Dylemat: DKZ czy K4P?

Fot. Valeo

Firma Valeo, lider w produkcji oryginalnych sprzęgieł na pierwszy montaż (OE), jako jedyny na rynku dostawca oferuje szeroką, kompleksową ofertę dwóch rodzajów sprzęgieł, pozwalającą dobrać odpowiednie rozwiązanie do konkretnych potrzeb.

Szacuje się, że wartość sprzedaży sprzęgieł do aut osobowych stanowi około 4% całej wartości rynku części samochodowych. Z punktu widzenia częstotliwości napraw sprzęgło wymienia się lub naprawia pięciokrotnie rzadziej (średni współczynnik wymiany 4) niż np. hamulce (współczynnik 20). Zakładając, że ilość samochodów w danym kraju to 10 mln, zatem rocznie ok. 2 mln będzie miało naprawiane hamulce, a tylko 400 tys. sprzęgło. Jednak taka naprawa sprawia, że użytkownik pojazdu zaczyna myśleć bardziej racjonalnie ze względu na złożoność procesu wymiany/naprawy (czas), jej koszt (części + robocizna) oraz zapewnienie trwałości podzespołu.

Od czasu wprowadzenia na rynek dwumasowego koła zamachowego (DKZ) trwa dyskusja i ciągną się spory wokół zagadnienia „korzyści a koszty eksploatacji i obsługi”.

Rys. 1.Budowa sprzęgła K4P

Mimo niewątpliwych zalet, związanych głównie z komfortem podróżowania, DKZ ma również istotne wady.Ujawniają się one szczególnie po większym przebiegu pojazdu i są bezpośrednio związane ze sposobem i warunkami jego eksploatacji. Trudno oczekiwać, aby nowe sprzęgło z kołem dwumasowym zamontowane w wysłużonym samochodzie wytrzymało ten sam przebieg, co w nowym. Żywotność spada proporcjonalnie do stanu auta i trzeba się z tym liczyć. Składa się na to wiele czynników, takich jak: stan silnika (równomierność jego pracy uzależniona od stanu wtryskiwaczy, stopnia sprężania w poszczególnych cylindrach itp.), stan skrzyni biegów wraz z elementami napędowymi (luzy wynikające ze zużycia) czy stan elementów zawieszenia jednostki napędowej (poduszki silnika i skrzyni).

Rys. 2. Szczegóły konstrukcji sprzęgła K4P

Kierowcy, którzy pokonują znaczne przebiegi w trudnych, miejskich warunkach bądź preferują oszczędny styl jazdy na niskich obrotach, mieli okazję przekonać się, że wymiana na komplet nowego sprzęgła z kołem dwumasowym nie pozwala powtórzyć przebiegu zrobionego za pierwszym razem. Zaczynają się wówczas zastanawiać, co zrobić, aby uniknąć rosnących kosztów napraw i eksploatacji.

Oferta Valeo

Valeo jest producentem dwóch rodzajów sprzęgieł.

Pierwszy z nich to klasyczne koło dwumasowe, które zalecaca się stosować w samochodach stosunkowo młodych, pokonujących nieduże przebiegi w mieszanych warunkach oraz dla kierowców ceniących fabryczne rozwiązania, których nie przekonują argumenty przemawiające za drugim typem.

Rozwiązanie drugie – to opatentowany przez Valeo zestaw K4P. Koło dwumasowe zastąpiono w nim sztywnym, klasycznym kołem zamachowym, skojarzonym z nowoczesnym sprzęgłem wyposażonym w tarczę zawierającą tłumki drgań skrętnych o dużym ugięciu kątowym.

Rys. 3. Porównanie sprzęgła K4P z dwumasowym kołem zamachowym

Rozwiązanie to, w zamian za drobną zmianę charakterystyki pracy, pozwala na płynne funkcjonowanie układu: sprzęgło – koło zamachowe tak samo jak w przypadku DKZ. Jednocześnie wyższa jest jego odporność na uszkodzenia termiczne i mechaniczne, co pozwala uniknąć kosztownych napraw, jakie wiążą się z eksploatacją kół dwumasowych. Ten rodzaj sprzęgła będzie zatem odpowiedni dla osób intensywnie użytkujacych swój samochód (taxi, transport) oraz kierowców, którzy preferują oszczędny styl jazdy na niskich obrotach i nie chcą się zastanawiać, jak eksploatować pojazd, by przedłużyć żywotność DKZ.

Rys. 4. Podatność różnych rodzajów sprzęgieł na elastyczne przemieszczenia skrętne

K4P poleca się więc do samochodów o znacznym stopniu wyeksploatowania oraz tych, które pochodzą z rynku wtórnego. Warto zaznaczyć, że każdy zestaw K4P został zaprojektowany do konkretnego modelu samochodu i uwzględnia jego charakterystykę, wrażliwość układu napędowego itp. Rozwiązanie zastosowano po raz pierwszy kilkanaście lat temu w samochodach madryckiej korporacji taksówkowej.

Powstało wiele nieobiektywnych opinii dyskredytujących tę alternatywną do DKZ technologię. W tym artykule jako producent z doświadczeniem w konstrukcji obu rozwiązań staramy się wykazać różnice pomiędzy DKZ i K4P, pozostawiając użytkownikowi wybór zgodny z jego oczekiwaniami i charakterystyką pojazdu.

DKZ

DKZ charakteryzuje się niewątpliwymi zaletami i doskonale spełnia swoje zadanie – sprawnie i płynnie przekazuje moment obrotowy do skrzyni biegów i dalej – na koła. Tłumiąc drgania skrętne wału korbowego i uniemożliwiając ich przenoszenie na skrzynie biegów, zwiększa komfort podróży. Do wad można zaliczyć niewielkie tylko uwzględnianie różnorodności stylów jazdy i warunków, w jakich pojazd jest eksploatowany. Parametry sprzęgła są skonfigurowane pod charakterystykę fabrycznie nowego silnika i innych podzespołów i zapewne stąd biorą się opinie o krótkiej żywotności. DKZ jest relatywnie delikatnym mechanizmem, składającym się z wielu części poddawanych przeciążeniom termicznym i mechanicznym. W trosce o żywotność dwumasowych kół zamachowych ich producenci oficjalnie zalecają określony styl jazdy. Wielu kierowcom to nie przeszkadza, a nawet sprzyja, jednak w innych przypadkach przeszkadza i jest nieakceptowane.

K4P

Z konstrukcyjnego punktu widzenia zasadnicza różnica między układem sprzęgła z DKZ i K4P wiąże się z umiejscowieniem tłumików drgań skrętnych. Dla DKZ miejscem tym jest koło zamachowe, dla K4P – tarcza sprzęgła (rys 1 i 2).

Przeniesienie tłumików z koła (DKZ) do tarczy sprzęgła (K4P) sprawia, że rezonans powstały w układzie napędowym występuje w innych zakresach prędkości obrotowej. Każdy układ przeniesienia napędu charakteryzuje współczynnik zdolności przenoszenia momentu obrotowego T (ang. transmissibility) który stanowi stosunek poziomu wibracji skrzyni biegów do poziomu wibracji silnika. Wartość współczynnik większa od 1 oznacza podwyższony poziom głośności pracy skrzyni biegów. Konstruktorzy dbają o to, aby współczynnik ten był mniejszy od 1 (rys. 5).

Rys. 5. stosunek poziomu wibracji skrzyni biegów do poziomu wibracji silnika

W przypadku DKZ najwyższą wartość rezonansu udało się przenieść poza zakres obrotów użytecznych (poniżej obrotów biegu jałowego), ale jego niższe wartości nadal są obecne w zakresie użytecznym.

Dla K4P rezonans występuje w zakresie użytecznym (ok. 2000 obr./min), jednak jego zakres jest mniejszy, przez co układ napędowy pozostaje pod jego wpływem stosunkowo krótko i w zasadzie tylko podczas przyśpieszania (w momencie przejścia silnika przez ten wąski zakres obrotów), jako że zarówno prędkości ekonomiczne (poniżej 2000 obr./min), jak i przejazdowe i autostradowe (powyżej 2000 obr./min) są poza tym zakresem. Jak widać, taki rozkład sprzyja ekonomicznej lub dynamicznej jeździe. W przypadku DKZ ekonomiczna jazda z niskimi prędkościami obrotowymi silnika powoduje przyśpieszone zużycie koła, ponieważ układ pozostaje w sferze permanentnego rezonansu. Jazda na wyższych obrotach jest natomiast jak najbardziej bezproblemowa.

Kolejnym czynnikiem, w opinii wielu osób znacząco odróżniającym DKZ od K4P, jest stopień filtrowania wibracji generowanych przez silnik, a raczej wał korbowy. Charakterystyka pracy silnika korbowo-tłokowego powoduje, że wał korbowy charakteryzuje się nierównomiernością pracy, co objawia się charakterystycznymi drganiami skrętnymi (z ang. acyclism). Drgania te zależą od liczby cylindrów (mniejsza lub nieparzysta ich liczba niekorzystnie wpływa na poziom drgań). Znaczenie mają tu: liczba, częstotliwość i kolejność suwów pracy silnika oraz stan układów zasilania i zapłonowego. Zdolność tłumienia drgań skrętnych jest w obu rozwiązaniach bardzo zbliżona i nie ma reguły, które robi to lepiej.

Zjawisko to zostało pokazane na wykresie (rys. 6). Wynika z niego, że gdy wskaźnik obrotów w samochodzie wskazuje obroty około 950 obr./min, w rzeczywistości wał korbowy ulega chwilowym opóźnieniom i przyśpieszeniom w zakresie 850–1100 obr./min kilkanaście razy na sekundę, co odczuwamy jako wibracje. W przykładzie tym tłumiki redukują wibrację o blisko połowę.

Rys. 6. Redukcja wibracji jako efekt pracy tłumików

Prawdopodobieństwo awarii koła dwumasowego (rozpatrujemy cały zestaw: koło + sprzęgło) jest o 60% większa niż w przypadku K4P. Główną przyczynę stanowi niska odporność termiczna DKZ. Drgania są jedynie pośrednią przyczyną – wymuszają stałą pracę tłumików, które, choć smarowane, poddawane są tarciu. Tarcie zaś, jak wiadomo – to podwyższona temperatura pracy. Tłumiki DKZ poruszają się w prowadnicach i w trakcie obrotów koła poddawane są sile odśrodkowej, która wypycha je na zewnątrz, dociska do prowadnicy i powiększa tarcie. Następuje wzrost temperatury, prowadzący do zmęczenia sprężyn, zmiany charakterystyki tłumienia i zużycia DKZ.

Smar do kół dwumasowych ma punkt topnienia (z ang. dropping point) poniżej 300°C. Temperatura na kole dwumasowym wytwarzana podczas tłumienia drgań oraz standardowego ruszania nie przekracza tej granicy. Jeżeli jednak dołożymy wielokrotne załączanie sprzęgła w krótkim czasie (długotrwałe manewry na ciasnym parkingu, jazda w ulicznych korkach lub próby wyjazdu z zaspy śnieżnej), temperatura ta zostanie z pewnością przekroczona – czasem nawet dwukrotnie (rys. 7).

Rys. 7. Wpływ wielokrotnego załączania sprzęgła na wzrot temperatury

W powyższej sytuacji następuje „przegrzanie” smaru znajdującego się w bezpośrednim sąsiedztwie powierzchni ciernej DKZ, co powoduje utratę jego właściwości. A im gorsze smarowanie, tym większe tarcie, jeszcze wyższa temperatura i przyśpieszone zużycie DKZ. Często prowadzi to do całkowitego zniszczenia tłumików (popękanie) i de facto pozbawienia możliwości tłumienia drgań.

Problem ten nie istnieje w sprzęgłach K4P, ponieważ ich tłumiki są umieszczone w tarczy i dodatkowo izolowane przez okładzinę cierną. Okładzina absorbuje jedynie około 10% wytworzonego ciepła, reszta jest transferowana do koła zamachowego i docisku. Dodatkowo, tłumiki wykonane są z prostych sprężyn i nie wymagają prowadnic, a tym samym – smarowania. Temperatura wytwarzana podczas pracy sprzęgła K4P nie wywiera więc negatywnego wpływu na pracę tłumików.

Drugim elementem DKZ podlegającym zużyciu jest łożysko łączące masę pierwotną z wtórną, umożliwiające ich wzajemny obrót. Stosowane są dwa rodzaje łożysk: ślizgowe oraz kulkowe. Obydwa podlegają zużyciu tym szybszemu, im bardziej wyeksploatowana jest piasta tarczy i wieloklin wałka sprzęgłowego. Jest to kolejny element, który uzależnia żywotność DKZ od stylu i warunków jazdy. W rozwiązaniu K4P takie łożysko w ogóle nie występuje.

Obiegowe stwierdzenia, że DKZ pozwala osiągnąć niższe spalanie w porównaniu z DKZ są nieprawdziwe. Spalanie zależne jest (w odniesieniu do sprzęgła) od bezwładności tego elementu, a dla obydwu rozwiązań bezwładność ta jest identyczna lub zbliżona. Wyniki spalania pojazdów wyposażonych w DKZ i K4P nie różnią się od siebie.

Podsumowanie

Valeo, oferując równolegle DKZ oraz K4P na potrzeby OEM/OES i dla niezależnego rynku części zamiennych, daje swoim klientom wolny wybór. Oferta zestawów K4P jest ograniczona do przypadków, w których ich zalety okazują się korzystne dla użytkownika pojazdu, co potwierdzono wynikiem szeregu testów – zarówno drogowych, jak i laboratoryjnych.