CN107239605A

CN107239605A - 一种汽车离合器踏板力‑位移计算方法

Info

Publication number: CN107239605A
Application number: CN201710371908.7A
Authority: CN
Inventors: 陈超; 上官文斌
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: Ningbo Hongxie Corp ltd
Priority date: 2017-05-24
Filing date: 2017-05-24
Publication date: 2017-10-10
Anticipated expiration: 2037-05-24
Also published as: CN107239605B

Abstract

本发明公开了一种汽车离合器踏板力‑位移计算方法，包括步骤：利用有限元软件仿真获得已设计的离合器膜片弹簧小端的力‑位移特性曲线数据；提取离合器操作系统中各零部件设计参数；计算并绘制出离合器踏板的力‑位移等相关特性曲线；利用某一瞬时坐标变换和受力关系求解并绘制出影响离合器踏板舒适性能的关键曲线；根据离合器踏板操纵舒适性原则，对离合器本身参数及操纵机构各参数进行优化，得到理想的离合器踏板力‑位移曲线。本发明可用于在产品开发阶段指导离合器及其操纵系统参数的设定及优化，使离合器及其操纵系统更好的满足汽车驾驶的舒适及稳定性能，解决离合器踏板沉重及离合器打滑等问题。

Description

一种汽车离合器踏板力-位移计算方法

技术领域

本发明涉及一种汽车离合器踏板力-位移计算方法。具体的说是通过将计算方法做成计算面板模式，在汽车离合器及离合器踏板等操纵机构设计阶段快捷且清晰的得到对应离合器踏板操纵舒适性和稳定性情况，进而优化设计参数。

背景技术

传统的手动离合器以价格低廉、驾驶性能较好且维修方便等优势，在未来相当长的一段时间内仍将大量使用。但是随着城市汽车保有量的急剧增加，交通拥堵状况日渐严重，使汽车行驶过程中离合器踏板的使用次数也急剧增加。人们对离合器踏板的操纵舒适性和稳定性提出了越来越高要求。

离合器及其操纵系统的设计参数对汽车离合器踏板的操控性及舒适性具有至关重要的作用。由于离合器踏板与驾驶员脚部直接接触并控制着发动机动力的输出，因此直接影响着驾驶员的操纵舒适性、工作效率和安全。国内外对离合器操纵系统的研究较少，并且少有人对整个操纵系统的整体设计和优化提出过有效的方法。

目前国内离合器及其操纵系统的设计与开发，仍按照经验数据进行设计-匹配-修改-再匹配的模式进行，在设计阶段无法准确得到离合器踏板力-位移的大小，其操纵舒适性能也就无法进行准确预估和评价。因此产品开发周期较长，成本高，与整车匹配较差，不能做到量化分析与设计。工厂生产出来的离合器及其操纵系统由于匹配不当，容易产生离合器踏板沉重、抖动、操纵感不强、离合器打滑等问题，严重影响汽车驾驶的舒适性能、稳定性能和产品的开发周期。

发明内容

本发明提供一种汽车离合器踏板力-位移计算方法。该计算方法对离合器及其操纵系统进行了数学建模和仿真计算，为离合器操纵系统的正向开发提供设计依据，为产品优化提供参考数据，取代了传统按经验开发的模式。本申请将产品设计参数带入此计算方法中计算并绘制出相应的特性曲线，按照特性曲线的数值对整个系统的舒适性和稳定性能进行评估，若系统设计不合理，可直接在软件界面修改优化某些设计参数，方便易行，使离合器及其操纵系统在设计阶段获得理想的设计参数，更好的与整车进行匹配。

本发明通过如下技术方案实现：

一种汽车离合器踏板力‐位移计算方法，包括以下计算步骤：

1)利用有限元仿真得到离合器分离特性曲线：利用有限元软件仿真得到所设计离合器膜片弹簧小端力‐位移数据，即液压分离轴承S_F与分离力F_S之间的关系曲线；

2)建立坐标系并收集离合器操纵机构设计参数，根据所设计的离合器操作机构，以踏板臂旋转点为坐标原点，建立坐标系OXY，选定机构各关键点原始位置依次为P₀、P₁₀、P₂₀、P₃₀、P₄₀、P₅，其中P₀、P₅为不动点，在三维数模中可以测出各点原始位置坐标 P_i(x_i,y_i)(i＝0,10,20,30,40,5)，在运动过程中各关键点位置依次变为P₀、 P₁、P₂、P₃、P₄、P₅，其对应的动态坐标为P_i(X_i,Y_i)(i＝0,1,2,3,4,5)，为需要求解的变量，提取机构中其它部件的设计参数，作为计算过程中的已知参数；

3)根据步骤2)所得数据计算并绘制出离合器踏板的力‐位移曲线；

4)：向Matlab软件编写的GUI界面导入相关数据，利用某一瞬时坐标变换和受力关系，依次求解并绘制出影响离合器踏板舒适性能的关键曲线；

5)根据绘制得到的离合器踏板的力‐位移曲线以及离合器踏板操纵舒适性及可靠性原则，对离合器操纵机构各设计参数及离合器本身设计参数进行调整优化，使对应的影响离合器踏板舒适性能的关键曲线与离合器踏板的力‐位移曲线更好的匹配，得到理想的离合器踏板力‐位移曲线，从而解决离合器踏板沉重及离合器打滑问题。

进一步地，步骤2)中所述关键点包括：踏板臂旋转中心点P₀，踏板面踩踏点P₁，主缸与主缸推杆铰接点P₂，主缸推杆与踏板臂的铰接点P₃，扭簧臂与踏板臂铰接点P₄，扭簧与踏板支架组件的铰接点P₅。

进一步地，所述步骤3)基于向量原则建立矩阵方程，即在踏板机构动态运动过程中，首先求出各点某一瞬时的动态坐标，利用坐标向量可以求出各关键点的受力方向，，避免了复杂的求解计算过程，使计算公式更加通用化和简单化。

进一步地，所述步骤3)具体计算步骤如下：

31)命名各变量名称，表示从点P_i指向点P_j的向量；表示向量模长；表示向量与向量之间的夹角；表示向量与X 轴之间的夹角，液压分缸总行程为d₁、液压力为Fc,液压主缸总行程为 d₂、液压力为F2；

32)定义4个列矩阵，其中X为待求解的坐标矩阵，Y为已知的各点距离矩阵，F、F_V为各对应点受力矩阵，F_1z表示助力弹簧等效到踏板上的助力：

X＝[X₁,Y₁,X₂,Y₂,X₃,Y₃,X₄,Y₄,d₂]^T Y＝[L₀₁,L₀₂,L₂₃,L₀₃,L₀₄,S_F]^T

F＝[F₁,F₂,F₃₂,F₃,F_1z]^T F_V＝[F_S,F₄]^T

33)求解操纵机构中拨叉与液压系统在某一瞬时P₂点坐标位置，其坐标变换矩阵为：

A₁X＝B₁Y+C₁

34)求解液压主缸活塞推杆端点P₃某一瞬时坐标位置，其坐标变换矩阵为：

A₂X＝B₂Y

35)求解踏板臂上P₁、P₄点某一瞬时坐标位置，其坐标变换矩阵为:

A₃X＝B₃Y

36)求解操纵机构各点某一瞬时受力情况，其中δ为判断系数，受力分析矩阵为

M·F＝N·F_V

进一步地，步骤4)中所述影响离合器踏板舒适性能的关键曲线包括：踏板行程‐分离轴承位移曲线S₁-S_F、踏板行程‐助力弹簧助力曲线S₁-F_1Z、踏板行程‐动态杠杆比曲线S₁-i₁₂、踏板行程‐踏板力曲线S₁-F₁。

进一步地，步骤1)中，所述利用有限元软件计算离合器膜片弹簧小端分离力‐位移数据的步骤具体包括：在离合器开发阶段，将所设计的包括离合器膜片弹簧、波形片、支撑环、压盘的三维数模另存为.stp格式并导入限元软件中，设定对应的材料弹性模量、泊松比、密度、边界条件、载荷并赋予二阶精度的四面体网格进行有限元仿真；提取仿真结果中膜片弹簧小端的分离力和分离位移对应的数值，并存于excel表格中，即为离合器分离轴承端部的力‐位移数值。

进一步地，步骤2)中，所述提取离合器操作机构各部件的设计参数的步骤具体包括：在踏板机构的UG数模中以离合器踏板臂旋转点为中心，建立WCS参考坐标系OXYZ，提取五个关键点原始位置参数P_i(x_i,y_i)(i＝0,10,10,30,40,5)，并根据操纵机构液压系统的设计参数，将其作为原始已知参数。

进一步地，所述踏板行程-分离轴承位移曲线S₁-S_F表征踏板行程对应的分离轴承位移大小；所述踏板行程-助力弹簧助力曲线S₁-F_1Z表征踏板不同行程位置对应的助力弹簧助力峰谷值与踏板力峰谷值匹配关系；所述踏板行程-动态杠杆比曲线S₁-i₁₂表征踏板不同行程位置对应的机构的动态杠杆比例；所述踏板行程-踏板力曲线S₁-F₁表征踏板不同行程位置对应的踏板力大小。

相比现有技术，本发明可用于在产品开发阶段指导离合器及其操纵系统参数的设定及优化，使离合器及其操纵系统更好的满足汽车驾驶的舒适及稳定性能，解决离合器踏板沉重及离合器打滑等问题。

附图说明

图1是对离合器膜片弹簧进行CAE仿真获得的分离特性曲线图。

图2是对离合器踏板机构数模进行二维数学模型简化并取特殊点位置图。

图3是拨叉与液压机构某一瞬时力-位移分析示意图。

图4是液压主缸推杆力-位移分析示意图。

图5是踏板臂及扭簧力-位移分析示意图。

图6是助力扭簧力-位移分析示意图。

图7是扭簧式助力弹簧离合器操纵机构简图。

图8是利用Matlab仿真出来的踏板行程-分离轴承位移曲线 S₁-S_F。

图9是利用Matlab仿真出来的踏板行程-助力弹簧助力曲线 S₁-F_1Z。

图10是利用Matlab仿真出来的踏板行程-动态杠杆比曲线S₁-i₁₂。

图11是利用Matlab仿真出来的踏板行程-踏板力曲线S₁-F₁。

图12是离合器及其操纵机构优化设计流程图。

图13是利用Matlab/GUI基于计算方法开发的离合踏板机构力- 位移计算软件界面图。

图14是利用设计的离合踏板机构力-位移计算软件进行参数优化后的结果图。

附图标记说明：1‐分离轴承，2‐分离拨叉，3‐液压从动缸，4‐液压油管，5‐液压主缸，6‐液压主缸推杆，7‐踏板臂，8‐扭簧安装支架，9‐扭簧式助力弹簧。

具体实施方式

为了使本发明更加清楚、完整，下面将结合附图和实施例中对本发明进行详细的推导和描述。

本实施例中所设计的离合器操作机构包括分离轴承1、分离拨叉 2、液压从动缸3、液压油管4、液压主缸5、液压主缸推杆6、踏板臂7、扭簧安装支架8、扭簧式助力弹簧9。

如图12所示，一种汽车离合器踏板力‐位移计算方法，包括以下计算步骤：

1)利用有限元仿真得到离合器分离特性曲线：利用ABAQUS 等有限元软件根据离合器实际安装状态和受力情况添加边界条件和载荷，仿真得到所设计离合器膜片弹簧小端力‐位移数据，即液压分离轴承S_F与分离力F_S之间的关系曲线(见图1),所述利用有限元软件计算离合器膜片弹簧小端分离力-位移数据的步骤具体包括：在离合器开发阶段，将所设计的包括离合器膜片弹簧、波形片、支撑环、压盘的三维数模另存为.stp格式并导入限元软件中，设定对应的材料弹性模量、泊松比、密度、边界条件、载荷并赋予二阶精度的四面体网格进行有限元仿真；提取仿真结果中膜片弹簧小端的分离力和分离位移对应的数值，并存于excel表格中，即为离合器分离轴承端部的力-位移数值。

2)如图2(a)所示，为某品牌汽车扭簧助力式离合器踏板机构三维数模,图中注明了踏板机构各点所代表的位置，对踏板机构的三维数模图2(a)进行数学模型简化，得到图2(b)所示的二维数学模型。建立坐标系并收集离合器操纵机构设计参数，根据所设计的离合器操作机构，以踏板臂旋转点为坐标原点，建立坐标系OXY，选定机构各关键点原始位置依次为P₀、P₁₀、P₂₀、P₃₀、P₄₀、P₅，其中P₀、 P₅为不动点，在三维数模中可以测出各点原始位置坐标P_i(x_i,y_i) (i＝0,10,20,30,40,5)，在运动过程中各关键点位置依次变为P₀、P₁、 P₂、P₃、P₄、P₅，其对应的动态坐标为P_i(X_i,Y_i)(i＝0,1,2,3,4,5)，为需要求解的变量，并提取机构中其它部件的设计参数，作为计算过程中的已知参数；所述提取离合器操作机构各部件的设计参数的步骤具体包括：在踏板机构的UG数模中以离合器踏板臂旋转点为中心，建立WCS参考坐标系OXYZ，提取五个关键点原始位置参数P_i(x_i,y_i)，并根据操纵机构液压系统的设计参数，将其作为原始已知参数；根据操纵机构的设计参数，离合器操纵系统各部件的设计参数见表1。

表1：离合器操纵系统各部件设计名称及已知参数

3)根据步骤2)所得数据计算并绘制出离合器踏板的力‐位移曲线。

4)：向Matlab软件编写的GUI界面导入相关数据，利用某一瞬时坐标变换和受力关系，依次求解并绘制出影响离合器踏板舒适性能的关键曲线,所述影响离合器踏板舒适性能的关键曲线包括：踏板行程-分离轴承位移曲线S₁-S_F、踏板行程-助力弹簧助力曲线S₁-F_1Z、踏板行程-动态杠杆比曲线S₁-i₁₂、踏板行程-踏板力曲线S₁-F₁，所述踏板行程-分离轴承位移曲线S₁-S_F表征踏板行程对应的分离轴承位移大小；所述踏板行程-助力弹簧助力曲线S₁-F_1Z表征踏板不同行程位置对应的助力弹簧助力峰谷值与踏板力峰谷值匹配关系；所述踏板行程-动态杠杆比曲线S₁-i₁₂表征踏板不同行程位置对应的机构的动态杠杆比例；所述踏板行程-踏板力曲线S₁-F₁表征踏板不同行程位置对应的踏板力大小。

具体而言，步骤2)中所述关键点包括：踏板臂旋转中心点P₀，踏板面踩踏点P₁，主缸与主缸推杆铰接点P₂，主缸推杆与踏板臂的铰接点P₃，扭簧臂与踏板臂铰接点P₄，扭簧与踏板支架组件的铰接点P₅。

具体而言，所述步骤3)基于向量原则建立矩阵方程，即在踏板机构动态运动过程中，首先求出各点某一瞬时的动态坐标，利用坐标向量可以求出各关键点的受力方向。

具体而言，所述步骤3)具体计算步骤如下：

31)命名各变量名称，推导过程中假设踏板臂、主缸推杆和拨叉均为刚性件，忽略其微小变形。由于各部件设计参数已经确定，故刚性件各点之间的距离L_ij也随之确定。在踏板臂绕P₀点旋转过程中， P₁、P₃、P₄点和P₀点的距离不变，现命名如下：表示从点P_i指向点P_j的向量；表示向量模长；表示向量与向量之间的夹角；表示向量与X轴之间的夹角，液压分缸总行程为d₁、液压力为Fc,液压主缸5总行程为d₂、液压力为F2；

32)定义如式1-1,1-2所示的4个列矩阵，其中X为坐标矩阵， Y为各点距离矩阵，F、F_V为各对应点受力矩阵，F_1z表示助力弹簧等效到踏板上的助力：

X＝[X₁,Y₁,X₂,Y₂,X₃,Y₃,X₄,Y₄,d₂]^T Y＝[L₀₁,L₀₂,L₂₃,L₀₃,L₀₄,S_F]^T (2-1)

F＝[F₁,F₂,F₃₂,F₃,F_1z]^T F_V＝[F_S,F₄]^T (2-2)

33)求解操纵机构中拨叉与液压系统在某一瞬时P₂点坐标位置，如图3所示为拨叉与液压机构某一瞬时的力‐位移示意图，分离轴承处的力‐位移(F_S-S_F)曲线已经通过实验获得；设液压分缸总行程为d₁、液压力为Fc,液压主缸总行程为d₂、液压力为F₂，其中F₂计算公式如下：

据图3分析可得位移矩阵方程为：

A₁X＝B₁Y+C₁

X＝[X₁,Y₁,X₂,Y₂,X₃,Y₃,X₄,Y₄,d₂]^T Y＝[L₀₁,L₀₂,L₂₃,L₀₃,L₀₄,S_F]^T (2-4)

其中A₁、B₁和C₁的表达式为：

据上述公式可求出动态瞬间点P₂(X₂,Y₂)的坐标值及液压力为F₂的大小。

34)求解液压主缸活塞推杆端点P₃某一瞬时坐标位置，如图4 所示为扭簧式踏板机构在某一瞬时(实线部分)及原始位置(虚线部分) 的数学模型。图4(a)所示为主缸活塞及推杆位移分析图,根据各刚性杆长度不变的原则可得P₃点的位移矩阵方程：

A₂X＝B₂Y

X＝[X₁,Y₁,X₂,Y₂,X₃,Y₃,X₄,Y₄,d₂]^T Y＝[L₀₁,L₀₂,L₂₃,L₀₃,L₀₄,S_F]^T (2-7)

其中角为踏板臂旋转角度；A₂和B₂的表达式为：

如图4(b)所示对主缸推杆进行受力分析如下：

据上述公式可求出动态瞬间点P₃(X₃,Y₃)的坐标值，踏板臂旋转角以及主缸推杆与踏板臂铰接点处F₃的大小。

35)求解踏板臂上P₁、P₄点某一瞬时坐标位置，如图5(a)所示将扭簧产生的助力作用于扭簧臂安装点P₄处，下面对助力弹簧在踏板臂上的安装点P₄进行位移分析，由于P₀、P₁、P₃、P₄为同一个刚性杆上的不同点，所以P₁、P₃和P₄绕P₀转过的角度相同：

对P₁、P₃、P₄点进行力平衡分析，设F_1Z为助力弹簧助力等效到踏板上的助力有：

其中δ为助力弹簧判定系数，具体判断方法如下：

如图5(b)所示，当点P₄运动到P₄₁点位置时，P₀、P₄₁、P₅三点处于同一直线上，助力弹簧在此处既无助力作用也无阻力作用，此时 P₄₁坐标计算如下：

因此助力弹簧判定系数规定如下：

综合可得到踏板臂上P₁点和P₄点位移的矩阵方程：

A₃X＝B₃Y

X＝[X₁,Y₁,X₂,Y₂,X₃,Y₃,X₄,Y₄,d₂]^T Y＝[L₀₁,L₀₂,L₂₃,L₀₃,L₀₄,S_F]^T (2-15)

其中A₃和B₃的表达式如下：

据上述式可以求出点P₁(X₁,Y₁)和点P₄(X₄,Y₄)的动态坐标值。

36)求解操纵机构各点某一瞬时受力情况，如图6所示，对式 (1-11)、(1-12)中的扭簧助力F₄的大小进行受力分析：

扭簧的相关特征参数参见表(1)：左臂长为b₁,右臂长为b₂，扭转刚度为K_S，自由角度为ω₀，扭簧中径为D。另外与刚度K_S有关的系数：弹簧丝线径为d,有效圈数为n,并联个数N,弹性模量为E；

参考相关文献资料，可知扭簧具有如下特性，其产生的扭矩与扭转角变化量成正比，设ω为某一瞬时变化后的扭簧夹角，即

T＝K_S·(ω₀-ω) (2-18)

其中刚度K_S由公式(2-19)算得当弹簧臂长长于其一圈展开长度时，要考虑弹簧臂的变形，其中K_S也可由实验直接测得；

助力弹簧中各点之间的距离为：

L₄₆ ²＝b₁ ²+(D/2)²,L₅₆ ²＝b₂ ²+(D/2)² (2-20)

由于P₄、P₅点的坐标已经求出，所以L₄₅的长度可以求出。据三角形内角公式有：

L₄₅ ²＝L₄₆ ²+L₅₆ ²-2·L₄₆·L₅₆·cosω,sinω₂＝L₅₆/L₄₅·sinω (2-21)

可求得角ω和ω₂的大小。

又根据扭簧特性可知，扭簧的扭矩：

T＝F₄'·L₄₆＝F₄·L₄₆·sinω₂ (2-22)

据式(2-18)—(2-22)得：

据式(2-23)可得到助力弹簧力F₄的大小,将F₄的带入至式(2-10)和 (2-11)可以求得踏板力F₁和助力弹簧等效到踏板处的助力F_1Z。

如图7所示为离合器操纵机构整体某一瞬时(实线部分)及原始位置(虚线部分)的数学模型简化图。

通过各部件的位移分析，由公式(2-1)、(2-4)—(2-9)、(2-15) —(2-17)综合可得以下总位移矩阵：

总矩阵(2-24)中一共11个方程，共11个未知数，故可以依次求得某一瞬时P₁、P₂、P₃、P₄点的坐标、踏板旋转角主缸总行程 d₂的值及其它相关变量。

通过对各部件的受力分析，由式(2-2)、(2-3)、(2-10)—(2-12)、 (2-18)—(2-23)综合可得以下总力矩阵：

F＝[F₁,F₂,F₃₂,F₃,F_1z]^T F_V＝[F_S,F₄]^T

M·F＝N·F_V (2-25)

其中M和N分别为如下表达式：

式(2-25)中一共5个方程5个未知数，依次可以求得踏板力F₁、液压主缸压力F₂、主缸推杆推力F₃₂、P₃点作用力F₃、助力弹簧等效到踏板上的助力F_1Z。

离合器操纵系统本身存在弹性变形、摩擦及迟滞等因素，其会导致离合器踏板的实际输入中有相当一部分用于克服离合器操纵系统本身的变形和摩擦，在力和位移传递过程中存在传动效率损失。传动效率采用的是操纵系统的经验值(拉索式75％，液压式85％)。

一般机械效率用功表示：

式中W_d为输入功,W_r为输出功，W_f为损失功；

此外，由于机械系统的力和位移的传递效率不尽相同，当计算考虑的是力‐位移的实际关系时，力和位移的机械传递效率需要分别确定：

因此在计算实际的力和位移时要分别乘以各自的传递效率，从而得到实际的曲线关系。

根据各汽车主机厂对离合器操纵系统性能的要求，其主要关心离合器踏板操纵的舒适性和可靠性，可以通过绘制对应的特性曲线来获得机构的这些特性。因此，在以上数学建模的基础上利用Matlab软件绘制以下几条关键曲线：

曲线一：如图8所示为踏板行程-分离轴承位移曲线，即分离轴承的行程S_F与踏板行程S₁的关系曲线S₁-S_F。由于上几节已经将P₁(X₁， Y₁)的坐标求出，P10(x₁₀，y₁₀)由设计时已经确定，所以也随之确定。故可以绘制出关系曲线S₁-S_F。

曲线二：如图9所示为踏板行程-助力弹簧助力曲线，即助力弹簧的助力F_1Z与踏板行程S₁的关系曲线S₁-F_1Z。由于F_1Z的大小已经求出，其与P₄(X₄，Y₄)有关系，进而与P1(X₁，Y₁)即S₁有关，所以可以绘制出关系曲线S₁-F_1Z。

曲线三：如图10所示为踏板行程-动态杠杆比曲线，即踏板行程瞬时变化量ΔS₁与P₂点行程瞬时变化量ΔS₂之比i₁₂与踏板行程S₁的关系曲线S₁-i₁₂。根据液压压力原理可知，液体压力F₂与液压缸活塞位移ΔS₂方向相同，踏板P₁点受力F₁-F_1Z的方向与其瞬态位移ΔS₁方向相同。在某一瞬态时刻，根据虚功原理有：

其中F₁和F₂前几节已经求出，故可以绘制出关系曲线S₁-i₁₂。

曲线四：如图11所示为踏板行程-踏板力曲线，即踏板力F₁与踏板行程S₁的关系曲线，由于两者前面已经求出，故可以绘制出关系曲线S₁-F₁。

如图12所示，根据计算方法得到的分析和优化流程，依据计算公式，将所设计的离合器及其操纵机构的各项参数带入计算流程获得对应的离合器踏板力-位移曲线，根据获得曲线的情况对操纵系统和离合器本身的参数进行优化，从而得到最舒适的离合器踏板操纵过程。

如图13所示为基于此计算方法开发的计算面板。Matlab中的GUI 程序界面具有人机交互功能，可实时更改各部件设计参数,运用方便，实用性强,对企业实际应用具有很大的帮助。基于图12的流程可以运用此软件不断的优化仿真，从而帮助离合器及其操纵系统的设计人员更好的把握设计参数。在前期运用有限元软件将离合器的分离特性曲线结果保存为excel文件中，命名为离合器分离特性曲线.xls。由于机构参数较多，可以先做好参数对应的excel表格，命名为踏板机构参数表.xls。

软件具体操作流程如下：1)打开计算软件之后,由于机构本身参数较多,可从已经做好的excel表格中一键导入踏板机构参数表.xls，各项参数会依次填充在踏板机构原始位置参数框、液压系统参数框、助力弹簧参数框、拨叉机构参数框中。通过导入离合器分离特性曲线.xls，软件会自动在离合器分离特性曲线框位置处绘制出对应曲线。

2)点击开始计算按钮，软件内部会按照本专利的计算公式，依次计算出各点的位移和受力情况，并且在结果显示框中显示各主要指标参数。

3)在曲线显示框可以依次选择“分离轴承行程”按钮、“助力弹簧助力”按钮、“动态杠杆比按钮”、“踏板力-位移”按钮，依次绘制出：曲线一踏板行程-分离轴承位移曲线S₁-S_F；曲线二踏板行程-助力弹簧助力曲线S₁-F_1Z；曲线三踏板行程-动态杠杆比曲线S₁-i₁₂；曲线四踏板行程-踏板力曲线S₁-F₁。其中“有助力弹簧”表示机构中带有助力扭簧，“无助力弹簧”代表机构中没有安装上助力扭簧。

4)对各关键特性曲线进行分析之后，通过在参数框中修改原设计参数，就可以不断优化对应的特性曲线，直至到达最佳的设计要求。

5)当机构优化完成之后，通过点击“保存数据”按钮就可以保存所有的设计参数以及曲线数据。

6)点击“清零”按钮可以清除软件中的所有数据。

7)点击“退出”按钮，即退出程序。

如图13和图14所示为离合器操纵机构参数优化前和优化后的踏板力-位移曲线图，图13是按照某产品原始设计参数计算得到的踏板力-位移曲线图，由曲线图可以得知此踏板操纵系统的踏板力达到 145N，踏板行程125mm，踏板力一直处于上升状态，没有出现峰谷值，且踏板力远超过舒适的踏板力最大值110N,因此对此踏板机构助力扭簧左脚架的原始安装位置点P₄₀、助力扭簧的自由角度、助力扭簧圈数进行了优化，获得了图14所示的离合器踏板力-位移曲线。由图14所示的离合器踏板力-位移曲线，可以清楚的知道，此踏板机构的设计可以与该套离合器很好的匹配，其踏板力最大值为92N，踏板行程125mm，进程过程中有峰谷值出现，且峰谷值为15N，机构操纵舒适，离合器分离点明显，操纵感强。机构的设计参数可以满足使用要求，避免的离合器踏板沉重、离合器打滑等常见问题。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种汽车离合器踏板力‐位移计算方法，其特征在于，包括以下计算步骤：

2)建立坐标系并收集离合器操纵机构设计参数，根据所设计的离合器操作机构，以踏板臂旋转点为坐标原点，建立坐标系OXY，选定机构各关键点原始位置依次为P₀、P₁₀、P₂₀、P₃₀、P₄₀、P₅，其中P₀、P₅为不动点，在三维数模中可以测出各点原始位置坐标P_i(x_i,y_i)(i＝0,10,20,30,40,5)，在运动过程中各关键点位置依次变为P₀、P₁、P₂、P₃、P₄、P₅，其对应的动态坐标为P_i(X_i,Y_i)(i＝0,1,2,3,4,5)，为需要求解的变量，并提取机构中其它部件的设计参数，作为计算过程中的已知参数；

4)向Matlab软件编写的GUI界面导入相关数据，利用某一瞬时坐标变换和受力关系，依次求解并绘制出影响离合器踏板舒适性能的关键曲线；

2.根据权利要求1所述的汽车离合器踏板力‐位移计算方法，其特征在于，步骤2)中所述关键点包括：踏板臂旋转中心点P₀，踏板面踩踏点P₁，主缸与主缸推杆铰接点P₂，主缸推杆与踏板臂的铰接点P₃，扭簧臂与踏板臂铰接点P₄，扭簧与踏板支架组件的铰接点P₅。

3.根据权利要求2所述的汽车离合器踏板力‐位移计算方法，其特征在于，所述步骤3)基于向量原则建立矩阵方程，即在踏板机构动态运动过程中，首先求出各点某一瞬时的动态坐标，利用坐标向量可以求出各关键点的受力方向。

4.根据权利要求3所述的汽车离合器踏板力‐位移计算方法，其特征在于，所述步骤3)具体计算步骤如下：

31)命名各变量名称，表示从点P_i指向点P_j的向量；表示向量模长；表示向量与向量之间的夹角；表示向量与X轴之间的夹角，液压分缸总行程为d₁、液压力为Fc,液压主缸总行程为d₂、液压力为F2；

F＝[F₁,F₂,F₃₂,F₃,F_1z]^T F_V＝[F_S,F₄]^T

A₁X＝B₁Y+C₁

A₂X＝B₂Y

35)求解踏板臂上P₁、P₄点某一瞬时坐标位置，其坐标变换矩阵为

A₃X＝B₃Y

M·F＝N·F_V

5.根据权利要求1所述的汽车离合器踏板力‐位移计算方法，其特征在于，步骤4)中所述影响离合器踏板舒适性能的关键曲线包括：踏板行程‐分离轴承位移曲线S₁-S_F、踏板行程‐助力弹簧助力曲线S₁-F_1Z、踏板行程‐动态杠杆比曲线S₁-i₁₂、踏板行程‐踏板力曲线S₁-F₁。

6.根据权利要求1所述的汽车离合器踏板力‐位移计算方法，其特征在于，步骤1)中，所述利用有限元软件计算离合器膜片弹簧小端分离力‐位移数据的步骤具体包括：在离合器开发阶段，将所设计的包括离合器膜片弹簧、波形片、支撑环、压盘的三维数模另存为.stp格式并导入限元软件中，设定对应的材料弹性模量、泊松比、密度、边界条件、载荷并赋予二阶精度的四面体网格进行有限元仿真；提取仿真结果中膜片弹簧小端的分离力和分离位移对应的数值，并存于excel表格中，即为离合器分离轴承端部的力‐位移数值。

7.根据权利要求1所述的汽车离合器踏板力‐位移计算方法，其特征在于，步骤2)中，所述提取离合器操作机构各部件的设计参数的步骤具体包括：在踏板机构的UG数模中以离合器踏板臂旋转点为中心，建立WCS参考坐标系OXYZ，提取五个关键点原始位置参数P_i(x_i,y_i)(i＝0,10,20,30,40,5)，并根据操纵机构液压系统的设计参数，将其作为原始已知参数。

8.根据权利要求5所述的汽车离合器踏板力‐位移计算方法，其特征在于：所述踏板行程-分离轴承位移曲线S₁-S_F表征踏板行程对应的分离轴承位移大小；所述踏板行程-助力弹簧助力曲线S₁-F_1Z表征踏板不同行程位置对应的助力弹簧助力峰谷值与踏板力峰谷值匹配关系；所述踏板行程-动态杠杆比曲线S₁-i₁₂表征踏板不同行程位置对应的机构的动态杠杆比例；所述踏板行程-踏板力曲线S₁-F₁表征踏板不同行程位置对应的踏板力大小。