Диафрагменная пружина сцепления: история изобретения и преимущества перед рычажной корзиной
В корзине сухого однодискового сцепления любого современного автомобиля — от малолитражной Lada Vesta до тягача Scania — стоит пружина из закалённой пружинной стали с двенадцатью-восемнадцатью радиальными лепестками, вырезанными от центра к кромке. Эта деталь одновременно выполняет две функции: даёт постоянное усилие прижима нажимного диска к маховику и служит рычагом выжима, через который педаль сцепления управляет разъединением потока крутящего момента. Это диафрагменная (тарельчатая) пружина, ставшая с начала 1970-х годов техническим стандартом для практически всех легковых, лёгких коммерческих и большинства грузовых автомобилей мира.
Немного истории: от патента Бельвиля до серийных корзин GM и Opel
Диафрагменную пружину изобрели в 1867 году: французский инженер Жюльен Франсуа Бельвиль в Дюнкерке получил патент № 52399 на коническую тарельчатую пружину, способную запасать большую упругую энергию в малом осевом габарите. Эта же деталь во всём англо-саксонском мире до сих пор называется «пружиной Бельвиля» или «Belleville washer».
Практическое применение конической тарельчатой пружины в автомобильном сцеплении разработали инженеры научно-исследовательского центра General Motors в 1936 году, а серийное производство в США уже началось в конце того же десятилетия. В Европе первенство принадлежит немецким моделям середины 1950-х — Porsche 356 и BMW 700 получили диафрагменное сцепление одними из первых, а массовое европейское серийное производство запустил Opel Rekord в 1965 году на заводе LuK — компании, которая в том же году стала первым в Европе поставщиком диафрагменного сцепления на конвейер. Toyota поставила диафрагменную корзину на Corolla в 1966 году. Volkswagen долго держался за традиционную конструкцию: Beetle перешёл с шести-девяти цилиндрических пружин на диафрагменную только в 1971 году, на модификации 1600.
Рычажная (кулачковая) корзина: шесть врождённых недостатков
До этого перехода корзина сцепления любого автомобиля была устроена принципиально иначе. По периметру нажимного диска шли шесть, восемь или девять цилиндрических (винтовых) пружин, а между ними — три или четыре механических рычага, шарнирно соединённых с кожухом и нажимным диском. Такие корзины называли рычажными, или кулачковыми. Пружины создавали прижимное усилие, рычаги передавали движение выжимного подшипника на нажимной диск. Схема работала, но имела шесть врождённых недостатков, каждый из которых напрямую следовал из её механики.
Первое — усилие на педали росло линейно с ходом выжима, доходя на пределе износа фрикционной накладки до 25–35 кг у легковой машины и 50–70 кг у грузовика, что делало городскую езду физически тяжёлой.
Второе — при высоких оборотах коленчатого вала винтовые пружины отклонялись центробежной силой в сторону от оси, теряя часть прижима именно в тот момент, когда мощность двигателя максимальна: это и было причиной проскальзывания сцепления на разгоне у спортивных машин с моторами свыше 6000 об/мин.
Третье — точная синхронизация усилия шести-девяти отдельных пружин требовала дискретизации по группам жёсткости на заводе и приводила к дисбалансу корзины при неравномерном износе одной из пружин. А в течение эксплуатации она требовала периодической синхронной настройки — что, согласитесь, очень неудобно.
Четвёртое — большое количество деталей: у корзины ГАЗ-53 их было целых 23, включая пружины, рычаги, оси, шарниры и стопорные шайбы, что означало высокую трудоёмкость сборки и множество мест износа.
Пятое — осевой габарит корзины с винтовыми пружинами был на 25–40 мм больше диафрагменной той же передаваемой мощности, что «съедало» полезное пространство в моторном отсеке переднеприводных компоновок.
Шестое — по мере износа фрикционной накладки прижимное усилие падало почти линейно, тогда как у диафрагменной пружины оно, наоборот, остаётся близким к постоянному на всём ресурсе диска.
Как диафрагменная пружина решила все шесть проблем
Диафрагменная пружина решила все шесть проблем одной деталью. Конический профиль при осевом сжатии даёт нелинейную характеристику усилие/ход: сначала оно растёт, достигает максимума в средней части хода, а затем немного падает — именно в той зоне, где находится точка выжима. Это значит, что усилие на педали в момент разъединения не растёт, а даже слегка снижается, и водитель нажимает педаль с усилием 8–12 кг вместо 25–35 кг.
Отсутствие отдельных пружин и рычагов исключает разбалансировку на высоких оборотах, а масса такой пружины на порядок меньше суммы масс винтовых. Радиальные лепестки, вырезанные во внутренней части тарелки, работают одновременно как рычаги выжима — они и есть точки контакта с выжимным подшипником. Количество деталей корзины сокращается с 23 до пяти-семи: кожух, диафрагменная пружина, нажимной диск, три тангенциальные упругие пластины и заклёпки. Высота корзины уменьшается на 40 мм.
Итоги: корзины сцепления Starco с диафрагменной пружиной
Диафрагменная пружина современной корзины сцепления объединила функцию упругого элемента, рычага и осевой опоры в одной штампованной детали, тем самым устранив пятьдесят лет накопленных конструктивных компромиссов винтовой схемы. Компания STARCO производит корзины сцепления только с диафрагменными пружинами высочайшего качества, как прямого, так и обратного типа выжима.
Высокотехнологичная закалка — как самих пружин, так и, дополнительно, токами высокой частоты — лепестков в зоне контакта с выжимным подшипником обеспечивает ресурс до 3 млн нажатий без деградации упругих свойств. Это сохраняет стабильное усилие прижима, лёгкий ход педали и комфорт для водителя. А подробнее о различиях корзин прямого и обратного типа выжима мы поговорим в следующей статье.