某高端皮卡離合踏板助力設計

陳健，黃從奎

(安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽合肥 230601)

某高端皮卡離合踏板助力設計

陳健，黃從奎

(安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽合肥 230601)

利用離合器分離特性曲線可以實現對助力式離合踏板助力結構的正向設計，確定助力最佳狀態的定義，并指出如何實現最佳狀態；通過建立踏板模型，對正向設計并達到助力最佳狀態的過程進行了詳細的闡述。確定影響死點、回位力、最大助力及最大助力行程的影響因素，通過調整彈簧剛度、彈簧初始角度及彈簧臂長度，實現助力的最佳設計狀態。依托現有某一離合系統及踏板結構，對整個設計過程作詳細解析。

離合器；助力特性；最佳助力狀態；最大助力；死點

0 引言

目前，國內絕大多數商用車都匹配的是手動變速箱。離合踏板作為手動變速箱車輛的標志性結構，其作用是將駕駛員的駕駛意圖傳遞至離合器，從而實現對動力傳動的控制。離合踏板是離合系統控制信息的入口，直接與駕駛員接觸，其舒適性直接影響整車操縱方便性。其舒適性主要體現在踏板力上，為符合人機工程設計，過大過小都不合適，過大則影響操作方便性，過小則影響踏板感覺。對于同一款離合器，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。對于商用車，發動機扭矩一般較大，離合器壓緊力和分離力也會比較大，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，通常會采用助力式離合踏板。

一般情況下助力式離合踏板都會采用扭轉彈簧作為助力來源，文獻[1]中僅僅對扭助力式離合踏板的工作原理、助力過程及影響因素進行了分析，并沒有講述如何正向設計出滿足要求的離合踏板，而是根據已經裝好后的離合踏板力進行試探性設計，往往需要多次測試才能確定最佳狀態。作者主要在文獻[1]的基礎上，論述如何依據離合器的分離特性，通過正向設計來保證離合踏板助力處于最佳狀態。

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起到壓緊彈簧和分離杠桿的作用，膜片彈簧結構如圖1所示，圖2為膜片彈簧離合器負荷特性曲線。

圖1 膜片彈簧

圖2 離合器負荷特性曲線

負荷特性曲線中，離合器正常工作點位于點B，在工作點時離合器壓盤已經存在一定的升程，保證離合器處于壓緊狀態。離合器在分離過程中離合器壓盤升程開始從點B逐漸增加，然后到點C，到點D時離合器完成分離，此過程中負荷力逐漸減小，到點C達到最低，然后逐漸增加。分離過程中離合器分離力(分離指上受到的壓力 )開始為0，逐漸線性增加到足以克服點B的壓緊力，此時壓盤沿著BCD運動，因膜片彈簧具有杠桿作用，點B以后分離力與負荷力成正比變化，離合器分離特性曲線如圖3所示。

圖3 分離特性曲線

對于整車來說，離合系統的杠桿比是確定的，若離合踏板無助力，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要求，即踩下踏板時能夠減輕踏板力，松開踏板時能夠正常回位。圖5為某車型扭簧式助力踏板的幾何模型，圖中點O為踏板臂旋轉中心，點A為彈簧臂的一固定點，點B為踏板臂上與另一彈簧臂連接點，圖中圓弧虛線為點B的軌跡。踏板的整個運動過程被分成回位區和助力區，回位區與助力區的交界即點B經過OA連線處為死點。在踏板的整個運動過程中，扭轉彈簧始終受到壓縮，在回位區，扭轉彈簧產生與踏板回位方向一致的力矩，起到回位作用；在助力區，扭轉彈簧產生與踏板回位方向相反的力矩，起到助力作用；在死點，扭轉彈簧受到最大壓縮，產生的力最大，但所產生力的方向經過踏板旋轉軸，對踏板無力矩產生。

圖5 某助力踏板模型

3 踏板助力設計

踏板助力設計過程中，一般需要考慮到的關鍵參數包括：回位力、死點位置、最大助力、最大助力行程等，這些參數的選取直接影響到助力效果[3]。因此，在助力設計時要選取合適的最大回位力、死點行程、最大助力、最大助力行程等使踏板助力處于最佳狀態。助力最佳狀態要滿足以下幾個條件：(1)回位力足夠克服系統阻尼；(2)死點位置位于踏板行程為30～40 mm范圍之內；(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(一般乘用車要求在90～110 N之間)。圖6所示為最佳狀態踏板曲線示意圖。

圖6 最佳狀態踏板曲線示意圖

(1)回位力。踏板在回位(尤其是快速回位)過程中，存在一定的阻尼，在接近上極限位置時踏板可能存在反方向的力，不能正常回位，綜合考慮阻尼及摩擦阻力，通常將最大回位力設置在5～15 N 之間。圖7給出了某一助力踏板上極限位置時的示意圖，此時回位力為最大值，根據三角函數相關規律，可以按下式計算最大回位力：

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

圖7 踏板運動示意圖

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

α=βX0/X

(3)最大助力及行程。設離合器最大分離力P1對應的分離行程為Y1，離合系統杠桿比為i，機械效率為η1，行程效率為η2，踏板自由行程為A0，則最大踏板力F1及其對應的踏板行程X1可由下式計算[4]：

由此便可確定所需最大助力(保證踏板力在90～110 N)及最大助力點對應的踏板行程。

依據模型可得到踏板在運動過程中，扭轉彈簧提供的助力公式[5]:

其中：γ為踏板轉過的角度。

依據以上理論，結合某一皮卡離合系統及踏板結構已經確定的參數(如表1所示)，初步取彈簧參數K=136 N/(°)、φ0=73.9°、R=45 mm，將表中數值代入相關公式得到：

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

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

表1 某一皮卡離合系統及踏板結構已經確定的參數

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，最大助力對應的踏板行程為113 mm，踏板行程為90 mm處對應的助力為15 N，由此可以看出該參數產生的助力并沒有達到最佳狀態，需要重新確定助力結構(扭轉彈簧)的參數。

4 助力結構參數的確定

利用現有某車型已經確定的離合系統參數及踏板結構進行彈簧參數的選取，主要包括彈簧剛度、彈簧初始角度和彈簧臂長度，以達到最佳助力狀態。

文獻[1]中已經給出彈簧剛度K和彈簧初始角度φ0對助力曲線的影響：彈簧剛度K只對彈簧助力的大小有影響，剛度越大助力也越大，對死點及最大助力點行程無影響；彈簧初始角度φ0對助力的大小及最大助力點行程有影響，角度越大，助力越大，最大助力點行程也越大，對死點位置無影響。

現分析彈簧臂長度對助力曲線的影響。分別取不同的彈簧臂長R，繪制圖9的助力曲線，可以看出：彈簧臂長R對回位力、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，最大助力對應的踏板行程也越大，對死點無任何影響。

圖9 不同R值助力曲線

以上幾項參數對助力死點位置沒有任何影響，即α完全決定了死點位置。較小的彈簧初始角度φ0及較小的彈簧臂長R可以減小最大助力對應的踏板行程。因此可以先選取合適的φ0和R值，使最大助力對應的踏板行程為97 mm左右，然后改變剛度K使最大助力達到20 N即可。

經過反復選取φ0和R值，最終獲取φ0=68°和R=38 mm時的助力曲線最大助力點踏板行程約為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，可見助力大小有點偏小，因助力大小與彈簧剛度K成正比，為了獲得20 N的助力，則剛度應取：

根據以上確定的參數重新繪制助力曲線，如圖11所示。

圖11 最佳狀態助力曲線

圖11顯示：最大回位力F0為15.6 N，死點對應的踏板行程X0為35 mm，最大助力F1為20 N，最大助力對應的行程X1為96 mm，滿足設計要求。圖12所示狀態即為踏板最佳狀態，成功應用于某款皮卡車型。

圖12 優化后踏板狀態

5 結論

(1)利用離合器的分離特性可以實現對離合踏板助力參數的正向設計，保證助力處于最佳狀態；

(2)死點位置由α值(踏板結構決定α值)確定，只要保證α值即可保證死點位置不受彈簧結構的影響；

(3)扭轉彈簧結構決定助力狀態，其主要參數包括剛度K、初始角度φ0和彈簧臂長R影響助力曲線，通過選取合適的彈簧參數即可實現最佳助力狀態。

文中給出了彈簧主要參數對助力曲線影響的方向，為助力踏板準確設計提供快速有效的解決方案。

[1]黃從奎，楊允輝，喻少高.扭轉彈簧在助力式離合踏板中的應用[J].汽車實用技術,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.汽車設計[M].北京：機械工業出版社,2007.

[3]徐石安，江發潮.離合器設計[M].北京：清華大學出版社,2005.

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

[5]濮良貴，紀名剛.機械設計[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，主要從事底盤設計、先進技術研究，CAE結構優化，整車項目開發和管理。E-mail：cjian8488@126.com。