Як працює двомасовий маховик
Виробникам агрегатів для сучасних автомобілів постійно суперечать одне одному завдання. З одного боку, автовиробники хочуть більше потужності та динамічності, з іншого – економії палива та зниження викидів. Саме через те, що конструкція механізмів повинна відповідати вимогам, одночасно з'явилися двомасові маховики. Вони застосовуються на дедалі більшій кількості нових автомобілів. Але при цьому на СТО інформації про необхідність їх заміни та її інтервали, а також принципи діагностики маховиків нової конструкції практично немає.
Автомобільна промисловість Західної Європи 1996 р. випускала лише 10% легкових автомобілів з МКПП, обладнаних ДММ. У 2011 р. вже близько 70% усіх випущених європейських легкових автомобілів з ручною коробкою мали ДММ. Але тільки зараз ці автомобілі починають у значній кількості надходити в обслуговування на незалежних СТО України. Відповідно, і рівень технічної підкованості фахівців у цій сфері дуже невисокий. Тому ZF Aftermarket приділяє велику увагу просвітницькій роботі у цій галузі.
Взагалі, коло компаній, які виготовляють подібні деталі з чистого листа в Європі та світі, дуже обмежене. Автовиробник надає їм двигун та КПП нової моделі для розробок деталей зчеплення. Оскільки ZF і належить до таких фахівців, думка інженерів компанії у цій сфері особливо цінна, адже на заводах SACHS виготовляють зчеплення з 1929 року. Всі розробки та випробування зчеплень для всього світу сконцентровані в дослідному центрі Швайнфурта, де близько 900 техніків тестують нові деталі на 150 стендах. Частина їхнього досвіду, необхідна для роботи звичайного автосервісу, представлена ??в цьому матеріалі. Він складається з двох основних розділів: теоретична частина та практика ремонту.
ДММ – пристрій та принцип роботи
Абревіатури ДММ (двомасовий маховик), ZMS (Zweimassenschwungrad) і DMF (dual mass flywheel) позначають трьома мовами один і той же виріб – маховик з двома рухомими один відносно одного корпусами зі сталі на одній осі. Усередині одного з корпусів знаходиться серце механізму - механізм, що демпфує, і підшипник.
Навіщо потрібно було винаходити і застосовувати в автомобілях ДММ? Фахівцям відомо, що навіть на режимах роботи мотора, що встановилися, протягом кожного обороту кутова швидкість обертання його валу просто не може залишатися постійною в силу особливостей конструкції поршневих ДВС. Кутова швидкість обертання валу двигуна непостійна і періодично змінюється внаслідок нерівномірності моменту, що крутить, обумовленої періодичністю робочого процесу в циліндрах і кінематичними властивостями кривошипно-шатунного механізму.
Нерівномірність моменту, що крутить, накладається на постійний середній момент опору обертанню валу, створюваний постійним навантаженням. Щоб це компенсувати, колінчастий вал двигуна проектується так, щоб номінальна напруга при згині залишалася на рівні близько 20%, а при крученні - близько 15% від того, що може витримати вал. Здавалося б, навіщо такий запас міцності, адже це зайві маса та габарити? Але справа в тому, що через нерівномірність діючого при постійному навантаженні моменту, що крутить, в пружному колінчастому валу виникають власні крутильні коливання. І за певних умов ці крутильні коливання можуть не тільки порушити умови для оптимальної роботи двигуна, але навіть більше – завдати шкоди аж до руйнування мотора з усіма негативними наслідками, що звідси випливають.
«Певні умови» – це, передусім, умови виникнення резонансних явищ. Резонанс характеризується тим, що з його появі різко зростає амплітуда вимушених коливань, зумовлених збігом частоти зовнішнього впливу та частоти власних коливань коленвала. Поширений приклад небезпеки резонансу – випадок із обваленням розрахованого на багатотонні вантажівки мосту через те, що ним пройшла в ногу рота солдатів.
Неважко уявити, що загрожує двигуну автомобіля, якщо аналогічний за принципом дії процес виникне і в ньому. Якщо вплив тактів згоряння, разом із силами кінематики кривошипно-шатунного механізму, збігається з коливаннями, зумовленими пружністю валу, то резонанс, що виник в результаті, зламає вал як сірник. При цьому для забезпечення задовільної роботи двигуна в широкому діапазоні обертів необхідне застосування маховика.
Маховик служить зниження значень оборотів холостого ходу і початку руху – що більше його момент інерції, то нижче обороти. Але з іншого боку, чим маховик більший і важчий, тим більші крутильні коливання і вища небезпека резонансу. Тому, крім конструктивних прийомів (полегшення деталей поршневої групи та коленвала) з метою усунення можливого резонансу конструктори почали застосовувати спеціальні пристрої – демпфери крутильних коливань. Пристрої різняться залежно від типу двигунів, але принцип роботи залишається незмінним – демпфери дозволяють перетворювати крутильні коливання на теплову енергію.
Одна частина демпфера з'єднується з валом жорстко, тоді як друга частина з'єднується з першою через пружний елемент. При нерівномірному кутовому русі валу частини демпфера рухаються з різною кутовою швидкістю, внаслідок чого відбувається робота над пружним елементом, що перетворюється на теплоту. Переважно демпфери встановлюються на носок валу двигуна, де крутильні коливання досягають найбільших значень. При цьому вони часто поєднують ще й функцію приводу допоміжного обладнання.
Довгий час таке рішення залишалося задовільним, проте останніми роками ситуація змінилася. По-перше, поперечне розташування мотора в підкапотному просторі автомобіля потребує максимальної компактності. Але основна причина розробки альтернативи демпферам - підвищення моменту двигуна, що крутить, при його роботі в нижньому діапазоні оборотів. Нерівномірність більш високого моменту, що крутить, при зростанні постійного середнього навантаження - ці умови сприяють посиленню крутильних коливань валу. Відповідно, зростає ризик резонансу.
Ще один момент - для передачі збільшеного моменту треба посилювати зчеплення, бажано без збільшення габаритів. Тобто – за рахунок збільшення потужності діафрагмової пружини «кошика» зчеплення та застосування нових матеріалів фрикційних накладок. Однак при цьому зростає жорсткість включення зчеплення. Потужна пружина різкіше навантажує агрегати, двигун і КПП, отже небезпека резонансних коливань, раніше загрожувала передусім моторам, тепер у повною мірою поширюється і вали КПП. На додаток знижується комфорт керування зчепленням. Таким чином, необхідність демпфування стає актуальною для трансмісії.
Наростаючий ком цих проблем і привів конструкторів до необхідності шукати заміну демпферам крутильних коливань. Фахівці компанії ZF запропонували оригінальне рішення – передати функції демпфуючого пристрою безпосередньо маховику, який, у зв'язку з цим, втратив свій звичний вигляд і був замінений на нову, двомасову конструкцію.
Механізм ДММ складається з двох масивних деталей – первинної та вторинної. Перша стандартним чином з'єднується з колінчастим валом двигуна. На ній розташований зубчастий вінець, що взаємодіє зі стартером під час запуску двигуна. Через зубчасте кільце з упорами, укомплектоване набором шестерень та пружин, ця деталь двомасового маховика з'єднується з вторинною частиною, яка виконує роль провідного диска зчеплення.
Складові двомасового маховика з'єднані один з одним за допомогою підшипників (у випадку Sachs це завжди підшипник ковзання). Всі комплектуючі розташовуються в густому масляному середовищі, часто з в'язкістю, що збільшується при нагріванні. Внутрішня порожнина маховика щільно заповнена консистентним мастилом, що пом'якшує роботу вузла в цілому. Якщо в класичному зчепленні було 6-8, розміщених по радіусу до 60 міліметрів від осі зчеплення, то кількість пружин, що поглинають енергію взаємного зміщення частин у сучасних ДММ, досягає 54, а радіус їх посадки становить від 120 міліметрів. Більш того, усередині кожної такої пружини може бути ще одна або дві, для підвищення ефективності.
Для збільшення кута пружного скручування корпусів відносно один одного в ДММ існує кілька ступенів стиснення пружин. Блоки пружин розділені сепараторами на центральний та крайній. Крайній блок пружин жорсткіший. При роботі двигуна в стандартних умовах маси двомасового маховика зміщуються на деякий кут один одного, стискаючи при цьому центральний блок пружин. Але при більш високих навантаженнях в роботу вступає жорсткіший крайній бік пружин, компенсуючи збільшений кут повороту мас маховика відносно один одного. Такий режим роботи відповідає роботі двигуна в режимах різкого старту або гальмування двигуном. Сучасні ДММ виробляються з двома та трьома ступенями стиснення – для кращого захисту трансмісії від пікових навантажень.
Завдяки такій конструкції двомасовий маховик Sachs виробництва ZF може імітувати роботу свого більш масивного одномасового аналога в ідеальному режимі за умови, що резонансні явища в ДВС не виникають. Понад те, поділ маховика на дві маси дозволило вирішити завдання виключення резонансних коливань ще й у трансмісії. В результаті надійність і довговічність КПП зростає, хоча потужність, що передається ними, збільшується. Зростає і комфорт – небажані вібрації та непередбачений шум від роботи агрегатів практично не виникають.
Ресурс та заміна ДММ
Ресурс деталей зчеплення становить близько 180-200 тис. км, тобто розрахований із деяким запасом однією термін служби зчеплення. Тому ідеальним є заміна ДММ разом із заміною зчеплення. Якщо проігнорувати ці регламентні рекомендації, існує велика ймовірність того, що поломка ДММ станеться незабаром після ремонту зчеплення. Тому механік повинен зрозуміло пояснювати клієнту можливі наслідки встановлення нового зчеплення зі старим ДММ.
Ще одна спокуса, якій не варто піддаватися – заміна на зчеплення з покращеними властивостями демпфування у поєднанні класичним маховиком. Таких пропозицій на ринку чимало, і рішення, на перший погляд, може працювати. Тобто відразу після пуску трансмісія не розвалиться. Тим не менш, альтернативні системи не в змозі справлятися з такими ж великими піковими значеннями моментів, що крутять, і найсильнішими резонансними коливаннями сучасних автомобілів, на які розрахований ДММ. Тому при встановленні маховика класичного типу страждає комфорт при перемиканні передач, торканні з місця, розгоні, гальмуванні двигуном та зупинці, а всю віддачу приймає на себе КПП, передчасно виходячи з ладу. Заміна одного вузла на інший не може бути здійснена без негативних наслідків для надійності, довговічності та комфорту автомобіля загалом.
Діагностика ДММ
Є забобон, що автомобілі з встановленим ДММ є хронічно проблемними. Проте технології виробництва ДММ Sachs настільки досконалі, що, як запевняє технічний фахівець ZF Aftermarket Вальдемар Шульц, за всю історію випуску шлюбу продукції не зустрічалося взагалі. Хоча рекламації на продукцію іноді і надходять, але після проведення досліджень фахівці ZF Aftermarket приходять до висновку, що проблема не в маховику.
Але насправді сучасні двигуни та ДММ працюють у жорсткій спайці та взаємно впливають один на одного, і дуже чутливі до справної роботи паливної апаратури та самого палива. Всі несправності ДММ відбуваються внаслідок наростання вібрацій в області двигуна за його нерівномірної роботи. Завдяки ефективному гасенню резонансних коливань сучасних маховиків ZMS нестабільна робота двигуна може бути непомітною. При цьому основний удар від подібного навантаження приймає на себе саме ДММ і тому зношується передчасно.
Причини, що лежать в корені нерівномірної роботи двигуна, поділяються на механічні та електричні проблеми. Відсутність діагностики, ігнорування можливих проблем і як наслідок – їхній непомітний розвиток призводить до посилення проблем. У зв'язку з цим діагностика роботи двигуна та паливної системи рекомендується при кожній заміні зчеплення.
Механізми сучасного маховика укладені всередині нерозбірного корпусу, тому необхідно знати непрямі ознаки та прояви зносу ДММ, за якими можна визначити, чи ДММ може продовжувати роботу чи вже виходить з ладу. Якщо є підозра щодо ДММ – не поспішайте знімати коробку. Sachs рекомендує спочатку зробити всі можливі поверхневі випробування.
Почати слід із звичайної ознайомчої поїздки. Якщо при розгоні двигуна на нейтральній передачі до максимальних обертів і утриманні їх деякий час не чути шуму або не проявляється вібрація, то проблема, швидше за все, не в маховику.
Підсумовуючи, варто сказати, що знаннями в діагностиці ДММ розвіюються всі міфи щодо «проблемності» даного вузла. Звичайно, його ресурс менший, ніж стандартного одномасового маховика. Але це плата за комфорт і високу потужність при низькій витраті палива. Відмовою від заміни, або заміною на одномасовий маховик, ніякої економії вже не може бути досягнуто, оскільки вони призведуть лише до більш дорогих ремонтів. І вносити цю плату за заміни зчеплення автовласник за умовчанням погодився, коли купував машину. А завдання СТО полягає у грамотному стягуванні з водіїв цього своєрідного «податку на розкіш».
