汪新偉

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 , 安徽 蕪湖 241003)

手動擋汽車因其成本、可靠性、經(jīng)濟性和安全性等方面的明顯優(yōu)勢，在微型轎車、低配車型和小型商用車中得到廣泛的應(yīng)用。離合器踏板是手動擋汽車離合器總成的操縱裝置，是汽車與駕駛員“人機”交互的重要機構(gòu)，在汽車起步、換擋、倒車和制動過程中，均需要駕駛員通過左腳控制離合器踏板來實現(xiàn)發(fā)動機和傳動系統(tǒng)的分離與結(jié)合[1]。

國內(nèi)某公司一款新開發(fā)經(jīng)濟型轎車在試驗過程中，其主觀評價人員提出在頻繁操作離合器踏板時，存在離合器踏板臂與腳尖干涉現(xiàn)象。本文從這一現(xiàn)象出發(fā)，詳細分析了離合器踏板臂與腳尖干涉問題出現(xiàn)的原因，并對踏板臂進行了優(yōu)化設(shè)計及分析驗證。對于其他新開發(fā)車型，建議在數(shù)據(jù)階段對離合器踏板臂進行此項校核分析，減少車輛開發(fā)后期出現(xiàn)此類問題的風(fēng)險，縮短車輛開發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

1 離合器踏板結(jié)構(gòu)及周邊布置

離合器踏板屬于離合器總成的操縱機構(gòu)，主要控制離合器總成中壓盤和從動盤的分離與結(jié)合，實現(xiàn)動力的中斷與連接。按操縱力的傳遞方式分為液壓式和機械式兩類，目前廣泛采用的為全液壓式結(jié)構(gòu)[2]。離合器踏板由踏板面、踏板臂、行程限位擋塊、行程調(diào)節(jié)螺栓、安裝板等構(gòu)成。安裝板通過螺栓固定于前圍板上，踏板臂上部通過轉(zhuǎn)軸與安裝板連接,并通過銷釘與離合器主缸推桿固定，其結(jié)構(gòu)與安裝如圖1所示。

圖1 離合器踏板結(jié)構(gòu)及周邊布置

汽車行駛過程中，離合器踏板一般位于高位，其上極限位置由行程調(diào)節(jié)螺栓確定。駕駛員左腳鞋底前部與踏板面接觸，需要離合器分離時，通過腳部運動踩下離合器踏板面，帶動踏板臂向下運動直至行程限位擋塊。在離合器分離過程中，腳尖與離合器踏板臂距離變小，若設(shè)計不合理會存在接觸及干涉現(xiàn)象，造成離合器分離不徹底、駕駛員勞動強度增加，直接關(guān)系到車輛的操控性、舒適性和安全性。

2 離合器踏板臂干涉問題分析及邊界優(yōu)化設(shè)計

2.1 確定離合器踏板臂及腳部運動軌跡

在離合器踏板向下運動過程中,踏板臂和踏板面的運動形式為轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)動軌跡由轉(zhuǎn)軸位置和限位機構(gòu)共同決定。人的腳部運動為復(fù)雜的平面運動,一方面腳前部隨踏板面旋轉(zhuǎn),另一方面腳后跟在地毯上滑動。目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)詳細描述這一運動過程，且不同駕駛?cè)藛T的操作方法不盡相同。采用韓國CES汽車工程公司推薦的標(biāo)準(zhǔn)進行腳部運動軌跡的模擬:1、離合器踏板下極限位置：以過AHP(加速踏板參考點)且與Y軸(車身橫向)平行的直線為旋轉(zhuǎn)軸線，旋轉(zhuǎn)人腳，使人腳與踏板面相切；2、離合器踏板上極限位置：沿X軸(車身縱向)正方向，平行移動人腳，使人腳與踏板面相切;3、離合器踏板中間位置:通過等分法做出腳尖點和腳踵點，形成腳部運動軌跡[3]。

通過此車型的人體腳部模型和離合器踏板數(shù)據(jù)做出人體腳部運動軌跡，測量發(fā)現(xiàn)，在離合器踏板被踩到下極限位置時，腳尖距離踏板臂最近，最小距離僅為6mm，如圖2所示。若零件在設(shè)計時公差設(shè)定偏大，制造時尺寸偏差較大，車輛在駕駛過程中會存在干涉風(fēng)險，實車試驗過程中評價人員也確實提出過此問題。

圖2 踏板臂與腳尖最小距離

2.2 離合器踏板臂邊界優(yōu)化

為消除干涉風(fēng)險，需使踏板臂向前側(cè)彎曲，增大踏板臂與腳尖最小距離。同時，為防止踏板臂被踩到下極限位置時壓到地毯，優(yōu)化后的踏板臂需要和地毯之間保留足夠安全的距離[4]。在數(shù)據(jù)模型上，使用樣條曲線擬合法確定踏板臂邊界。當(dāng)踏板臂處于下極限位置時，將地毯邊界和腳尖邊界偏移20mm作為優(yōu)化后的踏板臂界限，在此界限范圍內(nèi)取若干點，要求：1、踏板臂上部和主缸推桿連接處的點及踏板臂下部和踏板面連接處的點設(shè)為硬點，后期不再調(diào)整；2、中間若干點設(shè)在界限范圍內(nèi)，盡量保持踏板臂形狀。在 CATIA軟件中使用Spline樣條曲線連接這些點形成優(yōu)化后的踏板臂,如圖3所示。踏板臂距離腳尖和地毯均保持20mm以上安全距離，理論上可以消除干涉風(fēng)險。

圖3 踏板臂邊界優(yōu)化

3 優(yōu)化后踏板臂CAE分析

離合器踏板臂邊界優(yōu)化后的形狀發(fā)生改變，同時局部寬度減小3-5mm，在避免干涉風(fēng)險的同時需要評估強度和剛度風(fēng)險。在HyperWorks軟件中按照QC/788-2018《汽車踏板裝置性能要求和試驗方法》規(guī)定進行強度和剛度的CAE分析。

3.1 約束載荷設(shè)定

法規(guī)具體要求如下：1、剛度要求：將 300N 的縱向力施加到離合器踏板幾何中心點，踏板的縱向位移應(yīng)小于等于 5mm； 2、強度要求：將 800N 的縱向力施加到離合器踏板幾何中心點，踏板無裂紋或損壞等缺陷[5]。此車型離合器踏板材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235。根據(jù)模型尺寸計算所得其約束和加載情況如表1所示。

表1 離合器踏板分析約束及加載情況

3.2 分析計算結(jié)果

在HyperWorks軟件中對踏板臂及踏板面進行有限元網(wǎng)格劃分及約束載荷施加，計算其應(yīng)力及變形云圖,如圖4所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在踏板臂的優(yōu)化處，大小為120.5MPa，小于材料的屈服強度235MPa；最大變形出現(xiàn)在踏板面上，大小為1.6mm，踏板臂處的最大變形為 1.2mm，均小于規(guī)定的5mm，強度和剛度滿足要求。

圖4 離合器踏板應(yīng)力及變形云圖

4 優(yōu)化后實車驗證

經(jīng)軟件分析后踏板人機性能和強度剛度滿足規(guī)定要求，為確保設(shè)計質(zhì)量，分別采用主觀評價試驗和三萬綜合耐久性試驗進行驗證。

主觀評價試驗中，要合理選擇評價車輛和評價人員。將優(yōu)化后的踏板臂數(shù)據(jù)提供給供應(yīng)商制作樣件，將優(yōu)化前和優(yōu)化后的踏板分別裝在同一型號同一技術(shù)狀況的車輛A(原踏板臂)和車輛B(優(yōu)化后踏板臂)上。主觀評價人員要盡量覆蓋大部分目標(biāo)人群且有較為豐富的駕駛經(jīng)驗，所以要求：1、男女人數(shù)接近；2、身高從低到高分布均勻；3、有三年(3萬公里)以上駕駛經(jīng)驗。評價人員在事先不知道車輛A、B差異的情況下，駕駛車輛測評踏板臂和腳尖的干涉情況。選取20名評價人員，其評價結(jié)果如表2所示。

表2 主觀評價結(jié)果

可以看出，車輛B(優(yōu)化后踏板臂)的干涉感覺明顯減少，證明優(yōu)化邊界起到積極的效果。

三萬綜合耐久性試驗中，按照GB/T 12678-2021《汽車可靠性行駛試驗方法》，對車輛要求如下：1、樣車數(shù)量不低于兩輛，功能狀態(tài)及技術(shù)條件應(yīng)滿足設(shè)計任務(wù)書上的規(guī)定。2、樣車應(yīng)按照設(shè)計任務(wù)書要求裝配齊全，車輛載荷及載荷分布符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[6]。車輛在磨合線路、一般公路、山路、高速環(huán)道和強化路面以正常速度行駛?cè)f公里，通過目視檢查踏板臂的狀態(tài)。圖5(a)所示為試驗過程中車輛在皖南山區(qū)路面行駛的情況，圖5(b)所示為測試完成后拆解下離合器踏板目視檢查踏板臂的情況，沒有開裂或明顯變形現(xiàn)象，說明優(yōu)化后的離合器踏板臂強度和剛度滿足要求。

圖5 耐久性試驗及試驗完成后踏板臂

5 結(jié)束語

從某款新開發(fā)轎車在試驗過程中出現(xiàn)駕駛員腳尖與離合器踏板臂干涉的問題出發(fā)，通過數(shù)據(jù)分析模擬人體腳部移動過程，對離合器踏板臂的邊界進行了優(yōu)化，并對優(yōu)化后的強度和剛度進行了分析和驗證，優(yōu)化后的踏板強度和剛度滿足要求。新車型開發(fā)過程中離合器踏板臂在下極限位置時與腳尖存在干涉風(fēng)險，在早期數(shù)據(jù)設(shè)計階段，需要將此項風(fēng)險列入校核清單并進行邊界數(shù)據(jù)優(yōu)化、驗證，避免后期實車出現(xiàn)問題，降低研發(fā)成本。