По данным агентства Mordor Intelligence, объем мирового рынка автомобильных сцеплений в 2020 году оценивался в 10 млрд долларов, а к 2026 году он должен достичь 13 млрд. Эти цифры говорят о том, что сцепление по-прежнему остается критически важным элементом трансмиссии. Как устроен этот узел, какие изменения произошли в нем с момента появления первых автомобилей и что ждет его в эпоху электрификации?
Первые шаги: когда автомобилям не требовалось сцепление
Самые ранние автомобили, или даже кареты, оснащенные двигателем внутреннего сгорания, немецких изобретателей Карла Бенца и Готлиба Даймлера в конце XIX века вовсе не имели сцепления в привычном понимании. Бензиновый ДВС в них работал на постоянной скорости, передавая крутящий момент прямо на колеса. Однако с увеличением мощности двигателей потребовалась система, позволяющая водителю плавно переключать передачи.
Все тот же Карл Бенц позаимствовал из промышленного оборудований той эпохи ременную передачу. Специальный ролик регулировал натяжение кожаного ремня, который при ослаблении проскальзывал, разъединяя двигатель и колеса. Однако ремень из кожи изнашивался за считанные месяцы, его КПД оставался низким, а с более мощными двигателями система вообще не справлялась. Больше того, в автомобиле Бенца Motorwagen 1886 года водитель вручную перекидывал ремень между свободным и рабочим шкивами. Это было неудобно и ненадежно.
Тем не менее, именно Карл Бенц запатентовал сцепление как важный узел автомобиля. Он также получил патенты на такие узлы, как акселератор, система зажигания, работающая от батареи и свечи зажигания, карбюратор, коробка передач и водяной радиатор охлаждения. Фактически система двух шкивов Бенца представляла собой первую 2-ступенчатую «коробку передач» с нейтралью и первой передачей.
Французские инженеры не отставали от немецких, хотя в наше время их достижения не так известны автомобильной общественности. В 1886 году Луи-Рене Панар и Эмиль Левассор основали компанию, названную по их фамилиям. Panhard-Levassor одной из первых в мире стала выпускать автомобили на продажу: гоночные и военные машины, лимузины и т.д.
В 1891-94 годах фирма предложила компоновку автомобиля, которая стала классической и дожила до наших дней: двигатель спереди, к нему примыкает сцепление, коробка передач, карданный вал, дифференциал (изобретен в 1877 году Старлеем и Пекером) с распределителем и жесткая задняя ось с ведущими колесами (задний привод).
Конструкция с поворотными кулачками и трапецией повышала устойчивость автомобиля и характер управления. В коробке передач использовались неизвестные ранее скользящие шестерни, однако другие технические решения сохранялись от конных экипажей. У автомобиля Panhard-Levassor 4СV сцепление представляло собой несовершенный механизм, главная передача – цепная, дифференциал – самой простой конструкции.
С 1894 года на автомобилях французской фирмы даже появилась задняя передача. На исторических фото хорошо виден рычаг переключения направления движения «вперед-назад». В итоге количество передач в трансмиссии машин уже тогда достигало 3-4-х.
Свой вклад внес и француз Луи Рено, основавший вместе с братьями компанию Renault. В 1898 году он выпустил автомобиль с двигателем De Dion на трубчатой раме с революционной по тем временам коробкой перемены передач с высшей (прямой) передачей и карданной передачей (вместо цепной) к заднему мосту.
Интересные факты. Первым автомобилем на территории Российской империи стала в 1891 году модель Panhard-Levassor, которую приобрел издатель газеты «Одесский листок» Василий Навроцкий. Также до революции 1917 года в Российской империи действовали два представительства фирмы Benz: в Санкт-Петербурге и в Одессе. Например, в 1912 году неизвестному лицу в Москве был поставлен автомобиль Benz-Velo. Еще раньше эта же модель стала прототипом для первого российского автомобиля, созданного промышленниками Петром Фрезе и Евгением Яковлевым. Он был представлен публике на ярмарке в Нижнем Новгороде в 1896 году.
Настоящий прорыв: изобретение конусного сцепления
Еще в 1891 году все те же Панар и Левассор представили конструкцию, ставшую прародителем современного сцепления – конический фрикцион. Кожаный конус, закрепленный на валу от двигателя, под действием пружины входил в ответный конус, связанный с трансмиссией. Для разрыва связи водитель нажимал на педаль, которая отводила конус назад. Система была весьма простой, кожа быстро изнашивалась и требовала аккуратной работы педалью, но она работала.
Немецкие инженеры Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах работали в том же направлении. Их конусное сцепление также состояло из двух дисков конической формы, которые плавно и бесшумно смыкались, обеспечивая передачу крутящего момента без существенных потерь в мощности.
В дальнейшем конусное сцепление использовалось на автомобилях вплоть до 1920-х годов. Однако у него были серьезные недостатки. Тяжелый маховик обладал большой инерцией и после выжима педали продолжал вращаться, что затрудняло переключение передач. Для решения этой проблемы в еще 1910 году был придуман «тормоз сцепления», но он вызывал перегрев маховика, который расплавлял кожаные прокладки. Пришлось заменить кожаные накладки на металлические.
Новый уровень надежности: многодисковое сцепление
Решение задачи плавности переключения передач пришло с появлением многодисковых мокрых, а затем и однодисковых сухих сцеплений в начале XX века. Вместо одного большого конуса использовался набор тонких дисков, что позволяло более точно дозировать передаваемый момент.
Первые эксперименты с многодисковым сцеплением начал английский изобретатель, создатель винта регулируемого шага Генри Селби Хеле-Шоу. Его конструкции имели значительно большую поверхность трения при малом монтажном пространстве, что позволяло передавать больше мощности и уменьшать износ.
Инновация Хеле-Шоу заключалась в том, что его мокрые сцепления передавали крутящий момент за счет вязкого потока масла между тонкими стальными пластинами. Мокрые сцепления значительно снижали износ деталей и хорошо работали на гоночных автомобилях, тяжелых грузовиках и военной технике. Однако для массовых автомобилей такие системы были слишком сложны и дороги. Например, гоночный автомобиль Гран-при Itala 1908 года имел сцепление сразу с 64 дисками!
Кто изобрел велосипед?
К развитию автомобильной трансмиссии также приложил руку еще один немецкий изобретатель – Эрнст Закс. По его фамилии и сейчас называется одно из самых популярных в мире сцеплений – Sachs. Он начинал свою деятельность с велосипедов: фирма Закса вначале выпускала велосипедные цепи, в 1894 году он подал патент на велосипедную ступицу, в 1898-м – разработал муфту свободного хода, а в 1903-м – задний тормоз, позволяющим тормозить, покрутив педали назад.
В конце 1920-х годов его компания приступила к производству автомобильных сцеплений и амортизаторов и к 1937 году даже поставляла их для гоночного автомобиля Mercedes-Benz W25, развившего скорость 317 км/ч! В 1991 году основанная Эрнстом Заксом компания вошла в состав концерна Mannesmann AG, а в 2001 – в состав концерна ZF. Считается, что именно специалистам этой фирмы мы обязаны современным фрикционом (элемент сцепления между передачами).
Интересные факты. Наименование ZF Friedrichshafen происходит от сокращения слова Zahnradfabrik (нем. – «завод шестерен») и от наименования города Фридрихсхафен, где находится штаб-квартира компании. В 1908 году знаменитый граф Фердинанд фон Цеппелин основал фирму Luftschiffbau Zeppelin (LZ) по созданию дирижаблей. В 1915 году на ее базе была создана компания по производству трансмиссий для двигателей дирижаблей – Zahnradfabrik Friedrichshafen. В 1918 году ZF перешла на производство трансмиссий для автомобилей, в частности полуавтоматической коробки передач собственной разработки.
К 1970-м годам каждый третий выпущенный в Германии грузовик имел трансмиссию или рулевое управление производства ZF. В 1973 году в Саарбрюккене был открыт завод по производству АКПП для легковых автомобилей. Сегодня трансмиссии концерна ZF можно встретить не только в легковушках и коммерческих автомобилях, но и в судах и ветрогенераторах.
Американская революция 1930-х годов: диафрагменное сцепление
Следующая революция в конструкции узла произошла в 1936 году, когда инженеры американской компании General Motors разработали диафрагменное сцепление. Вместо нескольких витых пружин в нем использовалась одна диафрагменная пружина, которая обеспечивала равномерное усилие на нажимной диск.
В Западной Европе эта технология стала известна в ходе Второй мировой войны благодаря американским военным грузовикам GMC серии CCKW. На них устанавливалась 5-ступенчатая коробка передач, которая передавала момент на 2-ступенчатую раздатку (все мосты – ведущие). Эти машины массово применялись в операции Red Ball Express, созданной для снабжения войск в Западной Европе после высадки в Нормандии.
В послевоенный период сцепление американской конструкции стало устанавливаться на немецкие машины самых различных моделей: на гламурном родстере Porsche 356, дешевых микролитражках Glas-T250 Goggomobil и BMW 700 и даже армейском внедорожнике DKW Munga. Крупносерийное производство машин с диафрагменным сцеплением началось в Западной Германии с автомобиля подразделения General Motors Opel – Opel Rekord.
Диафрагменное сцепление оказалось намного более компактным, надежным и проще в обслуживании, чем многодисковые конструкции. Ведомый диск с фрикционными накладками зажимается между маховиком двигателя и мощным нажимным диском. Эта конструкция оказалась настолько удачной, что стала мировым стандартом для автомобилей с «механикой».
Интересные факты. В СССР сухое однодисковое сцепление с диафрагменной пружиной получило широкое распространение в начале 1970-х годов вместе с первой моделью Волжского автозавода, построенного в Тольятти с помощью специалистов итальянского FIAT. Оно показало себя более компактным, простым по конструкции и надежным, чем сцепление «Москвича» с цилиндрическими пружинами и тремя отжимными лапками, которые было весьма трудно отрегулировать.
С 1971 года «Москвич»-412 также получил диафрагменное сцепление. Однако автомобили ГАЗ и УАЗ еще долгое время продолжали оснащаться рычажным сцеплением с периферийными цилиндрическими пружинами. Помимо сложности регулировки, такие узлы отличаются не слишком надежной работой с высокооборотными двигателями. На высоких частотах вращения цилиндрические пружины изгибаются, а нажимной диск нестабильно фиксируется относительно кожуха. Это приводит к вибрациям и возможной пробуксовке.
В статье использованы фото из открытых источников в интернете, а также собственные фото НПК АВТОПРИБОР.