A modern oldható dörzstárcsás tengelykapcsolók működése, típusai és vezérlése

A tengelykapcsolók olyan szerkezeti egységek, amelyek két tengelyvég összekapcsolására szolgálnak. Alapfeladatuk a nyomaték (teljesítmény) vagy erő és forgó vagy haladó mozgás egyik tengelyvégről a másikra való átvitele. Leggyakrabban erő- és munkagépek vagy közbeiktatott hajtóművek tengelyeinek összekötése a feladat. Az oldható tengelykapcsolók, vagy másként a kívülről változtatható, esetleg önműködően változó kapcsolatú tengelykapcsolók skálája rendkívül széles.

Dörzstárcsás tengelykapcsolók alapjai

A súrlódó kapcsolók jellemzője, hogy a kapcsolófelek közötti nyomatékátvitel dörzsfelületek összeszorításával, erőzárás útján valósul meg. A felületek egyike vagy egyik csoportja axiálisan elmozdítható, így a hajtó és hajtott oldal közötti kapcsolat tetszés szerint, akár forgás közben is megszüntethető. A felületek összeszorításához szükséges erőt, illetve a szétkapcsolást kívülről működtethető szerkezet biztosítja. A súrlódó tengelykapcsolók nyomatékátvitelét az érintkező felületekkel kialakított erőzáró kapcsolat biztosítja, amit rászorítással érünk el. Ebből adódik, hogy a kapcsoló működése könnyen befolyásolható az összeszorító erővel. Az egyik súrlódó felület elmozdításával (a távolság növelésével vagy éppen a felületek teljes összenyomásával) történhet a ki- és bekapcsolás.

Alkalmazási területek a járműiparban

A tárcsás súrlódó tengelykapcsolók az erőzáró kapcsolók legnagyobb csoportját képezik. Alkalmazásuk a mezőgazdasági gépszerkezetekben, szerszámgépeknél, de egyéb műszaki területen is igen gyakori. A belsőégésű motorok hátrányos tulajdonsága, hogy terhelés alatt nem indíthatók és csak bizonyos fordulatszám felett képesek teljesítményt leadni. Ezért a motor és a nyomatékváltó közé változó kapcsolatú tengelykapcsolót kell iktatni. A célnak leginkább a tárcsás tengelykapcsolók felelnek meg.

A motor és a hajtómű között súrlódás révén létesít oldható nyomaték átviteli kapcsolatot, lehetővé téve a sebességfokozatok kapcsolását. 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. Menet közben, különösen hegymenetben a sebességváltásnak gyorsnak kell lennie, hogy a gépkocsi ne veszítse el a lendületét; a tengelykapcsoló működtetésének is ennek megfelelően gyorsabbnak kell bekövetkeznie a megszokottnál.

Típusok: Egy- és kéttárcsás kivitel

A dörzstárcsás tengelykapcsolók kialakítása nagy változatosságot mutat. Létezik egy tárcsás, szárazlemezes tengelykapcsoló, melyet személygépkocsiknál és haszonjárműveknél egyaránt alkalmaznak. Emellett léteznek két tárcsás, szárazlemezes tengelykapcsolók is, melyeket haszonjárműveknél a nagyobb nyomaték miatt, és személygépkocsik DSG sebességváltóinál alkalmaznak.

Hogyan működik a kardántengely?

A kisebb zajszinthez és a komfortosabb működéshez hozzájárul az 1985 óta alkalmazott kéttömegű lendítőkerék is (ZMS).

Rugózás és önszabályozás: A tányérrugó szerepe

Manapság tekercsrugó helyett a legtöbb esetben tányérrugót alkalmaznak a tengelykapcsolókban, ami sokkal kisebb kúposságot tesz lehetővé. Nézzük meg közelebbről a tányérrugó viselkedését, amelynek esetében a tárcsa vékonyodása következtében a szorítóerő csökken. Ebből a szempontból is különbség van a kétféle rugó viselkedésében.

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. Egy tányérrugós tengelykapcsolónál például a kinyomó-csapágy elmozdításához ma már kisebb erőre van szükség.

A tengelykapcsoló működtetésének automatizálása

A komfortigények növekedése miatt a tengelykapcsoló működtetését a konstruktőrök igyekeznek minél kisebb erőszükséglettel megvalósítani, illetve automatizálni, hasonló módon, mint a sebességváltóknál. 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 - Automatisierten Schaltgetrieben), amely önműködő tengelykapcsolót igényel.

A tengelykapcsoló automatikus működtetését és ellenőrzését a sebességváltó elektronikája végzi.

Hilliard dörzstárcsás és biztonsági tengelykapcsolók alkalmazása

Kuplung / hogyan működik? 3D animáció

Mechanikus működtetés

A működtetés módja szerint a súrlódó kapcsolók mechanikus, elektromechanikus, pneumo-mechanikus és hidromechanikus rendszerűek lehetnek. A mechanikus kiemelő szerkezetnél golyósoros emelőpályát alkalmaznak, melynél a működtető egység bowden huzallal fejti ki az erőt. Ekkor a beavatkozó egység a tengelykapcsoló közelébe szerelhető fel. A kinyomó-csapágy működtetése a másik típusváltozatnál mechanikus áttétellel is történhet. Az XSG családnál a mechanikus működtetés önzáró csavarhajtással, vagy csigahajtással történhet.

Elektromos motoros működtetés

A tengelykapcsoló és a sebességváltó működtetéséhez új villanymotorokat fejlesztettek ki. Ezzel helyettesítik a korábban alkalmazott ablakemelőknél is használatos DC motorokat. Azért is szükségessé vált a fejlesztés, mert ennél nagyobb a mechanikai igénybevétel, a hőmérséklet és a rezgés, valamint a sós víz is hatást gyakorol rá. Célul tűzték ki, hogy a hidraulika nélkülözhetővé váljon és a lehető legkisebb tömegű lehessen a beavatkozó egység. A Bosch-al közösen fejlesztették ki az olcsóbb kivitelű, de nagyobb teljesítményű szénkefe nélküli típusból. Elektronikus kommutációt valósítanak meg, ez adja a villanymotor típusmegjelölésnél használt EC rövidítést. A mágnesnél alkalmazott ritka földfém ötvözők alkalmazásával a motor kompakt kivitelű lett, és a forgórész tömege kedvezően kicsi. A villanymotor mechanikus áttételek segítségével végzi a tengelykapcsoló működtetését. A működtető elektronikának potenciométer jelzi vissza a tengelykapcsoló működtetési útját.

Elektrohidraulikus működtetés

A tengelykapcsoló működtetéséhez villanymotoros, 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. Az alkalmazott hidraulikus nyomás általában 40 - 60 bar közötti, melyet vagy egy villanymotorral hajtott hidraulikaszivattyú hoz létre, vagy a gépkocsi központi hidraulika rendszere biztosítja. A villanymotor, a mechanikus áttétel és a hidraulika egyetlen közös szerelési egységet alkot. A sebességváltó elektronika vezérli a villanymotort. 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.

Nem szabad megfeledkezni a nyomás kivezérlés és a nyomás csökkentés dinamikájáról sem, mert alapvetően az befolyásolja a tengelykapcsoló működésének minőségét. A VW Lupo -nál a hidraulikus tápegységen helyezik el a tengelykapcsolót működtető elektromágneses szelepet. Az elektronika áramot kapcsol az elektromágneses szelepre, amikor a tengelykapcsoló nyit, részlegesen, vagy teljesen. 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 impulzusszélesség-vezérelt jel működteti, az eredő feszültséggel arányos lesz a dugattyú elmozdulása.

Elektropneumatikus 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 csökkenti a működtető erő szükségletet. Leggyakrabban automatizált sebességváltóval szerelt haszonjárműveknél alkalmazzák, minden sebességváltáskor működteti a tengelykapcsolót. A működtető egységet a sebességváltón kialakított tengelykapcsoló házra szerelik, és a pneumatikus tengelykapcsoló működtetés teljesen automatikusan történik, vezérlését a sebességváltó elektronika végzi.

Tengelykapcsoló: funkció és jelentőség

Az elektro-pneumatikus tengelykapcsoló működtető egység olyan konstrukció, hogy bizonyos zavaró körülmények nem váltanak ki váratlan reakciókat a tengelykapcsoló működtetésében. A hátsó részben van a négy elektromágneses szelep, az elmozdulás érzékelő, az elektronika és a visszacsapó szelep. A négy elektromágneses szelep működteti a sűrített levegő energiájával a tengelykapcsolót. Ezek közül kettő kis átömlési keresztmetszetű és a lassú működtetést végzi. A munkahenger dugattyú helyzetét és ezzel együtt a tengelykapcsoló helyzetét is induktív elmozdulás érzékelő figyeli. Az elmozdulás érzékelő egy rögzített tekercsből és egy mozgó vasmagból áll, amely kapcsolatban van a dugattyúval. 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. További lehetőség, hogy a sebességváltó elektronika a löket meghatározása alapján meg tudja állapítani a súrlódó betétek pillanatnyi kopottságát.

A ház hátsó részén helyezték el a sűrített levegő csatlakozást. Ha sűrített levegő ellátásban nem várt tömítetlenség lép fel, a csatlakozóba beépített visszacsapó-szelep megakadályozza, hogy az éppen nyitott tengelykapcsoló záródjon. A tengelykapcsoló oldásához a munkahenger két elektromágneses szelepen keresztül sűrített levegővel töltődik fel. A tengelykapcsoló zárásához a munkahengerből a sűrített levegőt két másik elektromágneses szelep engedi a szabadba.

Lineáris villanymotoros működtetés

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. Először induláskor zár a tengelykapcsoló és nagy nyomatékot visz át, majd röviddel utána nyit, hogy a motor ne fulladjon le. Erre a folyamatra csupán 50 - 90 ms áll rendelkezésre. Ez nagy követelményt támaszt a villanymotoros tengelykapcsoló működtetéssel szemben, mert a zárás után le kell győzni a működtető egység tehetetlenségét és gyorsan ellentétesen kell mozgatni.

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.

Érzékelők és elektronikus szabályozás

A hagyományos tengelykapcsolóval és sebességváltóval szerelt korszerű személygépkocsiknál egyre több tengelykapcsoló működtetés függő elektronikus szabályozást valósítanak meg. A motor elektronika a takarékosság jegyében megváltoztatja a tüzelőanyag befecskendezést nyitott tengelykapcsolónál, ezzel egyaránt csökkenthető a tüzelőanyag fogyasztás és a kipufogógáz emisszió is. A tengelykapcsoló pedál helyzet érzékelőjének jelét hasznosító rendszerek közé sorolható az USA-ban és Japánban a gépkocsikba kötelező alkalmazású úgynevezett "Start-Lock" működés. Ezt a hagyományos mechanikus sebességváltós gépkocsiknál alkalmazzák, megakadályozza, hogy bekapcsolt sebességfokozatnál az indítómotor azonnal mozgásba hozza a gépkocsit. Ezzel elkerülhetővé válnak a kisebb koccanásos balesetek. Ez a rendszer csak akkor engedi az indító motort működni, amikor a tengelykapcsoló kiemelt állapotban van. A tengelykapcsoló állapot információt használja fel az elektromechanikus rögzítő fék is a működéséhez.

A fentiekben említett rendszerek működéséhez fontos a tengelykapcsoló pedál helyzetének, illetve elmozdulásának pontos érzékelése. Ez utóbbi információnak a betét kopottságára vonatkozó diagnosztikai tartalma is van. Ezek miatt különböző érzékelőket szerelnek fel a kuplung pedálra. Ezeknek olykor szélsőséges hőmérsékleteknél is működniük kell.

Tengelykapcsoló pedál érzékelő típusok

A tengelykapcsoló pedál elmozdulásának pontos érzékelésére többféle technológiát alkalmaznak:

Mikrokapcsoló: Házában mechanikusan működtetett érintkezőket szerelnek be. Költségkímélő megoldásnak számít, de felléphetnek korróziós problémák, kopás és a rugó kifáradása is.
Reed relé: Érintésmentesen működik, nem tartalmaz kopó alkatrészt. Légmentesen zárt térben lévő érintkezőket zár a tengelykapcsoló pedállal együtt elmozduló állandó mágnes.
Hall elemes kapcsoló: Egy IC tartalmazza ezt az egységet. A mágneses erőtér változása μV nagyságú feszültséget kelt, amit erősítő fokozaton keresztül válik használható információvá. Nagyon pontos, érintésmentes működésű kapcsoló.
Potenciométer: Ezzel a pedál elmozdulás nagysága és a pillanatnyi helyzete is kiértékelhető. Gyakran alkalmazzák az elforduló kivitelű változatot. Hátránya az, hogy kopó részegységet tartalmaz, ami korlátozza az élettartamát és a megbízhatóságát.
Induktív érzékelő: A potenciométer hátrányos tulajdonsága ezzel kiküszöbölhető. Érintésmentesen működik és nem tartalmaz kopó alkatrészt. Váltakozó mágneses erőterű adó tekercsből és több vevő tekercsből is állhat. Az elektromos jel a vevő tekercs helyzetével arányos.
Magneto-induktív érzékelő: Az alkalmazott állandó mágnes elmozdulását érzékeli a PLCD (Permanantmagnetic-Linear-Contactless-Displacement) érzékelő. A lágymágnes magot egy tekercs veszi körül és két kiértékelő tekercset alakítanak ki a végeinél. A jelképzésnél egy állandó mágnes közelít az érzékelőhöz. Differenciál transzformátorként történik a jel kiértékelése.

Érzékelő összehasonlító táblázat

Érzékelő típusa	Működési elv	Főbb előnyök	Főbb hátrányok
Mikrokapcsoló	Mechanikus érintkező	Költséghatékony	Kopás, korrózió, rugófáradás
Reed relé	Érintésmentes mágneses	Nincs kopó alkatrész, légmentesen zárt
Hall elem	Mágneses erőtér változása	Nagy pontosság, érintésmentes
Potenciométer	Pedálelmozdulás ellenállás	Elmozdulás és helyzet kiértékelhető	Kopó alkatrész, korlátozott élettartam
Induktív érzékelő	Váltakozó mágneses erőtér	Érintésmentes, nincs kopó alkatrész
Magneto-induktív (PLCD)	Állandó mágnes elmozdulása	Differenciál transzformátor alapú jelképzés