Сцепить-расцепить

Трансмиссия. Часть 2. Сцепление и квикшифтер

На любом мотоцикле должна быть возможность отключения привода коленвала от заднего колеса, для того чтобы двигатель мог работать, когда байк неподвижен. Несмотря на это очевидное утверждение, представьте себе, такая возможность существовала не всегда.

На многих ранних мотоциклах использовался непосредственный привод при помощи ремня и шкивов на коленвале и заднем колесе, которые невозможно было разъединять. Такой привод действительно работал, однако при его эксплуатации вылезали некоторые проблемы. Например, чтобы остановиться на перекрестке, нужно было глушить двигатель. А завести байк в таком случае можно было только с «толкача», что явно не является наилучшим вариантом старта.

Механизм  сцепления был придуман, чтобы  обеспечить разъединение работающего  двигателя от привода заднего колеса. Вторая функция, не менее важная, - возможность выбора передаточных отношений на машинах, которые оснащены коробкой передач. Посмотрим, как этот механизм работает.

Принцип сцепления

Работа  сцепления основана на трении. В  наиболее простом виде сцепление  состоит из двух дисков, один из которых  располагается на цапфе коленчатого  вала, а второй связан через какой-нибудь механизм привода (цепь, ремень, шестерни) с задним колесом и прижат к первому диску. Если между дисками есть небольшой зазор – двигатель работает, в то время как второй диск остается неподвижным. Если соединить диски между собой, то вращение коленчатого вала за счет трения будет передаваться второму диску, а поскольку он связан с задним колесом, то оно тоже будет вращаться. Так что подвод мощности от двигателя на колесо может при необходимости включаться или выключаться.

На  подавляющем большинстве современных  серийных байков используется сцепление с ручным управлением от рычага, расположенного на руле. Исключение – скутеры, на которых используется автоматическое центробежное сцепление, режим работы которого зависит от оборотов двигателя. В нашей статье речь пойдет именно о сцеплении, которое используется на мотоциклах (к сожалению, формат статьи не позволяет нам вдоволь посмеяться над забавными историями о скутеристах, пересевших на мотоциклы, и пытающихся «тормозить» сцеплением).

Как устроено сцепление

Все сцепление в сборе устанавливается на первичный вал коробки передач (об устройстве данного девайса читайте в нашей статье). Корпус или наружный барабан сцепления устанавливается на подшипнике и может вращаться свободно и независимо от вала. Наружный барабан сцепления непосредственно связан через переднюю передачу с коленвалом (хотя есть и такие конструкции, в которых сцепление установлено непосредственно на цапфе коленвала; такая схема распространена на мотоциклах производства BMW и Moto Guzzi), так что при вращении коленвала он тоже вращается. Центральная часть сцепления, или внутренний барабан (ступица), обладает меньшими размерами и располагается внутри наружного барабана. Она устанавливается на первичном валу коробки передач и фиксируется на нем от проворота шлицами, так что при вращении внутреннего барабана первичный вал тоже вращается.

Разрез многодискового сцепления в масляной ванне, Yamaha R6 2008

Диски сцепления располагаются в промежутке между наружным и внутренним барабанами. Используется два типа дисков: гладкие и фрикционные. Они располагаются поочередно, а точное число дисков зависит от типа сцепления и машины, на которой оно применяется. На внешней окружности фрикционных дисков находятся прямоугольные шлицы, которые устанавливаются в пазы наружного барабана сцепления. На внутренней окружности гладких дисков нарезаны зубья, которые устанавливаются в пазы внутреннего барабана сцепления.

В обычном положении (когда байк находится  в движении) фрикционные и гладкие  диски удерживаются в непосредственном контакте с помощью пружин, воздействующих на пластину, которая называется нажимным диском. При вращении коленвала и наружного барабана сцепления из-за трения, возникающего между пластинами, внутренний барабан сцепления, а следовательно, и первичный вал коробки передач тоже вращаются.

Когда райдер выжимает рычаг сцепления  трос или гидравлический механизм, противодействуя усилию пружин, отжимает нажимной диск от пакета гладких и фрикционных дисков, в результате чего диски перестают соприкасаться. Из-за прекращения непосредственного контакта между дисками, трение уменьшается, позволяя наружному барабану свободно вращаться относительно внутреннего барабана. По мере того, как райдер отпускает рычаг сцепления, диски снова прижимаются друг к другу, и постепенно вращение наружного барабана сцепления за счет трения начинает передаваться внутреннему барабану, таким образом осуществляя постепенную передачу крутящего момента к коробке передач и дальше - к заднему колесу; благодаря этому исключается возможность остановки или рывков (конечно, если все делать правильно и отпускать сцепление плавно).

Способность передачи крутящего момента сцеплением зависит от множества факторов: числа  и диаметра дисков, усилия пружин, сжимающих  их, и коэффициента трения между дисками. При прочих равных условиях, на небольших машинах необходимо меньшее количество дисков, чем на больших и мощных аппаратах. Аналогично, если крутящий момент одинаков, то при увеличении диаметра дисков их количество можно уменьшить. На фрикционные диски (кто бы мог подумать?) нанесен фрикционный материал, а гладкие диски изготавливаются из стали.

Компоненты сцепления Honda CBR1000RR 2007

Дела  конструкторские

При выборе типа сцепления, которое нужно  установить на конкретный мотоцикл, на решение конструктора влияет несколько определяющих факторов. Сначала давайте разберемся с количеством дисков.

В сцеплении многодискового типа применяется  более одного комплекта гладкого и фрикционного дисков, обычно используется семь или восемь, а иногда и девять фрикционных дисков. Гладких дисков всегда на один меньше по сравнению с фрикционными, поскольку пакет дисков всегда с двух сторон ограничивается фрикционными дисками.

На  большинстве моноблочных двигателей (то есть таких, в которых все узлы трансмиссии выполнены в пределах картера двигателя) с поперечным расположением коленвала в раме, используется многодисковое сцепление. Причина этого – небольшой диаметр сцепления. Многодисковое сцепление также намного легче однодискового, хоть и обладает большей поверхностью трения и прочностью.

Одно- или двухдисковые муфты сцепления  применяются на мотоциклах с продольным расположением коленвала в раме (например, байки Moto Guzzi с V-твином, цилиндры которого расположены поперек рамы). Сцепление закрепляется на задней цапфе коленвала и снабжено отдельным корпусом между двигателем и коробкой передач. Из-за такого расположения сцеплению не требуется компактность, а при большом диаметре необходим только один или два диска.

Следующий вопрос, который решают конструкторы – использовать сухое сцепление или работающее в масляной ванне.

Сухое сцепление Ducati 749 выставлено напоказ (в стоке, конечно же, прикрыто крышкой)

Может показаться странным, что механизм, принцип которого основан на трении, работает в масле; но для этого есть несколько важных причин. Масло выполняет функции отвода тепла, чтобы сцепление не подгорало. Кроме того, оно служит смазочным материалом для втулок или подшипников, на которых вращается наружный барабан сцепления, а также облегчает перемещение шлицов и зубьев дисков. Дополнительный «бонус» сцепления в масляной ванне – для обеспечения смазывания передней передачи не нужно герметизировать сцепление в отдельной камере.

Против  физики не пойдешь – естественно, что трение, обеспечиваемое между дисками сцепления, работающего в масляной ванне, ниже трения между дисками сухого сцепления. Поэтому необходимы диски большого диаметра или их большее количество (а может быть, и то, и другое), что приводит к увеличению габаритов.

Suzuki RGV250, оснащенный сухим сцеплением

Вот почему сухое сцепление в основном используется на спортивных мотоциклах. Большая эффективность и малый вес (не нужно лить масло) – неотъемлемая часть сухого сцепления. Впрочем так же, как и малый ресурс. Большинство гоночных аппаратов оснащаются сухим сцеплением, так же как и практически все гражданские спортбайки Ducati (кроме 848, но для него есть отдельный заводской «сухой комплект»). Японские производители в основном используют сцепление в масляной ванне. С практической точки зрения, «мокрое» сцепление выглядит предпочтительней – гораздо больший ресурс и меньшая склонность к перегреву. С другой стороны, если цель – максимальный результат в гонке, тогда выбор будет в пользу сцепления сухого типа.

Ничего тут не сломалось, этот стрекот – звук исправного сухого сцепления Ducati

Еще один момент, с которым  должен определиться конструктор  – каким образом будет передаваться усилие от рычага на механизм привода сцепления. Чаще всего для этой цели выбирается трос, иначе – механический привод сцепления. Тросы подвержены вытягиванию и износу, их нужно регулировать и смазывать, но они просты в обслуживании и ремонте. Устроен механический привод просто – трос воздействует на сцепление посредством механизма привода, расположенного внутри крышки сцепления или с противоположной стороны картера, при этом механизм воздействует на длинный толкатель, проходящий через первичный вал коробки передач.

Гидравлический  механизм привода сцепления применяется в основном на машинах большого объема. Он стоит намного больше и требует тщательного обслуживания, однако недостатки с лихвой перекрываются плавностью и легкостью его действия.

Гидравлический  привод работает по такому же принципу, что и передняя тормозная система (о тормозных системах мы тоже в свое время поговорим): когда рычаг давит на плунжер главного цилиндра, он воздействует на жидкость гидросистемы и нагнетает ее в шланг. Затем жидкость выдвигает поршень рабочего цилиндра, который воздействует на толкатель, расположенный внутри первичного вала.

За  исключением регулярного контроля уровня жидкости гидросистему практически  не надо обслуживать, хотя для обеспечения ее работоспособности необходимо периодически заменять жидкость и уплотнения. Также конструкция любой гидросистемы подразумевает, что жидкость склонна к поглощению воды и насыщению воздухом (словом, обслуживание гидропривода сцепления по тщательности схоже с обслуживанием тормозной системы). Разобравшись с этим, давайте перейдем к более современным и высокотехнологичным штучкам.

Думаю, читая обзоры современных мотоциклов, вы неоднократно встречали словосочетание «проскальзывающее сцепление». Как правило, наличие оного на тестируемом мотоцикле приводит испытателя в восторг, о чем он тут же и сообщает. Однако никто толком не объясняет, как эта штука работает. Вот с этого и начнем.

Скользкий тип

Проскальзывающий  механизм в сцеплении (далее для  простоты – ПС) – это разработка, ориентированная на высокопроизводительные мотоциклы. Главной целью для ПС является ограничение обратного крутящего момента, проявляющегося при торможении двигателем с высокой скорости или при переходе на низшие передачи.

Впервые ПС было применено на дрег-байке 70-х годов под именем Hogslayer – нетривиальное для того времени сцепление позволяло «Свинобою» разгоняться до 290 км\ч, не буксуя и не перегреваясь (кроме того, такой максималке способствовали два 880-кубовых впрысковых мотора от Norton, но это уже совсем другой рассказ…).

Среди современных серийных мотоциклов проскальзывающее сцепление тоже нашло свое место – главным образом, им оснащаются спортбайки, а также заряженные заводские стриты.

Проскальзывающее сцепление для Ducati 999 от FBF

Теперь подробнее о том, зачем вообще ПС применяется. При открытии газа привод заднего колеса осуществляется через сцепление. Когда газ закрывается, а байк продолжает двигаться со скоростью, превышающей заданный предел, соответствующий текущему открытию дросселя, заднее колесо по-прежнему прокручивает вал двигателя через сцепление; но, поскольку двигатель оказывает большое сопротивление (в связи со сжатием, особенно на высоких оборотах и низших передачах), можно достичь точки, при которой сопротивление, или обратный крутящий момент двигателя, превысит коэффициент сцепления задней шины. Результат этого – заблокированное заднее колесо. Особенно вероятен такой исход в дождевых условиях, т.к. в дождь коэффициент сцепления шины с дорогой сильно снижается, а происходящее при резком торможении перераспределение веса снижает нагрузку на заднюю ось. ПС устанавливают для того, чтобы исключить возможность блокировки колес за счет проскальзывания сцепления при изменении направления передачи крутящего момента. Однако ПС не выключает сцепление полностью, и эффект торможения двигателем сохраняется.

Разные  производители подходят к конструкции  ПС по-разному, но чаще всего проскальзывание  обеспечивается следующим механизмом: внутренний барабан сцепления располагается  на ряде храповых упоров с наклонной  поверхностью. Когда направление передачи крутящего момента изменяется, внутренний барабан сцепления смещается на храповых упорах, тем самым отводя нажимной диск и ослабляя давление на диски. Такой подход серийно впервые был опробован на Kawasaki ZXR 750.

Проскальзывающее сцепление Kawasaki ZX-6R 2007 - в стандартной комплектации

Инженеры  из Aprilia при проектировании сцепления RSV Mille пошли по более сложному и технологичному пути. Для перемещения внутреннего барабана сцепления используется сервомотор, которым управляет вакуум, подведенный от впускного коллектора двигателя. При закрытии дросселя увеличившееся разрежение в коллекторе создает вакуум в воздушном трубопроводе сервомотора, который сдвигает внутренний барабан сцепления и ослабляет давление на диски. Такой подход больше не используется нигде, кроме RSV, производители отдают предпочтение более простому варианту, опробованному на ZXR 750 (каждая компания старается привнести в конструкцию ПС что-то свое, однако общий принцип остается очень похожим на вариант от Kawasaki). Как ни крути, несмотря на свою простоту, проскальзывающий механизм в сцеплении – штука очень и очень полезная. Если же ваш мотоцикл не оснащен ПС – не отчаивайтесь, вполне вероятно, что тюнинговый комплект для него существует в природе, нужно только поискать.

Квикшифтер

Наконец-то мы добрались до долгожданной темы – системы Translogic quickshifter systems, она же - BMW Quickshifter. Вопреки сенсационным заявлениям немецкой компании о новой супертехнологии, подобные системы «быстрого переключения скоростей без отжима сцепления райдером», производимые некоторыми тюнинг-фирмами, наиболее известны из которых - Translogic и Dynojet, уже давно применяются участниками чемпионатов World Superbike, Supermoto/MX и даже в картингах. Просто BMW стала первой компанией, решившей устанавливать эту систему в некоторые серийные байки.

Преимущество механизма заложено в самом его названии: “quick” – «быстрый», “shift” – «сдвиг, смещение, переключение». То есть “quickshifter” буквально переводится как «быстрый переключатель». Насколько быстро переключаются скорости, спросите вы. Ответ можно найти в примере, что приведен на официальной странице Translogic. «У самого профессионального мотогонщика на переключение передачи уходит не менее 340 миллисекунд, в то время как для систем от Translogic на это требуется от 48 до 150 миллисекунд». Впечатляет, не правда ли? Еще одна технология, спустившаяся с Олимпа большого мотоспорта и ставшая доступной для «простых смертных» мотоциклистов.

Кит-комплект QuickShifter компании DynoJet

А теперь давайте разберемся с устройством  «быстроклаца». Ключевые элементы всего  механизма: датчик давления (следит за давлением на лапку переключения передач; попросту говоря, определяет, нажимает райдер на нее или нет) и тяга квикшифтера (если не подходит стандартная). Некоторые производители (например, Dynojet) предлагают еще и кнопку включения\отключения квикшифтера, которую можно установить на руле. Сенсор подключается к внешнему модулю контроля зажигания (например, Power Commander). Когда райдер оказывает давление на лапку переключения передач, сенсор отправляет сигнал в модуль контроля зажигания, после чего тот отдает ECU команду временно отключить зажигание (на несколько десятков миллисекунд). Когда двигатель отключен, происходит переключение - без сброса газа и выжима сцепления. В случае с мотоциклами BMW, блок управления зажиганием покупать не нужно – квикшифтер подключен к родным «мозгам», ничего регулировать и устанавливать не нужно. Обычно квикшифтер ставят, когда хотят улучшить разгонную динамику аппарата, но ничего не мешает таким же образом переключаться вниз, при торможении.

*****

Надеюсь, с прочтением этой статьи вы еще немного продвинулись в понимании того, что  представляет из себя мотоцикл. Однако множество железных вопросов еще не раскрыто, так что оставайтесь с нами, впереди много интересных тем для обсуждения!