重型汽車離合操縱系統舒適性提升研究

趙 軒，李庚璋，付育超

（陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

隨著汽車工業的快速發展和人民生活水平的提高，駕乘人員對汽車舒適性也有了更高的要求。重型汽車不僅對安全可靠性、經濟性、排放標準等基本性能提出要求，對操縱舒適性也逐漸趨向轎車類的要求。

汽車的舒適性包括乘坐舒適性和駕駛舒適性兩個方面。駕駛舒適性主要集中于靜態舒適性、振動舒適性和操縱舒適性。本文僅從影響離合器操縱舒適性的因素及解決方案進行探討。

1 離合器踏板人機一般要求

踏板的布置一般如圖1所示，可參考ECE R35中的要求：a≥50 mm，b≥50 mm；腳踝角度推薦值：87°～110°；踏板行程：80 mm～150 mm；踏板高度推薦≤140 mm；踏板力：乘用車80 N～150 N，商用車不大于150 N～200 N[1]。踏板人機分析應考慮人體體型特點及坐姿情況等綜合因素，根據應用人群選取合適的人體模型，同時應考慮視野及儀表盤觀察等因素，合理布置駕駛室座椅位置，根據R點位置，調整踏板高度及踏板面形狀。如通過降低踏板面、調整踏板面傾斜角度及弧面形狀、調整行程角度、增高地板墊等手段，提高踏板的人機舒適性。

圖1 踏板布置位置圖

2 離合器踏板力對人機的影響及改進措施

目前，中重型汽車一般采用液控氣助力式的離合器操縱機構，該操縱系統具有摩擦阻力小、傳動效率高、動作柔和及布置方便等優點，適合遠距離操縱離合器的分離和結合[2]，系統組成如圖2所示。此操縱系統主要由離合器踏板、液壓總泵、油管、離合器助力缸及變速器內的分離機構等構件組成。

圖2 液控氣助力離合器操縱裝置

液控氣助力離合器操縱系統的工作原理：當踩下離合器踏板時，離合器總泵產生的油壓，通過離合器油管對離合器助力器液壓缸產生壓力，使助力器內的隨動閥開啟，打開氣缸閥門，底盤的壓縮空氣進入助力器氣缸，在液壓和氣壓的共同作用下，推動助力器的活塞和推桿運動，由于氣壓的參與，使助力缸在較小的油壓下產生更大的推力，這就是氣助力作用。

采用液控氣助力離合器操縱系統，離合踏板力的大小，不僅取決于離合器的分離力，而且與離合器操縱系統的機械杠桿比、液壓杠桿比、輔助氣壓、助力器隨動閥開啟壓力等因素有關。離合器徹底分離時的踏板力Q計算公式為[3]

式中，P∑max為離合器徹底分離時壓緊彈簧的總壓力；i∑為操縱機構的總杠桿比；η為操縱機構的總傳動效率；Qh為克服各回位彈簧拉力所需的踏板力。

從液控氣助力離合操縱系統和離合器助力器的工作原理來看，油壓越大，在隨動閥的平衡調整下，氣缸中的氣壓升高，使其產生更大的推力。然而，油壓的大小，會反映到離合器踏板上，油壓越大，踏板力也越大。

離合踏板力的大小，會直接影響踏板人機的主觀感受，尤其在工況復雜的工地（如礦區等），使用離合器的頻次很高，如踏板力偏重，容易造成駕駛疲勞；若踏板力偏輕，在顛簸路面行駛或體型較大的駕駛員使用，會感覺缺少腳感，容易造成誤操作。商用汽車的踏板力PT一般可取[4]：（1）較為合適：PT=150 N；（2）稍重：PT＞200 N。

通常情況下，可以通過改變離合器操縱系統的杠桿比來調整踏板力的大小，加大杠桿比會使踏板力減小，但行程增加[4]。踏板行程會引起踏板面高度的變化，如此會影響踏板人機，因此需進行人機校核。如果是對定型車型的踏板力優化，應避免采用更改杠桿比的方法。本文著重闡述在不更改系統機構杠桿比的情況下，通過優化離合器助力器的輸出特性來優化踏板力的方法。

當離合器型號選定時，離合器的分離力確定，離合器助力缸的輸出特性將影響離合器踏板力的大小。影響離合器助力缸輸出性能參數的主要因素有氣缸及液壓缸徑、隨動閥的性能。圖3為離合器助力器性能測試曲線圖。在圖3中，曲線①為未進行優化的常規離合器助力器（基本參數：氣缸缸徑為Φ102 mm，液壓缸缸徑為Φ24 mm）在氣壓為0.7 MPa下測試的輸出特性曲線。本文從以下方面分析踏板力的影響因素，并提出對應優化方案。

圖3 離合器助力器性能測試曲線圖

（1）氣缸缸徑對踏板力的影響。若氣缸缸徑發生變化，在相同氣壓下，助力器的輸出力會發生變化。如加大氣缸缸徑，相同的氣壓下，氣缸活塞受到壓力增加，因而助力器推桿的輸出力會增加，特性輸出曲線如圖3中的曲線②所示。由此可見，當離合器分離力一定時，系統所需要的液壓值會變小，離合踏板施加給總泵液壓缸的力降低，也即離合踏板力減小。但更改氣缸缸徑，會引起助力器外形的變化，應需要校核助力器的安裝空間。反之，減小氣缸缸徑，會使踏板力相應增大。

（2）控制閥（即隨動閥）參數的影響。控制閥性能參數對助力器的輸出特性影響非常大，控制閥工作原理如圖4所示，控制閥為二位三通閥，當踩下踏板，使系統產生液壓，油液由油液口進入控制閥液壓腔，當液壓對閥門活塞的壓力大于閥門活塞回位彈簧力與底盤輔助氣壓對閥門活塞的推力之和時，進氣口與出氣口道通，控制閥打開，底盤輔助氣路的壓縮空氣通過控制閥進入助力器氣缸內，對助力器氣缸活塞施加壓力，起到氣助力作用。當松開離合踏板時，系統液壓降低，控制閥活塞在氣壓和回位彈簧力的作用下移動，使進氣口與出氣口斷開，助力器氣缸內的壓縮空氣，經排氣口流出泄壓，助力器推桿推力減小，并逐漸回位。控制閥始終處于液壓、氣壓、回位彈簧共同作用下的平衡狀態，使踏板在踩踏過程中的任意位置，都能獲得氣壓的作用，獲得較輕的踏板力。

圖4 控制閥工作原理圖

復位彈簧剛度變化、控制閥孔徑變化將影響氣壓、液壓、復位彈簧力之間的平衡關系，會導致助力器輸出過程曲線的變化。如圖3中的曲線③所示，當減小回位彈簧力，增大液壓缸活塞面積，使控制閥活塞在較小的液壓值下，也能推開閥門助力，較小的液壓值，需要的踏板力也隨之降低。

（3）液壓缸缸徑對踏板力的影響。由圖3離合器助力器特性曲線可見，離合器助力器的輸出推力與系統液壓力值有關。系統液壓由作用在離合器總泵上的踏板力產生，由式（2）計算：

式中，P為系統液壓值；F為踏板力，N；i為踏板杠桿比；μ為傳動效率；S為總泵活塞面積，mm2。

若總泵活塞面積S發生變化，也即液壓缸的缸徑發生變化，會使相同的踏板力下，產生的系統液壓值P發生變化，從而導致助力器輸出推力變化。換而言之，在系統所需要的離合器助力器的推力不變的情況下，但系統所需要的液壓值發生變化，同樣會影響踏板力的大小。但此時已影響液壓杠桿比的變化，為了保持液壓杠桿比不變，應同時變化離合器助力器的缸徑。

3 踏板行程關鍵位置點的控制及改進措施

離合器踏板在整個行程中的儲備點、結合點、結合調節區的分布位置，影響著離合器操縱的結合品質和主觀感受。離合器踏板的儲備點，即踩下離合器踏板時，離合器徹底分離時踏板的位置。離合器踏板的儲備點到離合器踏板最低位置為儲備行程，儲備行程應≥25 mm，以確保離合器在所有情況下都能徹底分離。離合器踏板的結合點，即在上抬離合器踏板的過程中，離合器開始結合時，離合器踏板的位置，為了便于實車測試，可以將車輛在即將起步時的踏板位置，稱作離合踏板結合點位置。從離合器踏板的結合開始點到離合器完全結合此段范圍為結合調節區，在此區間，離合器處于半離合狀態，車輛開始起步。由于腳踝關節只能在50 mm～60 mm范圍內調節20°，因此結合開始點在位于儲備點超過50 mm以上，就難以從腳感上確定踏板的位置。本文結合實例來介紹離合器踏板關鍵位置點的控制方法。

圖5為采樣車型改進前后與某對標進口車型離合踏板行程與踏板力測試圖。其中曲線①為某對標車型曲線參數，該車型總行程和儲備行程較大，儲備點與結合點之間距離較小，踏板力適中，舒適性好。曲線②為某國產車型離合器系統優化前離合踏板行程與踏板力測試曲線，在踩下離合器過程中踏板力較重，結合點距離儲備點較遠，即在車輛起步過程中，離合器踏板抬起的高度較大，腳感舒適性較差。

圖5 踏板行程與踏板力測試

如前面所述，對于已定型車型，根據車身空間結構、座椅布置位置等因素，已對踏板位置及行程進行了人機工程校核，因此，離合踏板的總行程對于產品改進，不作較大調整。

調整離合器踏板的儲備點、結合點的位置，可參考以下幾個方面進行：

（1）儲備行程對人機的影響。從離合器操縱系統考慮，為保證在任何情況下能完全分離，儲備行程越大，對離合器完全分離越有利。但較大的儲備行程，會導致離合器踏板結合點位置變高，會導致人機舒適性變差。因此對于某個車輛個體，在能滿足離合器完全分離的情況下，應減小儲備行程，從而使離合器踏板儲備點與結合點位置距離減小，使得在車輛起步過程中，駕駛員能較快地找到結合點的位置。為了滿足駕駛員個性化需求，一般在設計踏板時，會將踏板下限位設計為高度可調整結構，改善操縱舒適性。但這種調整對踏板的結合點的位置并沒有改變。

（2）離合器性能對人機的影響。僅從離合器性能方面考慮，離合踏板的儲備點的位置，取決于離合器在結合過程中輸出扭矩的大小。圖6為離合器蓋總成壓緊力與輸出扭矩、分離行程的關系圖。其中曲線①為壓緊力為39 000 N時，離合器輸出扭矩特性曲線，曲線②為壓緊力為35 000 N時，離合器扭矩特性曲線，曲線③為壓盤升程曲線。由圖可見，汽車啟動時，克服道路阻力矩（即啟動力矩）確定的情況下，壓緊力大的離合器，結合點的分離行程越大，反映到踏板上則是踏板抬升的高度越小，踏板結合點越低。

圖6 壓緊力與輸出扭矩關系圖

如果增大壓盤壓緊力，引起分離力的增加，使離合器踏板力變大，同時離合器匹配的后備系數變大，對傳動系統過載保護不利。

從動盤的壓縮特性對踏板人機的影響也較大。如從動盤的軸向壓縮量越大，半離合狀態結合調節區范圍變大，車輛起步時，結合柔和，同時結合點也相對變低。如從動盤的軸向壓縮量越小，離合器分離迅速，但儲備點會變高，結合點也變高，半離合狀態結合交接區范圍變小。離合器的結合調節區如果太小，車輛起步時，駕駛員靠腳感很難找到結合點位置，會導致結合不柔和，車輛起步發闖，甚至熄火。

如果從動盤過度磨損或表面質量下降，會引起表面摩擦系數降低，使離合器傳扭能力下降，從動盤需要更大的壓力才能保證克服起動阻力矩，因此，踏板需要抬起的更高，也即踏板的結合點更高。

從動盤波形片塑性變形導致壓縮量降低，離合器蓋總成膜片彈簧的疲勞變形等，都會引起離合器踏板結合點位置的變化和結合調節區的變化。

4 總結

本文通過對離合踏板力的優化、踏板行程的關鍵控制點的控制，離合器參數優化，如提高壓緊力、優化從動盤壓縮特性、優化總泵和分泵輸出特性，不僅降低了離合器踏板力，而且使踏板結合點位置明顯降低，如圖5中的曲線③所示，實際裝車驗證，踏板舒適性得到提高。

隨著汽車技術的發展，用戶對離合操縱系統的舒適性的要求會越來越苛刻，對離合操縱系統的改進也在不斷探索中，本文拋磚引玉，僅從踏板布置、踏板力、踏板關鍵控制點的分布區域等方面進行闡述，還有更多的離合系統優化方案需要進一步發掘。