В машиностроении или автомобилестроении муфта свободного хода или обгонная муфта — это устройство в трансмиссии , которое отделяет карданный вал от ведомого вала, когда ведомый вал вращается быстрее, чем карданный вал. Овердрайв иногда ошибочно называют свободным ходом, но в остальном он не имеет к этому никакого отношения .
Состояние, когда ведомый вал вращается быстрее, чем его приводной вал, существует в большинстве велосипедов , когда водитель перестает крутить педали . В велосипеде с фиксированной передачей , без свободного хода, педали вращаются задним колесом.
Аналогичная ситуация существует в автомобиле с механической коробкой передач , едущем под уклон, или в любой ситуации, когда водитель убирает ногу с педали газа и закрывает дроссельную заслонку : колеса приводят в движение двигатель, возможно, на более высоких оборотах. В двухтактном двигателе это может иметь катастрофические последствия — поскольку многие двухтактные двигатели зависят от смеси топлива и масла для смазки , из-за нехватки топлива в двигателе не хватает масла в цилиндрах , а поршни могут вскоре заклинить, что приведет к серьезному повреждению. . По этой причине компания Saab использовала систему свободного хода в своих двухтактных моделях и сохранила ее в Saab 96 V4 и ранних версиях Saab 99 для повышения топливной эффективности .
Простейшее устройство свободного хода состоит из двух подпружиненных дисков с зубьями , прижимающихся друг к другу зубчатыми сторонами вместе, что-то вроде храповика . Вращаясь в одном направлении, зубья пилы ведущего диска сцепляются с зубьями ведомого диска, заставляя его вращаться с одинаковой скоростью. Если ведущий диск замедляется или перестает вращаться, зубья ведомого диска скользят по зубьям ведущего диска и продолжают вращаться, издавая характерный щелкающий звук, пропорциональный разнице скоростей ведомой шестерни относительно скорости (более медленной) ведущей шестерни. .
Более сложная и прочная конструкция имеет подпружиненные стальные ролики внутри ведомого цилиндра. Вращаясь в одном направлении, ролики фиксируются с цилиндром, заставляя его вращаться синхронно. Вращаясь медленнее или в другом направлении, стальные ролики просто скользят внутри цилиндра.
В большинстве велосипедных муфт свободного хода используется барабан со ступенчатыми зубьями и двумя или более подпружиненными собачками из закаленной стали для передачи нагрузки. Большее количество собачек помогает распределить износ и повысить надежность, хотя, если устройство не изготовлено с допусками, которые обычно не встречаются в компонентах велосипеда, одновременное зацепление более двух собачек редко достигается.
По своей природе механизм свободного хода действует как автоматическое сцепление , позволяя переключать передачи в механической коробке передач как вверх, так и вниз, без нажатия на педаль сцепления, ограничивая использование ручного сцепления троганием с места или остановкой. Водитель может включить или выключить механизм свободного хода Saab, соответственно нажав или потянув рычаг. Это блокирует или разблокирует главный вал со ступицей свободного хода.
Обгонная муфта также обеспечивает немного лучшую экономию топлива на карбюраторных двигателях (без отключения подачи топлива при торможении двигателем) и меньший износ ручного сцепления, но приводит к большему износу тормозов, поскольку больше нет возможности выполнять торможение двигателем . Это может сделать трансмиссию свободного хода опасной для использования на грузовых автомобилях и автомобилях , движущихся в горных регионах, поскольку длительное и непрерывное торможение для ограничения скорости автомобиля вскоре приводит к перегреву тормозной системы, за которым вскоре следует полный выход из строя.
В сельскохозяйственной технике обгонную муфту обычно применяют на пресс-подборщиках сена и другой технике с высокой инерционной нагрузкой, особенно при использовании в сочетании с трактором без механизма отбора мощности (ВОМ). Без приводного механизма отбора мощности высокая инерционная нагрузка может привести к тому, что трактор продолжит движение вперед даже при выжатом ножном сцеплении, создавая небезопасную ситуацию. Отсоединяя нагрузку от ВОМ в этих условиях, обгонная муфта повышает безопасность. Точно так же во многих газонокосилках с «толкающим» цилиндром без двигателя для привода лезвий используется механизм свободного хода: они имеют зубчатый или цепной привод для вращения на высокой скорости, а механизм свободного хода предотвращает передачу их импульса в обратном направлении через привод, когда машина остановлена.
Узел свободного хода также широко применяется в пускателях двигателей в качестве своеобразного защитного устройства. Стартеры обычно должны вращаться со скоростью 3000 об/мин, чтобы двигатель прокрутился. Если ключ удерживается в положении запуска в течение некоторого времени после запуска двигателя, стартер не может вращаться достаточно быстро, чтобы успевать за маховиком. Из-за экстремального передаточного числа между шестерней стартера и маховиком (около 15 или 20:1) якорь стартера будет вращаться на опасно высоких скоростях, что приведет к взрыву, когда центростремительная сила , действующая на медные катушки, намотанные в якорь, больше не сможет сопротивляться. внешняя сила , действующая на них. В стартёрах без муфты свободного хода или обгонной муфты это будет серьёзной проблемой, поскольку при вращении маховика на холостом ходу со скоростью около 1000 об/мин стартер, если он зацеплен с маховиком , будет вынужден вращаться со скоростью от 15 000 до 20 000 об/мин. Как только двигатель проворачивается и работает, обгонная муфта освобождает стартер от маховика и предотвращает повторное зацепление шестерен (как при случайном повороте ключа зажигания) во время работы двигателя. Муфта свободного хода сейчас используется во многих мотоциклах с электростартером. Он используется в качестве замены соленоида стартера (или более старого привода Bendix ), используемого в большинстве автомобильных стартеров, поскольку снижает электрические потребности системы запуска. [ нужна цитата ]
В дополнение к перечисленным выше автомобильным применениям (например, в автомобилях с двухтактными двигателями и первых четырехтактных Saab), муфты свободного хода использовались в некоторых роскошных или элитных обычных автомобилях (таких как Packard , Rover и Cord ) с 1930-х годов по 1960-е годы. Некоторые двигатели того периода также имели тенденцию пропускать масло мимо поршневых колец в условиях закрытой дроссельной заслонки и высоких оборотов двигателя, когда небольшой вакуум в камере сгорания сочетался с высоким давлением масла и высокой степенью разбрызгивания смазки от быстро вращающихся двигателей. коленвала может привести к попаданию масла в камеру сгорания.
Наличие свободного хода означало, что двигатель возвращался к оборотам холостого хода на выбеге, что значительно снижало шум как двигателя, так и коробки передач, а также снижало расход масла. Механизм обычно можно было заблокировать, чтобы при необходимости обеспечить торможение двигателем . Обгонная муфта также использовалась в оригинальном автомобиле Land Rover с 1948 по 1951 год. Обгонная муфта управляла приводом от коробки передач на переднюю ось , которая отключалась при выбеге. Это позволило автомобилю иметь постоянный полный привод , избегая «заводных» сил в трансмиссии. Эта система работала, но приводила к непредсказуемому управлению, особенно на скользкой дороге или при буксировке, и была заменена обычной системой полного привода с возможностью выбора.
Во время Второй мировой войны военные автомобили Volkswagen производства KdF ( Kübelwagen , Schwimmwagen ) были оснащены системой дифференциала повышенного трения ZF , состоящей из двух свободных колес, которая передавала всю мощность двигателя на медленно вращающиеся два колеса. . [1]
Другие автопроизводители установили муфту свободного хода между двигателем и коробкой передач в виде автоматического сцепления . Как только водитель отпустил дроссельную заслонку и автомобиль перешел на выбег, муфта свободного хода отключилась, и водитель мог переключать передачи, не используя педаль сцепления. Эта функция появилась в основном на больших, роскошных автомобилях с тяжелыми сцеплениями и коробками передач без синхронизатора , поскольку муфта свободного хода обеспечивала более плавное и тихое переключение передач. Citroën объединил механизм свободного хода и центробежное сцепление , чтобы создать так называемую TraffiClutch, которая позволяла водителю трогаться с места, останавливаться и переключать пониженные передачи без использования сцепления. Это была опция для Citroën 2CV и его производных, и, как следует из названия, она рекламировалась как преимущество при вождении в перегруженных городских районах. Точно так же Saab 93 был доступен с дополнительным сцеплением Saxomat .
Механизмы свободного хода обычно используются в автоматических трансмиссиях. Например, традиционные гидравлические трансмиссии General Motors, такие как Turbo-Hydramatic 400, обеспечивают свободный ход на всех передачах ниже выбранной. Например, если на селекторе передач трехступенчатой коробки передач имеется надпись «Drive» (3) — «Super» (2) — «Low» (1) и водитель выбрал «Super», трансмиссия будет вращаться на выбеге, если включена первая передача. включено, но не на второй или третьей передаче; если в режиме «движение» он движется на выбеге первым или вторым; наконец, если на низкой передаче, он не вращается на выбеге ни на одной передаче. Это позволяет водителю выбрать более низкий диапазон для обеспечения торможения двигателем на разных скоростях, например, при спуске с крутого холма.
В агрегатах повышающей передачи производства Laycock de Normanville использовалось свободное колесо для облегчения плавного переключения передач между режимом блокировки (1:1) и режимом повышающей передачи без использования обычной педали сцепления . Обгонная муфта будет блокировать выходную ось с выходной осью в течение короткого переходного периода между конической муфтой для отключения режима блокировки и муфтой для включения режима повышенной передачи. [2]
В велосипедах более старого типа, где механизм свободного хода включен в узел шестерня/звездочка, система называется механизмом свободного хода , тогда как новый стиль, в котором механизм свободного хода находится в ступице, называется втулкой свободного хода .
Свободные колеса также используются в винтокрылых машинах . Точно так же, как колеса велосипеда должны вращаться быстрее педалей, лопасти винтокрылого аппарата должны вращаться быстрее, чем его приводные двигатели. Это особенно важно в случае отказа двигателя, когда свободный ход главной трансмиссии позволяет системам несущего и рулевого винтов продолжать вращаться независимо от системы привода. Это обеспечивает непрерывное управление полетом и посадку на авторотации .
В 1869 году Уильям Ван Анден из Покипси, штат Нью-Йорк, США, изобрел механизм свободного хода для велосипеда . [3] В его конструкции храповое устройство помещалось в ступицу переднего колеса (ведущее колесо на конструкциях велосипедов того времени), что позволяло гонщику двигаться вперед, не крутя педали постоянно. [4] Первоначально велосипедные энтузиасты отвергли идею свободного хода, поскольку считали, что это усложнит механические функции велосипеда. [5] Велосипедные энтузиасты считали, что велосипед должен был оставаться максимально простым, без каких-либо дополнительных механизмов, таких как механизм свободного хода. [6]
В Великобритании ролик свободного хода был запатентован Дж. Уайтом и Дж. Дэвисом из Coventry Machinist Co. в 1881 году [7] и установлен на трехколесном велосипеде «Челсимор», но пионерами, приспособившими обгонную муфту к безопасному велосипеду , были Linley and Biggs Ltd. (торгующаяся как Whippet Cycle Syndicate ), которые с лета 1894 года установили муфту свободного хода, отчасти для облегчения работы своей двухскоростной «протеанской» передачи.
К 1899 году в Великобритании широкое распространение получило производство велосипедов с механизмом свободного хода, обычно в сочетании с педальным тормозом, и предлагались модификации существующих велосипедов. [8] [9]
В 1899 году та же система в США была известна как « ножной тормоз », который позволял гонщикам тормозить, крутя педали назад, и включал механизм свободного хода. [10] На рубеже веков производители велосипедов в Европе и Америке включали механизм свободного хода в большинство своих велосипедов, но теперь механизм свободного хода был встроен в заднюю звездочку велосипеда, в отличие от первоначальной конструкции Ван Андена. [11]
В 1924 году французская фирма Le Cyclo представила велосипед с переключением передач и обгонной муфтой с двумя звездами, который позволял гонщикам с большей легкостью подниматься в гору. В конце 1920-х годов Le Cyclo начал использовать как передний, так и задний переключатель в сочетании с двойной звездой , что давало велосипеду вдвое больше передач. В начале 1930-х годов компания Le Cyclo изобрела четырехзвездочковый механизм свободного хода, а несколько лет спустя компания объединила четырехзвездочковый механизм свободного хода с тройной звездочкой, что дало велосипеду двенадцать передач. [12]
В 1960-х и 1970-х годах японские производители представили свои собственные версии переключателя скоростей. В 1964 году компания SunTour, в частности, представила конструкцию заднего переключателя с наклонным параллелограммом, который наклонен, чтобы шкив находился ближе к каждой шестерне муфты свободного хода при переключении, обеспечивая более плавное и лучшее переключение, чем его европейские аналоги. Эта версия переключателя стала стандартом, когда в 1980-х годах истек срок действия патента SunTour, и до сих пор является моделью для современных конструкций. [13]