki.

A hidrodinamikus energiaátvitel során a hidraulikus szivattyú folyadéktömeget gyorsít fel nagy sebességre, amelyet egy turbina lapátkerekével ütköztetnek. Ennek következtében a lapátkerék forgásba jön, és a folyadék kinetikai energiája hasznosul. A hidrodinamikus tengelykapcsoló két fő részből áll: a szivattyúból (hajtórész) és a turbinából (hajtott rész). Ezek egy zárt, jól tömített házban helyezkednek el.

Működés részletesen

A működési elv könnyen érzékeltethető két ventilátor szembeállításával: ha az egyiket a villamos hálózatra kapcsoljuk, a másikat pedig nem, a forgó ventilátor fúj a másikra, amelyik - mint egy szélkerék - szintén forogni kezd. A "szélkerék" fele olyan gyorsan forog, mint a ventilátor. Ebben az esetben a villamos motor most, mint egy generátor, áramot tud termelni. Az energia egyikről a másikra adódik át. A közvetítő elem az áramló levegő.

A hidrodinamikus tengelykapcsoló működése során a szivattyúkerék forgása mozgásba hozza a folyadékot, amely szintén forgásba hozza a turbinakereket. A szivattyú a rajta keresztülhaladó munkafolyadékot felgyorsítja, amely a turbinába áramlik és ott az energiatartalmát leadva meghajtja a turbinát. A nyomatékátvitel csak a kerületi és a meridián áramlás együttes jelenléte mellett lehetséges.

A szivattyú és a turbina között nincs mechanikus kapcsolat, csak folyadékkapcsolat. A fordulatszám-különbség (szlip) 2-5% között van, ami szükséges az áramlás fenntartásához. Fontos megjegyezni, hogy a szivattyú hajtja a turbinát normál üzemmódban, de lassításkor a turbina hajtja a szivattyút, motorfék üzemmódban.

Tudjon meg többet a korai benzinmotoros járművekről

Az összehasonlítás alapján megállapítható, hogy azonos nagyságrendű energiaátalakítást végző szerkezetek esetében a hidrodinamikusan nagyobb teljesítmény vihető át, mivel a jellemző paraméterek magasabb hatványkitevőjűek. A hidrodinamikus energiaátviteli rendszerek hatékony és megbízható megoldásokat kínálnak a nagy teljesítményű energiaátvitelre. A hidrodinamikus tengelykapcsolók és nyomatékváltók lehetővé teszik a nyomaték és fordulatszám változtatását, miközben fenntartják a rendszer hatékonyságát.

Hidrodinamikus nyomatékváltó

A hidrodinamikus nyomatékváltó hasonló a tengelykapcsolóhoz, de egy álló lapátkoszorúval (vezetőkerékkel) is rendelkezik, amely változtathatja a folyadékáram irányát és szögét.

Összehasonlítás más tengelykapcsoló-típusokkal

Mechanikus tengelykapcsolók

Személygépkocsikban a mechanikus változatok hamar népszerűvé váltak. A mechanikus tengelykapcsolók súrlódó tárcsával kapcsolódnak a hajtóegységekhez, melynél egészen pontosan megadható, hogy mekkora nyomatékot képes átvinni a motortól. Ez természetesen nagyobb kell legyen, mint a motor legnagyobb nyomatéka. Ennek a két számnak az aránya a tengelykapcsoló biztonsági tényezője, azaz a nyomatékfelesleg tényező.

A hagyományos mechanikus tengelykapcsoló működését az alábbi alkatrészek biztosítják:

Lendkerék: A motor főtengelyéhez van rögzítve, így azzal mindig együtt forog. Általában vasöntvény, mert fontos a jó a hőtűrő képessége. A konstrukció olyan, hogy nagy inerciája okán kiegyenlíti a motor működése során ébredő egyenlőtlen nyomatékviszonyokat.
Nyomótárcsa: A lendkerékkel, ezáltal a motorral mindig együtt forog. Szintén vasöntvény, mert itt is kulcsszerepet játszik a súrlódásból adódó magas hőmérséklet.
Tengelykapcsoló ház fedél: Szintén együtt forog a motorral, a külső burkolatát adja a tengelykapcsolónak.
Kinyomó csapágy: Ez az alkatrész csak akkor működik, amikor szétkapcsolást kezdeményezünk.

A mechanikus tengelykapcsolók világa egészen kisméretűre csökkent, ma már szinte csak a legegyszerűbb felszereltségű személygépkocsikhoz és a sportautók egy részéhez kapunk manuális sebességváltót. A motor és a hajtómű között létesít súrlódás révén, a sebességfokozatok kapcsolását lehetővé tevő, oldható nyomaték átviteli kapcsolatot. A tengelykapcsoló teszi lehetővé, hogy a belsőégésű motor alapjárati fordulatszámon működjön, miközben a gépkocsi áll. A gépkocsi indulásakor és azután a sebességfokozatok váltásánál pontos és mérsékelt sebességű tengelykapcsoló működtetés szükséges.

Tengelykapcsoló: funkció és jelentőség

A korszerű gépkocsikba a SAC (Self Adjusting Clutch) önműködő utánállítású tányérrugós tengelykapcsolókat szerelnek be. Ezzel csökken a működtetéshez szükséges erő és a karbantartási igény is.

Kézi tengelykapcsoló működési elve és animáció

Elektromágneses tengelykapcsolók

Az elektromágneses tengelykapcsoló egy olyan eszköz, amelyet különféle mechanikus rendszerekben használnak két forgó tengely közötti erőátvitel be- és kikapcsolására. Az elektromágneses erővel működik, hogy megkönnyítse a tengelykapcsoló mechanizmus be- és kikapcsolását különféle alkalmazásokban. Ez a típusú tengelykapcsoló az autótengelykapcsolók egy részhalmaza, amely a súrlódás elveken működik.

Az elektromágneses tengelykapcsoló főbb részei a rotor és az armatúra. Amikor elektromos áram van bekapcsolva, az elektromágneses mező vonzza a armatúrát, bekapcsolja a tengelykapcsolót és energiát visz át a két tengely között. Ezek a tengelykapcsolók gyors be- és kikapcsolást tesznek lehetővé, sima és fokozatos kapcsolódást biztosítanak, valamint távolról is vezérelhetők.

Tengelykapcsoló-működtetés és vezérlés

A komfort igények növekedése miatt a tengelykapcsoló működtetését a konstruktőrök igyekeznek minél kisebb erőszükséglettel megvalósítani, illetve automatizálni. Az egyre nagyobb forgalomsűrűség, a dráguló hajtóanyagok, a környezetkímélőbb közlekedés, a komfortosabb autózás igénye miatt egyre nagyobb a jelentősége, hogy automatizálják a hajtáslánc elemeit. Ennek egyik példája a kézi kapcsolású sebességváltók automatizálása (ASG), amely önműködő tengelykapcsolót igényel.

Hidraulikus működtetés

A hidraulikus tengelykapcsoló működési elve: a tengelykapcsoló pedál lenyomásakor a főhenger dugattyúja balra kerül a tolórúdon keresztül, és a főhengerben és a csővezetékben lévő olaj összenyomódik, ami nyomásnövekedést eredményez. Az alkalmazott hidraulikus nyomás általában 40 - 60 bar közötti, melyet vagy egy villanymotorral hajtott hidraulikaszivattyú hozza létre, vagy a gépkocsi központi hidraulika rendszere biztosítja.

A hidraulikus tengelykapcsolók a löketre támaszkodnak, hogy automatikusan kompenzálják a súrlódó elemek kopását, megkönnyítve a sorozatosítást és szabványosítást. Nagy nyomatékátviteli kapacitással és kis térfogattal rendelkeznek.

Elektromos és elektrohidraulikus működtetés

A tengelykapcsoló automatikus működtetetését és ellenőrzését a sebességváltó elektronika végzi. A tengelykapcsoló és a sebességváltó működtetéséhez új villanymotorokat fejlesztettek ki. Ezzel helyettesítik a korábban alkalmazott ablak-emelőknél is használatos DC motorokat.

A villanymotor mechanikus áttételek segítségével végzi a tengelykapcsoló működtetését. A működtető elektronikának potenciométer jelzi vissza a tengelykapcsoló működtetési útját. Egy másik megoldás, hogy a villanymotor, csigahajtással és mechanikus áttétellel mozdítja el a hidraulikus főhenger dugattyúját. Az így létrehozott olajnyomást cső vezeti a munkahengerhez, melynek dugattyúja kar áttétellel emeli ki a tengelykapcsolót.

A tengelykapcsoló nyitásához a nyomástárolóból elektromágneses szelep vezérli ki az olajnyomást a munkahengerbe. Annak dugattyúja Bowdennel adja át a működtető erőt a kiemelő szerkezetnek. A tengelykapcsoló zárása és a munkahenger dugattyújának visszaállítása rugókkal történik. A tengelykapcsoló elmozdulását potenciométer jelzi vissza az elektronikának.

Az FTE vállalat olyan elektrohidraulikus tengelykapcsoló működtető egységet gyárt, amely az elektronikától a CAN hálózaton keresztül kapja az utasítást a tengelykapcsoló kiemelésére illetve zárására. Az egyenáramú villanymotort impulzus szélesség vezérelt jel működteti. Az eredő feszültséggel arányos lesz a dugattyú elmozdulása.

Elektromechanikus lineáris aktuátor

A fejlesztéseknél azt kellett figyelembe venni, hogy a tengelykapcsoló működtetés szempontjából az a legnehezebb üzemállapot, amikor a gépkocsi a legnagyobb teljesítménnyel gyorsul és utána, mindjárt nagy fékezés következik valamely váratlan forgalmi esemény miatt. Erre a folyamatra csupán 50 - 90 ms áll rendelkezésre. A lineáris villanymotor előnyös, mert elmarad a mechanikus hiszterézis. Kevesebb részegységből áll, ezért nagyobb a megbízhatósága. Közvetlen működtető erő valósítható meg mechanikus áttétel nélkül. A feladat ellátására úgynevezett „elektromechanikus lineáraktuátort” fejlesztettek ki.

Pneumatikus működtetés

Ezt a tengelykapcsoló működtető változatot sűrített levegő ellátó és tároló rendszerrel ellátott haszonjárműveknél alkalmazzák. Az elektro-pneumatikus tengelykapcsoló működtető egység betölti a rásegítő feladatát is, mert hatékonyan csökkentik a működtető erő szükségletet. Leggyakrabban automatizált sebességváltóval szerelt haszonjárműveknél alkalmazzák. Minden sebességváltáskor működteti a tengelykapcsolót. A működtető egységet a sebességváltón kialakított tengelykapcsoló házra szerelik. A pneumatikus tengelykapcsoló működtetés teljesen automatikusan történik. A vezérlését a sebességváltó elektronika végzi.

Az elektro-pneumatikus tengelykapcsoló működtető egység olyan konstrukció, hogy bizonyos zavaró körülmények nem váltanak ki váratlan reakciókat a tengelykapcsoló működtetésében. A munkahenger dugattyú helyzetét és ezzel együtt a tengelykapcsoló helyzetét is induktív elmozdulás érzékelő figyeli. Az elmozdulás érzékelő a sebességváltó elektronikától pontosan beállított tápfeszültséget kap és a dugattyú helyzetének megfelelő feszültség jelet ad az elektronikának. Ebből a jelből az elektronika pontosan meghatározza a tengelykapcsoló pillanatnyi helyzetét és a löketet. Így a tengelykapcsoló kiemelése és zárása a pillanatnyi igényeknek mindig megfelelő.

Tengelykapcsoló pedál helyzetérzékelők

A hagyományos tengelykapcsolóval és sebességváltóval szerelt korszerű személygépkocsiknál egyre több tengelykapcsoló működtetés függő elektronikus szabályozást valósítanak meg. Ezek a rendszerek a tengelykapcsoló pedál helyzet érzékelőjének jelét hasznosítják. Az érzékelőknek olykor szélsőséges hőmérsékleteknél is működniük kell.

Tengelykapcsoló pedál helyzetérzékelő típusok
Érzékelő típusa	Működési elv	Jellemzők
Mikrokapcsoló	Mechanikusan működtetett érintkezők	Költségkímélő, de korrózió, kopás, rugó kifáradása felléphet.
Reed relé	Érintésmentes; hermetikusan zárt érintkezőket állandó mágnes zárja	Nincs kopó alkatrész.
Hall elemes kapcsoló	Mágneses erőtér változása μV feszültséget kelt, IC erősíti	Nagyon pontos, érintésmentes.
Potenciométer	Pedál elmozdulás nagyságát és pillanatnyi helyzetét értékeli	Kopó részegységet tartalmaz, korlátozott élettartam és megbízhatóság.
Induktív érzékelő	Váltakozó mágneses erőtér; jel a vevő tekercs helyzetével arányos	Érintésmentes, nincs kopó alkatrész. Kiküszöböli a potenciométer hátrányait.
Magneto-induktív érzékelő (PLCD)	Állandó mágnes elmozdulását érzékeli; differenciál transzformátoros jelfeldolgozás	Pontos, érintésmentes.