همه چیز در مورد کلاچ

- انتقال ماکزيمم گشتاور : طراحي کلاچ بايد بگونه اي باشد که بتواند 125 تا 150 درصد ماکزيمم گشتاور توليدي موتور را منتقل کند.

- درگيري و خلاصي تدريجي : کلاچ و سيستمهاي عملگر آن بايد بگونه اي طراحي شوند که حين خلاصي و درگيري صفحات کمترين تکان را به خودرو منتقل کند.

- پخش سريع حرارت توليد شده : حين درگيري کلاچ بعلت وجود لغزش در ابتداي امر، گرماي زيادي توليد مي شود که بايد به طرقي دفع شود.

- بالانس ديناميکي : چون کلاچ عضو دوار متحرک است، بنابراين در سرعتهاي زياد جهت جلوگيري از بوجود آمدن نيروهاي جانبي بايد از لحاظ ديناميکي بالانس باشد.

- استهلاک نوسانات : طراحي کلاچ بايد به گونه اي باشد که سبب از بين رفتن نوسانات انتقالي از موتور به سيستم انتقال قدرت و نوسانات انتقالي از چرخها به موتور شود.

- ابعاد کلاچ : از لحاظ ابعادي، کلاچ بايد کمترين فضاي ممکن را اشغال کند.

- اينرسي : قطعات متحرک کلاچ بايد کمترين اينرسي ممکن را داشته باشند.

- سادگي در تعويض و تعمير : تعويض قطعات و تعمير آنها بايد به سادگي صورت گيرد.

- سهولت در عملکرد کلاچ نزد راننده : عمل کلاچ گيري و تعويض دنده نبايد براي راننده حالت خسته کننده و طاقت فرسايي داشته باشد.

انواع کلاچ

بدون لغزش : اين نوع کلاچها دو حالت دارند؛ حالت خلاصي و حالتي که کلاچ کاملاً درگير است. بنابراين در اين حالت لغزش يا سايش در کلاچ به هيچ عنوان مشاهده نمي شود. (شکل1-1)

يکطرفه : اين کلاچها در گردش از يک طرف همانند کلاچ بدون لغزش عمل مي کند، اما اگر چرخش در جهت مخالف صورت گيرد دو صفحه کاملاً روي هم سر مي خورند و هيچگونه انتقال نيرويي صورت نمي گيرد؛ بنابراين در اين کلاچها گشتاور تنها از يک طرف منتقل مي شود. (شکل1-1)

شکل1-1 (الف)کلاچ بدون لغزش (ب)کلاچ يکطرفه

اصطکاکي : اساس عملکرد اين کلاچها درگيري دو صفحه داراي ضريب اصطکاک نسبتاً بالاييست که اين درگيري سبب انتقال نيرو از يکي از صفحات به صفحه ديگر مي شود. انواع مورد استفاده اين نوع کلاچها شامل ديسکي، مخروطي، صفحه اي و تسمه اي مي باشد.

هيدروليک : در اين نوع کلاچها نيرو از يکي از صفحات به سيال و سپس از سيال به صفحه متحرک مورد نظر منتقل مي شود.

از ميان انواع کلاچهاي فوق تنها دو نوع آخر در خودروهاي امروزي مورد استفاده قرار مي گيرد .

کلاچ اصطکاکي

اين نوع کلاچها به پنج نوع عمده زير تقسيم مي شوند :

- کلاچ مخروطي

- کلاچ تک صفحه اي

- کلاچ چند صفحه اي

- کلاچ نيمه گريز از مرکز

- کلاچ گريز از مرکز

کلاچ مخروطي Con Clutch) )

در اين کلاچها همانگونه که از اسم آن پيداست سطوح اصطکاکي به شکل مخروطي هستند. هنگامي که کلاچ در گير مي شود، گشتاور از طريق فلايويل که سطح داخلي آن به شکل مخروطي است به سطح مخروطي ديگري که درون فلايويل جاي مي گيرد منتقل مي شود. (شکل1-2) براي خلاص کردن کلاچ نيز سطح مخروط خارجي کمي از درون فلايويل بيرون کشيده مي شود تا تماس دو سطح قطع شود.

شکل1-2 کلاچ مخروطي

مزايا : براي فشار يکسان وارده بر پدال، نيروي اعمالي برروي سطوح اصطکاکي در اين حالت بزرگتر از نيروي محوري اعمال شده نسبت به کلاچ صفحه اي است.

معايب : اگر زاويه مخروط کوچکتر از حدود 20 درجه انتخاب شود، ممکن است حالت خود قفلي پيش بيايد و جدا کردن دو سطحي که با هم در حالت چرخش هستند مشکل شود.

کلاچ تک صفحه اي (Single Plate Clutch)

در اين نوع کلاچ، صفحه اصطکاکي بين فلايويل و صفحه فشارنده نگهداشته مي شود و نيروي اعمالي توسط صفحه فشارنده سطوح را به هم مي چسباند. اين نيروي اعمالي از طريق يک پدال که بوسيله پاي راننده فشرده مي شود بوجود مي آيد. (شکل1-3) اين نيرو سبب فشرده شدن انگشتي متصل به صفحه فشارنده مي شود و بدين ترتيب نيرو از پاي راننده به صفحه اصطکاکي منتقل مي شود. (شکل1-4)

شکل1-3 کلاچ تک صفحه اي

مزايا : در اين نوع کلاچ تعويض دنده نسبت به کلاچ مخروطي آسانتر است، زيرا جابجايي پدال در اين حالت کمتر است و همچنين مانند کلاچ مخروطي مشکل قفل شدن در اين حالت وجود ندارد.

معايب : فنرها در اين نوع کلاچ نسبت به حالت مخروطي بايد سختي بيشتري داشته باشند و در نتيجه نيروي فشارنده بزرگتري مورد نياز است.

شکل1-4 (الف)اجزا يک کلاچ تک صفحه اي (ب)نمونه يک کلاچ تک صفحه اي با فنر فشاري

کلاچ تک صفحه اي با فنر ديافراگمي (Diaphragm Spring Clutch )

اساس کار اين نوع کلاچها همانند کلاچ تک صفحه اي است با اين تفاوت که در اينجا بجاي فنرهاي پيچشي از فنر ديافراگمي استفاده مي شود؛ اين فنرها در حالت عادي به شکل مخروط ناقص هستند، اما هنگامي که فشرده مي شوند حالت تخت به خود مي گيرند. (شکل1-5)

شکل1-5 فنر ديافراگمي و نمونه اي از کلاچ ديافراگمي

مزايا : به علت ذخيره انرژي در امتداد شعاعي طرح نهايي اين کلاچ در امتداد محوري به مراتب کوچکتر و جمع و جورتر خواهد بود. فنر ديافراگمي در مقايسه با فنرهاي تخت کمتر تحت تاثير نيروي گريز از مرکز قرار مي گيرند، لذا براي استفاده در دورهاي بالاتر مناسب تر مي باشند. در اين طرح فنر ديافراگمي هم بعنوان فنر فشارنده و هم بعنوان قطعه ناخني عمل مي کند، لذا اين قطعات از سيستم حذف شده اند و باعث کاهش وزن کل و سر و صداي سيستم مي شوند. در مورد فنر مارپيچي رابطه نيرو و جابجايي فنر خطي است. لذا با سايش صفحات اصطکاکي، به نسبت مقدار نيروي فشارنده آنها نيز کاهش مي يابد. در حاليکه در مورد فنر ديافراگمي اين رابطه غير خطي بوده و مي توان آن را به نحوي طراحي نمود که حساسيت کمتري به سايش داشته باشد. (شکل1-6)

معايب: نيروي فنر ديافراگمي نسبت فنرهاي پيچشي کمتر است، بنابراين فقط در ماشينهاي سبک مي تواند مورد استفاده قرار گيرد.

شکل1-6 منحني نيرو-جابجايي براي فنرهاي مارپيچي و ديافراگمي

عملکرد اين کلاچ همانند کلاچ تک صفحه اي است با اين تفاوت که در اينجا بجاي يک صفحه کلاچ، به تناسب گشتاور انتقالي مورد نظر از چندين صفحه اصطکاکي استفاده مي شود. (شکل1-7) اين امر باعث مي شود که کلاچ بتواند گشتاور بزرگتري را منتقل کند. بنابراين اين کلاچها بيشتر در خودروهاي سنگين يا خودروهاي مسابقه اي که به انتقال گشتاور بزرگتري نياز دارند، مورد استفاده قرار مي گيرد.

شکل1-7 نمونه اي از کلاچ چند صفحه اي

کلاچ نيمه گريز از مرکز (Semi-Centrifugal Clutch )

در اين نوع کلاچها، فنرها براي انتقال گشتاور در سرعتهاي معمولي طراحي مي شوند، در حاليکه در سرعتهاي بالاتر نيروي گريز از مرکز به انتقال گشتاور کمک مي کند. (شکل1-8) در اين کلاچها نيروي گريز از مرکز از طريق وزنه هايي بوجود مي آيد که همراه ساير اجزا دوار کلاچ مي گردند. (شکل1-9)

شکل1-8 نمودار نيروي وارده روی صفحه فشارنده در کلاچهای نيمه گريز از مرکز

شکل1-9 مدلي از کلاچ نيمه گريز از مرکز

کلاچ گريز از مرکز (Centrifugal Clutch )

در اين نوع از کلاچها بر خلاف کلاچهاي نيمه گريز از مرکز، تنها از نيروي گريز از مرکز براي اعمال فشار بر روي صفحات و درگير کردن کلاچ استفاده مي شود. از مزاياي اين نوع کلاچ اين است که به پدال کلاچ نيازي ندارد. کنترل کلاچ بصورت اتوماتيک و توسط دورموتور صورت مي گيرد. خودروهايي که از اين کلاچها استفاده مي کنند، توانايي متوقف شدن با دنده درگير را دارند، بدون اينکه خودرو خاموش شود. بنابراين در اين حالت به مهارت کمتري از جانب راننده نياز است.

نمونه اي از اين کلاچها را در شکل1-10 مشاهده مي کنيد. طرز کار اين سيستم بدينگونه است که هنگامي که سرعت خودرو افزايش مي يابد، وزنه A در اثر افزايش نيروي گريز از مرکزبالا مي رود، در نتيجه ميله رابط B سبب اعمال نيرويي به صفحه C مي شود. اين نيرو توسط فنر E به صفحه D منتقل مي شود. صفحه D شامل صفحه اصطکاکي است که توسط اعمال فشار با فلايويل F درگير مي شود. فنر G باعث عدم درگيري کلاچ در سرعتهاي پايين و حدود rpm 500 مي شود. زائده H مقدار نيروي گريز از مرکز را محدود مي کند چرا که وزنه A نهايتاً در اين نقطه متوقف مي شود. نيروي p متناسب با نيروي گريز از مرکز در هر سرعت خاص است. در حاليکه نيروي Q اعمال شده بوسيله فنر G در همه سرعتها ثابت مي باشد. نموداري از نيروي گريز از مرکز را در دورهاي مختلف موتور در شکل1-11 مي توان مشاهده کرد.

شکل1-10 اساس کارکلاچ گريز از مرکز

شکل1-11 نمودار نيرو-دور در کلاچهای گريز از مرکز

صفحه کلاچ شامل يک توپي، صفحه، فنرهاي صفحه کلاچ و فنرهاي لرزه گير صفحه مي باشد. لنتهاي صفحه کلاچ به فنرهاي صفحه کلاچ اتصال دارند. وقتي کلاچ درگير مي شود، فنرهاي صفحه کلاچ اندکي جمع مي شوند و ضربه ناشي از درگيري را جذب مي کنند.

فنرهاي لرزه گير صفحه يا فنرهاي پيچشي فنرهاي لول کلفتي هستند که روي دايره اي در پيرامون توپي نصب مي شوند. توپي از طريق اين فنرها به حرکت در مي آيد. اين فنرها به کاهش ارتعاشات پيچشي، که ناشي از ضربه هاي توان موتور است کمک مي کند؛ در نتيجه توان بصورت يکنواخت و نرم به جعبه دنده منتقل مي شود. در دو طرف لنتهاي صفحه کلاچ شيارهايي ديده مي شود.در هنگام خلاص شدن کلاچ اين شيارها مانع چسبيدن لنت به چرخ لنگر يا صفحه فشارنده مي شوند. به سبب وجود اين شيارها، ايجاد خلاء بين لنت و چرخ لنگريا صفحه فشارنده و در نتيجه چسبيدن لنت غيرممکن خواهد بود. اين شيارها به خنک کردن لنت نيز کمک مي کنند. (شکل1-12)

شکل1-12 نمونه کامل و باز شده صفحه کلاچ

در نسل اوليه کلاچها جنس لنت را از چرم انتخاب مي کردند. پس از آن لنتهاي بسياري از صفحه کلاچها از پنبه و الياف آزبست (پنبه نسوز) که بهم بافته شده بودند، تشکيل مي شدند. در بعضي از صفحه کلاچها سيم مسي را در لنت مي بافند يا با فشار وارد آن مي کنند تا استحکام بيشتري پيدا کند. اما آزبست آلوده کننده محيط زيست و براي سلامتي زيان آور است. امروزه از مواد ديگري بجاي آنها استفاده مي کنند. Reybestosو Ferodo از بهترين جايگزينها هستند که بعلت ضريب انتقال بالاي حرارت استفاده زيادي از آنها مي شود. از ديگر جايگزينهاي ديگري که امروزه استقبال از آن براي استفاده در لنتهاي ترمز زياد شده آلياژهاي فلز و سراميک هستند که استحکام زيادي در برابر سايش دارند. واضح است که با توجه به جنس مواد بکار رفته در لنت صفحه کلاچ، ضريب اصطکاک صفحه نيز تغيير مي کند. در شکل1-13 نمونه اي از اين ضرايب را براي مواد گوناگون مشاهده مي کنيد.

Coefficient of friction

Material

27/0

37/0

4/0- 5/0

4/0- 35/0

Leather

Cork

Cotton Fabric

Asbestos – base materials

شکل1-13 ضريب اصطکاک مواد مختلف استفاده شونده در صفحه کلاچ

کلاچ تر

ساختار کلي اين کلاچها شبيه کلاچهاي خشک هستند، بجز اينکه در اينجا صفحات اصطکاکي هميشه توسط گردش روغن مرطوب است. اکثر اين نوع کلاچها در کاميونها و ماشينهاي سنگين استفاده مي شود. ساده ترين آن مدل پاششي است که شبيه کلاچ خشک مي باشد؛ بجز نوع ماده اصطکاکي بکار رفته در صفحه کلاچ و استفاده از نازلهايي که براي پاشش روغن از آنها استفاده مي شود. (شکل1-14) اين نوع از کلاچهاي تر فقط در کاميونهاي کوچک کاربرد دارند، جاييکه گشتاور مورد نياز را تنها از طريق يک صفحه مي توان منتقل نمود. در اين حالت به علت حضور روغن روي صفحات اصطکاکي ضريب اصطکاک کاهش مي يابد.

مزايا : روغن دائماً جريان دارد و انتقال حرارت سريعتر صورت مي گيرد. صفحه کلاچ مدت زمان لغزش بيشتري را مي تواند تحمل کند. کلاچ عمر بيشتري خواهد داشت و به تعمير و نگهداري کمتري نياز دارد. درگيري و خلاصي نرمتري خواهد داشت .

معايب : به علت ضريب اصطکاک کمتر در شرايط يکسان، ظرفيت انتقال گشتاور حدود %35 کاهش مي يابد. به همين دليل صفحه کلاچ اين کلاچها، کمي آج دار ساخته مي شود.

شکل1-14 کلاچ تر پاششي

عملگرهاي سيستم کلاچ

عملگر کلاچ بايد به نحوه اي عمل کند که نيروي اندکي را که توسط پاي راننده به پدال وارد مي شود به نيروي بزرگتري تبديل نمايد تا بتواند سبب جابجايي صفحه فشارنده و در نتيجه صفحه کلاچ گردد. انواع مختلف اين عملگرهاي مورد استفاده در کلاچها شامل اهرم بندي مکانيکي، الکترومغناطيس، هيدروليک، الکترونيک و نيوماتيک (خلاء) مي باشند.

اهرم بندي مکانيکي

در اين نوع از عملگرها بين پدال و انگشتيهاي محرک صفحه فشارنده يک اهرم بندي مکانيکي قرار مي گيرد که عامل انتقال نيرو از پاي راننده به صفحه کلاچ مي باشد. اين نوع ميله بنديها معمولاً نيروي وارده توسط راننده را 10-12 برابر مي کند. نيروي حاصل از کلاچ گيري بلافاصله پس از فشردن کلاچ توسط لنتها احساس نمي شوند، زيرا در آنها حدود 25 ميليمتر خلاصي در نظر گرفته مي شود. (شکل1-15)

در بسياري از خودروها که از سيستمهاي مکانيکي بعنوان عملگر استفاده مي کنند، بجاي سيستم ميله بندي اهرمي از سيم استفاده مي کنند. (شکل1-16) از نظر سازندگان، استفاده از ميله بندي سيمي راحت تر از استفاده از ميله بندي اهرمي است. اکثر ميله بنديهاي سيمي بايد بوسيله دست تنظيم شود، اما ميله بندي سيمي خود تنظيم نيز وجود دارد که در اين نوع به تنظيم مرتب کلاچ نيازي نيست.

شکل1-15 اهرم بندي مکانيکي بعنوان عملگر کلاچ

شکل1-16 عملگر سيمی کلاچ

عملگر الکترومغناطيسي

اين نوع عملگرها در برخي از اتومبيلها مورد استفاده قرار گرفته است. نمايي از اين نوع عملگر را در شکل 1-17 ملاحظه مي کنيد. A چرخ لنگر و B سيم پيچي استکه درون چرخ لنگر قرار گرفته است. Cصفحه کلاچ و D صفحه فشارنده است.سيم پيچ B نيز بوسيله جريان باتري تغذيه مي شود. وقتي که سيم پيچ تغذيه مي شود، صفحه فشارنده را به طرف خود جذب مي کند و بدين ترتيب کلاچ درگير مي شود. عمل خلاصي کلاچ جهت تعويض دنده نيز توسط سوييچي که در کنار دسته دنده جاي دارد، صورت مي گيرد؛ بدين ترتيب که راننده با قطع آن مي تواند جريان ورودي به سيم پيچ را قطع و صفحه کلاچ را از فلايويل جدا کند تا عمل تعويض دنده صورت پذيرد.

شکل1-17 کلاچ با عملگر مغناطيسي

اين نوع عملگرها از لحاظ مکانيزمي به مراتب سيستم ساده تري دارند. براي راننده نيز استفاده از آن بسيار ساده تر است چرا که ديگر به پدال نيازي ندارد. يکي ديگر از مهمترين مزاياي اين نوع از عملگرها استفاده از آنها در اتومبيلهايي است که فاصله کابين راننده از کلاچ زياد است. از مهمترين معايب آنها نيز مشکل توليد حرارت زياد در سيم پيچ است که در نتيجه انتقال چنين حجمي از حرارت مشکل خواهد بود. از طرفي علاوه بر هزينه سيم پيچ، بعلت نوع خاص اين نوع کلاچها بايد تغييراتي روي فلايويل آنها ايجاد شود که خود مستلزم هزينه بالاتري مي شود.

عملگر هيدروليکي

اين نوع از عملگرها هنگامي بکار مي روند که کلاچ در جايي نصب شده باشد که رساندن ميله يا سيم به آن دشوار باشد و يا هنگاميکه استفاده از عملگرهاي مکانيکي نتواند نيروي لازم براي جابجايي صفحه کلاچ را فراهم آورد مانند سيستم کلاچ اتومبيلهاي پرقدرت. زيرا در اين حالت فنرهاي مجموعه صفحه فشارنده بسيار قوي هستند و فشار دادن پدال کلاچ مستلزم وارد آوردن نيروي زياد است.

شکل1-18 عملگر هيدروليکي مورد استفاده در کلاچ

در اين نوع عملگر هنگاميکه راننده پدال را فشار مي دهد، در نتيجه اين کار پمپ هيدروليک مخصوصي که پشت پدال قرار دارد عمل مي کند و در نتيجه سيال تحت فشار از اين پمپ و از طريق يک لوله وارد پمپي که پشت صفحه فشارنده قرار دارد مي شود. اين پمپ فشار هيدروليکي را به حرکت مکانيکي تبديل مي کند. (شکل1-18) اين سيستم را مي توان بگونه اي طراحي نمود که با وارد شدن نيروي کمي به پدال کلاچ نيروي زيادي به صفحه فشارنده وارد شود، اين امر با استفاده از پيستون کوچکي در داخل پمپ پشت پدال و به نسبت استفاده از پيستون بزرگتر در پمپ دوم مي تواند صورت گيرد.

اين نوع کلاچها تلفات اصطکاکي پدالهاي مکانيکي را ندارند و براي استفاده در خودروهايي که فاصله زيادي بين کابين راننده و کلاچ دارند مناسب مي باشد. بزرگترين مزيت آن نيز همانطور که گفته شد امکان ايجاد نيروهاي بزرگتر مي باشد.

عملگر الکترونيکي

اين نوع عملگر در واقع عملگر هيدروليکي است که به شيوه الکترونيکي کنترل مي شود. اين نوع کلاچ به پدال نياز ندارد. حسگرها اطلاعات لازم درباره دريچه گاز ، موتور ، کلاچ و جعبه دنده را به يک مدول کنترل الکترونيکي مي فرستند. وقتي راننده دنده را جابجا مي کند، مدول کنترل الکترونيکي به دستکاه محرک هيدروليکي سيگنال مي فرستد. اين دستگاه فشار سيال را در سيلندر هيدروليکي کنترل مي کند تا کلاچ را درگير يا خلاص کند. کلاچ به سرعت خلاص مي شود و در حالت خلاص مي ماند تا راننده دسته دنده را رها کند. (شکل1-19)

کلاچ خودکار انواع ديگري هم دارد. همه اين کلاچها هنگامي خلاص مي شوندکه واحد کنترل سيگنال مقتضي را به يک کارانداز برقي، هيدروليکي، بادي يا خلاء بفرستد.

شکل1-19 طرح کلاچ الکترونيکي در خودرو

عملگر نيوماتيک ( خلاء )

در نوع از عملگرها قسمتي از خلاء موجود در منيفولد موتور براي عمل کلاچ در نظر گرفته مي شود. در اين سيستم همانطور که مشاهده مي شود يک منبع توسط يک شير يکطرفه به منيفولد ورودي متصل است و از طرفي ديگر توسط يک عملگر سلنوئيدي به يک سيلندر خلاء وصل مي شود. خود سلنوئيد نيز از طريق يک مدار الکتريکي و باتري تغذيه مي شود. سيلندر خلاء شامل يک پيستون است که از يکطرف در معرض فشار اتمسفر قرار دارد. اين پيستون توسط ميله اي رابط به کلاچ متصل است و جابجايي پيستون سبب عمل کردن کلاچ مي گردد. در حالت اختناق خلاء کافي در منيفولد ورودي موتور وجود دارد. وقتي شير اختناق بازتر مي شود، فشار منيفولد افزايش مي يابد اما اين افزايش فشار خود به افزايش فشار شير يکطرفه در حالت بسته بستگي دارد. بنابراين هميشه مقداري خلاء وجود دارد.

در حالتي که سوئيچ باز باشد، شير سلنوئيدي در پايين ترين حالت خود قرار مي گيرد که در اين حالت در هر دو طرف پيستون درون سيلندر، خلاء وجود دارد. هنگامي که راننده قصد تعويض دنده را داشته باشد، با فشردن عملگري در کابين خود در واقع سوئيچ اين مدار الکتريکي را مي بندد. بسته شدن سوئيچ سبب عمل کردن سلنوئيد و بالا آمدن شير سلنوئيدي مي شود و در واقع

فضاي پشت پيستون در سيلندر خلاء به فضاي منبع متصل مي شود و در اين حالت چون فشار پشت پيستون يکسان نيست، پيستون جابجا شده و کلاچ از فلايويل جدا مي شود. (شکل1-20)