基于手動擋汽車的新型離合器操縱裝置設計與研究

李亞東，張兵，陳文廣

（中原工學院機電學院，河南 鄭州 450000）

1 前言

1.1 課題研究的目的和意義

相對于自動擋汽車來說，新手容易誤把油門當剎車，而手動擋汽車因為有離合的控制因此較少發生。但手動擋汽車油離配合需要技術，比自動擋汽車操縱難度大。傳統的手動檔汽車在換擋時都是需要踩離合器踏板，使離合器總成中的壓盤與發動機飛輪分離而中斷發動機動力的傳輸，接著再通過變速器的操縱檔桿進行換擋操作。而自動擋汽車采用無級變速，發動機動力的傳遞不需要離合器踏板的參與就能實現，從而取消了離合器踏板的設置。自動擋汽車行駛時無需踩離合，不用像手動擋汽車一樣頻繁的換擋。

對于新手來說，自動擋汽車相對于手動擋汽車來說更容易上手。而手動擋汽車行駛時需要頻繁踩離合換擋，并且換檔操作不當可能會熄火、“打齒”等。兩者相比較來說，手動擋汽車更省油、成本低，從駕駛的樂趣上說更有“駕駛感”。于是既可以不踩離合踏板又能夠像手動擋一樣去駕駛的需求就有了。在這樣的基礎上出現了自動離合器。電控自動離合器是在原手動變速箱的基礎上加裝的電控離合，由電控離合取代離合器踏板的功用。自動離合器通過多種傳感器實時監控汽車的各工作參數，實現對離合器的接合與分離。現在自動離合器的安裝是在不改變原車結構的基礎上將離合器踏板與執行機構連接的地方改為自動離合器與執行機構的連接。

結合自動擋汽車不用換擋的便利和手動擋汽車安全性高的優點，要求能夠簡化手動擋汽車的換擋過程。自動離合器能夠實現手動擋汽車行駛中松開油門即自動轉入滑行狀態，踩下油門則自動轉入驅動行駛狀態，達到“開車不用踩離合”的目的[1]。但自動離合器無法識別手動擋汽車常見的“半離合”狀態，尤其是在低速行駛、倒車時，自動離合器只能在摩擦片“全結合”的情況下通過踩剎車來增大拖行阻力達到減速目的。這增大了摩擦片的負荷，加劇磨損，使離合器壽命縮短。當發動機轉速在560轉上下波動時，自動離合器會不斷地分離、接合，頻繁的離、合使摩擦片迅速發熱，縮短離合器壽命[2]。一旦自動離合器失靈，動力無法切斷，換擋時會出現“打齒”現象，甚至打壞齒輪箱。裝有自動離合器的手動擋汽車雖然能夠達到取消離合器踏板的目的，但加速了對離合器摩擦片的磨損，縮短了離合器使用壽命。

為了既能夠滿足上述需求又能彌補自動離合器存在的不足，筆者在查閱了大量的文獻資料之后，提出了本課題的新型離合器操縱裝置設計。該設計可有效解決既能取消離合器踏板功能、簡化換擋過程，又不會加速離合器摩擦片磨損的問題。此設計與自動離合器最大的不同就是只采用壓力傳感器，只接受外界壓力信號，將離合器踏板的功能集成在換擋桿上。同時用手動控制代替了原有的離合器踏板腳動控制的功能，離合器的分離、接合仍然是人為操作，即不用踩離合也有效彌補了自動變速器的不足之處，簡化換擋過程。

1.2 汽車離合器應用現狀分析

汽車離合器總成設置在發動機與變速器之間，其主要作用是實現發動機動力的傳遞與中斷，對汽車的動力性、經濟性有著不小的影響。目前在汽車上廣泛應用的是摩擦離合器。摩擦離合器由主動部分、從動部分、壓緊機構、操縱機構組成，主要依靠主、從動部分的摩擦來傳遞和中斷動力[3]。手動擋汽車的摩擦離合器操縱機構主要包括分離叉、分離軸承、離合器踏板、傳動部件等。傳統的摩擦離合器是完全依靠人力驅動的，為了方便操縱，在操作方式上又出現了電磁離合器、液壓離合器以及用于自動擋汽車的液力耦合器等。

1.2.1 汽車離合器應用分類

離合器的工作原理主要是主動部分和從動部分之間借助摩擦面的摩擦作用，或用液體作為傳動介質（如液力耦合器），或依靠磁力傳動傳遞轉矩[4]。離合器應能滿足主從動部分之間既能分離又能接合，且在傳動過程中允許兩部分相互轉動。

（1）電磁離合器

電磁離合器控制離合器的接合與分離是依靠線圈的通斷電來實現的。電磁離合器可分為干式單片電磁離合器、干式多片電磁離合器、磁粉離合器、濕式單片摩擦離合器、濕式多片電磁離合器等。

電磁離合器的工作方式又分為：通電結合與斷電結合。

對于干式單片電磁離合器，離合器處于接合狀態時線圈通電產生磁力吸引“銜鐵”片；離合器處于分離狀態時，線圈斷電“銜鐵”因自身彈力彈回。

干式多片電磁離合器與濕式多片電磁離合器工作原理大致相同，主要區別在于濕式多片電磁離合器工作時必須有冷卻液冷卻，且摩擦副增多，同等體積下轉矩比干式單片電磁離合器大。

（2）摩擦離合器

目前應用比較廣泛的是應用壓緊彈簧的摩擦離合器，而手動擋汽車中應用的摩擦離合器大部分屬于干式摩擦離合器。摩擦離合器按從動盤數目分為單盤式、雙盤式、多盤式。與干式摩擦離合器相區別的是濕式摩擦離合器，濕式摩擦離合器需要浸在冷卻液中以便于散熱，濕式摩擦離合器一般采用多盤式。采用多個螺旋彈簧作為壓緊裝置，將彈簧沿壓盤圓周分布的離合器稱為周布彈簧離合器，而采用斜置彈簧作為壓緊裝置的稱為斜置彈簧離合器，以膜片彈簧作為壓緊機構的摩擦離合器稱為膜片彈簧離合器。

（3）液力耦合器

液力耦合器由泵輪和渦輪組合而成，通過油液傳動轉矩，其外殼與泵輪連為一體，屬于主動件；渦輪屬于從動件[5]。當主動件泵輪轉速較低時，渦輪不能被帶動，主動件與從動件處于分離狀態；當泵輪轉速足夠高時，渦輪會被帶動，此時主動件與從動件之間處于接合狀態。手自一體的汽車可采用液力耦合器與變速箱的組合，能在一定范圍內實現無級變速。

1.3 論文主要研究內容

如上所述，目前廣泛使用的離合器主要包括摩擦離合器、液壓離合器、電磁離合器、液力變矩器、自動變速器等，而自動離合器雖然是一種比較新的離合器操縱裝置，但在摩擦片使用壽命上尚需完善。筆者在查閱了大量的離合器相關文獻，總結多種類型的離合器特點的基礎之上，設計新型的離合器操縱裝置，為今后的研究提供參考。

2 關于新型離合器操縱裝置設計的若干問題

2.1 背景技術

汽車離合器總成設置在發動機與變速器之間，其主要作用是實現發動機動力的傳遞與中斷。目前在汽車上廣泛應用的是摩擦離合器。離合器總成如圖1所示。

傳統的離合器以人力驅動，為了方便操縱又出現了電磁離合器、液壓離合器等，通過離合器執行機構來控制離合器的接合與分離。筆者主要在這一操縱過程中設計出一種使用方便、安全可靠、實用的新型離合器操縱裝置，使其更滿足人們的需求。

圖1 摩擦離合器結構圖

實際駕駛中，相對于自動擋汽車來說，新手容易誤把油門當剎車，而手動擋汽車因為有離合的控制因此較少發生。這也是在人機工程學中的操縱裝置設計要考慮的因素，提高了汽車行駛安全性。但手動擋汽車油離配合需要技術，相比自動擋汽車操縱難度大。傳統的手動檔汽車在換擋時都是通過踩離合器踏板，使離合器總成中的壓盤與發動機飛輪分離而中斷發動機動力的傳輸，接著再通過變速器的操縱檔桿進行換擋操作。自動擋汽車采用無級變速，發動機動力的傳遞不需要離合器踏板的參與就能實現，從而取消了離合器踏板的設置。自動擋汽車行駛時無需踩離合，不用像手動擋汽車一樣頻繁的換擋。

就目前來說，離合器作為傳遞發動機動力的媒介，其相關技術基本趨于成熟。但對于自動擋汽車與手動擋汽車在操縱裝置方面的結合仍有很大的發展空間。自動離合器作為在這一領域的突破，雖然同時結合了自動擋的便利與手動擋的穩定，但摩擦片易磨損，尚有不足之處。對于手動擋汽車在不改變原車結構的基礎上，既能簡化換擋步驟，又不會有自動離合器的一些缺點才是理想狀態。

結合這些特點，設計一種集離合器操縱與變速器操縱與一體的新型離合器操縱裝置，主要是在汽車換擋桿這一部分，一個壓力傳感器布置在檔桿正上方，另外四個壓力傳感器均勻布置在檔桿四周，這樣可以保證駕駛員的手完全接觸到壓力傳感器，使壓力信號更易被接收。為了實現壓力信號的接收與傳遞，選用集信號接收、編碼、發射模塊于一體的微控制器[6]。微控制器內置于換擋桿內部，以鋰電池作為供電電源。換擋桿正上方設計成可拆卸式，便于拆卸檢測。設計了該離合器操縱裝置，并驗證這種新型離合器操縱裝置的可行性、可靠性與穩定性，為今后手動擋汽車在離合器操縱與變速器操縱結合方面提供一種可行性。

結合自動擋汽車不用換擋的便利和手動擋汽車安全性高的優點，要求能夠簡化手動擋汽車的換擋過程，使這一裝置滿足使用方便、安全可靠、更加實用的要求。

2.2 離合器操縱裝置設計的可行性分析

手動擋汽車換擋時一定會接觸到換擋桿，而在換擋之前需要保證離合器主從動部分的接合與分離。決定離合器主從動部分接合與分離的操縱裝置是離合器踏板，因此可以把離合器踏板的功能集成在換擋桿上，實現離合器、變速器同時手動操作，對離合器的控制由腳動變為手動，簡化換擋步驟，便于操作控制，且該設計成本低、結構簡單緊湊、對原車結構改動較少。可以采用壓力傳感器接收駕駛員手施加在換擋桿上的壓力這一物理量，通過電阻-電壓轉換模塊，將壓力信號裝換為相應的電壓值，再通過A/D轉換模塊將模擬量轉換為數字量傳輸給微控制器進行數據處理，最后將處理的數字量經微控制器傳輸給汽車離合器控制單元，由其控制離合器執行機構，最終完成整個換擋操縱過程。

如上所述，壓力傳感器可選用壓阻式力傳感器，再配以相應的模塊與微控制器，理論上就能滿足其設計需求。

2.3 關于壓阻式力傳感器在零點漂移與溫度漂移方面的討論

該離合器操縱裝置采用的半導體壓阻式力傳感器，其半導體材料具有良好的壓阻效應和彈性，同時具有體積小、質量小、測量靈敏度高等優點，得以廣泛應用[7]。但半導體材料制成的壓力傳感器溫度特性較差，壓阻效應易受溫度環境的影響。

一般情況下，半導體壓阻式力傳感器是由四只可變電阻橋接成惠斯頓電橋。當受到外力作用時，可變電阻阻值會發生變化，輸出電壓；在不受外力作用時輸出電壓為零，稱為零位輸出電壓[8]。但如果傳感器周圍的溫度發生變化，即使沒有外力作用，零位輸出也將隨之變化。因此在設計時應考慮到溫度漂移這一因素的影響。

2.4 本章小結

本章先介紹了與離合器相關的背景技術，在目前已知的離合器優缺點的基礎上，分析該設計的可行性和優越性，并對壓阻式力傳感器存在的若干問題進行討論。該設計在一定程度上提高了汽車的操縱性和簡便性，因此設計一套新型離合器操縱裝置對自動擋汽車與手動擋汽車的結合是十分有意義的。

3 新型離合器操縱裝置零部件選型

本文旨在設計一套能夠簡化換擋步驟、提高操作性、解放體力的離合器操縱裝置，主要涉及內容如下：首先選擇傳感器與微控制器；設計新型離合器操縱裝置的總體布局結構；對新型離合器操縱裝置的防誤觸功能進行結構設計與計算；對裝置可能存在的問題提出解決方案。

3.1 各功能部件選型

該離合器操縱裝置各功能部件的選型主要包括壓力傳感器、微控制器及相關模塊。壓力傳感器種類繁多，又要求所需壓力傳感器體積要小。根據工作原理，一般可選的壓力傳感器包括：應變式力敏傳感器、壓阻式力敏傳感器、電容式力敏傳感器[9]。對微控制器的選型一般選擇性價比高的微控制器，為方便功能擴展和調試，微控制器的I/O口數應該略多于系統功能所需的個數。以下分別進行討論說明。

3.1.1 壓力傳感器的選用

（1）應變式力敏傳感器

應變式力敏傳感器是以電阻應變片為傳感元件的一種傳感器。電阻應變片作為一種傳感元件，可以將應變發生的變化轉換為電阻變化。當受到外力時，應變材料的外形會發生改變。測試時可將應變片粘貼在被測元件的表面上，隨著元件受力發生形變，應變片也產生同樣的變形，從而使其電阻值發生變化。

（2）壓阻式力敏傳感器

（3）電容式力敏傳感器

電容式力敏傳感器采用電容敏感元件制成，其工作原理是利用電容變化將被測壓力轉換為電量輸出，通過測量電路即可輸出與壓力呈一定關系的電信號。這種壓力傳感器具有較高動態響應，不易受環境因素影響。

圖2 RFP-611薄膜壓力傳感器

應變式力敏傳感器是通過彈性元件發生的形變和位移來測量的，但這種傳感器一般體積較大、具有非線性輸出，且因本設計的結構問題，不適合該裝置中壓力傳感器的選用。半導體壓力傳感器利用半導體材料的壓阻效應和彈性特性，具有體積小、靈敏度高、質量小、結構緊湊等優點，應用廣泛，更適用于該設計。該設計選用的壓力傳感器是由宇博智能科技有限公司開發研制的RFP-611薄膜壓力傳感器，見圖2。RFP薄膜壓力傳感器由兩片很薄的聚酯薄膜組成，兩片薄膜內表鋪設導體及半導體。當外力作用在傳感點上時，其阻值會隨著外界壓力呈規律變化：壓力為零時阻值最大，壓力越大阻值越小。RFP薄膜壓力傳感器可對任何接觸面的壓力進行靜態和動態測量，薄膜壓力傳感器將施加在傳感器感應區域的壓力轉換成電阻信號，然后根據壓力-電阻的標定關系曲線獲得外界所施加壓力的變化信息。在不同的地方放置傳感器點，可以滿足不同的測量要求。同時由于該設計壓力傳感器的信號傳輸受溫度影響因素較小，因此只要設定壓力數值合理，可以忽略溫度漂移對傳感器信號傳輸的影響。

3.1.2 MCU的選擇

STM32是一個微控制器產品的總稱。文章中的微控制器選擇STM32F103ZET6，該MCU屬于STM32大容量產品，引腳數為144腳，具有512K字節的閃存存儲器。該設計中可在該微控制器的基礎上，增設外圍功能，以達到設計要求。在選擇MCU時應該注意以下幾點：

（1）在滿足設計中所需要的基本功能外，應盡可能保證內部程序存儲器的空間要大，有利于軟件功能更好的實現；

（2）I/O口應略多于實際需要的數目，以便于增設其他的外設；

（3）在產品成本可以接受的情況下，內部RAM應足夠大，以提高運行效率。

含氟制劑的應用對防止釉質脫礦及促進再礦化具有積極作用；有研究證實，唾液中的礦物質離子也可促進釉質的早期再礦化[1]。奧威爾脫敏劑含有生物活性成分，已被證實其具有再礦化及抑制釉質脫礦的作用[2]；綠茶也具有防齲的作用[3]，且方便安全；碳酸氫鈉溶液可促進早期齲的再礦化[4]。本研究旨在尋求日常生活中防止釉質脫礦及再礦化更方便、經濟、有效的方法，采用體外模擬口腔環境，探討綠茶浸提液、碳酸氫鈉液、多樂氟、奧威爾牙膏對釉質再礦化的作用及脫礦抑制效果，以期為臨床應用提供理論依據。

本設計為了更好的實現其功能，故采用STM32F103ZET 6型號的微控制器。

3.2 本章小結

本章主要對該設計所涉及的主要零部件的特點進行分析并選擇合適的零部件，為設計做鋪墊。

4 新型離合器操縱裝置結構設計

4.1 新型離合器操縱裝置總體設計思路

筆者設計了一種新型離合器操縱裝置。在不取消原有離合器踏板，不改變汽車整體結構的情況下該裝置將離合器踏板的功能集成在換擋桿上，如圖3所示。

圖3 新型離合器操縱裝置設計思路圖

如圖4是工作原理簡圖，通過半導體壓阻式力傳感器、微控制器、電源、充電口實現，汽車控制單元能夠根據壓力傳感器輸出的信號控制相應的執行機構來實現離合器主、從動部分的接合與分離。這樣就能夠實現手動擋汽車不用踩離合器直接換擋，達到簡化換擋步驟的目的。同時用手動控制代替了離合器踏板的功能，彌補了自動離合器的不足之處。

圖4 工作原理簡圖

針對現有技術中存在的不足之處，為了既能夠簡化手動擋汽車換擋過程，又能彌補自動離合器造成的離合器摩擦片過度磨損，結構復雜等問題，本新型離合器操縱裝置應用壓阻式力傳感器（見圖5、6）直接接收來自于駕駛員手上的壓力信號，并通過微控制器將此信號傳遞給汽車控制單元，由執行機構控制離合器主從動部分的接合與分離、實現手動擋汽車不用踩離合直接換擋。這樣就能在保證安全的情況下簡化換檔過程，解放人體勞動，使人機系統更加人性化。

圖5 壓阻式力傳感器

圖6 壓力傳感器內部構造圖

4.2 新型離合器操縱裝置技術方案

本新型離合器操縱裝置技術方案是這樣實現的：在換擋桿殼體頂部布設第一壓力傳感器，在換擋桿殼體上部環向均勻布設第二壓力傳感器、第三壓力傳感器、第四壓力傳感器、第五壓力傳感器；在換擋桿殼體內部安裝有微控制器，第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第三壓力傳感器、第四壓力傳感器、第五壓力傳感器均通過導線與微控制器連接，微控制器下方通過導線連接有電源，在電源對應的換擋桿殼體的側壁上開設有槽口，槽口內安裝有充電插口，充電插口與電源通過導線連接，其中1第一壓力傳感器，2第二壓力傳感器，3第三壓力傳感器，4第四壓力傳感器，5第五壓力傳感器，6微控制器，7電源，8充電插口，21換擋桿殼體。見圖7、圖8為該裝置主體結構圖和側視圖。

圖7 新型離合器操縱裝置主體結構圖

圖8 新型離合器操縱裝置側視圖

所述換擋桿殼體的下部殼體與換擋桿殼體的頂部殼體為分離式，換擋桿殼體的頂部殼體與換擋桿殼體的下部殼體之間通過螺絲固定連接。

相比于現有技術，本新型離合器操縱裝置具有如下優點：

該裝置能夠簡化手動擋汽車換擋步驟且造價低、易實現、操作穩定。考慮到換擋時人手一定會接觸檔桿，直接通過壓阻式力傳感器把離合器踏板的功能集成到換檔桿上，簡化換擋過程。通過把五個壓力傳感器分別布置在檔桿四周和上方的設計，并且使換擋操作時只有駕駛員的手同時觸碰檔桿正上方的第一壓力傳感器和檔桿周圍的第二壓力傳感器、第三壓力傳感器、第四壓力傳感器、第五壓力傳感器中的任意一個時，壓力信號才會傳遞給微控制器，然后經微控制器輸出相應的信號給離合器控制單元，再由離合器控制單元控制離合器執行機構執行離合器主從動部分的接合與分離，從而簡化了換擋操作，避免了誤觸檔桿造成的動力中斷，壓力傳感器的布置形式見9。

圖9 壓力傳感器布置圖

5 總結

筆者在參考了自動擋汽車構造與手動擋汽車離合器的相關資料后，設計了一種在不影響駕駛體驗與行駛安全性等各項性能的基礎下可以有效簡化手動擋汽車換擋過程的一種新型離合器操縱裝置。在該設計中，將離合器操縱機構集成在汽車變速器的換檔桿上。采用半導體壓阻式力傳感器取代離合器踏板的功能，實現傳感器—微處理器-汽車控制單元—執行器的流程控制。考慮到汽車行駛時可能會誤觸檔桿上面的傳感器，故壓力傳感器的布置形式采用周布式。只有在同時觸碰兩個及兩個以上的傳感器時，離合器主從動部分分離的信號才會傳輸給控制單元。這樣設計的優點是防止誤觸。該設計在不改變原車結構、不影響摩擦片使用壽命、構造簡單緊湊的基礎上，最終達到了在手動擋汽車中不用踩離合器踏板就能實現換擋操縱的目的，為以后的汽車離合器優化設計提供參考。

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