В машиностроении или автомобилестроении обгонная муфта или муфта свободного хода — это устройство в трансмиссии , которое отсоединяет ведущий вал от ведомого вала, когда ведомый вал вращается быстрее ведущего вала. Иногда повышающую передачу ошибочно называют обгонной муфтой, но в остальном она не имеет к ним никакого отношения.
Состояние, когда ведомый вал вращается быстрее, чем его ведущий вал, существует в большинстве велосипедов , когда велосипедист прекращает крутить педали . В велосипеде с фиксированной передачей , без свободного хода, заднее колесо вращает педали.
Аналогичное состояние существует в автомобиле с механической коробкой передач, едущем под уклон, или в любой ситуации, когда водитель убирает ногу с педали газа , закрывая дроссель : колеса приводят в движение двигатель, возможно, на более высоких оборотах. В двухтактном двигателе это может быть катастрофическим — поскольку многие двухтактные двигатели зависят от топливно - масляной смеси для смазки , нехватка топлива в двигателе приводит к нехватке масла в цилиндрах , и поршни вскоре могут заклинить, вызвав обширные повреждения. По этой причине Saab использовала систему свободного хода в своих двухтактных моделях и сохранила ее в Saab 96 V4 и ранних Saab 99 для лучшей топливной экономичности .
Простейшее устройство свободного хода состоит из двух пилообразных, подпружиненных дисков, которые прижимаются друг к другу зубчатыми сторонами вместе, что-то вроде храповика . Вращаясь в одном направлении, пилообразные зубья ведущего диска блокируются с зубьями ведомого диска, заставляя его вращаться с той же скоростью. Если ведущий диск замедляется или прекращает вращение, зубья ведомого диска проскальзывают по зубьям ведущего диска и продолжают вращаться, производя характерный щелчок, пропорциональный разнице скоростей ведомой шестерни относительно (более медленной) ведущей шестерни.
Более сложная и прочная конструкция имеет подпружиненные стальные ролики внутри приводного цилиндра. Вращаясь в одном направлении, ролики блокируются с цилиндром, заставляя его вращаться в унисон. Вращаясь медленнее или в другом направлении, стальные ролики просто проскальзывают внутри цилиндра.
Велосипеды используют свободные колеса, чтобы велосипедист мог двигаться по инерции, не крутя педали. Вращение колеса или кассеты в направлении, которое производит щелчок, заставляет собачку легко скользить вверх и по пологим краям зубцов. Этот процесс иногда неформально называют «проскальзыванием». В этом случае кассета вращается независимо от заднего колеса. Когда велосипедист прекращает крутить педали, храповик проскальзывает, а колесо продолжает вращаться, в то время как кассета останавливается, производя щелчок. Следовательно, велосипед не будет двигаться назад, если велосипедист будет крутить педали назад. Когда кассета или колесо вращаются в противоположном направлении, собачка зацепляется за более крутые скатные края зубцов, создавая блокировку. Когда велосипедист крутит педали вперед, кассета вращается вперед из-за присущей природе звездочек , заставляя собачку зацепляться за крутой склон зубцов и приводить заднее колесо в движение вперед. Это также объясняет, почему при движении велосипеда вперед педали вращаются в прямом направлении.
Большинство велосипедных фривилов используют внутренний ступенчатый зубчатый барабан с двумя или более подпружиненными, закаленными стальными собачками для передачи нагрузки. Большее количество собачек помогает распределить износ и обеспечивает большую надежность, хотя, если только устройство не изготовлено с допусками, которые обычно не встречаются в велосипедных компонентах, одновременное включение более двух собачек редко достигается.
По своей природе механизм свободного хода действует как автоматическое сцепление , позволяя переключать передачи в механической коробке передач , как повышая, так и понижая передачу, не нажимая на педаль сцепления, ограничивая использование ручного сцепления троганием с места или остановкой. Водитель может включать или выключать свободное движение Saab, соответственно нажимая или вытягивая 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 трансмиссии с обгонной муфтой опасными для использования на грузовиках и автомобилях, эксплуатируемых в горных районах, поскольку длительное и непрерывное применение тормозов для ограничения скорости транспортного средства вскоре приводит к перегреву тормозной системы, за которым вскоре следует полный отказ.
В сельскохозяйственном оборудовании обгонная муфта обычно используется на пресс-подборщиках сена и другом оборудовании с высокой инерционной нагрузкой, особенно при использовании в сочетании с трактором без активного отбора мощности (ВОМ). Без активного ВОМ высокая инерционная нагрузка может привести к тому, что трактор продолжит двигаться вперед, даже если нажата педаль сцепления, что создает небезопасное состояние. Отключая нагрузку от ВОМ в этих условиях, обгонная муфта повышает безопасность. Аналогично, многие газонокосилки без привода с «толкающим» цилиндром используют обгонную муфту для привода ножей: они имеют зубчатый или цепной привод для вращения с высокой скоростью, а обгонная муфта предотвращает передачу их импульса в обратном направлении через привод, когда машина остановлена.
Узел свободного хода также широко используется в стартёрах двигателей в качестве своего рода защитного устройства. Стартерные двигатели обычно должны вращаться со скоростью 3000 об/мин, чтобы двигатель провернулся. Когда 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) он будет вращать якорь стартера на опасно высоких скоростях, вызывая взрыв, когда центростремительная сила, действующая на медные катушки, намотанные на якорь, больше не может противостоять внешней силе, действующей на них. В стартерах без свободного хода или обгонной муфты это было бы серьёзной проблемой, поскольку при вращении маховика со скоростью около 1000 об/мин на холостом ходу стартер, если он зацеплен с маховиком , будет вынужден вращаться со скоростью от 15 000 до 20 000 об/мин. После того, как двигатель провернулся и заработал, обгонная муфта отсоединяет стартер от маховика и предотвращает повторное зацепление шестерен (как при случайном повороте ключа зажигания) во время работы двигателя. Муфта свободного хода теперь используется во многих мотоциклах с электростартером. Она используется в качестве замены соленоида стартера (или более старого привода Bendix ), используемого в большинстве автомобильных стартеров, поскольку она снижает электрические потребности системы запуска. [ необходима цитата ]
В дополнение к перечисленным выше автомобильным применениям (то есть в двухтактных двигателях транспортных средств и ранних четырехтактных Saab), обгонные муфты использовались в некоторых роскошных или дорогих обычных автомобилях (таких как Packard , Rover и Cord ) с 1930-х по 1960-е годы. Некоторые двигатели того периода также имели тенденцию пропускать масло мимо поршневых колец в условиях закрытой дроссельной заслонки и высокой скорости двигателя, когда небольшое разрежение в камере сгорания в сочетании с высоким давлением масла и высокой степенью разбрызгивания смазки от быстро вращающегося коленчатого вала приводило к попаданию масла в камеру сгорания.
Обгонная муфта означала, что двигатель возвращался к холостому ходу при превышении скорости, что значительно снижало шум как двигателя, так и коробки передач и уменьшало расход масла. Механизм обычно можно было заблокировать, чтобы обеспечить торможение двигателем, если это было необходимо. Обгонная муфта также использовалась в оригинальном автомобиле Land Rover с 1948 по 1951 год. Обгонная муфта управляла приводом от коробки передач к передней оси , которая отключалась при превышении скорости. Это позволяло автомобилю иметь постоянную систему полного привода , избегая «заводных» сил в трансмиссии. Эта система работала, но приводила к непредсказуемому управлению, особенно на скользкой дороге или при буксировке, и была заменена обычной выбираемой системой полного привода.
Во время Второй мировой войны военные автомобили Volkswagen, выпускавшиеся компанией KdF ( Kübelwagen , Schwimmwagen ), оснащались системой дифференциала повышенного трения ZF, состоящей из двух муфт свободного хода, которая передавала всю мощность двигателя на более медленно вращающееся из двух колес. [1]
Другие автопроизводители устанавливали свободное колесо между двигателем и коробкой передач как форму автоматического сцепления . Как только водитель отпускал дроссельную заслонку и автомобиль переходил на режим принудительного холостого хода, свободное колесо отключалось, 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 синхронизаторов , поскольку свободное колесо обеспечивало более плавное и тихое переключение. Citroën объединил свободное колесо и центробежное сцепление , чтобы создать так называемое «TraffiClutch», которое позволяло водителю начинать, останавливаться и переключать пониженные передачи без использования сцепления. Это была опция на Citroën 2CV и его производных и, как следует из названия, позиционировалась как преимущество для вождения в перегруженных городских районах. Аналогично, Saab 93 был доступен с опциональным сцеплением Saxomat .
Распространенное применение механизмов свободного хода — в автоматических трансмиссиях. Например, традиционные гидравлические трансмиссии General Motors, такие как Turbo-Hydramatic 400, обеспечивают свободное вращение на всех передачах ниже выбранной. Например, если селектор передач на трехступенчатой трансмиссии обозначен как «drive» (3)-«super» (2)-«low» (1), а водитель выбрал «super», трансмиссия обеспечивает свободное вращение, если включена первая передача, но не на второй или третьей передачах; если в положении «drive», она обеспечивает свободное вращение на первой или второй передаче; наконец, если в положении «low», она не обеспечивает свободное вращение ни на одной передаче. Это позволяет водителю выбирать более низкий диапазон для обеспечения торможения двигателем на разных скоростях, например, при спуске с крутого холма.
Установки с повышающей передачей, производимые Laycock de Normanville, использовали муфту свободного хода для облегчения плавного переключения передач между заблокированным режимом (1:1) и режимом повышающей передачи без использования обычной педали сцепления . Муфта свободного хода блокировала выходную ось с выходной осью в короткий переходный период между коническим сцеплением для отключения заблокированного режима и сцеплением для включения режима повышающей передачи. [2]
В более старом типе переключателей передач , где механизм свободного хода включен в узел шестерня/звездочка, система называется системой свободного хода , тогда как более новый тип, в котором механизм свободного хода находится во втулке, называется системой свободного хода .
В винтокрылых аппаратах также используются фрикционные муфты . Так же, как колеса велосипеда должны вращаться быстрее педалей, лопасти винтокрылого аппарата должны вращаться быстрее двигателей. Это особенно важно в случае отказа двигателя, когда фрикционная муфта в главной трансмиссии позволяет основным и хвостовым винтам продолжать вращаться независимо от системы привода. Это обеспечивает непрерывное управление полетом и посадку с авторотацией .
В 1869 году Уильям Ван Анден из Покипси, штат Нью-Йорк, США, изобрел колесо свободного хода для велосипеда . [3] Его конструкция предусматривала размещение храпового механизма во втулке переднего колеса (ведомого колеса в велосипедах того времени), что позволяло велосипедисту двигаться вперед без постоянного вращения педалей. [4] Первоначально любители велосипедов отвергли идею колеса свободного хода, поскольку считали, что это усложнит механические функции велосипеда. [5] Любители велосипедов считали, что велосипед должен оставаться максимально простым без каких-либо дополнительных механизмов, таких как колесо свободного хода. [6]
В Великобритании роликовая муфта свободного хода была запатентована Дж. Уайтом и Дж. Дэвисом из Coventry Machinist Co. в 1881 году [7] и установлена на трехколесном велосипеде Chelseymore, но пионерами установки муфты свободного хода на безопасный велосипед были Linley and Biggs Ltd (торговая марка Whippet Cycle Syndicate ), которые устанавливали муфту свободного хода с лета 1894 года, отчасти для облегчения работы своей двухскоростной передачи «Protean».
К 1899 году в Великобритании широкое распространение получила система свободного хода, обычно в сочетании с педальным тормозом, а также были предложены модификации существующих велосипедов. [8] [9]
В 1899 году та же система в США была известна как « ножной тормоз », который позволял велосипедистам тормозить, вращая педали в обратном направлении, и включал механизм свободного хода. [10] На рубеже веков производители велосипедов в Европе и Америке включили механизм свободного хода в большинство своих велосипедов, но теперь свободный ход 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 двухзвездочным свободным колесом, что позволяло велосипедистам легче подниматься в гору. В конце 1920-х годов Le Cyclo начала использовать как передний, так и задний переключатели передач в сочетании с двойной передней звездой , что дало велосипеду вдвое больше передач. В начале 1930-х годов Le Cyclo изобрела четырехзвездочное свободное колесо, а несколько лет спустя компания объединила четырехзвездочное свободное колесо с тройной передней звездой, что дало велосипеду двенадцать передач. [12]
В 1960-х и 1970-х годах японские производители представили свои собственные версии переключателя. В частности, SunTour представил конструкцию заднего переключателя в виде наклонного параллелограмма в 1964 году, которая наклонена, чтобы удерживать шкив ближе к каждой шестерне свободного хода при переключении, обеспечивая более плавное и лучшее переключение, чем его европейские аналоги. Эта версия переключателя стала стандартной, когда патент SunTour истек в 1980-х годах, и до сих пор является образцом для современных конструкций. [13]