Osztályozás

A tengelykapcsolókat többféle szempont szerint lehet osztályozni.

Az erőátvitel módja szerint: 
- mechanikus (súrlódásos),
- hidraulikus (hidrodinamikus)

A mechanikus erőátvitelű tengelykapcsolók tovább csoportosíthatók:

• funkció szerint
       - zárva/nyitva állású,
       - alternatív (két továbbmenő tengely közül az egyik felé zárt, a másik felé nyitott),

• a súrlódó felületek alakja szerint:          - hengerpalást (dob),         - kúpfelület,         - sík felület (tárcsa), • a súrlódó testek anyaga szerint:          - fém fémen, olajban,         - súrlódóbetét fémen,          - fém - vaspor - fém, • a működtetés módja szerint:          - mechanikus,         - hidraulikus,         - villamos,

• a súrlódó felületek száma szerint:          - egytárcsájú,         - kéttárcsájú,         - soktárcsájú (lemez, lamella),  • az összeszorító erő forrása szerint:          - rugóerő,         - centrifugális erő,         - elektromágneses erő, • a vezérlés módja szerint:         - kapcsolás a gépkocsivezető lábával, rásegíŹtés nélkül,         - kapcsolás a gépkocsivezető lábával, rásegíŹtéssel,         - automatikus vezérlés.

.
Követelmények

A mechanikus tengelykapcsolónak az alábbi követelményeket kell kielégítenie:
- sima bekapcsolás (rángatás nélkül), 
- tökéletes és gyors kikapcsolás,
- zárt állapotban normális üzemi körülmények között ne legyen csúszás (szlip),
- a kapcsolás ne legyen fárasztó,
- dinamikus erőhatásokat (lengéseket) lehetőleg ne vigyen át,
- a váltómű tengelyével együtt forgó alkatrészek inerciája kicsi legyen,
- az összeszorító erő a kopástól független legyen, 
- a kapcsoló szerkezetet (talpcsapágyak!) csak oldott állapotban terhelje erő. 

Ezeken kívül természetesen a tengelykapcsolónak is meg kell felelnie azoknak az általános követelményeknek, melyeket a gépjármű minden szerkezeti egysége elé állítunk:
- üzembiztos működés,
- egyszerű és jól gyártható szerkezet,
- kis karbantartási igény (könnyű és tartós beszabályozathatóság, kenésigénytelenség, könnyű alkatrészcsere stb.).

Elvi felépítés

A főtengelykapcsolók elvi felépítése nagy változatosságot mutat. Dobfelületű mechanikus tengelykapcsolót főtengelykapcsolóként nem alkalmaztak, a kúpos tengelykapcsoló viszont meglehetősen elterjedt volt a század elején.

A súrlódó felületpárt központi rugó nyomja össze (a rajzon golyóscsapágyon keresztül). A tengelykapcsoló kétkarú emelő segítségével oldható, ami talpcsapágyon (a rajzon szintén golyóscsapágyon) keresztül viszi át a (kiemelő) erőt. A nagyobb súrlódás érdekében a kúppalástra súrlódó betétet (pl. bőrt) erősítettek.

Az átvihető nyomaték függ
- a kúpszögtől (de a szög nem lehet önzáró),
- az összeszorító (rugó)erőtől (de az sem növelhető bizonyos érték fölé a nagy felületi nyomás - melegedés, kopás! - miatt),
- az átmérőtől (de annak növelési lehetősége is véges).

A motorteljesítmény növekedésével a kúpos tengelykapcsolót kiszorította a tárcsás tengelykapcsoló. 

A bal oldali ábra egytárcsájú, száraz, központi rugós (a rajzon tekercsrugós) tengelykapcsoló vázlatát mutatja. Az átvihető nyomaték ugyanakkora átmérő esetén is nagyobb lehet, mint kúpos tengelykapcsolóval, mert az alkalmazott súrlódó betét nagyobb felületi nyomást bír el, s a kúphatást ellensúlyozza az, hogy két felületen ébred súrlódó nyomaték. 

A rugóerő növelésének természetesen itt is vannak korlátjai: a kiemeléshez szükséges pedálerő általában nem lehet több kb. 150 N-nál, a pedálút 100...150 mm-nél. 

A rugóerőt kétkarú emelők továbbítják a nyomólaphoz, a kiemelés itt is talpcsapágy (a rajzon golyóscsapágy) segítségével valósítható meg.

A központi rugó helyett gyakran több kis rugót építenek be, a kerület mentén egyenletesen elosztva.

A tekercsrugó helyett ma már legtöbbször tányérrugót alkalmaznak . Legfőbb előnye a tányérrugónak az, hogy egyszerűbb, és kedvezőbb tulajdonságú tengelykapcsoló kialakítását teszi lehetővé. A tányérrugó ugyanis szükségtelenné teszi a nyomólapot kiemelő, legalább három karból álló kiemelő mechanizmust. 

A tányérrugó működését egy < video és három vázlat mutatja. 

Az elsőn a tányérrugó szabadon van, mert a nyomólap nincs beépítve. A másodikon a nyomólap már a helyén van, a tányérrugó elő van feszítve, kúpossága csökkent, a tengelykapcsoló zárt állapotban van. A harmadikon kiemelt helyzet látható, a tányérrugó itt lapos. 

 
 
 
 
 

A tányérrugó speciális karakterisztikája (az F erő az x út függvényében először meredeken nő, majd - a bemetszések mélységétől és alakjától függően enyhén vagy erősen csökken, s végül megint elkezd nőni) megkönnyíti a tengelykapcsoló működtetését is. 

A bal oldali ábra a tekercsrugós tengelykapcsoló karakterisztikáját mutatja: két erő (az FP pedálerő és az FN nyomóerő) és két elmozdulás (pedál és a nyomólap) jellegét mutatja az idő függvényében.

A tekercsrugós tengelykapcsolóban – ha a pedált visszahúzó kis rugó erejétől eltekintünk – az FP pedálerő megjelenésével egyidejűleg csökken az FN nyomóerő, de elmozdulás addig nincs, míg a pedálerő - a pedál áttételét is figyelembe véve - teljesen át nem veszi a nyomórugók által kifejtett erőt. 

Ekkor elválik a nyomólap a surlódótárcsától, s a pedállal együtt mozog (XP = XN). A pedálra végig folytonosan növekvő erőt kell kifejteni. Legnagyobb az erőszükséglet a kinyomott tengelykapcsoló tartásakor.

Tányérrugós tengelykapcsolóban a pedálerő megjelenésével egyidejűleg kezdődik meg a pedálmozgás is. A pedálerő csak kis mértékben nő, egy idő múlva az erőszükséglet nem nő tovább, sőt csökken! A nyomólap természetesen itt is csak akkor mozdul meg (válik el a surlódótárcsától), amikor az FN erő nullára csökken.

Mint köztudott, a súrlóró betét kopik. Ebből a szempontból is különbség van a kétféle rugó viselkedésében. Tekercsrugó esetében a tárcsa vékonyodása következtében a szorító erő csökken. Könyebben lehet kiemelni, de könyebben csúszik meg nagy terheléskor.

Most nézzük meg közelebbről a tányérrugó viselkedését. A bal oldali ábrán a szemléletesség kedvéért erősen torzítva mutatjuk a tányérrugót (a valóságban sokkal kisebb a kúpossága). Mint látható, a korongra kifejtett erőt eleinte itt is lineárisan kell növelni ahhoz, hogy a kinyomó csapágyat jelképező piros korong mozogjon. Egy bizonyos út megtétele után azonban azt tapasztaljuk, hogy az erőigény csökken, majd folytathatjuk a korong tolását anélkül, hogy az erőt 4 kN fölé növelnénk, sőt a további mozgatáshoz mind kisebb erőre van szükség! Igaz, az erőszükséglet csak bizonyos határig csökken, majd x = 20 mm-hez közeledve megfordul, és ismét növekvő erő kell a korong további mozgatásához. Természetesen a tányérrugó másik vége a nyomólapot (barna téglalap) nyomja.

(Készítenek olyan tányérrugót is, igaz, nem tengelykapcsolókhoz, amelyiken a hosszú bevágások majdnem a peremig húzódnak. Ilyen tányérrugót nyomva nemhogy csökken az erőszükséglet, hanem bizonyos kiegyenesítés után a tányér "átpattan": negatív ( visszatartó) erőt kell kifejteni, ha nem akarjuk, hogy tovább mozogjon!)

A tányérrugót is természetesen előfeszítve kell a tengelykapcsolóba beépíteni. A lenti első ábrán ezt úgy úgy modellezzük, hogy 10 mm-nyit összenyomjuk a koronggal a rugót, majd balról egy gy alkatrészt toltunk be, amit ott rögzítünk. Ezután a korongot elengedjük (nem fejtünk ki rá erőt), a rugó természetesen befeszítve marad. Az Fo = 3 kN erő az ny nyomólap és a gy alkatrész között feszül.

Ha a korongra csak F = Fo = 3 kN erőt fejtünk ki (második ábra), akkor a gy alkatrész tehermentesül (már nincs erő, bár még hozzáér a rugó), de mozgás még nincs. Viszont semmi akadálya annak, hogy a korongot majd tovább mozgassuk, amihez fokozatosan csökkenő (!) erőre lesz majd szükség (figyeld a karakterisztikát). A tengelykapcsolóba beépített tányérrugónak azonban még egy felütközési lehetősége van: egy kinyúló cs csap, amihez a második ábrán még éppen csak hozzáér a tányérrugó, de erőt még nem fejt ki rá. 

A harmadik ábrán látható, hogy a korongot beljebb tolva a tányérrugó pereme felemelkedik az ny nyomólapról, s a korongra éppen kifejtett F’ erő a rugó másik oldalán már a cs csapra támaszkodik. Ez felel meg a tengelykapcsoló oldott állapotának. Ne felejtsük, hogy a kiemelt helyzethez tartozó F’ erő kisebb, mint a kinyomás megkezdéséhez szükséges Fo erő volt. Ez a tányérrugós tengelykapcsoló másik nagy előnye. 

Most térjünk vissza az első ábrához, ami a zárt tengelykapcsolót modellezi, nulla pedálerő mellett.  Tányérrugó esetén a bal oldali ábra alsó részén láthatjuk a kopás következményét, ami látszólag nem különbözik a tekercsrugós tengelykapcsolónál tapasztaltaktól: csökken a b vastagság, nő az a hosszúság, azaz a rugó "kirugózik". Azonban tányérrugó esetén a hatás ellenkező, mint tekercsrugó esetén. 

A fölső ábrasor utolsó (negyedik) tagja mutatja a "kopást": a "nyomólap" jobbra eltolódik a távolsággal, a korong b távol-sággal (ellenkező irányban). A diagramról leolvasható, hogy ez a b távolság kb. 0,5 kN-nal megnövelte az előfeszítés mértékét, ennyivel nehezebb lett a tengelykapcsoló oldása (tekercsrugó esetén könnyebb lett!). 

E probléma megoldására egy ötletes szerkezetet találtak ki. Míg a hagyományos tányérrugós tengelykapcsolókban a tányérrugó két oldalról való feltámasztására konzolok, illetve a konzolokhoz erősített gyűrűk szolgálnak, addig az új konstrukciójában erre a feladatra két különleges alkatrészt építettek be (jobb oldali ábra): balról egy különleges rugónak, jobbról egy különleges gyűrűnek támaszkodik a tányérrugó. 

A gyűrű (7) különlegessége az, hogy a házból kis mértékig ki tudna bújni, közeledni tudna a nyomólaphoz (2), ha nem lenne előtte a 6 tányérrugó. A támaszgyűrű ház felőli oldalán egy ferde felületű bütyök van kiképezve (lásd felülnézetben az A - A metszetet), amihez egy kis rugó (9) egy ugyancsak ferde felületű "éket" (8) szorít. 

A támaszrugó (5) különlegessége az, hogy némileg hasonlít egy tányérrugóhoz: meggörbített végű nyelvek nyúlnak befelé a tengely irányába azokon a helyeken, ahová a nyomólap feszítő gerincén e célból bemarásokat készítettek. A meggörbített rugóvégek nagy erővel szorítják a tányérrugót a 7 gyűrűhöz. A támaszrugó ereje úgy van méretezve, hogy a rugóvégek feszítő ereje pont akkora legyen, mint a tányérrugó előfeszítettsége azon a helyen - nem kopott súrlódóbetétek esetén! Ez azt jelenti, hogy a tengelykapcsoló oldásakor a rugóvégek nem mozdulnak, merev támaszként viselkednek ugyanúgy, mint eredetileg a konzolok.

Az alsó kép első ábráján látható a nem kopott súrlódóbetétekhez tartozó állás. Tegyük fel, hogy a súrlódóbetét erősen elkopott anélkül, hogy a tengelykapcsolót egyszer is oldottuk volna (második ábra): a tányérrugó kissé "kirugózott", azaz kúpossága megnőtt, amivel együtt jár a előfeszített erő megnagyobbodása. (Egyidejűleg a k kinyomó tárcsa - és a pedál - kijjebb került.) 

A lényeg azonban éppen abban van, hogy ott nem lesz hézag! A kis rugócska (9) ugyanis előre tolja az éket, ami viszont az ékhatás eredményeképpen a házból kitolja a gyűrűt, amint az a negyedik ábrán látható. Ez azt jelenti, hogy a tányérrugó mindkét oldalról megint ugyanúgy lesz megtámasztva, mint eredetileg volt. A pedál felengedésekor a tányérrugó nem tud tágulni, az előfeszítettsége (kúpossága) ugyanakkora lesz, mint új korában volt, tehát a legközelebbi kiemeléskor megint az eredeti nagyságú (kis) erőre lesz szükség.

A valóságban természetesen ez az automatikus utánállítás nem ilyen durva lépésben történik, hanem nagyon finoman, század, illetve ezredmilliméterenként. 
Érdekes megoldást mutat a bal oldali ábra. Itt mindkét rugótípus megtalálható. A két rugó beépítésekor ügyelni kell arra, hogy karakterisztikájuk kedvezően befolyásolja a működtetést. Ha a tányérrugó úgy kerül beépítésre, hogy a működési tartománya a degresszív szakaszba essen, akkor az a tekercsrugó monoton növekvő erejét ellensúlyozza: a gépkocsivezetőnek elegendő kis erővel nyomni a pedált.

Előfordul, hogy a tengelykapcsolóban két súrlódótárcsa van. Ennek két oka lehetséges:

a) Az átviendő nyomaték oly nagy, hogy azt egyetlen tárcsán nem lehet átvinni. Mint látható, mindkét surlódótárcsa egyazon tengelyen van.

b) Alternatív kapcsolásra alkalmazzák. Itt a tengelykapcsolóból két tengely jön ki, egy tömör és egy csőtengely. Mindkettőn egy-egy surlódótárcsa van. A közöttük lévő nyomólap vagy az egyiket, vagy a másikat szorítja össze, s ennek megfelelően vagy az egyik, vagy a másik tengelyre viszi át a motor nyomatékát, attól függően, hogy a rugó melyik oldalról támadja a kiemelő kar belső végét. 

Az ilyen típusú tengelykapcsolókat főleg a hidromechanikus sebességváltókhoz alkalmazzák: a csőtengely a hidrodinamikus tengelykapcsolót (vagy nyomatékváltót) hajtja, a másik tengely - kikerülve a rossz hatásfokú hidrodinamikus szerkezetet - közvetlenül a mechanikus szerkezetekhez vezeti a nyomatékot. Az ilyen tengelykapcsoló lehetővé teszi, hogy a hidrodinamikus gép csak indításkor vegyen részt a hajtásban, az üzemi sebesség elérésekor (magasabb sebességfokozatokban) nem.

A konstruktőröket mindig is izgatta, hogy adva van egy forgás, amivel együtt jár a centrufugális erő. Vajon lehet-e ezt az erőt a surlódótárcsa összeszorítására használni? 

Évtizedekkel ezelőtt divatos volt az ún. félcentrifugális tengelykapcsoló, amely mindössze annyiban különbözött az egyszerű tengelykapcsolótól, hogy a nyomólapot kiemelő karok tömegközéppontját oldalra eltolták: a kar végén lévő "röpsúly" hatására a centrifugális erő hatásvonala a csapágyazástól jobbra haladt, így a centrifugális erő nyomatéka növelte a szorítást. Ez a többleterő azonban a fordulatszámmal négyzetes arányban nőtt, ami nemhogy kedvező, de kimondottan káros volt. Ugyanis az összeszorító rugókat továbbra is úgy kellett méretezni, hogy az elegendő legyen kis fordulaton is megbízhatóan átvinni a motor nyomatékát. "Hála" a centrifugális erőnek, sebességváltáskor (előre kapcsoláskor) nehéz volt a tengelykapcsolót oldani.

De vannak olyan centrifugális tengelykapcsolók, melyben az összeszorítást teljesen a centrifugális erőre bízzák. 

A dobfékekre emlékeztető szerkezetben két "fékpofa" úgy van beépítve, hogy azok a centrifugális erő hatására - visszahúzó rugók ellenében - elmozdulhattak kifelé, s a dob belső felületére szorulva, nyomatékot vittek át a kimenő tengelyre. 

Ez a fajta tengelykapcsoló induláskor ideálisan viselkedik: a gázpedálra lépve meghatározott motorfordulaton kezd zárni, és simán elindítja a járművet. Sajnos, ezekkel nem lehet sebességet váltani, a nagy szorító erő miatt nem is próbálkoztak kiemelő karokkal. Bizonyos esetekben azonban ma is sikerrel alkalmazhatók. Vannak olyan "járművek" (mopedek, fűnyírók, kis teljesítményű gokartok stb.), melyek nem igényelnek sebességváltást. 

Viszont néhány évtizeddel ezelőtt divatban voltak az olyan tisztán centrifugális tengelykapcsoló-konstrukciók, melyeknek az oldása nem okozott gondot. Ma már ritkán alkalmazzák ezeket, de aki meg szeretne ismerkedni velük, lapozzon oda, vagy elemezze működésüket ( 1. analizis, 2. analizis).

Ugyanitt megismerkedhetnek egy másik, szintén egykor divatos tengelykapcsolóval, amely mágnespor és elektromos áram segítségével működött.