黃從奎，楊允輝，喻少高（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

扭轉(zhuǎn)彈簧在助力式離合踏板中的應(yīng)用

黃從奎，楊允輝，喻少高
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

扭轉(zhuǎn)彈簧在離合踏板中可以有效降低踏板力。文中基于扭轉(zhuǎn)彈簧的結(jié)構(gòu)及助力原理，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，對扭轉(zhuǎn)彈簧的助力及回位過程進(jìn)行系統(tǒng)的分析和計(jì)算，獲得彈簧助力-踏板行程曲線以及初始安裝角α0、彈簧剛度K、彈簧初始角φ0對彈簧助力-踏板行程曲線的影響，驗(yàn)證了文中所使用扭轉(zhuǎn)彈簧對踏板的實(shí)際助力效果。結(jié)果表明，文中所使用的彈簧有效降低了實(shí)際離合踏板力，且與理論值接近。

扭轉(zhuǎn)彈簧；離合踏板；助力-行程曲線；助力

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.039

CLC NO.: U463.2Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2015)12-108-04

引言

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，人們對汽車的操縱方便性有了更高的要求，盡管現(xiàn)在越來越多的車輛使用自動變速箱，但其高昂的成本使其在短時間內(nèi)還無法普遍使用，因此市場上的很多車輛還在使用手動變速箱。離合踏板作為手動變速箱車輛標(biāo)志性的離合操縱結(jié)構(gòu)，其作用是將駕駛員的駕駛意圖傳遞至離合器，從而實(shí)現(xiàn)對車輛的控制，踏板力的大小直接影響到操縱方便性。一般情況下，對于乘用車，離合踏板力通常要求在90N-110N之間，過大影響操作方便性，過小則影響踏板感覺。對于一定的離合器總成，離合踏板力取決于離合器分離軸承的輸出力及操縱系統(tǒng)的傳動比，傳動比越大，踏板力則越小，但行程會有所增加。由于駕駛室空間有限，無法通過不斷加大杠桿比來降低踏板力，因此需要設(shè)置一些助力結(jié)構(gòu)來降低踏板力。

通常的助力結(jié)構(gòu)有氣壓式和機(jī)械式。其中氣壓式助力結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生較大的助力，一般用于踏板力很大的大型重型汽車上；機(jī)械式助力結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的助力有限（通?？梢蕴峁┰ぐ辶?20%-30%的助力），一般只使用在噸位較小的汽車上。機(jī)械式助力機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，較易實(shí)現(xiàn)，其主要助力部件通常采用彈簧，包括圓柱螺旋壓縮彈簧，圓柱螺旋扭簧等，本文主要講述圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧在離合踏板助力中的應(yīng)用及助力過程。

1、圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧

扭轉(zhuǎn)彈簧常用于壓緊、儲能和傳遞扭矩，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式，可分為內(nèi)壁扭轉(zhuǎn)彈簧、外臂扭轉(zhuǎn)彈簧、中心臂扭轉(zhuǎn)彈簧和雙扭簧。圓柱螺旋扭簧的主要幾何參數(shù)如圖1所示，包括中徑D、簧絲直徑d、簧臂長度L1、L2、有效圈數(shù)n及初始角φ0，力學(xué)性能參數(shù)主要有簧絲材料彈性模量E、剛度K、工作角度φ和扭矩T，對于給定幾何參數(shù)和已知材料的扭轉(zhuǎn)彈簧，其剛度K可由下式計(jì)算：

對于臂長L1、L2大于扭簧一圈的展開長度時，應(yīng)考慮彈簧的變形，此時剛度為：

扭轉(zhuǎn)彈簧在工作過程中的扭矩為：

圖1　彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文所采用的扭轉(zhuǎn)彈簧結(jié)構(gòu)如圖2所示，參數(shù)如1所示。其中彈簧材料為65Mn，彈性模量為211000MPa。

因彈簧一圈的展開長度 L0=π×D=84mm，大于簧臂長度，故剛度：

圖2　扭轉(zhuǎn)彈簧結(jié)構(gòu)

表1　彈簧參數(shù)

2、扭轉(zhuǎn)彈簧實(shí)現(xiàn)助力的原理

扭轉(zhuǎn)彈簧在踏板中主要有兩個方面的作用，其一為在踩離合踏板時提供助力以減輕踏板力，其二為松開踏板時提供一定的回位力，保證踏板的正?；匚?。該功能主要是依靠扭轉(zhuǎn)彈簧對踏板彈力的方向和杠桿原理來實(shí)現(xiàn)的，圖3為扭轉(zhuǎn)彈簧實(shí)現(xiàn)功能要求的原理簡圖。圖中A點(diǎn)為踏板臂旋轉(zhuǎn)軸，B點(diǎn)為彈簧安裝銷，AC為踏板臂，DE為彈簧安裝支架，C點(diǎn)為踏板力作用點(diǎn)，D為彈簧支架與踏板臂焊接點(diǎn)，彈簧臂1與B點(diǎn)相連，彈簧臂2與E點(diǎn)相連，其中彈簧一直處于壓縮狀態(tài)。當(dāng)在C點(diǎn)施加一定的力使踏板臂繞著A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，E點(diǎn)也會繞A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，帶動扭轉(zhuǎn)彈簧繞B點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，同時扭轉(zhuǎn)彈簧發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。E點(diǎn)的軌跡為繞A點(diǎn)的圓弧，AB連線在F點(diǎn)將軌跡分成左右兩部分，其中左側(cè)為助力區(qū)，右側(cè)為回位區(qū)，F(xiàn)為拐點(diǎn)。

回位區(qū)：壓縮的扭轉(zhuǎn)彈簧對B點(diǎn)和E點(diǎn)的作用力大小相等、方向相反且沿著BE點(diǎn)的連線，對于E點(diǎn)，力的方向指向A點(diǎn)，對A點(diǎn)產(chǎn)生順時針方向的力矩，該力矩使踏板臂繞著A點(diǎn)順時針方向運(yùn)動，使踏板正?；匚?。

拐點(diǎn)：當(dāng)E點(diǎn)運(yùn)動到F點(diǎn)時，E點(diǎn)的受力方向在AB的連線上，通過A點(diǎn)，則不會產(chǎn)生任何力矩作用。

助力區(qū)：當(dāng)E點(diǎn)運(yùn)動到該區(qū)域時，E點(diǎn)的受力對A點(diǎn)產(chǎn)生逆時針的力矩，使踏板臂產(chǎn)生向下的運(yùn)動，對踏板施加助力。

通過扭轉(zhuǎn)彈簧臂及旋轉(zhuǎn)軸的相對位置關(guān)系，可有效實(shí)現(xiàn)助力和回位的作用。

圖3　扭轉(zhuǎn)彈簧助力原理簡圖

3、扭轉(zhuǎn)彈簧在踏板中的助力分析

根據(jù)前述的助力原理分析，結(jié)合某皮卡車型離合踏板的實(shí)際運(yùn)用，對扭轉(zhuǎn)彈簧的助力過程進(jìn)行分析。

圖4　離合踏板

分析前對扭轉(zhuǎn)彈簧工作過程進(jìn)行如下假設(shè)：

（1）運(yùn)動過程中，踏板各部件彈性形變忽略不計(jì)，彈簧除外。

（2）彈簧受力時，彈簧各圈中心始終在同一條直線上。

（3）彈簧受力點(diǎn)距彈簧中心始終為同一固定距離。

基于以上三點(diǎn)假設(shè)，對該踏板運(yùn)動中扭轉(zhuǎn)彈簧的工作過程進(jìn)行分析。離合踏板結(jié)構(gòu)如圖4所示，按照1:1的比例將踏板簡化成如圖5所示的簡圖，圖中O為踏板旋轉(zhuǎn)軸，P為彈簧中心，A為彈簧臂1的安裝點(diǎn)，B為彈簧臂2安裝點(diǎn)，O點(diǎn)到B點(diǎn)的距離為a，到A點(diǎn)的距離為b，直線OA與直線OB的夾角為α。

圖5　扭轉(zhuǎn)彈簧助力簡圖

在某一位置時，兩彈簧臂安裝點(diǎn)相對P點(diǎn)的夾角φ可由下述公式求出：

對于整個扭轉(zhuǎn)彈簧來說，彈簧受力點(diǎn)只有兩彈簧臂的安裝點(diǎn)A和B，力的方向沿著兩安裝點(diǎn)的連線，并指向另一安裝點(diǎn)，取B點(diǎn)進(jìn)行分析，將該處的力F分解成BP方向F1和垂直該方向F2，則：

對于踏板，在B點(diǎn)的力方向與F相反，大小與F相同，O點(diǎn)到該方向所在直線的垂直。

距離h=a×cos ∠ABP ，則扭轉(zhuǎn)彈簧對踏板的扭矩為：M=-F×h，其中負(fù)號表示扭矩方向?yàn)轫槙r針方向。

該扭矩轉(zhuǎn)換到踏板上的力：ΔF=M/L，其中L為踏板臂長。

若以X表示踏板行程，β表示踏板臂旋轉(zhuǎn)角，α0表示初始狀態(tài)（圖示位置即踏板上限位置）時OA與OB的夾角，則有：

根據(jù)實(shí)際踏板，以上各參數(shù)的值分別為：a=81mm，b=106mm，L=341.6mm，α0=4°，帶入可以得到初始位置（β=0）時彈簧施加給踏板的力：

即踏板在初始位置時，扭轉(zhuǎn)彈簧給踏板提供8.66N的回位力。

根據(jù)以上各式，利用 matlab繪制出彈簧助力-踏板旋轉(zhuǎn)角曲線，如6圖所示：

圖6　彈簧助力-踏板旋轉(zhuǎn)角曲線

從圖6中可以看出：

當(dāng)β＜4°時，彈簧助力為負(fù)值，表示彈簧起回位作用，踏板處于回位區(qū)，在 β=0時（初始位置），回位力最大，為8.66N，隨著β的增大，回位力逐漸減?。?/p>

當(dāng)β=4°時，α=0°，直線OA與OB位于同一直線，彈簧助力為零，踏板處于拐點(diǎn)位置，此時彈簧仍處于壓縮狀態(tài)，但對踏板力不起作用；

當(dāng)β＞4°時，彈簧助力為正值，表示彈簧起助力作用，踏板處于助力區(qū)，隨著β的增大助力逐漸增大，當(dāng)β達(dá)到17.5°時，助力達(dá)到峰值17N，隨后助力逐漸減小。

由于踏板行程與踏板臂旋轉(zhuǎn)角度成線性關(guān)系，可以直接獲得彈簧助力-踏板行程曲線，如圖7所示，最大助力點(diǎn)對應(yīng)的踏板行程在90mm附近。

圖7　彈簧助力-踏板行程曲線

4、影響助力曲線的因素

為了確定彈簧助力曲線的影響因素，分別以初始夾角α0、彈簧剛度K和彈簧初始角φ0為變量進(jìn)行分析。

1）初始夾角α0：因?yàn)閍、b由踏板本體結(jié)構(gòu)決定，為定值，OA與OB的初始夾角α0可以通過調(diào)整踏板上下限位置進(jìn)行調(diào)整，分別取不同的α0，繪制成彈簧助力-踏板行程曲線，如圖8所示：

圖8　不同初始夾角彈簧助力-踏板行程曲線

圖8中可以看出α0對回位力大小、拐點(diǎn)位置及最大助力點(diǎn)位置有影響，α0越大，回位力越大，拐點(diǎn)行程也越大，最大助力點(diǎn)行程也較大，但最大助力值不受影響α0的影響。

2）彈簧剛度K：彈簧剛度是彈簧結(jié)構(gòu)的最終體現(xiàn)，因此取不同的剛度K，繪制成彈簧助力-踏板行程曲線，如圖9所示：

圖9　不同彈簧剛度彈簧助力-踏板行程曲線

圖9中可以看出，彈簧剛度K只對彈簧助力的大小有影響，剛度越大，同一行程處的助力（回位力）越大，對其拐點(diǎn)及最大助力點(diǎn)行程均無影響。

3）彈簧初始角 φ0：彈簧初始角對彈簧的剛度無影響，但對助力過程有一定的影響，取不同的彈簧初始角φ0，繪制成彈簧助力-踏板行程曲線，如圖10所示：

圖10　不同彈簧初始角彈簧助力-踏板行程曲線

圖10中可以看出，彈簧初始角度φ0對回位力的大小、最大助力的大小及最大助力點(diǎn)行程都有影響，越大，回位力越大，最大助力也越大，最大助力點(diǎn)行程也越大，對拐點(diǎn)位置無影響。

5、助力效果檢查

離合踏板受離合器膜片彈簧彈性特性曲線非線性的影響，踏板力-踏板行程曲線也為非線性。為了使彈簧助力作用處于最佳狀態(tài)，需要了解離合踏板在沒有裝助力彈簧時的踏板力和行程關(guān)系，確定最大踏板力所對應(yīng)的踏板行程。圖11為所測得的無助力簧時某皮卡車型離合踏板的踏板力-踏板行程曲線。

從圖11中可以看出，最大踏板力為119N，其位置位于踏板行程95mm左右處，為了保證助力簧的助力作用處于最佳狀態(tài)，彈簧最大助力點(diǎn)應(yīng)與圖中踏板力最大位置（95mm）處。根據(jù)前述分析（見圖），彈簧最大助力位置在 X=90mm處，基本上與踏板力-踏板行程曲線的最大力位置重合，及助力簧助力作用取得較好的狀態(tài)。

圖11　無彈簧時踏板力-踏板行程曲線

將助力彈簧裝到該踏板上，并測量踏板力。一般情況下，我們只關(guān)心離合踏板力的最大值，因此只需測量踏板力最大值即可，無需測量踏板力-踏板行程曲線。測量結(jié)果如表2所示：

表2　助力彈簧作用下的踏板力

從表2中的測量結(jié)果來看，在助力簧的作用下，踏板力達(dá)到104N，處在90N～110N之間，達(dá)到了乘用車關(guān)于離合踏板力的要求。助力簧所提供的助力為15N，基本上符合理論值，說明該彈簧的剛度K、彈簧初始角度φ0及初始夾角α0能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

6、結(jié)論

1）扭轉(zhuǎn)彈簧安裝方式可以在踏板中實(shí)現(xiàn)助力和回位作用，有效降低踏板力，提高踏板舒適性和方便性；

2）扭轉(zhuǎn)彈簧的助力效果受到初始安裝角度α0，彈簧的剛度K，彈簧初始角度φ0的影響，設(shè)計(jì)踏板及扭轉(zhuǎn)彈簧時需要根據(jù)具體的踏板力和踏板行程的關(guān)系來確定；

3）本文所設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)彈簧的助力-踏板行程曲線滿足設(shè)計(jì)要求，有效降低踏板力15N，使皮卡踏板力接近乘用車水平。

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Application of Torsion Spring in Power-Assisted Clutch Pedal

Huang Congkui, Yang Yunhui, Yu Shaogao
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Effort of clutch pedal can be reduced by torsion spring. Based on the structure and power-assisting principle of torsion spring, and combined with practical applications,this article discussed working process of torsion spring and showed the curve of assisted power-travel. Assisted power-travel curvewill be influenced by initial installation angle α0, spring stiffness K and initial spring angle φ0. The effect of effort reducing by torsion spring also wasverificated in this article. The conclusion showed that clutch pedal force was reduced to design requirement and agreed with theoretical value by the torsion spring.

torsion spring; clutch pedal; Assisted power-travel curve; Power-Assisted

U463.2

A

1671-7988（2015）12-108-04

黃從奎，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心。