陳健，黃從奎

(安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230601)

某高端皮卡離合踏板助力設(shè)計(jì)

陳健，黃從奎

(安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230601)

利用離合器分離特性曲線可以實(shí)現(xiàn)對(duì)助力式離合踏板助力結(jié)構(gòu)的正向設(shè)計(jì)，確定助力最佳狀態(tài)的定義，并指出如何實(shí)現(xiàn)最佳狀態(tài)；通過(guò)建立踏板模型，對(duì)正向設(shè)計(jì)并達(dá)到助力最佳狀態(tài)的過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。確定影響死點(diǎn)、回位力、最大助力及最大助力行程的影響因素，通過(guò)調(diào)整彈簧剛度、彈簧初始角度及彈簧臂長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)助力的最佳設(shè)計(jì)狀態(tài)。依托現(xiàn)有某一離合系統(tǒng)及踏板結(jié)構(gòu)，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程作詳細(xì)解析。

離合器；助力特性；最佳助力狀態(tài)；最大助力；死點(diǎn)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)商用車(chē)都匹配的是手動(dòng)變速箱。離合踏板作為手動(dòng)變速箱車(chē)輛的標(biāo)志性結(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(duì)動(dòng)力傳動(dòng)的控制。離合踏板是離合系統(tǒng)控制信息的入口，直接與駕駛員接觸，其舒適性直接影響整車(chē)操縱方便性。其舒適性主要體現(xiàn)在踏板力上，為符合人機(jī)工程設(shè)計(jì)，過(guò)大過(guò)小都不合適，過(guò)大則影響操作方便性，過(guò)小則影響踏板感覺(jué)。對(duì)于同一款離合器，踏板力和踏板行程是矛盾體，即踏板力越大則踏板行程越小，踏板力越小則踏板行程越大。對(duì)于商用車(chē)，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩一般較大，離合器壓緊力和分離力也會(huì)比較大，則踏板力也比較大。由于駕駛室腿部空間有限，行程受限，因此為了降低踏板力，通常會(huì)采用助力式離合踏板。

一般情況下助力式離合踏板都會(huì)采用扭轉(zhuǎn)彈簧作為助力來(lái)源，文獻(xiàn)[1]中僅僅對(duì)扭助力式離合踏板的工作原理、助力過(guò)程及影響因素進(jìn)行了分析，并沒(méi)有講述如何正向設(shè)計(jì)出滿足要求的離合踏板，而是根據(jù)已經(jīng)裝好后的離合踏板力進(jìn)行試探性設(shè)計(jì)，往往需要多次測(cè)試才能確定最佳狀態(tài)。作者主要在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上，論述如何依據(jù)離合器的分離特性，通過(guò)正向設(shè)計(jì)來(lái)保證離合踏板助力處于最佳狀態(tài)。

1 離合器分離曲線

常用的離合器通常為膜片彈簧式離合器，膜片彈簧具有較為理想的非線性彈性特性[2]，在離合器中可以同時(shí)起到壓緊彈簧和分離杠桿的作用，膜片彈簧結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖2為膜片彈簧離合器負(fù)荷特性曲線。

圖1 膜片彈簧

圖2 離合器負(fù)荷特性曲線

負(fù)荷特性曲線中，離合器正常工作點(diǎn)位于點(diǎn)B，在工作點(diǎn)時(shí)離合器壓盤(pán)已經(jīng)存在一定的升程，保證離合器處于壓緊狀態(tài)。離合器在分離過(guò)程中離合器壓盤(pán)升程開(kāi)始從點(diǎn)B逐漸增加，然后到點(diǎn)C，到點(diǎn)D時(shí)離合器完成分離，此過(guò)程中負(fù)荷力逐漸減小，到點(diǎn)C達(dá)到最低，然后逐漸增加。分離過(guò)程中離合器分離力(分離指上受到的壓力 )開(kāi)始為0，逐漸線性增加到足以克服點(diǎn)B的壓緊力，此時(shí)壓盤(pán)沿著B(niǎo)CD運(yùn)動(dòng)，因膜片彈簧具有杠桿作用，點(diǎn)B以后分離力與負(fù)荷力成正比變化，離合器分離特性曲線如圖3所示。

圖3 分離特性曲線

對(duì)于整車(chē)來(lái)說(shuō)，離合系統(tǒng)的杠桿比是確定的，若離合踏板無(wú)助力，則踏板力、踏板行程分別與分離力、分離行程成正比，踏板力-行程曲線如圖4所示。

圖4 踏板力-行程曲線

2 踏板助力模型

踏板助力要滿足兩個(gè)要求，即踩下踏板時(shí)能夠減輕踏板力，松開(kāi)踏板時(shí)能夠正?；匚?。圖5為某車(chē)型扭簧式助力踏板的幾何模型，圖中點(diǎn)O為踏板臂旋轉(zhuǎn)中心，點(diǎn)A為彈簧臂的一固定點(diǎn)，點(diǎn)B為踏板臂上與另一彈簧臂連接點(diǎn)，圖中圓弧虛線為點(diǎn)B的軌跡。踏板的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程被分成回位區(qū)和助力區(qū)，回位區(qū)與助力區(qū)的交界即點(diǎn)B經(jīng)過(guò)OA連線處為死點(diǎn)。在踏板的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，扭轉(zhuǎn)彈簧始終受到壓縮，在回位區(qū)，扭轉(zhuǎn)彈簧產(chǎn)生與踏板回位方向一致的力矩，起到回位作用；在助力區(qū)，扭轉(zhuǎn)彈簧產(chǎn)生與踏板回位方向相反的力矩，起到助力作用；在死點(diǎn)，扭轉(zhuǎn)彈簧受到最大壓縮，產(chǎn)生的力最大，但所產(chǎn)生力的方向經(jīng)過(guò)踏板旋轉(zhuǎn)軸，對(duì)踏板無(wú)力矩產(chǎn)生。

圖5 某助力踏板模型

3 踏板助力設(shè)計(jì)

踏板助力設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般需要考慮到的關(guān)鍵參數(shù)包括：回位力、死點(diǎn)位置、最大助力、最大助力行程等，這些參數(shù)的選取直接影響到助力效果[3]。因此，在助力設(shè)計(jì)時(shí)要選取合適的最大回位力、死點(diǎn)行程、最大助力、最大助力行程等使踏板助力處于最佳狀態(tài)。助力最佳狀態(tài)要滿足以下幾個(gè)條件：(1)回位力足夠克服系統(tǒng)阻尼；(2)死點(diǎn)位置位于踏板行程為30～40 mm范圍之內(nèi)；(3)最大助力行程與最大踏板力行程重合，最大踏板力減去最大助力后在踏板力要求范圍之內(nèi)(一般乘用車(chē)要求在90～110 N之間)。圖6所示為最佳狀態(tài)踏板曲線示意圖。

圖6 最佳狀態(tài)踏板曲線示意圖

(1)回位力。踏板在回位(尤其是快速回位)過(guò)程中，存在一定的阻尼，在接近上極限位置時(shí)踏板可能存在反方向的力，不能正?；匚?，綜合考慮阻尼及摩擦阻力，通常將最大回位力設(shè)置在5～15 N 之間。圖7給出了某一助力踏板上極限位置時(shí)的示意圖，此時(shí)回位力為最大值，根據(jù)三角函數(shù)相關(guān)規(guī)律，可以按下式計(jì)算最大回位力：

式中：K為彈簧剛度；φ0為彈簧初始角度；R為彈簧臂長(zhǎng)即PA；α為OB與拐點(diǎn)線夾角；a為點(diǎn)B到點(diǎn)O的距離；b為點(diǎn)A到點(diǎn)O的距離；L為踏板臂長(zhǎng)度。

圖7 踏板運(yùn)動(dòng)示意圖

(2)死點(diǎn)位置。死點(diǎn)位置由圖中α角來(lái)決定的，只要確定了α值即確定了死點(diǎn)位置。一般死點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的踏板行程X0在30～40 mm之間，建議取35 mm，若踏板總行程為X，則全行程踏板臂轉(zhuǎn)過(guò)的角度β=X/L，則:

α=βX0/X

(3)最大助力及行程。設(shè)離合器最大分離力P1對(duì)應(yīng)的分離行程為Y1，離合系統(tǒng)杠桿比為i，機(jī)械效率為η1，行程效率為η2，踏板自由行程為A0，則最大踏板力F1及其對(duì)應(yīng)的踏板行程X1可由下式計(jì)算[4]：

由此便可確定所需最大助力(保證踏板力在90～110 N)及最大助力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的踏板行程。

依據(jù)模型可得到踏板在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，扭轉(zhuǎn)彈簧提供的助力公式[5]:

其中：γ為踏板轉(zhuǎn)過(guò)的角度。

依據(jù)以上理論，結(jié)合某一皮卡離合系統(tǒng)及踏板結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的參數(shù)(如表1所示)，初步取彈簧參數(shù)K=136 N/(°)、φ0=73.9°、R=45 mm，將表中數(shù)值代入相關(guān)公式得到：

(1)最大踏板力F1=121 N，最大踏板力對(duì)應(yīng)的行程X1=97 mm，因此確定需要的最大助力應(yīng)在20 N左右，最大助力行程為97 mm；

(2)助力死點(diǎn)α=5.88°。依據(jù)以上各參數(shù)及公式，利用MATLAB繪制出助力曲線如圖8所示。

表1 某一皮卡離合系統(tǒng)及踏板結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的參數(shù)

圖8 助力曲線

從圖中可以得到最大回位力為11.6 N，最大助力為17.1 N，最大助力對(duì)應(yīng)的踏板行程為113 mm，踏板行程為90 mm處對(duì)應(yīng)的助力為15 N，由此可以看出該參數(shù)產(chǎn)生的助力并沒(méi)有達(dá)到最佳狀態(tài)，需要重新確定助力結(jié)構(gòu)(扭轉(zhuǎn)彈簧)的參數(shù)。

4 助力結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

利用現(xiàn)有某車(chē)型已經(jīng)確定的離合系統(tǒng)參數(shù)及踏板結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈簧參數(shù)的選取，主要包括彈簧剛度、彈簧初始角度和彈簧臂長(zhǎng)度，以達(dá)到最佳助力狀態(tài)。

文獻(xiàn)[1]中已經(jīng)給出彈簧剛度K和彈簧初始角度φ0對(duì)助力曲線的影響：彈簧剛度K只對(duì)彈簧助力的大小有影響，剛度越大助力也越大，對(duì)死點(diǎn)及最大助力點(diǎn)行程無(wú)影響；彈簧初始角度φ0對(duì)助力的大小及最大助力點(diǎn)行程有影響，角度越大，助力越大，最大助力點(diǎn)行程也越大，對(duì)死點(diǎn)位置無(wú)影響。

現(xiàn)分析彈簧臂長(zhǎng)度對(duì)助力曲線的影響。分別取不同的彈簧臂長(zhǎng)R，繪制圖9的助力曲線，可以看出：彈簧臂長(zhǎng)R對(duì)回位力、最大助力及最大助力踏板行程都有影響，R越大，則回位力越小，最大助力越大，最大助力對(duì)應(yīng)的踏板行程也越大，對(duì)死點(diǎn)無(wú)任何影響。

圖9 不同R值助力曲線

以上幾項(xiàng)參數(shù)對(duì)助力死點(diǎn)位置沒(méi)有任何影響，即α完全決定了死點(diǎn)位置。較小的彈簧初始角度φ0及較小的彈簧臂長(zhǎng)R可以減小最大助力對(duì)應(yīng)的踏板行程。因此可以先選取合適的φ0和R值，使最大助力對(duì)應(yīng)的踏板行程為97 mm左右，然后改變剛度K使最大助力達(dá)到20 N即可。

經(jīng)過(guò)反復(fù)選取φ0和R值，最終獲取φ0=68°和R=38 mm時(shí)的助力曲線最大助力點(diǎn)踏板行程約為96 mm，如圖10所示。

圖10 選定φ0=68°和R=38 mm助力曲線

從圖10可以看出：最大助力為12 N，回位力為9.2 N，可見(jiàn)助力大小有點(diǎn)偏小，因助力大小與彈簧剛度K成正比，為了獲得20 N的助力，則剛度應(yīng)取：

根據(jù)以上確定的參數(shù)重新繪制助力曲線，如圖11所示。

圖11 最佳狀態(tài)助力曲線

圖11顯示：最大回位力F0為15.6 N，死點(diǎn)對(duì)應(yīng)的踏板行程X0為35 mm，最大助力F1為20 N，最大助力對(duì)應(yīng)的行程X1為96 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。圖12所示狀態(tài)即為踏板最佳狀態(tài)，成功應(yīng)用于某款皮卡車(chē)型。

圖12 優(yōu)化后踏板狀態(tài)

5 結(jié)論

(1)利用離合器的分離特性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)離合踏板助力參數(shù)的正向設(shè)計(jì)，保證助力處于最佳狀態(tài)；

(2)死點(diǎn)位置由α值(踏板結(jié)構(gòu)決定α值)確定，只要保證α值即可保證死點(diǎn)位置不受彈簧結(jié)構(gòu)的影響；

(3)扭轉(zhuǎn)彈簧結(jié)構(gòu)決定助力狀態(tài)，其主要參數(shù)包括剛度K、初始角度φ0和彈簧臂長(zhǎng)R影響助力曲線，通過(guò)選取合適的彈簧參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)最佳助力狀態(tài)。

文中給出了彈簧主要參數(shù)對(duì)助力曲線影響的方向，為助力踏板準(zhǔn)確設(shè)計(jì)提供快速有效的解決方案。

[1]黃從奎，楊允輝，喻少高.扭轉(zhuǎn)彈簧在助力式離合踏板中的應(yīng)用[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2015(12):108-111. HUANG C K,YANG Y H,YU S G.Application of Torsion Spring in Power-assisted Clutch Pedal[J].Automobile Technology,2015(12):108-111.

[2]王望予.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[3]徐石安，江發(fā)潮.離合器設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005.

[4]孫桓，陳作模，葛文杰，等.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2008.

[5]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2007.

DesignofPower-assistedClutchPedalforaHigh-endPickup

CHEN Jian，HUANG Congkui

(The Center of Technology of Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Hefei Anhui 230601,China)

Clutch characteristic curve can be used to realize the top-down design of power type clutch pedal dynamical structure,to determine the definition of the best power state, and to point out how to achieve the best condition. Through the establishment of pedal model, the top-down design and the achievement of the best power state were expounded.The factors influencing the dead, return force,the maximum power and the maximum power stroke were confirmed.By adjusting the spring stiffness, initial angle and spring arm length,the optimum design for the power state was realized. Relying on the existing clutch system and pedal structure, a detailed analysis for the whole design process was given.

Clutch; Assist characteristic; Best power state; Maximum power; Dead point

U463.211

A

1674-1986(2017)09-041-04

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.09.009

2017-04-18

陳健(1980—)，男，碩士，主要從事底盤(pán)設(shè)計(jì)、先進(jìn)技術(shù)研究，CAE結(jié)構(gòu)優(yōu)化，整車(chē)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)和管理。E-mail：cjian8488@126.com。