Silnik - i co dalej? :: Przegubowiec — Komunikacja miejska w Warszawie

...czyli o układzie przeniesienia napędu

WPROWADZENIE

Sercem każdego autobusu jest silnik. Maszyna ta wytwarza napęd, który trzeba doprowadzić do kół. Czy nie wystarczyłoby połączyć silnik bezpośrednio z kołami? Byłoby to wprawdzie wygodne, ale w praktyce trzeba się uciec do bardziej wyszukanych rozwiązań. Od razu nasuwa się pytanie – dlaczego? Tutaj odwołać się trzeba do tego, co nazywane jest charakterystyką silnika:

char1

Zielony kolor - krzywa mocy, niebieski - krzywa momentu obrotowego

Wypada tu opisać, co przedstawia ten wykres. Na osi poziomej znajduje się prędkość obrotowa (n) wału korbowego, zwyczajowo przedstawiana w obrotach na minutę. Na osi pionowej, po prawej stronie – moment obrotowy (T) w niutonometrach. Moment obrotowy to w rozumieniu fizyki siła w ruchu obrotowym. Jest to więc siła, z jaką silnik obraca wałem korbowym. Moc (P) jest natomiast iloczynem dwóch pozostałych wielkości – czyli jest to moment obrotowy pomnożony przez prędkość obrotową. Moc znalazła się po lewej stronie.

Jak widać na wykresie, moment obrotowy osiąga wartość 1250 Nm i utrzymuje ją aż do do prędkości 1700 obr/min. Moment następnie spada. Odmiennie wygląda wykres mocy. Narasta ona gwałtownie aż do chwili, w której moment obrotowy zaczyna się zmniejszać. Wówczas moc ma wartość maksymalną – tą podawaną we wszystkich folderach reklamowych.

Postawmy sobie proste zadanie. Chcemy ruszyć z miejsca. Rzut okiem na wykres – co się dzieje przy prędkości zerowej? Nie ma ani momentu, ani mocy, wykres zaczyna się od 1000 obrotów na minutę. A co przy mniejszej prędkości?

Wyjaśnienie jest proste. Silnik spalinowy pracuje stabilnie dopiero przy prędkości obrotowej rzędu 500-600 obr/min – wówczas generowana moc wystarcza tylko na pokonanie oporów tarcia w samym silniku. Pożądana duża moc jest uzyskiwana tylko w wąskim zakresie prędkości – dla przykładowego silnika dla przedziału 1000-2200 obr/min.

Co zrobimy w takiej sytuacji?

Oszukamy silnik!

Z pomocą przychodzi przekładnia. Najprostsza składa się z dwóch kół zębatych o różnych wymiarach i różnych liczbach zębów. Jeśli małe koło o liczbie zębów 12 (liczba czysto przykładowa) napędza duże koło o liczbie zębów dwa razy większej, równej 24, to aby koło duże obróciło się raz, koło małe musi obrócić się 2 razy. Trzeba tu dodać, że przekładnia nie zmienia mocy. Przypominamy sobie, że moc to iloczyn prędkości obrotowej i momentu obrotowego. Skoro więc prędkość spadnie, to aby iloczyn był stały, moment musi wzrosnąć. Tak też dzieje się w praktyce!

Załóżmy, że chcemy, by przy minimalnej prędkości z wykresu ukazującego charakterystykę silnika – 1000 obr/min – koło obróciło się raz w ciągu sekundy. 1000 obrotów na minutę to 17 obrotów na sekundę, więc trzebaby wykorzystać przekładnię o przełożeniu 17. Dla znanego z Solarisa Urbino 18 koła z oponami o wymiarach 275/70 R22,5 jeden obrót to przejazd 3 metrów, więc taki też odcinek przejechałby autobus.

Do rozwiązania pozostaje jeszcze jeden problem. Skoro silnik pracuje stabilnie dopiero przy prędkości 600 obr/min, a dużą moc uzyskuje dopiero przy 1000 obr/min, to jak rozpędzić koło do chwili, w której uzyskujemy z silnika dostatecznie dużą moc? Silnik połączony od razu bezpośrednio z kołem zdławiłby się przecież i od razu zgasł. Przydałoby się takie urządzenie, które najpierw przekaże z silnika do kół tylko część jego mocy, a potem stopniowo coraz więcej i więcej, aż w końcu cała moc kierowana będzie na koła. Wtedy silnik nie zgasłby i stopniowo uzyskał prędkość tysiąca obrotów na minutę. Właśnie – sprzęgło.

Teraz pozostaje tylko przeniesienie tych krótkich rozważań na praktyczne elementy w autobusie – ale to w następnym odcinku.

Dodano 10.04.2010: poniżej

CZĘŚĆ 2

W samochodach występuje następujący łańcuch:

Silnik - sprzęgło – skrzynia biegów – wał napędowy – oś napędzana – koła

Przyjrzymy się tu elementom należącym do układu przeniesienia napędu – od sprzęgła do osi napędzanej.

NIECH NAS ŁĄCZY: SPRZĘGŁO

Rolą sprzęgła jest płynne podłączenie silnika do układu napędowego. Sprzęgło jest wykorzystywane odmiennie w autobusach ze skrzynią manualną i automatyczną. Zasadę działania wyjaśnić może poniższy rysunek:

Sprzęgło suche, stosowane w wypadku układów ze skrzyniami manualnymi, składa się z dwóch tarcz ciernych. Na powyższym rysunku widoczna jest jedna tarcza (czerwona), mocowana do tarczy dociskowej (żółta). Cały ten element jest dociskany do drugiej tarczy, zamocowanej na kole zamachowym silnika, za pomocą specjalnej sprężyny talerzowej (zielona). Mechanizm dźwigni widoczny na dole po lewej umożliwia przegięcie sprężyny i wyłączenie sprzęgła. Wówczas tarcze są oddalone od siebie, a napęd nie jest przekazywany. Źródło rysunku: instrukcja MZK

W wypadku manualnej skrzyni sprzęgło suche, tarczowe, jest wykorzystywane przy ruszaniu i przy zmianie biegów. Ruszanie wygląda następująco. Początkowo silnik pracuje z obrotami biegu jałowego. Pedał sprzęgła jest wciśnięty do oporu, bieg pierwszy jest załączony. Kierowca naciska pedał gazu, zwiększając ilość paliwa dostarczanego do cylindrów, co zwiększa prędkość obrotową silnika. Osiąga on prędkość rzędu 1300 obr/min. Następnie powoli puszcza on pedał sprzęgła. Tarcze ciernie zaczynają się zbliżać do siebie i stykają się, dociskane przez sprężynę. Sytuacja jest wówczas następująca: jedna tarcza sprzęgła, od strony silnika, porusza się z prędkością 1300 obr/min, a druga, połączona przez cały układ przeniesienia napędu z kołami, jest nieruchoma. W wyniku tarcia o siebie tarcz sprzęgła prędkości zaczynają się wyrównywać i po czasie rzędu sekundy obie tarcze obracają się z jednakową prędkością. Podobnie następuje załączanie sprzęgła przy zmianie biegu – każdorazowa zmiana wymaga odłączenia silnika od pozostałych ogniw układu przeniesienia napędu.

Na zdjęciach poniżej - rzeczywisty widok sprzęgła:

Sprzęgło współpracujące z silnikiem SW680. Fot. Jacek Pudło

Tarcza sprzęgła w manualnej skrzyni ZF. Fot. Adrian Słupski

Odmiennie wygląda rzecz w wypadku sprzęgła do skrzyni automatycznej. Opis jej działania przeczytać można po kliknięciu na poniższy rysunek.

Na rysunku widoczne jest sprzęgło hydrokinetyczne. Na ilustracji jasna jest tylko najistotniejsza część sprzęgła. Sprzęgło składa się z dwóch kulistych czasz z promieniowo umieszczonymi łopatkami. Czasze te nazywa się wirnikami. Przestrzeń między nimi jest wypełniona olejem. Gdy jeden z wirników zaczyna się obracać, wymusza on swoimi łopatkami odśrodkowy ruch oleju, który to olej oddziaływuje na łopatki drugiego wirnika, wymuszając jego obrót. W ten oto płynny sposób przenoszony jest napęd – jeden z wirników za pośrednictwem oleju stopniowo rozpędza drugi. Wirniki poruszają się względem siebie z pewnym poślizgiem, co wynika ze strat powstających w wyniku ruchu oleju. Wirnik napędzający, zwany wirnikiem pompy, połączony jest z silnikiem, a wirnik napędzany – zwany wirnikiem turbiny – ze skrzynią biegów. Najczęściej stosowany jest dodatkowy, trzeci wirnik, niewidoczny na rysunku – wirnik kierownicy, który zmieniając sposób przepływu oleju wytwarza przełożenie. Wówczas sprzęgło hydrokinetyczne staje się przekładnią hydrokinetyczną. Źródło rysunku: instrukcja MZK

Na poniższym zdjęciu widoczna jest zaś wspomniana w opisie rysunku przekładnia hydrokinetyczna:

Przekładnia hydrokinetyczna skrzyni ZF Ecolife. Kolorami oznaczone są: zielony - wirnik pompy, czerwony - wirnik turbiny, niebieski - wirnik kierownicy. Fot. Adrian Słupski

W wypadku skrzyni automatycznej sprzęgło wykorzystywane jest tylko przy ruszaniu. Silnik pracuje początkowo z prędkością obrotową biegu jałowego. Jeśli w skrzyni z przekładniami planetarnymi włączony jest bieg, a hamulce autobusu są zwolnione, to autobus będzie się powoli toczył. Wciśnięcie gazu i zwiększenie prędkości obrotowej silnika spowoduje, iż wirnik pompy zwiększy swoją prędkość, zwiększając też prędkość, z jaką wiruje w nim olej. Stopniowo więc coraz szybciej obraca się wirnik turbiny połączony ze skrzynią biegów.

W następnym odcinku: skrzynia biegów.

CDN.