中型卡車離合助力器的匹配設計及優化

梁麗娟，劉潔浩

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

中型卡車離合助力器的匹配設計及優化

梁麗娟，劉潔浩

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章以某中卡的離合操縱系統為研究對象，計算分析該系統匹配離合助力器的合理性，并針對市場出現的問題對該車離合助力器結構進行優化。

中卡；離合操縱系統；離合助力器

CLC NO.:U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-27-04

引言

目前離合器操縱機構主要有機械式、液壓式、彈簧助力式、氣壓助力機械式、氣壓助力液壓式等。由于中型卡車采用的離合器分離力很大，在眾多的操縱機構中，氣壓助力液壓式操縱機構具有操縱輕便，布置簡單等優點，中重型卡車離合器操縱機構一般采用氣壓助力機械式。

中型卡車一般用于長途運輸，且使用工況復雜，離合器的使用十分頻繁，駕駛員工作時間長，因此在離合系統設計時，在保證離合器、離合系統工作行程能滿足惡劣工況的使用要求外，減小踏板力，提高操縱舒適度，降低駕駛員的工作強度越來越重要。本文從中型卡車使用工況和整車參數出發，主要討論離合助力器選型是否合理，以及對離合助力器進行優化。

1、離合系統工作原理

重型卡車離合器及離合器示意圖，如圖1所示。

圖1 離合器液壓氣助力操縱系統

此操縱系統為離合器液壓氣助力操縱系統，主要 零部件為離合油壺、離合踏板、離合總泵、離合助力器以及離合管路組成。

此系統工作原理簡要分析：

當駕駛員踩下離合踏板后，推動離合總泵的活塞，將總泵的工作缸中的油液經管路傳輸至離合助力器的液壓腔, 一部分液壓力作用于液壓工作活塞，另一部分液壓力作用于液壓控制活塞，打開離合助力器進氣閥座的閥門后，液壓力和氣壓力共同作用于推桿上，使離合助力器的推桿推動分離撥叉，分離撥叉撥動分離軸承，分離軸承作用于離合器的分離指，使離合器產生分離作用。

當駕駛員抬起腳松離合踏板時，液壓油回到主缸，離合器分離指的恢復力作用于分離軸承，通過分離撥叉作用于離合助力器的推桿上，液壓控制活塞回位，進氣閥門關閉，排氣閥打開，壓縮空氣排到大氣，離合器接合，發動機動力傳遞至變速器，汽車實現起步。

2、離合器助力器結構

某中型卡車離合操縱系統采用的離合助力器為液壓傳動，離合助力器的機構如下圖，圖2所示：

圖2 離合助力器的結構

離合器分離時，踩下汽車離合器踏板，高壓油由B進入，推動中繼活塞C向左運動，推開進氣閥門D，儲氣筒的氣壓從A口進入，經過打開的進氣閥門D，再經過輸氣管E，到達助力氣缸的F腔，在氣壓力的作用下推動助力活塞G向左運動，助力活塞G推動活塞H，同時從B口進入的高壓油也作用于活塞H上，活塞H在助力活塞G的推動及高壓油的共同作用下，推動推桿K向左運動，推桿K與離合器分離杠桿相聯，從而操縱離合器分離。

離合器嚙合時，松開離合器踏板時，液壓油回流，油壓力被釋放，中繼活塞C向右移動，關閉進氣通道，打開排氣通道，F腔的空氣從排氣通道排向大氣，此時推桿K、活塞H、助力活塞G向右移動，離合器結合。

3、離合器助力器參數匹配

3.1 離合助力器缸徑匹配

圖3 離合操縱系統工作示意圖

離合器助力器推桿工作行程計算公式：

式中：

d1——離合器總泵缸徑；

d2——離合助力器總成液壓缸徑；

S——踏板總行程；

E1——離合助力器排液效率90%～95%，取90%；E2——離合管路效率，取90%；

a/b——踏板杠桿比

S1——離合助力器推桿的理論行程。

離合踏板的工作行程按下式計算：

式中：

S——踏板總行程；

S2——離合總泵工作行程

a/b——踏板杠桿比

S0——踏板空行程（一般為15-25）

離合器分離指分離行程計算公式為：

式中：

c/d——撥叉杠桿比；

a/b——踏板杠桿比；

S4——套筒與分離指之間間隙1～3mm，一般去3mm；

離合器操縱系統行程要滿足使用要求，離合器分離指分離行程S3＞S5離合器分離的最大行程的前提下，符合以下幾個條件：

1）S＜S6踏板的設計最小有效行程

2）S1＜S7離合助力器有效行程；

3）S2＜S8離合總泵有效行程；

4）系統磨損后仍能徹底分離。

目前我們的離合助力器缸徑d2有兩種：φ22mm和φ 19.8mm。

某中型卡車的踏板只有一種，相應參數為S6=150mm，踏板杠桿比a/b=4.92，踏板空行程S0=20mm總泵缸徑d1φ 22.23mm，活塞行程S8=35mm，行程效率為0.81；

采用的￠380膜片彈簧推式離合器分離行程S5=12mm，撥叉杠桿比c/d=1.35。

表1 離合器分離指分離行程計算參數表

通過計算結果可以看出：

1）離合助力器缸徑選取φ22mm，φ19.8mm均能滿足離合系統行程要求；

2）離合助力器缸徑選取φ22mm其分離行程15.6mm，為最佳匹配，滿足了離合系統行程要求，在摩擦片磨損3mm后，其行程仍能滿足要求；而離合助力器缸徑選用φ19.8mm的話，分離指分離行程過大，可能導致分離指過推問題，導致離合器的損壞。

3.2 離合助力器性能曲線的匹配

某中型卡車離合助力器缸徑選取φ22mm，行程大于25的助力器共有兩種氣壓缸徑：φ90mm，φ102mm。兩種離合助力器性能曲線如下圖，圖4、圖5：

圖4 φ22mm氣壓缸φ90mm離合助力器性能曲線

圖5 φ22mm氣壓缸φ102mm離合助力器性能曲線

離合助力器性能曲線分析（以圖4為例）：

X坐標代表離合助力器液壓油缸輸入油壓

Y坐標該表推桿輸出力

拐點1表示進氣閥門開啟點油壓

拐點2表示進氣閥門完全開啟點油壓

在進氣閥門未打開時，進氣閥為初始平衡階段，作用于液壓控制活塞的力有液壓油壓力F油，反作用腔氣壓力F氣腔和回位彈簧力T，三者平衡公式為：F油=F氣腔（氣壓力）+T（彈簧力）。

離合助力器推桿輸出力位作用為液壓控制活塞上的力，性能曲線表示公式：

式中：

p——液壓壓力；

d2——離合助力器液壓缸徑

隨著油壓的增加，進氣閥門處于開啟狀態。離合助力器推桿上輸出力為液壓活塞作用力，氣壓腔活塞作用力，氣壓腔活塞回位彈簧力三者之和，性能曲線表示公式：

Fn=F1（氣壓力）+F2（液壓力）+T（彈簧力）。

式中：p2——進氣閥開啟階段氣壓腔壓縮空氣壓強；

d3——氣壓腔活塞工作直徑；

式中：p——液壓壓力；

d2——離合助力器液壓缸徑

其中彈簧力計算工時可表示為：T=k·l

式中：k——氣壓活塞回位彈簧的剛度；

l——氣壓腔活塞回位彈簧的變形量

當離合助力器推桿力Fn＞F分（彈簧分離力）時，離合器開始分離。當離合器完全分離后，彈簧的負載彈簧剛度和壓形變滿足彈簧預壓力大于液壓力和氣壓力之和時，彈簧力可以忽略不計。此時彈簧變形量不變，氣壓腔體積也不變，此時彈簧推桿力Fn可簡化為Fn=F1（氣壓力）+F2（液壓力）。

離合助力器系統離合踏板力計算公式：

式中：

E1——踏板機構及離合器總泵的機械效率 取90%；

P——總泵內部液體壓強，單位Mp；

d1——總泵缸徑；

a/b——踏板杠桿比；

F——離合踏板力。

從離合助力器性能曲線可以看出，不同氣缸缸徑，離合助力器的油壓開啟點和斜率是不同的。從離合踏板力計算公式我們可以看出，踏板力在總泵缸徑選定后，踏板杠桿比確定后，踏板的分離力大小至于液壓壓強成正比。所以客戶可根據離合器分離力，離合踏板力要求采用不同的油壓開啟點及斜率。

某中卡離合總泵缸徑d1=φ22.23mm，踏板杠桿比a/b= 4.92，離合器為 ￠380膜片彈簧推式離合器，最大分離力為3500N。

P的計算：

￠380膜片彈簧推式離合器最大分離力為3500N

E2：機械效率取90%，c/d=1.35

轉換到離合器助力器推桿上的最大推力F1：

從圖4離合器助力器性能曲線圖上，我們可以看到在要求的分離力2880N時液壓缸工作壓強已超過1.7Mpa，E3：管路效率取90%，離合總泵的壓強：P=P1/ E3=1.89Mpa；

從圖5離合器助力器性能曲線圖上，我們可以看到在要求的分離力2880N時液壓缸工作壓強不到1Mpa，在這種情況下計算時通常采用曲線拐點處的壓強；

離合分泵的壓強：P1=1Mpa

E3：管路效率取90%，離合總泵的壓強：P=P1/ E3=1.11 Mpa；

兩種不同缸徑助力器離合踏板力為：

表3 踏板力計算參數表

通過計算結果可以看出：離合助力器液壓開啟點早，斜率大，離合器分離時液壓強度小，踏板力相應減小。為了駕駛員勞動強度，我們要求踏板力應在100N～150N之間，這樣值不大，也能保證有一定的腳感；從離合系統行程和踏板力綜合考慮，選擇離合助力器液缸徑φ22mm氣缸徑為φ 102mm為最佳配置。

4、離合器助力器結構優化

某中卡按上述匹配離合器及離合系統，駕駛員發現在踩踏離合踏板時，有異常抖動的問題，影響駕駛員操作舒適度。零部件制造質量及裝配質量符合標準要求，駕駛員緩慢踩踏離合踏板，抖動幅度及持續時間較低，快速踩踏后，抖動幅度及持續時間又明顯的上升，車輛在怠速時，離合踏板而沒有抖動。初步確定為離合系統隨動性差導致的抖動，而影響離合系統隨動性主要部件為離合助力器。某中卡的離合助力器結構為分體式，助力缸在后，助力活塞與液壓活塞是分開的，助力器的隨動性不好，故而導致離合踏板抖動。而外掛式回位彈簧，推桿易偏心，對振動也有一定的影響作用。為了解決這個問題，提高離合系統的操作舒適度，采用新型結構離合助力器。

新型離合助力器原理：

離合器分離時，踩下踏板，高壓油從4口輸入B腔，作用在活塞b上，使活塞b產生向左的推力，同時高壓油進入D腔，液壓力作用在控制活塞c上，使活塞c向左移，關閉排氣，閥門e左移，打開進氣門，壓縮空氣流入A腔。在氣壓力和液壓力同時作用下活塞b使推桿a往左移，從而操縱離合器。

新型離合助力器結構如下圖，圖6所示：

圖6 新型離合助力器結構

離合器嚙合時，放松腳踏板，4口液壓下降。在回位彈簧d和氣壓力的作用下，使活塞c右移，關閉進氣門，打開排氣門， 壓縮空氣從5排向大氣。在離合器彈簧及復位彈簧g力作用下，通過推桿a把活塞b推向右端，離合器結合。

新型助力器特點是助力缸在前，內置式推桿回位彈簧，助力活塞與液壓活塞是連接在一起的，助力器隨動性優于老型助力器。內置式推桿回位彈簧，推桿不會偏心，對降低振動有一定幫助。在某中卡上換上新型離合助力器后，經驗證離合踏板異常抖動問題消失。

5、總結

文章對中型4×2載貨車HFC1121K3R1ZT離合器及離合系統介紹，著重于離合助力器匹配設計步驟及計算方法，通過離合助力器結構優化設計，確定最佳離合系統狀態。以上內容雖然主要針對中型4×2自卸車，但不失一般性，對于中重型汽車采用液壓氣助力的離合系統，離合助力器匹配及優化可按此過程進行設計。

[1] 劉維信主編.汽車設計.北京:清華大學出版社 2001.7.

[2] 陳家瑞主編.汽車構造（下冊）. 北京：機械工業出版社 2000.10.

[3] 徐石安主編.汽車離合器（汽車設計叢書）. 北京：清華大學出版社 2004.12.

[4] 劉維信主編.機械最優化設計.北京;清華大學出版社 1994.

Matching Design And Optimization of Medium Truck Clutch Booster

Liang Lijuan, Liu Jiehao
（Anhui Jianghuai Automobile group co. Ltd, Anhui Hefei 230601 )

In this paper, a clutch of the medium truck operating system as the research object, analyze the tationality of the calculation, clutch booster system, and the problems for the market to optimize the structure of the car clutch booster.

Medium Truck; Clutch Control System; Clutch Booster

U463.2

A

1671-7988 (2017)08-27-04

梁麗娟，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.009