CN108573074A - 一种汽车离合器踏板力特性的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车离合器踏板力特性的计算方法，包括步骤：步骤一，获取离合器液压操作系统各部件的主参数；步骤二、通过踏板力和行程的传递路线及离合器液压操纵系统的工作原理建立踏板机构模型、液压系统模型、离合器总成模型；步骤三，安装力和位移传感器，获取输入数据；步骤四、分别对各部分模型进行了运动学和力学分析，最终获得的踏板力的特性曲线。本发明可以有效地指导实际结构设计，大大减小了实际设计工作时间和成本，并保证了设计的可靠性。

Description

一种汽车离合器踏板力特性的计算方法

技术领域

本发明涉及汽车离合器及其操纵系统特性的计算方法，具体讲是一种汽车离合器踏板力特性的计算方法。

背景技术

离合器作为汽车动力传递与中断的关键零部件，在汽车传送系中起到传递转矩、分离结合、减振保护和过载等多重作用，而离合器操纵机构性能的好坏直接影响到离合器综合性能的优劣。汽车的启动发动机、变换挡位、准备停车等功能的实现，都离不开离合器操纵机构。如果离合器操纵机构的操纵力过大或者太小，不仅使驾驶员容易疲劳，还会造成离合器换挡不到位，引起从动盘摩擦片损坏，造成车辆故障的发生。随着汽车技术的迅速发展以及人们对车辆驾驶舒适性的更高要求，汽车厂家和用户对离合器及其操纵系统的性能要求越来越高。为此，离合器操纵机构发生了翻天覆地的变化，经历了从无到有、从手动到自动的历史性变革。然而，虽然有了自动离合器的存在，但传统的手动离合器还有其不可代替的价值和意义，它以其技术成熟、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。

根据相关调查数据表明，在某些汽车维修公司中，离合器的维修率经常会排到所有配件中的前三名，主要故障体现在离合器分离不良、离合器打滑及踏板沉重等现象。分析其原因可知，除了离合器自身的材料选取和结构设计的原因外，离合器操纵机构也是造成上述故障的重要原因，因此对离合器操纵机构进行全面深入的研究是十分必要的。而离合器踏板力特性是离合器操纵系统性能的主要体现，通过对离合器液压操纵系统模型的建立进而推导出踏板力特性曲线的公式，这将可以为离合器操纵系统的优化设计和故障排除提供理论指导，改善操纵机构使用的可靠性、稳定性和维修性能，并为进一步设计开发低成本高效率的离合器操纵系统相关零部件奠定理论基础，对提高离合器操纵系统特性和驾驶员的驾驶舒适性也具有重要的借鉴意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种汽车离合器踏板力特性的计算方法，该方法能够推导出不同结构参数下的离合器液压操纵系统的踏板力与踏板行程的特性曲线公式，并得到相应的特性曲线。计算得到的特性曲线可以有效地指导实际结构设计，大大减小了实际设计工作时间和成本，并保证了设计的可靠性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种汽车离合器踏板力特性的计算方法，所述离合器液压操纵系统部件包括：离合器总成、分离轴承、液压主缸和工作缸、油管、踏板机构、助力弹簧，包括以下步骤：

步骤一，获取离合器液压操纵系统各部件的主要参数，所述主要参数包括：离合器总成的分离特性曲线(液压分离轴承的分离力及分离行程)、液压缸参数、助力弹簧参数、踏板机构关键点位置坐标值、力和行程传递效率、拨叉杠杆比。

步骤二，建立离合器液压操纵系统模型：包括踏板机构模型、液压系统模型、离合器总成模型，根据踏板力和行程的传递路线可知踏板力和踏板行程首先作用于踏板机构，然后经过液压系统，最后到达离合器总成，因此可以依照其传递路线分别对其踏板机构、液压系统、离合器三部分建模分析；

步骤三，安装力和位移传感器，获取输入数据：将离合器液压操纵系统按实车方式放置，在离合器操纵系统分离轴承处安装力和位移传感器，利用A/D采集卡采集离合器分离轴承处的力传感器和位移传感器数据，得到分离力和分离行程；

步骤四，将各个模型计算结果之间的关系进行整合，获得计算结果：将步骤三测试获得的分离力与分离行程数据对应为工作缸活塞的压力和行程，将其代入计算，即可得到对应的踏板力和踏板行程的关系曲线。

进一步地，步骤一中，所述液压缸参数包括主缸安装角、主缸直径、主缸空行程、工作缸直径；

所述助力弹簧参数包括自由长度、弹簧刚度；

所述踏板机构关键点位置坐标值包括踏板臂旋转中心点、踏板面踩踏点、压簧与踏板臂铰接点、压簧与踏板组件固定点、主缸推杆与踏板臂的铰接点、主缸与主缸推杆铰接点。

进一步地，步骤二中，所述踏板机构模型包括踏板机构以及助力弹簧，视为几何平面机构，将其以踏板臂旋转中心点为坐标原点建立坐标系，并对其进行运动分析及力学分析，可得到无助力作用时，踏板力(行程)与主缸活塞推力(行程)的关系以及踏板行程与助力弹簧等效到踏板助力的关系。

进一步地，步骤二中，所述液压系统模型主要包括主缸、工作缸以及液压油管，运用运动动力学及流体力学原理，对其进行运动学分析及受力分析，得到主缸活塞推力(行程)与工作缸活塞推力(行程)的关系。

进一步地，步骤二中，所述离合器总成模型包括从动盘、压盘、飞轮，通过试验测试方法测得离合器总成的分离特性曲线，即分离力与分离行程的关系曲线。

进一步地，所述汽车离合器液压操纵系统的分离轴承为液压式或拨叉式分离轴承，助力弹簧为压簧式或扭簧式助力弹簧。

进一步地，所述液压缸参数中的主缸直径和工作缸直径为等效直径，通过等效直径的计算方法得到。

进一步地，所述力和行程传递效率分别包括力传递效率和行程传递效率，且由于实际踩踏踏板和松开踏板过程中存在能量损耗和容积损耗，故力的传递效率在进程和回程会不一样，行程传递效率在进程和回程时一样。

相比现有技术，本发明具体以下积极效果：

1)本发明为离合器液压操纵系统特性的理论公式推导，可以用来指导离合器及其操纵系统结构参数的设计。

2)本发明可以计算得到各种离合器组件及其操纵系统的踏板力特性曲线，适用性广泛。

3)本发明可以为离合器液压操纵系统试验台的测试结果，提供理论基础及参考依据。

4)本发明可以将其编成一款相应的离合器及其操纵系统的校核设计软件，用于实现在计算机上检验离合器及其操纵系统的参数匹配是否合理，通过计算结果可以预先得到较为合理的离合器及其操纵系统的结构尺寸，有效地指导实际结构设计，大大减小了实际设计工作时间和成本，并保证了设计的可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例的离合器液压操纵系统的结构简化图。

图2是本发明实施例的踏板力和行程的传递路线图。

图3是本发明实施例的踏板机构模型简图及对应关系点位置坐标。

图4是本发明实施例的踏板机构受力简图。

图5是本发明实施例的压簧式助力弹簧受力简图。

图6是本发明实施例的液压系统模型简图。

图7是本发明实施例的分离力和行程的数据采集原理图。

图8是本发明实施例的计算得到的踏板力特性曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明为一种汽车离合器踏板力特性的计算方法，该方法推导出离合器液压操纵系统的踏板力与踏板行程的特性曲线公式，并可以得到不同结构参数下对应的特性曲线，通过计算得到的特性曲线，可以有效地指导实际结构设计，大大减小了实际设计工作时间和成本，并保证了设计的可靠性。所述离合器液压操纵系统的结构简化图为附图1所示，主要包括：离合器总成1、分离轴承2、工作缸3、液压油管4、主缸5、踏板机构6、压簧助力弹簧7；驾驶员通过踩踏踏板机构6中的离合器踏板，推动主缸5推杆，使主缸活塞推动液压管路4中的油液至工作缸3，进而作用于工作缸3的活塞，使工作缸3的推杆推动离合器分离拨叉，分离拨叉拨动分离轴承2，分离轴承2推动离合器总成1的分离，使离合器从动盘与发动机飞轮脱离，切断发动机动力传递的。包括以下步骤：

步骤一，获取离合器液压操纵系统各部件的主要参数，所述部件主要参数包括：离合器总成的分离特性曲线(液压分离轴承的分离力及分离行程)、液压缸参数、助力弹簧参数、踏板机构关键点位置坐标值、力和行程传递效率、拨叉杠杆比。

对于所述离合器总成的分离特性曲线，可以通过安装力和位移传感器进行测量；对于所述液压缸参数和助力踏板参数可参照对应的型号进行查找；对于所述踏板机构关键点位置坐标值，可通过三坐标对其进行坐标测量；所述力和行程传递效率可根据经验值，取力传递效率进程一般为75％，回程为70％，行程传递效率一般为95％；对于所述拨叉杠杆比，由于所采用的为液压分离轴承，故拨叉杠杆比为1。

步骤二、建立离合器液压操纵系统模型：由离合器液压操纵系统的工作原理可以得到踏板力和行程的传递路线，如附图2所示，可知踏板力和踏板行程首先作用于踏板机构，然后经过液压系统，最后到达离合器总成。因此可以依照其传递路线分别对其踏板机构、液压系统、离合器三部分建模分析。

所述踏板机构模型及对应关键点位置坐标分别如附图3和表1所示，

表1踏板机构各关键位置定义

以压簧式助力离合器踏板简化机构为例，以踏板臂旋转中心点为坐标原点，建立直角坐标系，对踏板机构进行运动分析，计算各点随踏板行程S变化后的坐标P_i'(x_i,y_i)(i＝1，2，4，5)。并对其进行力学分析如附图4所示，可得到无助力作用时，踏板力与主缸活塞推力的关系：

其中F₁为无助力时踏板作用力，F_Z为主缸推杆点对主缸活塞作用力，l₀₁分别为点P₀到点P₁的距离，l₀₄分别为点P₀到点P₄的距离，β₁为P₄'P₀直线与P₄'P₅'直线的夹角，β₂为P₄'P₅'直线与F₅方向的夹角，式中已知各点坐标值，故可用向量夹角求得sinβ₁和cosβ₂：

对压簧式助力弹簧进行受力分析，见附图5所示，得到助力弹簧等效到踏板助力与踏板行程的关系：

其中F_zhu为助力弹簧等效到踏板助力，L_s为弹簧原长，K_S为刚度为，l₀₂为点P₀到点P₂的距离，l₂₃'点P₂到点P₃'的距离，sinθ₃可以通过以下方式求出：

记θ₁＝∠P₃P₀X＝arccos(x₃/l₀₃')，θ₂＝∠P₂P₀X＝arccos(x₂/l₀₂')，θ₃＝∠P₀P₂'P₃。由正弦定理可知：

所述液压系统模型如附图6所示，主要包括主缸、工作缸以及液压油管，进行力学分析之前，先对系统作如下假设：

(1)假设液压系统中的工作缸推杆与活塞之间无间隙；

(2)忽略系统压力损失和容积损失对系统特性的影响，同时假定系统平衡状态下的压力为零；

(3)对于同心式离合器液压操纵系统，假定分离轴承行程即为工作缸活塞行程，分离力即为工作缸推杆推力；

(4)系统中假定推杆为刚体，并且其质量忽略不计，只考虑活塞的质量。

由附图6可以看出，踩下离合器踏板过程，对主缸活塞进行受力分析，可知其主要受力为踏板力等效到主缸推杆的作用力，弹簧保持力、液体压力、和活塞与缸内外壁的摩擦力；同理，对工作缸进行受力分析，可知其主要受力为液压力、分离轴承作用力、回位弹簧的保持力和缸体内外壁的摩擦阻力。分别由上述受力分析可以得到主缸和工作缸活塞的力学平衡方程为：

在此过程中，主缸推杆推动活塞运动，使油管中的液压油被压缩，管内压力逐渐升高再降低，产生的流量变化量与压力之间的关系如下，而流量变化量由主缸、工作缸活塞的运动速度和缸径决定的，如下式所示：

式中，M_Z、M_g为主缸、工作缸活塞质量(Kg)，c_Z、c_g为主缸、工作缸活塞运动阻尼(N/(mm·s)，F_Z、F_g为主缸、工作缸活塞推力(N)，x_z、x_g为主缸、工作缸活塞位移(mm)，Q为流量变化量(mm²/s)，P为油管压力(Pa)，β为体积模量(Pa)，V为油液体积(mm³)。

松开踏板过程，同理运用运动动力学及流体力学原理，对其进行受力分析，可以得到主缸活塞推力(行程)与工作缸活塞推力(行程)的关系；

所述离合器总成模型，包括从动盘、压盘、飞轮等，可以通过试验测试方法测得离合器总成的分离特性曲线，即分离力与分离行程的关系曲线。

步骤三，安装力和位移传感器，获取输入数据：如附图7所示为分离力和分离行程的数据采集原理图，将离合器液压操纵系统按实车方式放置，在离合器操纵系统分离轴承处安装力和位移传感器，利用A/D采集卡采集离合器分离轴承处的力传感器和位移传感器数据，得到分离力和分离行程。

步骤四，将各个模型计算结果进行整合，获得计算结果：步骤三测试获得的分离力与分离行程数据即对应为工作缸活塞的压力和行程，将其代入计算，即可得到对应的踏板力和踏板行程的关系表达式：

式中F为考虑助力作用时的踏板力，F_Z为主缸活塞推杆推力(可由步骤二得到)，F_zhu为助力弹簧等效到踏板助力(可由步骤二得到)。

附图8给出了本发明计算得到的踏板力特性曲线图，横坐标为踏板行程，纵坐标为踏板力，图中给出了有助力和无助力时的踏板力与踏板行程的关系曲线图。

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 (8)

1.一种汽车离合器踏板力特性的计算方法，所述离合器液压操纵系统部件包括：离合器总成、分离轴承、主缸和工作缸、油管、踏板机构、助力弹簧，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，获取离合器液压操纵系统各部件的主要参数，所述主要参数包括：离合器总成的分离特性曲线、液压缸参数、助力弹簧参数、踏板机构关键点位置坐标值、力和行程传递效率、拨叉杠杆比；

步骤二，建立离合器液压操纵系统模型：包括踏板机构模型、液压系统模型、离合器总成模型；

步骤三，安装力和位移传感器，获取输入数据：将离合器液压操纵系统按实车方式放置，在离合器操纵系统分离轴承处安装力和位移传感器，利用A/D采集卡采集离合器分离轴承处的力传感器和位移传感器数据，得到分离力和分离行程；

步骤四，将各个模型计算结果之间的关系进行整合，获得计算结果：将步骤三测试获得的分离力与分离行程数据对应为工作缸活塞的压力和行程，将其代入计算，即可得到对应的踏板力和踏板行程的关系曲线。

2.如权利要求1所述的汽车离合器踏板力特性的计算方法，其特征在于：步骤一中，

所述液压缸参数包括主缸安装角、主缸直径、主缸空行程、工作缸直径；

所述助力弹簧参数包括自由长度、弹簧刚度；

所述踏板机构关键点位置坐标值包括踏板臂旋转中心点坐标值、踏板面踩踏点坐标值、压簧与踏板臂铰接点坐标值、压簧与踏板组件固定点坐标值、主缸推杆与踏板臂的铰接点坐标值、主缸与主缸推杆铰接点坐标值。

3.如权利要求1所述的汽车离合器踏板力特性的计算方法，其特征在于：步骤二中，所述踏板机构模型包括踏板机构以及助力弹簧，视为几何平面机构，将其以踏板臂旋转中心点为坐标原点建立坐标系，并对其进行运动分析及力学分析，可得到无助力作用时，踏板力与主缸活塞推力的关系以及踏板行程与助力弹簧等效到踏板助力的关系。

4.如权利要求1所述的汽车离合器踏板力特性的计算方法，其特征在于：步骤二中，所述液压系统模型主要包括主缸、工作缸以及液压油管，通过运用运动动力学及流体力学原理，对其进行运动学分析及受力分析，得到主缸活塞推力与工作缸活塞推力的关系。

5.如权利要求1所述的汽车离合器踏板力特性的计算方法，其特征在于：步骤二中，所述离合器总成模型包括从动盘、压盘、飞轮，通过试验测试方法测得离合器总成的分离特性曲线，即分离力与分离行程的关系曲线。

6.如权利要求1所述的汽车离合器踏板力特性的计算方法，其特征在于：所述汽车离合器液压操纵系统的分离轴承为液压式或拨叉式分离轴承，助力弹簧为压簧式或扭簧式助力弹簧。

7.如权利要求1所述的汽车离合器踏板力特性的计算方法，其特征在于：所述液压缸参数中的主缸直径和工作缸直径为等效直径，通过等效直径的计算方法得到。

8.如权利要求1所述的汽车离合器踏板力特性的计算方法，其特征在于：所述力和行程传递效率分别包括力传递效率和行程传递效率，且由于实际踩踏踏板和松开踏板过程中存在能量损耗和容积损耗，故力的传递效率在进程和回程会不一样，行程传递效率在进程和回程时一样。