Fot. ZF Services

Czy dwumasowe koła zamachowe DKZ mogą być w ramach dokonywanych napraw zastępowane standardowym, jednomasowym kołem zamachowym i tradycyjnym sprzęgłem z rozbudowanym tłumikiem drgań skrętnych?

Dostawcy takich zamiennych podzespołów przekonują, np. w artykule "Sprzęgło Valeo K4P zamiast DKZ" z marcowego wydania Autonaprawy*⁾, że ich zamontowanie w samochodzie na miejscu fabrycznie stosowanego DKZ przynosi finansowe oszczędności, bez dających się odczuć skutków szkodliwych dla komfortu jazdy i eksploatacyjnej trwałości układu napędowego.

Gdyby tak było faktycznie, trzeba by uznać za nieracjonalną postawę czołowych producentów nowoczesnych pojazdów, uparcie wyposażających je w dwumasowe koła zamachowe. Na drodze do wprowadzenia alternatywnego rozwiązania nie stoją przecież żadne przeszkody technologiczne, gdyż jest ono od dawna doskonale znane i przez wszystkich samochodowych konstruktorów wszechstronnie sprawdzone. Nie przysparza też większych problemów serwisowych, a nawet nadaje się do łatwej, częściowej regeneracji metodą ponownego przetaczania powierzchni współpracujących z elementami ciernymi...

Dlaczego DKZ?

Były jednak konkretne powody wprowadzenia dwumasowych kół zamachowych do samochodowych napędów i nie można ich pomijać w obiektywnej ocenie porównywanych rozwiązań.

Na układ przeniesienia napędu w pojeździe z silnikiem spalinowym składają się: sprzęgło, skrzynia biegów, wał napędowy i/lub półosie z przegubami oraz przekładnia główna sprzężona kinematycznie z napędzanymi kołami. Wszystkie te elementy muszą być ze sobą elastycznie zestrojone, czyli tworzyć układ ulegający sprężystym odkształceniom skrętnym, które podczas jazdy na pierwszym biegu mogą dawać w sumie kątowe przemieszczenia dochodzące nawet do 90 stopni. Przy szybko zmieniającej się wartości przenoszonych momentów odkształcenia te przybierają postać drgań szkodliwych zarówno dla komfortu jazdy, jak i dla trwałości obciążanych nimi elementów.

Współczesne konstrukcje dwumasowych kół zamachowych ZF przeznaczone do samochodów osobowych i lekkich dostawczych (a, b, c, d)...

W konstrukcjach nowoczesnych samochodów występuje wiele czynników generujących te drgania bądź sprzyjających ich przenoszeniu się pomiędzy kolejnymi częściami układu napędowego. Należą do nich:

• coraz większe przyspieszenia kątowe wałów korbowych związane ze wzrostem intensywności procesów spalania w poszczególnych cylindrach;
• charakterystyki silników zapewniające dostarczanie wysokich momentów obrotowych przy stosunkowo niskiej częstotliwości obrotów;
• skrzynie biegów o coraz większej liczbie przełożeń (np. manualne 7-biegowe), smarowane coraz rzadszymi olejami dla redukcji ich wewnętrznych oporów.

Wszystko to w sumie oznacza konieczność efektywniejszego tłumienia drgań. W tradycyjnych układach napędowych wyposażonych w tarcze sprzęgłowe z tłumikami drgań skrętnych rezonans drgań własnych (tzw. 3. rezonansowa) przy włączonym biegu występuje najczęściej w zakresie częstotliwości 40–70 Hz, czyli odpowiadających najczęściej wykorzystywanym prędkościom obrotowym silników. Obniżenia częstotliwości występowania drgań rezonansowych poza zakres użytkowej prędkości obrotowej silnika przez odpowiednie zestrojenie tłumika drgań skrętnych w tarczy sprzęgłowej okazało się niemożliwe, więc konstruktorzy zaczęli szukać rozwiązania problemu na innej drodze.

...oraz ciężkich pojazdów użytkowych

Rezultatem tych prac jest dwumasowe koło zamachowe. Przy jego zastosowaniu 3 rezonansowa drgań własnych zawiera się w przedziale 6 do 20 Hz, czyli w zakresie 250 do 400 obr./min występujących wyłącznie podczas rozruchu silnika, a zdecydowanie poniżej prędkości obrotowej biegu jałowego. Tarcze sprzęgłowe ciężkich pojazdów użytkowych mają średnice do 430 mm, a 3 rezonansową drgań własnych mieści się dla nich pomiędzy częstotliwościami 30 a 50 Hz. Nie ma więc w tym wypadku konieczności stosowania dwumasowych kół zamachowych, choć i tu pozwalają one na lepsze wykorzystanie pełnego zakresu prędkości obrotowych na wyższych biegach.

Praktyczne działanie

Silniki współczesnych samochodów rozwijają momenty obrotowe umożliwiające jazdę już przy prędkości obrotowej wału korbowego wynoszącej od 800 do 1000 obr./min. Do wytłumienia drgań skrętnych powstających w tym zakresie prędkości obrotowej trzeba by w tarczy sprzęgłowej umieścić tłumik o małej sztywności skrętnej (rzędu 1Nm/°) lub zwiększyć znacząco moment bezwładności masy pomiędzy tym tłumikiem a skrzynią biegów. Obydwa te rozwiązania nie nadają się do praktycznej realizacji. Zbyt miękkie sprężyny tłumika pracowałyby hałaśliwie przy pełnym ugięciu, a zastosowanie dodatkowej masy sprzęgła przyniosłoby w konsekwencji nadmierne obciążenie skrzyni biegów i zmniejszenie komfortu zmiany jej przełożeń.

Zakresy występowania drgań rezonansowych przy jednomasowym i dwumasowym kole zamachowym

Inaczej rzecz wygląda przy zintegrowaniu tłumika drgań skrętnych z kołem zamachowym, złożonym z dwu sprężyście połączonych części. Pierwsza z nich, zwana masą pierwotną, jest osadzona sztywno na wale korbowym, druga zaś, czyli masa wtórna współpracująca ze sprzęgłem ciernym, może w pewnym zakresie przemieszczać się kątowo względem masy pierwotnej. Na tym właśnie polega rola DKZ w tłumieniu drgań.

Dwumasowe koła zamachowe zostały wprowadzone do seryjnej produkcji pod koniec lat osiemdziesiątych zeszłego stulecia, a obecnie stosowane są w układach przeniesienia napędu w około 75% produkowanych samochodów osobowych. Nie jest to podyktowane jedynie dążeniem do poprawy komfortu jazdy, lecz w głównej mierze wiąże się z techniczną specyfiką nowych generacji silników i skrzyń biegów, w tym także z coraz ostrzejszymi normami ekologicznymi.

Tłumik w tarczy sprzęgła czy w DKZ?

Zastosowanie DKZ umożliwia przeniesienie drgań rezonansowych znacznie poniżej prędkości obrotowej biegu jałowego, podczas gdy konstrukcja ze standardowym pojedynczym kołem zamachowym przenosi generowane przez silnik drgania do skrzyni biegów także w zakresie prędkości obrotowej około 1300 obr./min. Skutkiem tych drgań jest uderzanie o siebie zębów kół przekładni, czyli ich charakterystyczne klekotanie, nieprzyjemne dla podróżnych i szkodliwe dla trwałości zazębień.

Tłumiki drgań skrętnych w tarczach sprzęgłowych zostały ostatnio udoskonalone przez zastosowanie trzystopniowego tłumienia, co pozwoliło przesunąć zakres występowania drgań rezonansowych ku mniejszym prędkościom obrotowym, ale nie spełniło najnowszych wymogów wynikających ze wspomnianego już technicznego rozwoju silników i skrzyń biegów. O ile np. Mercedes 190 (W201) z 1992 roku z silnikiem D 2.0 przy 2700–3500 obr./min miał 75 koni mocy oraz moment obrotowy 126 Nm, o tyle współczesne samochody o tej samej pojemności silnika, np. BMW F30 320D, osiągają moc 184 koni oraz moment 380 Nm już pomiędzy 1750 a 2750 obr./min. Ewolucji tej towarzyszy nieuchronnie rosnąca uciążliwość drgań skrętnych generowanych przez nowsze silniki.

Porównanie skuteczności tłumienia drgań skrętnych przez tłumik sprężynowy w DKZ i w standardowej tarczy sprzęgłowej

Przeniesienie tłumika drgań skrętnych z tarczy sprzęgłowej do koła zamachowego oraz podzielenie tego ostatniego na dwie części (masy) pozwala tworzyć układy z mniejszym współczynnikiem sztywności sprężyn, czyli z bardziej elastycznym przenoszeniem momentu obrotowego oraz z kątami wzajemnego skrętu części układu napędowego dochodzącymi do 60 stopni. Ponadto zastosowanie specjalnych smarów umożliwia redukcję tarcia wewnętrznego oraz dodatkowe tłumienie hydrokinetyczne. Przekłada się to na możliwość jazdy z mniejszymi prędkościami obrotowymi na poszczególnych biegach, czyli na ograniczenie emisji spalin i zużycia paliwa nawet o 5%.

Nowe manualne skrzynie biegów również dostosowywane są konstrukcyjnie do współpracy z DKZ, umożliwiającej smarowanie przekładni olejami syntetycznymi o niższej lepkości i wprowadzanie nowoczesnych synchronizatorów wykorzystujących węglowe elementy cierne.

Skutki użycia zamiennika

Przy uwzględnieniu wszystkich wcześniej wymienionych okoliczności trudno zgodzić się z twierdzeniem, iż zastąpienie DKZ tzw. zestawem czteroelementowym jest dla pojazdu technicznie nieszkodliwe, a dla jego właściciela nawet finansowo korzystne. Błędność tej tezy potwierdza także praktyka warsztatowa dowodząca, że taka zamiana może w krótkim czasie doprowadzić do uszkodzenia bardzo kosztownych elementów układu przeniesienia napędu. Odczuwalne jest również pogorszenie komfortu jazdy, gdyż zastępcze zestawy z jednomasowym kołem zamachowym zdecydowanie różnią się od DKZ charakterystyką tłumienia drgań.

Proporcje momentów bezwładności po stronie silnika i skrzyni biegów przy DKZ i tradycyjnym kole zamachowym

Poza tym każdy silnik oraz układ przeniesienia napędu są zestrajane ze sobą nie tylko mechanicznie, lecz także pod względem oprogramowania elektronicznych sterowników. Konsekwencją zamiany fabrycznego DKZ na zestaw czteroelementowy powinno być zatem przeprogramowanie jednostki sterującej silnikiem, przede wszystkim w celu przyspieszenia obrotów biegu jałowego. Oprócz wspomnianego już negatywnego wpływu zastępczej konstrukcji na trwałość skrzyni biegów podobne konsekwencje dotyczą takich elementów pojazdu, jak przeguby napędowe, łożyska i zamocowanie całego zespołu napędowego.

Personel samochodowych warsztatów naprawczych oferujących wymianę części fabrycznych na "lepsze" ich zamienniki musi się liczyć z reklamacjami klientów skarżących się na niepokojące hałasy i wibracje, zwiększony opór pedału sprzęgła itp. Będą to pretensje niestety słuszne, gdyż w opinii specjalistów ZF zastosowana zamiana jest dla klienta po prostu niekorzystna.

Tweet

Grzegorz Fedorowicz
ekspert ZF Aftermarket