離合器操縱舒適性客觀評價方法與試驗研究

李震宇，張志剛，周大翠

(重慶理工大學 車輛工程學院，重慶 400054)

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離合器操縱舒適性客觀評價方法與試驗研究

李震宇，張志剛，周大翠

(重慶理工大學 車輛工程學院，重慶 400054)

隨著現代人對汽車舒適性的要求越來越高，離合器踏板作為汽車內操縱頻率較高的裝置，其操縱舒適性成為關注的重點。應用離合器操縱系統靜態性能測試試驗臺，以不同的速度踩下離合器踏板，得到踏板力與踏板行程特性曲線。通過數據處理并定義踏板剛度，運用Matlab軟件繪制踏板剛度隨踏板行程的變化曲線。以踏板剛度變化規律作為離合器踏板舒適性的評價指標。結果表明：在一定的踏板速度范圍內，踩下踏板速度越大，踏板剛度變化規律波動越小，舒適性越好；踩下速度越小，踏板剛度變化規律波動越大，舒適性越差。

離合器踏板; 舒適性;踏板剛度

離合器作為手動變速器的關鍵零部件之一，其操縱舒適性直接關系到駕駛員的工作狀態[1-8]。隨著我國汽車保有量的持續增長，城市擁堵現象日益嚴重，迫使駕駛手動擋汽車的駕駛員對離合器的操縱越來越頻繁，對離合器操縱舒適性提出了越來越高的要求。因此，開展有關離合器操縱舒適性客觀評價方法和試驗的研究，對于提高我國手動變速器汽車的駕駛性能具有重要意義。

本文針對目前該領域的研究現狀，提出了一種新的離合器操縱舒適性客觀評價方法，進行了相關試驗，定義了踏板剛度，并以此作為舒適性評價指標。研究結果表明，該指標能客觀、準確地評價離合器操縱舒適性。

1 離合器操縱舒適性評價模型

1.1 離合器液壓操縱系統工作原理

離合器操縱系統主要分為機械式和液壓式，本文以液壓式操縱系統為研究對象。該系統主要由主缸、工作缸及管路系統組成[1]，其結構示意圖如圖1所示。工作原理是依靠主缸中液壓油產生的油壓推動工作缸活塞的運動，通過液壓作用到離合器分離撥叉或分離軸承上，再通過分離軸承推動離合器膜片彈簧的移動使離合器分離，從而完成動力的切斷。

圖1 離合器操縱系統結構示意圖

1.2 評價方法

目前國內外就離合器操縱舒適性提出的評價方法主要有模糊邏輯理論[2-3]、生物力學法[4]、動作元矩陣法[5]等。這些方法是基于駕駛員的實際感受進行評價，主觀性強，成本較高。本文采用基于試驗臺的客觀評價方法，通過力傳感器和位移傳感器測得踏板力和踏板行程，對踏板力進行數據處理，根據評價指標設定不同單位踏板行程進行多次評價，最終得出整個踏板行程范圍內的離合器操縱舒適性。該方法能實時、客觀、準確地反映離合器踏板操縱過程中評價指標隨踏板行程的變化規律，適用性廣，排除了駕駛員、座椅等沒有明確界限的外在因素對離合器操縱特性評價的影響。

1.3 評價指標

離合器操縱舒適性的評價指標有異點數目、力變率、力-行程剛度[7]等。踏板力和踏板行程作為離合器操縱系統的主要性能參數，其變化規律直接影響著離合器操縱舒適性。因此，本文提出將踏板剛度作為離合器操縱舒適性評價指標。

踏板剛度K與彈簧剛度相似，為踏板力增量ΔF與踏板行程增量ΔS之比，即產生單位踏板行程所需的踏板力。踏板剛度并非一個常數，它隨著踏板力和踏板行程變化而變化。如果踏板剛度變化規律明顯，表明產生單位踏板行程所需的踏板力變化大，這種變化規律容易對駕駛員產生較大的沖擊，會降低踏板操縱舒適性，時間一長，容易造成駕駛員疲勞駕駛，從而影響行車安全性。

(1)

(2)

(3)

式中：ΔF為每單位踏板行程踏板力變化量；ΔS為每單位踏板行程踏板位移變化量；Fi，Si為每隔i個單位踏板對應的踏板力、踏板行程，i=0,1,2,3，…；Fi+1，Si+1為第i+1個單位踏板對應的踏板力、踏板行程。

2 試驗方案

在自主設計研發的離合器操縱特性試驗臺上對某離合器液壓操縱系統進行試驗研究，系統結構參數如表1所示。試驗過程分為踩下踏板和松開踏板2個過程，對踏板速度分別為10，50，100 mm/s的3種工況進行試驗。

表1 離合器液壓操縱系統結構參數

離合器操縱系統特性試驗臺基本構成如圖2所示，主要由驅動系統、傳感系統、機械系統、踏板機器人、測控系統等5部分組成。驅動系統由驅動電機和變頻控制器組成，用于模擬離合器輸入轉速；傳感系統主要由轉矩轉速傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、踏板力傳感器等構成，用于測量離合器輸入轉速、踏板位移、分離軸承位移、操縱系統油管壓力、踏板力；機械系統主要由鐵平板、基座及支架構成，為被試離合器、傳感器等提供基礎支撐和安裝基座；踏板機器人系統由踏板執行器、控制器構成，用于模擬駕駛員踩下/松開踏板的動作，并且踏板機器人的踩踏速度可以精確控制；測控系統主要由工業控制計算機、數據采集器、信號調理器、通訊板卡及測控分析軟件等組成。

圖2 離合器操縱特性試驗臺基本構成

3 試驗結果分析

利用上述試驗臺測得每種工況下踩下和松開踏板過程的踏板力和踏板行程的關系曲線，如圖3所示。由于該試驗的采樣頻率為200 Hz，采樣周期小，采樣點較多，為了能更好地說明離合器的操縱舒適性，故分別以1，5，10 mm作為單位踏板行程。經過數據處理，篩選出每單位踏板行程所對應的踏板力Fi。通過式(3)求得踏板剛度。最后通過仿真軟件Matlab繪制踏板剛度隨踏板行程的變化曲線。圖4為踏板速度為 10 mm/s、單位踏板行程為5 mm時的踏板剛度變化規律。

由圖4可以看出：踩下離合器踏板后，在A段即踏板行程開始階段，踏板剛度波動很大，單位踏板行程踏板力變化量較大，說明在踏板行程開始階段離合器操縱舒適性較差，隨后踏板剛度變化平穩。在踏板行程最后階段B點處，受試驗臺踏板處限位螺釘的影響，在踏板行程達到設定的最大值150 mm時，踏板執行機構電動缸的推桿還有向前運動的趨勢，而此時限位螺釘已經阻止踏板行程的繼續增大，所以踏板力急劇增大，踏板剛度較大。因此，該處的踏板剛度變化不予討論。

圖3 離合器踏板特性曲線

圖4 單位踏板行程為5 mm的踏板剛度變化規律

由圖5可以看出：在踩下踏板過程中，當踏板行程為5～10 mm、踏板速度為10 mm/s時的踏板剛度隨踏板行程的變化較大；當踏板行程為45～55 mm，踏板速度為50 mm/s時的踏板剛度隨踏板行程的變化較大；當踏板行程為60～65 mm，踏板速度為100 mm/s時的踏板剛度隨踏板行程的變化較大；但在3種踏板速度下的踏板剛度變化趨勢幾乎重合；在松開踏板過程中，只有當踏板行程為 5～10 mm、踏板速度為10 mm/s時的踏板剛度隨踏板行程的變化較大，但在該踏板速度下的整個踏板剛度變化趨勢較其余兩種踏板速度變化較大。

由圖6可以看出：在踩下踏板過程中，當踏板行程在0～20 mm、踏板速度為10 mm/s時的踏板剛度隨踏板行程的變化較大；在踏板行程為45～65 mm時，3種踏板速度下的踏板剛度變化趨勢基本一致；在松開踏板過程中，當踏板行程在0～10 mm、踏板速度為10 mm/s時，踏板剛度隨踏板行程的變化較大；當踏板行程在45～65 mm、踏板速度為10 mm/s時，踏板剛度隨踏板行程的變化較大；在踏板行程為105～115 mm、踏板速度為50 mm/s和100 mm/s時，踏板剛度隨踏板行程的變化都較小。通過對比3種踏板速度下的踏板剛度變化規律可知，踏板速度為10 mm/s時的情況更能直觀反映出踏板剛度的變化規律。

圖5 單位踏板行程1 mm的踏板剛度變化規律

由圖7可以看出：在踩下踏板過程中，當踏板行程在0～20 mm、踏板速度為10 mm/s時，踏板剛度隨踏板行程的變化較大；當踏板行程在30～140 mm時，踏板速度變化對踏板剛度隨踏板行程的變化影響較小；在松開踏板過程中，當踏板行程在0～140 mm、踏板速度為10 mm/s時，踏板剛度整體變化趨勢比較明顯，但是無法反映0～20 mm范圍內的踏板剛度變化規律。

綜上所述，由圖5～7的分析結果可知：無論是離合踏板踩下過程，還是離合踏板松開過程，在不同單位踏板行程下，以踏板速度10 mm/s踩下/松開踏板時，踏板剛度變化均比較明顯；單位踏板行程的取值不同也會影響客觀評價的準確性。從分析結果可知：單位踏板行程為5 mm時，可以從整體上直觀表征踏板剛度的變化規律。因此，以10 mm/s的踏板速度和5 mm單位踏板行程作為離合器操縱舒適性客觀評價的輸入，能更加直觀地客觀評價離合器操縱舒適性。

為了驗證本研究提出的客觀評價指標的有效性，利用試驗對客觀評價指標和主觀評價結果進行了對比分析，結果如表2所示。試驗時踏板速度分別為10，50，100 mm/s，客觀評價時單位踏板行程取 5 mm。

圖7 單位踏板行程10 mm的踏板剛度變化規律

踏板速度評價方法1050100最大踏板剛度踩下2．82．12．1松開1．90．40．7主觀感受明顯不明顯不明顯

4 結束語

針對整車企業對離合器操縱舒適性的評價要求，提出了試驗評價方法和踏板剛度變化規律評價指標。利用離合器操縱特性試驗臺，以不同的踏板速度操縱某離合器液壓操縱系統，對測得的踏板力和踏板行程進行了采集和處理，以不同單位踏板行程分析系統操縱舒適性。該評價方法和評價指標能客觀、準確地反映離合器操縱舒適性，為主觀評價離合踏板舒適性研究提供試驗基礎，同時為選擇合適的踏板速度提供參考依據。

[1] 徐石安,江發潮.汽車離合器[M].北京：清華大學出版社,2005.

[2] 于共增,吳鈴海,周建軍.汽車離合器操縱舒適度的模糊綜合評價研究[J].機電工程,2009,26(3):69-72.

[3] Wang X G,Bouzon B L.Biomechanical evaluation of the comfort of automobile clutch pedal operation[J].International Journal of Industrial Ergonomics，2004， 34:209-221.

[4] 劉明周，胡金鑫，扈靜，等.基于動作元的汽車離合器操縱舒適性的優化[J].汽車工程,2011,33(1):43-46.

[5] 何源,扈靜.基于踏板力和力變率的離合器操縱舒適性評價[J].合肥工業大學學報：自然科學版,2010,33(1):10-13.

[6] 譙凱, 鄒喜紅, 石曉輝,等.雙離合器變速器振動與沖擊載荷譜的采集與分析[J].重慶理工大學學報:自然科學版，2014(6)：19-23.

[7] 何源.基于力學特征的汽車操縱舒適性測評系統研究[D].安徽:合肥工業大學,2009.

[8] 米林,劉瑞杰,譚偉.機械式自動變速器的離合器起步控制[J].重慶理工大學學報:自然科學版，2014(5)：7-12.

(責任編輯 劉 舸)

Study on Comfort Evaluation and Test of Clutch Pedal Handling

LI Zhen-yu, ZHANG Zhi-gang, ZHOU Da-cui

(College of Vehicle Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

As the higher requirement for comfortableness to the automobile, as handling device with higher frequency within automobile, the handling comfort of clutch pedal becomes the focus of attention. Characteristic curves between pedal force and pedal travel were obtained by clutch actuation system static performance test-bed with different pedal speed. Then the pedal stiffness was defined by data processing and pedal stiffness curves along with the change of pedal stroke were drawn by using MATLAB software. Pedal stiffness change rule was the evaluation index of clutch pedal comfort. The results show that the greater the pedal speed, the smaller the stiffness variation fluctuation and the better the comfortableness. The smaller the pedal speed, the greater the stiffness variation fluctuation, the worse the comfortableness.

clutch pedal; comfort; pedal stiffness

2014-10-25 基金項目：國家自然科學基金資助項目(51205432)；重慶理工大學研究生創新基金資助項目(YCX2013202)

李震宇(1989—),男，重慶人,碩士研究生，主要從事車輛試驗檢測技術研究。

李震宇，張志剛，周大翠.離合器操縱舒適性客觀評價方法與試驗研究[J].重慶理工大學學報：自然科學版，2015(3):10-14.

format：LI Zhen-yu, ZHANG Zhi-gang, ZHOU Da-cui.Study on Comfort Evaluation and Test of Clutch Pedal Handling[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science,2015(3):10-14.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.03.003

U463; TH137

A

1674-8425(2015)03-0010-05