انواع كلاچ را بشناسيم(بخش1)

كلاچ وسيله ايست براي انتقال حركت چرخشي از يك شفت به شفت ديگر. كلاچ در واقع يك وسيله قطع كردن و يا وصل كردن است كه در سيستم‌هاي انتقال نيرو بكار مي‌رود. اصولاً در سيستم‌هاي انتقال نيرو، توان و نيروي توليد شده در موتور براي استفاده به شكلي ديگر و يا استفاده در جايي ديگر نياز به جابجايي و انتقال دارد. حال براي آنكه بتوان بر روي اين انتقال نيرو كنترلي را اعمال كرد. ساده‌ترين راه استفاده از يك كلاچ است تا هر زمان كه نياز به توقف انتقال نيرو باشد، اين عمل انجام پذيرد. كلاچ يك اتصال اصطكاكي ميان موتور اتومبيل به عنوان منبع توليد توان و جعبه دنده اتومبيل برقرار مي‌كند. در حالي كه كلاچ اتومبيل درگير است توان از موتور به جعبه دنده و از آنجا به چرخها انتقال مي‌يابد. ليكن گاهي لازم مي‌شود كه دنده مورد استفاده در جعبه دنده ماشين بر حسب شرايط جاده و سرعت حركت ماشين تغيير كند. براي آنكه بتوان اين تغيير را به راحتي انجام داد، ابتدا لازم است كه توان را از چرخ دنده‌هاي موجود در جعبه دنده قطع كرد. براي قطع كردن اين ارتباط تواني ميان جعبه دنده و موتور از كلاچ استفاده مي‌شود. اين كار براي راننده اتومبيل مي‌تواند به‌راحتي فشاردادن يك پدال به كمك پاي خويش باشد. ليكن فشار دادن اين پدال پايي باعث فاصله گرفتن محور جعبه دنده از صفحه در حال چرخش موتور (فلايويل) خواهد شد. بوجود آمدن فاصله، معادل است با قطع ارتباط و انتقال توان. در اين حالت راننده براي مدت كوتاهي پدال كلاچ را نگه مي‌دارد و در حالي كه جعبه دنده تحت هيچ نيروي خاصي قرار ندارد دنده مناسب را انتخاب كرده و جعبه دنده را در آن دنده مطلوب قرار مي‌دهد و سپس پدال كلاچ را رها مي‌كند. در اين حالت انتقال توان از موتور به جعبه دنده دوباره از سر گرفته خواهد شد.

◄ ويژگيهاي لحاظ شده در طراحي بهينه كلاچ: جهت طراحي بهينه كلاچ بايد موارد گوناگوني را در نظر گرفت كه در زير به آنها اشاره مي كنيم: - انتقال ماكزيمم گشتاور : طراحي كلاچ بايد بگونه اي باشد كه بتواند 125 تا 150 درصد ماكزيمم گشتاور توليدي موتور را منتقل كند. - درگيري و خلاصي تدريجي : كلاچ و سيستمهاي عملگر آن بايد بگونه اي طراحي شوند كه حين خلاصي و درگيري صفحات كمترين تكان را به خودرو منتقل كند. - پخش سريع حرارت توليد شده : حين درگيري كلاچ بعلت وجود لغزش در ابتداي امر، گرماي زيادي توليد مي شود كه بايد به طرقي دفع شود. - بالانس ديناميكي : چون كلاچ عضو دوار متحرك است، بنابراين در سرعتهاي زياد جهت جلوگيري از بوجود آمدن نيروهاي جانبي بايد از لحاظ ديناميكي بالانس باشد. - استهلاك نوسانات : طراحي كلاچ بايد به گونه اي باشد كه سبب از بين رفتن نوسانات انتقالي از موتور به سيستم انتقال قدرت و نوسانات انتقالي از چرخها به موتور شود. - ابعاد كلاچ : از لحاظ ابعادي، كلاچ بايد كمترين فضاي ممكن را اشغال كند. - اينرسي : قطعات متحرك كلاچ بايد كمترين اينرسي ممكن را داشته باشند. - سادگي در تعويض و تعمير : تعويض قطعات و تعمير آنها بايد به سادگي صورت گيرد. - سهولت در عملكرد كلاچ نزد راننده : عمل كلاچ گيري و تعويض دنده نبايد براي راننده حالت خسته كننده و طاقت فرسايي داشته باشد.

◄ انواع كلاچ: بدون لغزش : اين نوع كلاچها دو حالت دارند؛ حالت خلاصي و حالتي كه كلاچ كاملاً درگير است. بنابراين در اين حالت لغزش يا سايش در كلاچ به هيچ عنوان مشاهده نمي شود. (شكل1-1) يكطرفه : اين كلاچها در گردش از يك طرف همانند كلاچ بدون لغزش عمل مي كند، اما اگر چرخش در جهت مخالف صورت گيرد دو صفحه كاملاً روي هم سر مي خورند و هيچگونه انتقال نيرويي صورت نمي گيرد؛ بنابراين در اين كلاچها گشتاور تنها از يك طرف منتقل مي شود(شكل1-1)

شكل1-1 (الف) كلاچ بدون لغزش (ب) كلاچ يكطرفه

اصطكاكي : اساس عملكرد اين كلاچها درگيري دو صفحه داراي ضريب اصطكاك نسبتاً بالاييست كه اين درگيري سبب انتقال نيرو از يكي از صفحات به صفحه ديگر مي شود. انواع مورد استفاده اين نوع كلاچها شامل ديسكي، مخروطي، صفحه اي و تسمه اي مي باشد. هيدروليك : در اين نوع كلاچها نيرو از يكي از صفحات به سيال و سپس از سيال به صفحه متحرك مورد نظر منتقل مي شود.

از ميان انوا كلاچهاي فق تنه دو نوع آخر در خودروهاي امروزي مورد استفاده قرار مي گيرد . ◄ كلاچ اصطكاكي: اين نوع كلاچها به پنج نوع عمده زير تقسيم مي شوند : - كلاچ مخروطي - كلاچ تك صفحه اي - كلاچ چند صفحه اي - كلاچ نيمه گريز از مركز - كلاچ گريز از مركز ◄ كلاچ مخروطي (Con Clutch) : در اين كلاچها همانگونه كه از اسم آن پيداست سطوح اصطكاكي به شكل مخروطي هستند. هنگامي كه كلاچ در گير مي شود، گشتاور از طريق فلايويل كه سطح داخلي آن به شكل مخروطي است به سطح مخروطي ديگري كه درون فلايويل جاي مي گيرد منتقل مي شود. (شكل1-2) براي خلاص كردن كلاچ نيز سطح مخروط خارجي كمي از درون فلايويل بيرون كشيده مي شود تا تماس دو سطح قطع شود.

شكل1-2 كلاچ مخروطي

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

معايب : اگر زاويه مخروط كوچكتر از حدود 20 درجه انتخاب شود، ممكن است حالت خود قفلي پيش بيايد و جدا كردن دو سطحي كه با هم در حالت چرخش هستند مشكل شود.

◄ كلاچ تك صفحه اي (Single Plate Clutch) : در اين نوع كلاچ، صفحه اصطكاكي 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 يك پدال كه بوسيله پاي راننده فشرده مي شود بوجود مي آيد. (شكل1-3) اين نيرو سبب فشرده شدن انگشتي متصل به صفحه فشارنده مي شود و بدين ترتيب نيرو از پاي راننده به صفحه اصطكاكي منتقل مي شود. (شكل1-4)

شكل1-3 كلاچ تك صفحه اي

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

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

◄ كلاچ تك صفحه اي با فنر ديافراگمي (Diaphragm Spring Clutch ): اساس كار اين نوع كلاچها همانند كلاچ تك صفحه اي است با اين تفاوت كه در اينجا بجاي فنرهاي پيچشي از فنر ديافراگمي استفاده مي شود؛ اين فنرها در حالت عادي به شكل مخروط ناقص هستند، اما هنگامي كه فشرده مي شوند حالت تخت به خود مي گيرند. (شكل1-5)

شكل1-5 فنر ديافراگمي و نمونه اي از كلاچ ديافراگمي مزايا : به علت ذخيره انرژي در امتداد شعاعي طرح نهايي اين كلاچ در امتداد محوري به مراتب كوچكتر و جمع و جورتر خواهد بود. فنر ديافراگمي در مقايسه با فنرهاي تخت كمتر تحت تاثير نيروي گريز از مركز 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 كند، لذا اين قطعات از سيستم حذف شده اند و باعث كاهش وزن كل و سر و صداي سيستم مي شوند. در مورد فنر مارپيچي رابطه نيرو و جابجايي فنر خطي است. لذا با سايش صفحات اصطكاكي، به نسبت مقدار نيروي فشارنده آنها نيز كاهش مي يابد. در حاليكه در مورد فنر ديافراگمي اين رابطه غير خطي بوده و مي توان آن را به نحوي طراحي نمود كه حساسيت كمتري به سايش داشته باشد. (شكل1-6)

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

شكل1-6 منحني نيرو-جابجايي براي فنرهاي مارپيچي و ديافراگمي

عملكرد اين كلاچ همانند كلاچ تك صفحه اي است با اين تفاوت كه در اينجا بجاي يك صفحه كلاچ، به تناسب گشتاور انتقالي مورد نظر از چندين صفحه اصطكاكي استفاده مي شود. (شكل1-7) اين امر باعث مي شود كه كلاچ بتواند گشتاور بزرگتري را منتقل كند. بنبراين اين كلاچها بيشتر در خودروهاي سنگين يا خودروهاي مسابقه اي كه به انتقال گشتاور بزرگتري نياز دارند، مورد استفاده قرار مي گيرد.

شكل1-7 نمونه اي از كلاچ چند صفحه اي

◄ كلاچ نيمه گريز از مركز (Semi-Centrifugal Clutch ):

در اين نوع كلاچها، فنرها براي انتقال گشتاور در سرعتهاي معمولي طراحي مي شوند، در حاليكه در سرعتهاي بالاتر نيروي گريز از مركز به انتقال گشتاور كمك مي كند. (شكل1-8) در اين كلاچها نيروي گريز از مركز از طريق وزنه هايي بوجود مي آيد كه همراه ساير اجزا دوار كلاچ مي گردند. (شكل1-9)

شكل1-8 نمودار نيروي وارده روي صفحه فشارنده در كلاچهاي نيمه گريز از مركز

شكل1-9 مدلي از كلاچ نيمه گريز از مركز

◄ كلاچ گريز از مركز (Centrifugal Clutch ) :

در اين نوع از كلاچها بر خلاف كلاچهاي نيمه گريز از مركز، تنها از نيروي گريز از مركز براي اعمال فشار بر روي صفحات و درگير كردن كلاچ استفاده مي شود. از مزاياي اين نوع كلاچ اين است كه به پدال كلاچ نيازي ندارد. كنترل كلاچ بصورت اتوماتيك و توسط دورموتور صورت مي گيرد. خودروهايي كه از اين كلاچها استفاده مي كنند، توانايي متوقف شدن با دنده درگير را دارند، بدون اينكه خودرو خاموش شود. بنابراين در اين حالت به مهارت كمتري از جانب راننده نياز است.

نمونه اي از اين كلاچها را در شكل1-10 مشاهده مي كنيد. طرز كار اين سيستم بدينگونه است كه هنگامي كه سرعت خودرو افزايش مي يابد، وزنه A در اثر افزايش نيروي گريز از مركزبالا 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 اصطكاكي است كه توسط اعمال فشار با فلايويل F درگير مي شود. فنر G باعث عدم درگيري كلاچ در سرعتهاي پايين و حدود rpm 500 مي شود. زائده H مقدار نيروي گريز از مركز را محدود مي كند چرا كه وزنه A نهايتاً در اين نقطه متوقف مي شود. نيروي p متناسب با نيروي گريز از مركز در هر سرعت خاص است. در حاليكه نيروي Q اعمال شده بوسيله فنر G در همه سرعتها ثابت مي باشد. نموداري از نيروي گريز از مركز را در دورهاي مختلف موتور در شكل1-11 مي توان مشاهده كرد.

شكل1-10 اساس كاركلاچ گريز از مركز

◄ صفحه كلاچ:

صفحه كلاچ شامل يك توپي، صفحه، فنرهاي صفحه كلاچ و فنرهاي لرزه گير صفحه مي باشد. لنتهاي صفحه كلاچ به فنرهاي صفحه كلاچ اتصال دارند. وقتي كلاچ درگير مي شود، فنرهاي صفحه كلاچ اندكي جمع مي شوند و ضربه ناشي از درگيري را جذب مي كنند

فنرهاي لرزه گير صفحه يا فنرهاي پيچشي فنرهاي لول كلفتي هستند كه روي دايره اي در پيرامون توپي نصب مي شوند. توپي از طريق اين فنرها به حركت در مي آيد. اين فنرها به كاهش ارتعاشات پيچشي، كه ناشي از ضربه هاي توان موتور است كمك مي كند؛ در نتيجه توان بصورت يكنواخت و نرم به جعبه دنده منتقل مي شود. در دو طرف لنتهاي صفحه كلاچ شيارهايي ديده مي شود.در هنگام خلاص شدن كلاچ 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 غيرممكن خواهد بود. اين شيارها به خنك كردن لنت نيز كمك مي كنند. (شكل1-12)

شكل1-12 نمونه كامل و باز شده صفحه كلاچ

در نسل اوليه كلاچها جنس لنت را از چرم انتخاب مي كردند. پس از آن لنتهاي بسياري از صفحه كلاچها از پنبه و الياف آزبست (پنبه نسوز) كه بهم بافته شده بودند، تشكيل مي شدند. در بعضي از صفحه كلاچها سيم مسي را در لنت مي بافند يا با فشار وارد آن مي كنند تا استحكام بيشتري پيدا كند. اما آزبست آلوده كننده محيط زيست و براي سلامتي زيان آور است. امروزه از مواد ديگري بجاي آنها استفاده مي كنند. Reybestosو Ferodo از بهترين جايگزينها هستند كه بعلت ضريب انتقال بالاي حرارت استفاده زيادي از آنها مي شود. از ديگر جايگزينهاي ديگري كه امروزه استقبال از آن براي استفاده در لنتهاي ترمز زياد آلياژهاي فلز و سراميك هستند كه استحكام زيادي در برابر سايش دارند.مكانيك خودرو واضح است كه با توجه به جنس مواد بكار رفته در لنت صفحه كلاچ، ضريب اصطكاك صفحه نيز تغيير مي كند. در شكل1-13 نمونه اي از اين ضرايب را براي مواد گوناگون مشاهده مي كنيد.

شكل1-13 ضريب اصطكاك مواد مختلف استفاده شونده در صفحه كلاچ