CN101397977A - 一种弹簧助力系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种弹簧助力系统的设计方法，其中忽略踏板形状，将其简化为围绕踏板旋转点转动的直线，忽略扭转弹簧半径D_l因压缩或拉伸所产生的半径变化，并且忽略弹簧支撑臂的挠曲变形；建立弹簧对踏板的作用力T关于踏板转角θ、踏板长度a、弹簧在踏板支架上的安装点到踏板旋转点的距离L₁、弹簧在踏板上的安装点到弹簧在踏板支架上的安装点的距离L₂、弹簧刚度K以及拉压弹簧长度L或扭转弹簧的初始夹角α₀、扭转弹簧半径D_l和扭转弹簧支撑臂长度l的函数，建立起弹簧助力系统模型；根据弹簧助力系统模型设计弹簧助力系统。采用本发明的方法为设计弹簧助力系统提供了一种科学、准确、方便、快速而且普遍适用的方法。

Description

一种弹簧助力系统的设计方法

技术领域

本发明涉及一种弹簧助力系统的设计方法。

背景技术

排量为1.6L-2.0L的家用轿车的发动机扭矩一般都在150N.m-180N.m左右，为了保证发动机与传动机构的结合顺畅，离合压盘的压紧力也必须保证在3500N-4300N左右，从而导致离合压盘的分离力一般在150N左右，这样的离合踏板力对于整车的舒适性和平顺性的要求来说显然是过大的。一般来说，离合踏板力控制在90N-110N之间比较符合舒适性的要求，这个范围的踏板力既不会使使用者在频繁使用中感到不适，又能够保证有较好的脚感。为了能够达到这样的目的，一般来说要对离合踏板加以助力，由于所需助力的要求并不是很高，只需达到降低离合踏板力的10％左右的助力效果，并且满足频繁结合的使用条件，而且成本低，那么采用弹簧作为对离合踏板的助力部件成为了本领域普遍采用的主流方式。

虽然目前弹簧助力被广泛使用，但是在设计弹簧助力系统时，并没有定量的计算方法，仅仅是将不同的弹簧安装到踏板上，通过测试人员的踩踏来感觉其助力效果的好坏，从而确定弹簧助力系统的设计方案。这样的方法显然缺乏科学性和准确性，而且在设计过程中，对任何一个参数的改变都需要重新进行实验来验证其效果，所以整个设计过程中可能需要多次实验来验证采用不同参数的弹簧助力系统的助力效果，这样使得设计过程繁琐，另外仅通过测试人员的踩踏来感觉助力效果的好坏也不能为设计弹簧助力系统提供任何普遍适用的规律性数据。

发明内容

本发明的目的在于克服现有设计方法缺乏科学性和准确性、设计过程繁琐、不能普遍适用于进行各种弹簧助力系统设计的缺点。因此，需要提供一种科学、准确、方便、快速而且普遍适用的设计弹簧助力系统的方法，本发明提供了一种基于模型参数设计弹簧助力系统的方法。

本发明提供的基于模型参数设计弹簧助力系统的方法，其中首先建立模型：忽略踏板形状，将其简化为围绕踏板旋转点转动的直线，忽略弹簧半径D_l和拉压弹簧长度L因为压缩或拉伸所产生的变化，并且假设弹簧支撑臂不会发生挠曲变形；根据几何原理建立弹簧变形量

关于踏板转角θ、踏板初始角度β₀、弹簧在踏板支架上的安装点到踏板旋转点的距离L₁、弹簧在踏板上的安装点到弹簧在踏板支架上的安装点的距离L₂以及拉压弹簧长度L或扭转弹簧的初始夹角α₀、扭转弹簧半径D_l和扭转弹簧支撑臂长度l的函数，建立起函数1；根据弹簧受力分析建立弹簧对其在踏板上的安装点的作用力F_n关于弹簧变形量

和弹簧刚度K的函数，建立起函数2；根据几何原理建立弹簧对其在踏板上的安装点的作用力F_n对踏板旋转点的力臂L_n关于踏板转角θ、弹簧在踏板支架上的安装点到踏板旋转点的距离L₁、弹簧在踏板上的安装点到弹簧在踏板支架上的安装点的距离L₂以及拉压弹簧长度L或扭转弹簧的初始夹角α₀、扭转弹簧半径D_l和扭转弹簧支撑臂长度l的函数，建立起函数3；根据力矩平衡原理，将函数1、函数2和函数3代入等式4，得到弹簧对踏板的作用力T关于踏板转角θ、踏板长度a、弹簧在踏板支架上的安装点到踏板旋转点的距离L₁、弹簧在踏板上的安装点到弹簧在踏板支架上的安装点的距离L₂、弹簧刚度K以及拉压弹簧长度L或扭转弹簧的初始夹角α₀、弹簧半径D_l和扭转弹簧支撑臂长度l的函数，建立起弹簧助力系统模型；其中等式4表示为：T×L_p＝F_n×L_n，其中，T为弹簧对踏板的作用力，L_p为踏板力臂，近似为踏板长度a，根据建立的弹簧助力系统模型设计弹簧助力系统。

由于本发明的方法为弹簧对踏板的作用力T关于踏板转角θ、踏板长度a、弹簧在踏板支架上的安装点到踏板旋转点的距离L₁、弹簧在踏板上的安装点到弹簧在踏板支架上的安装点的距离L₂、弹簧刚度K以及拉压弹簧长度L或扭转弹簧的初始夹角α₀、扭转弹簧半径D_l和扭转弹簧支撑臂长度l建立了函数关系，在进行弹簧助力系统的设计时，可以根据实际空间需要选定多个参数中的部分参数，再设定其他参数的初始值，从而得到弹簧助力系统的初始模型，利用该初始模型与测得待安装助力系统的离合踏板的分离特性曲线的拟合，通过调整弹簧助力系统的参数达到所需的助力效果。

本发明的方法为设计弹簧助力系统的方法提供了一种具有普遍意义的定量方法，在设计过程中，无需进行多次车载验证，只需通过该模型利用数学方法就可以得出理论上合理的设计参数，一般只需要进行一次车载实验来验证其实际效果即可，从而使得设计过程变得方便而快速；另外，现有技术通过测试人员的感官来评价助力效果，由于每个个体存在较大差异，所有很难保证验证的准确性，本发明采用的定量方法相对于现有技术的定性方法更具科学性和准确性。

附图说明

图1是扭转弹簧助力系统的一种实施方式的结构分解图；

图2是根据本发明建立扭转弹簧变形量

关于踏板转角θ、踏板初始角度β₀、扭转弹簧支撑臂长度l、扭转弹簧在踏板支架上的安装点到踏板旋转点的距离L₁、扭转弹簧在踏板上的安装点到扭转弹簧在踏板支架上的安装点的距离L₂以及扭转弹簧半径D_l的函数的几何原理图；

图3是根据本发明建立扭转弹簧对其在踏板上的安装点的作用力F_n关于弹簧变形量

扭转弹簧的初始夹角α₀以及扭转弹簧刚度K的函数的受力分析示意图；

图4是根据本发明建立扭转弹簧对踏板旋转点的力臂L_n与踏板转角θ、扭转弹簧支撑臂长度l、扭转弹簧在踏板支架上的安装点到踏板旋转点的距离L₁、扭转弹簧在踏板上的安装点到扭转弹簧在踏板支架上的安装点的距离L₂以及扭转弹簧半径D_l的关系的几何原理图；

图5是根据本发明建立弹簧助力系统的力矩平衡关系的示意图；

图6是弹簧对踏板的作用力T与踏板转角θ的函数关系图示

图7是离合踏板的分离特性曲线、弹簧助力曲线以及两者的拟合曲线的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施方式作详细说明。

一般来说，弹簧助力系统主要包括踏板、踏板支架和弹簧，其中弹簧可以采用拉压弹簧或扭转弹簧踏板，并且扭转弹簧又包括双扭转弹簧和单扭转弹簧，采用这三种弹簧均可达到提供助力的目的，但是它们与踏板的安装方式不相同，相同部分是踏板的一端与踏板支架铰接，弹簧的一端与踏板支架固定连接，不同在于对于拉压弹簧和双扭转弹簧其另一端与踏板固定连接，对于单扭转弹簧其两端与踏板支架固定连接，单扭转弹簧特有的第三端与踏板活动连接。所述弹簧助力系统的工作原理是由踏板转动压缩弹簧使之产生形变，从而弹簧对踏板产生反作用力，为踏板提供支撑力或助力。图1示出了采用单扭转弹簧的弹簧助力系统，该系统主要包括踏板1、踏板支架2以及单扭转弹簧3，另外还包括用于将上述三部分之间的连接起来的螺栓和螺母(未标注)。

本发明提供的方法是对上述这种弹簧助力系统基于模型参数进行设计的方法，其中首先要建立模型。

将非数学问题抽象成为数学模型时，一般只考虑其主要因素，设置针对主要因素的参数，而不是考虑所有的因素，为所有因素设置参数，因为这样仅仅增加了计算的复杂度，对计算结果的准确度地提供并不一定有本质的改进。在本发明提供的方法中，首先要对基于不同弹簧的弹簧助力系统抽象出其共同的特征，建立普适的模型，为了便于考虑和计算，忽略踏板形状，将其简化为围绕踏板旋转点转动的直线，忽略弹簧半径D_l(针对扭转弹簧)和拉压弹簧长度L(针对拉压弹簧)因为压缩或拉伸所产生的变化，并且假设弹簧支撑臂不会发生挠曲变形。

根据几何原理建立弹簧变形量

关于踏板转角θ、踏板初始角度β₀、弹簧在踏板支架上的安装点到踏板旋转点的距离L₁、弹簧在踏板上的安装点到弹簧在踏板支架上的安装点的距离L₂以及拉压弹簧长度L或扭转弹簧的初始夹角α₀、扭转弹簧半径D_l和扭转弹簧支撑臂长度l的函数，建立起函数1；根据弹簧受力分析建立弹簧对其在踏板上的安装点的作用力F_n与弹簧变形量

以及弹簧刚度K的函数，建立起函数2；根据几何原理建立弹簧对其在踏板上的安装点的作用力F_n关于踏板旋转点的力臂L_n与踏板转角θ、弹簧在踏板支架上的安装点到踏板旋转点的距离L₁、弹簧在踏板上的安装点到弹簧在踏板支架上的安装点的距离L₂以及拉压弹簧长度L或扭转弹簧的初始夹角α₀、扭转弹簧半径D_l和扭转弹簧支撑臂长度l的函数，建立起函数3；将函数1、函数2和函数3代入等式4，得到弹簧对踏板的作用力T关于踏板转角θ、踏板长度a、弹簧在踏板支架上的安装点到踏板旋转点的距离L₁、弹簧在踏板上的安装点到弹簧在踏板支架上的安装点的距离L₂、弹簧刚度K以及拉压弹簧长度L或扭转弹簧的初始夹角α₀、扭转弹簧半径D_l和扭转弹簧支撑臂长度l的函数，建立起弹簧助力系统模型；其中等式4记为：

T×L_p＝F_n×L_n，

其中，T为弹簧对踏板的作用力，L_p为踏板力臂，近似为踏板长度a，根据建立的弹簧助力系统模型设计弹簧助力系统。

上述建立模型的方法既适用于采用拉压弹簧的情况，也适用于采用扭转弹簧的情况，两者的总体分析方法相同，但是由于两类弹簧的工作原理不同，则受力分析方法不同，因此根据两类弹簧受力分析建立的弹簧对其在踏板上的安装点的作用力F_n与弹簧变形量

以及弹簧刚度K的关系也就不同。

根据上述模型设计弹簧助力系统时，首先需要测定待安装助力系统的离合踏板的分离特性曲线，记为曲线1；再根据实际安装空间设定弹簧在踏板支架上的安装点到踏板旋转点的距离L₁、扭转弹簧在踏板上的安装点到扭转弹簧在踏板支架上的安装点的距离L₂以及踏板长度a；这些参数是使用上述模型设计弹簧助力系统的先决条件。具体设计弹簧助力系统时，具体方法是设定踏板初始角度β₀、弹簧刚度K以及拉压弹簧长度L或扭转弹簧的初始夹角α₀、扭转弹簧支撑臂长度l和扭转弹簧半径D_l的初始值；根据建立的弹簧助力系统模型，得到表示T和θ关系的弹簧助力曲线，记为曲线2；将曲线1与曲线2拟合，一般来说曲线1的横坐标通常以踏板行程来表示，而曲线2的横坐标通常以角度或弧度来表示，当拟合时，首先要将曲线1和曲线2的横轴坐标统一，其中踏板行程＝踏板长度×踏板转角的弧度值，然后将曲线1和曲线2的相同踏板行程(或角度或弧度)的所对应的作用力的数值相加，即实现了曲线1和曲线2的拟合，从而得到了带有助力的离合踏板的分离特性曲线，记为曲线3；调整踏板初始角度β₀、弹簧刚度K以及拉压弹簧长度L或扭转扭转弹簧的初始夹角α₀、扭转弹簧支撑臂长度l和扭转弹簧半径D_l中的至少一个，使曲线3的各点大于0并且最大极值最小，其中使曲线3的各点大于0保证了踏板的回复力的最小值大于0，以确保安装助力系统后踏板仍可正常回位，使曲线3的最大极值最小使得助力系统具有最佳的助力效果，从而确定踏板初始角度β₀、弹簧刚度K以及拉压弹簧长度L或扭转弹簧的初始夹角α₀、扭转弹簧支撑臂长度l和/或扭转弹簧半径D_l的终值，从而设计出弹簧助力系统。

当调整多个参数时，优选地要调整对助力效果影响较大且与空间关系不大的参数，而且一般来说调整尽量少的参数。对于拉压弹簧来说，优选地调整踏板初始角度β₀、弹簧刚度K或拉压弹簧长度L。对于扭转弹簧来说，优选地调整踏板初始角度β₀、弹簧刚度K或扭转弹簧的初始夹角α₀。

下面以采用扭转弹簧作为助力弹簧为例，说明本发明的方法的具体实施方式。图2示出了根据本发明建立扭转弹簧变形量

关于踏板转角θ、踏板初始角度β₀、扭转弹簧支撑臂长度l、扭转弹簧在踏板支架上的安装点到踏板旋转点的距离L₁、扭转弹簧在踏板上的安装点到扭转弹簧在踏板支架上的安装点的距离L₂以及扭转弹簧半径D_l的几何关系。根据余弦定理可以推出：

   等式1

图3示出了根据本发明建立弹簧对其在踏板上的安装点的作用力F_n与扭转弹簧变形量

扭转弹簧的初始夹角α₀以及扭转弹簧刚度K的函数的受力分析示意。根据弹簧受力分析可以得到：

    等式2

其中，扭转弹簧刚度K＝(E×D₁ ⁴)/(3667×d×n)，E是加工扭转弹簧的材料的弹性模量，如钢为206×103MPa，D₁是扭转弹簧半径，d是扭转弹簧簧丝的直径，n是扭转弹簧的有效圈数。

图4示出了根据本发明建立扭转弹簧对踏板旋转点的力臂L_n与踏板转角θ、扭转弹簧支撑臂长度l、扭转弹簧在踏板支架上的安装点到踏板旋转点的距离L₁、扭转弹簧在踏板上的安装点到扭转弹簧在踏板支架上的安装点的距离L₂以及扭转弹簧半径D_l的几何关系。根据正弦定理可以推出：

L_n＝(L₁+L₂)sinx   等式3

其中，x＝90°—c—(b—a)；

$a=\arccos \frac{L_m^2+{(L_1+L_2)}^2-L_1^2}{{2L}_m(L_1+L_2)};$

c＝arctg(D₁/l)；

将a、b、c的表达式代入等式3可得到扭转弹簧对踏板旋转点的力臂L_n与踏板转角θ、扭转弹簧支撑臂长度l、扭转弹簧在踏板支架上的安装点到踏板旋转点的距离L₁、扭转弹簧在踏板上的安装点到扭转弹簧在踏板支架上的安装点的距离L₂以及扭转弹簧半径D_l的几何关系。

图5是根据本发明建立弹簧助力系统的力矩平衡关系的示意图。根据力矩平衡原理：扭转弹簧对踏板的作用力T×踏板力臂＝F_n×L_n，其中踏板力臂变化率小可以近似为踏板长度a，将上述已知函数关系代入可以得到扭转弹簧对踏板的作用力T关于踏板转角θ、踏板长度a、扭转弹簧在踏板支架上的安装点到踏板旋转点的距离L₁、扭转弹簧在踏板上的安装点到扭转弹簧在踏板支架上的安装点的距离L₂、扭转弹簧半径D_l、扭转弹簧支撑臂长度l以及扭转弹簧刚度K的函数，即对扭转弹簧对踏板的作用力T建立了模型：

当0≤θ≤β₀时，

并且

当 ${\mathrm{\β}}_0\≤\mathrm{\θ}\≤\frac{\mathrm{\π}}{8.18}$ 时，

为了使表达式简化，将其一部分用u表示，其中

根据本发明的方法，在各个参数给定的情况下，可以得到如图6的弹簧对踏板的作用力T与踏板转角θ的函数关系图示。可以看出初始阶段，扭转弹簧产生回位效果，当到达某一点时，力的方向发生变化，开始产生助力效果，并且随着力臂的不断增加，将会产生一个助力的峰值。助力扭簧实际上前半段是阻力，后半段才是助力，不过由于离合踏板的特性，前期踏板力比较小，故增加的力感觉不到多少变化，反而是后期正好是离合压盘分离时，这时候的分离力比较大，而扭簧这时正好也能够提供这样的助力效果。当弹簧助力峰值与离合踏板的峰值在同一条纵轴上，会使助力效果最佳。

根据上述模型设计弹簧助力系统时，首先需要测定待安装助力系统的离合踏板分离特性曲线，如图7中曲线1所示；再根据安装空间设定弹簧在踏板支架上的安装点到踏板旋转点的距离L₁、扭转弹簧在踏板上的安装点到扭转弹簧在踏板支架上的安装点的距离L₂以及踏板长度a；这些参数是使用上述模型设计弹簧助力系统的先决条件。

具体设计弹簧助力系统时，具体方法是设定踏板初始角度β₀以及扭转弹簧刚度K、扭转弹簧的初始夹角α₀、扭转弹簧支撑臂长度l以及扭转弹簧半径D_l的初始值；根据建立的弹簧助力系统模型，得到表示T和θ关系的弹簧助力曲线，如图7中曲线2所示。

将曲线1与曲线2拟合，得到带有助力的离合踏板的分离特性曲线，如图7中曲线3所示；调整踏板初始角度β₀以及扭转弹簧刚度K、扭转弹簧的初始夹角α₀、扭转弹簧支撑臂长度l和扭转弹簧半径D_l中的至少一个，使曲线3的各点大于0并且最大极值最小，从而得到踏板初始角度β₀、扭转弹簧刚度K、扭转弹簧的初始夹角α₀、扭转弹簧支撑臂长度l和扭转弹簧半径D_l的终值，从而设计出弹簧助力系统。

当调整多个参数时，优选地要调整对助力效果影响较大且与空间关系不大的参数，而且一般来说调整尽量少的参数。对于扭转弹簧来说，优选地调整扭转弹簧的初始夹角α₀和/或扭转弹簧刚度K。

Claims (6)

1、一种弹簧助力系统的设计方法，其特征在于：

忽略踏板形状，将其简化为围绕踏板旋转点转动的直线，忽略弹簧半径D_l因压缩或拉伸所产生的半径变化以及弹簧支撑臂的挠曲变形；

根据几何原理建立弹簧变形量

关于踏板转角θ、踏板初始角度β₀、弹簧在踏板支架上的安装点到踏板旋转点的距离L₁、弹簧在踏板上的安装点到弹簧在踏板支架上的安装点的距离L₂以及拉压弹簧长度L或扭转弹簧的初始夹角α₀、扭转弹簧半径D_l和扭转弹簧支撑臂长度l的函数，建立起函数1；

根据弹簧受力分析建立弹簧对其在踏板上的安装点的作用力F_n关于弹簧变形量

和弹簧刚度K的函数，建立起函数2；

根据几何原理建立弹簧对其在踏板上的安装点的作用力F_n对踏板旋转点的力臂L_n关于踏板转角θ、弹簧在踏板支架上的安装点到踏板旋转点的距离L₁、弹簧在踏板上的安装点到弹簧在踏板支架上的安装点的距离L₂以及拉压弹簧长度L或扭转弹簧的初始夹角α₀、扭转弹簧半径D_l和扭转弹簧支撑臂长度l的函数，建立起函数3；

根据力矩平衡原理，将函数1、函数2和函数3代入等式4，得到弹簧对踏板的作用力T关于踏板转角θ、踏板长度a、弹簧在踏板支架上的安装点到踏板旋转点的距离L₁、弹簧在踏板上的安装点到弹簧在踏板支架上的安装点的距离L₂、弹簧刚度K以及拉压弹簧长度L或扭转弹簧的初始夹角α₀、扭转弹簧半径D_l和扭转弹簧支撑臂长度l的函数，建立起弹簧助力系统模型；

其中等式4表示为：

T×L_P＝F_n×L_n，

其中，T为弹簧对踏板的作用力，L_P为踏板力臂，近似为踏板长度a，

根据建立的弹簧助力系统模型设计弹簧助力系统。

2、根据权利要求1的方法，其中，

测定离合踏板的分离特性曲线，记为曲线1；

选定弹簧在踏板支架上的安装点到踏板旋转点的距离L₁、弹簧在踏板上的安装点到弹簧在踏板支架上的安装点的距离L₂以及踏板长度a；

设定踏板初始角度β₀、弹簧刚度K以及拉压弹簧长度L或扭转弹簧的初始夹角α₀、扭转弹簧支撑臂长度l和扭转弹簧半径D_l的初始值；

根据建立的弹簧助力系统模型，得到表示T和θ关系的弹簧助力曲线，记为曲线2；

将曲线1与曲线2拟合，得到带有助力的离合踏板的分离特性曲线，记为曲线3；

调整踏板初始角度β₀、弹簧刚度K以及拉压弹簧长度L或扭转弹簧的初始夹角α₀、扭转弹簧支撑臂长度l和扭转弹簧半径D_l中的至少一个，使曲线3的各点大于0并且最大极值最小，从而确定踏板初始角度β₀、弹簧刚度K以及拉压弹簧长度L或扭转弹簧的初始夹角α₀、扭转弹簧支撑臂长度l和扭转弹簧半径D_l的终值，从而设计出弹簧助力系统。

3、根据权利要求2的方法，其中，调整踏板初始角度β₀、弹簧刚度K和拉压弹簧长度L或扭转弹簧的初始夹角α₀中的至少一个，使曲线3的各点大于0并且最大极值最小。

4、根据权利要求1的方法，其中，所述弹簧为扭转弹簧，所述函数1由下式表示：

函数2由下式表示：

函数3由下式表示：

L_n＝(L₁+L₂)sinx，

其中，x＝90⁰—c—(b—a)，

$a=\arccos \frac{L_m^2+{(L_1+L_2)}^2-L_1^2}{{2L}_m(L_1+L_2)},$

c＝arctg(D₁/l)，

所述弹簧助力系统模型由下式表示：

当0≤θ≤β₀时，

并且

当 ${\mathrm{\β}}_0\≤\mathrm{\θ}\≤\frac{\mathrm{\π}}{8.18}$ 时，

其中

5、根据权利要求3的方法，其中，

测定离合踏板的分离特性曲线，记为曲线1；

选定扭转弹簧在踏板支架上的安装点到踏板旋转点的距离L₁、扭转弹簧在踏板上的安装点到扭转弹簧在踏板支架上的安装点的距离L₂以及踏板长度a；

设定踏板初始角度β₀、扭转弹簧刚度K、扭转弹簧的初始夹角α₀、扭转弹簧支撑臂长度l以及扭转弹簧半径D_l的初始值；

根据建立的弹簧助力系统模型，得到表示T和θ关系的扭转弹簧助力曲线，记为曲线2；

将曲线1与曲线2拟合，得到带有助力的离合踏板的分离特性曲线，记为曲线3；

调整踏板初始角度β₀、扭转弹簧刚度K、扭转弹簧的初始夹角α0、扭转弹簧支撑臂长度l和扭转弹簧半径D_l中的至少一个，使曲线3的各点大于0并且最大极值最小，从而得到踏板初始角度β₀、扭转弹簧刚度K、扭转弹簧的初始夹角α₀、扭转弹簧支撑臂长度l和扭转弹簧半径D_l的终值，从而设计出扭转弹簧助力系统。

6、根据权利要求5的方法，其中，调整扭转弹簧的初始夹角α₀和/或扭转弹簧刚度K使曲线3的各点大于0并且最大极值最小。

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