周大翠，高東璇，楊良勇，雷 雄

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng)618000）

離合器踏板的踏板力和踏板行程是離合器操縱系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)[1]，其性能的優(yōu)劣對(duì)駕駛員的操作舒適性和離合器的工作狀態(tài)起著至關(guān)重要的作用。隨著汽車零部件技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在離合器踏板特性研究方面取得了一定的成果。孫曉清等[2]利用離合器踏板特性分析系統(tǒng)，在不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、實(shí)車?yán)錈釥顟B(tài)下，對(duì)膜片彈簧離合器踏板特性進(jìn)行了測(cè)試；陸藝等[3]設(shè)計(jì)了一套基于USB高速數(shù)據(jù)采集模塊的離合器踏板特性便攜式測(cè)試系統(tǒng)。目前針對(duì)離合器踏板特性主要是從試驗(yàn)角度來(lái)研究的。本文從理論出發(fā)，建立動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，仿真得到不同離合器操縱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)下的離合器踏板特性曲線，為離合器操縱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支撐。

1 踏板力和踏板行程的傳遞路徑

離合器踏板處的踏板力和踏板行程經(jīng)離合器操縱系統(tǒng)傳遞至分離軸承處，轉(zhuǎn)變成分離力和分離行程[4]。本文以離合器液壓操縱系統(tǒng)中的離合器踏板為研究對(duì)象，離合器液壓操縱系統(tǒng)主要包括離合器踏板、主缸、工作缸、液壓管路、分離軸承等，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 離合器液壓操縱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)離合器液壓操縱系統(tǒng)的工作過(guò)程，其踏板力和踏板行程的傳遞路線[5]如圖2、圖3所示。

圖2 力傳遞路徑

圖3 行程傳遞路徑

2 動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)離合器液壓操縱系統(tǒng)的工作原理和踏板力、踏板行程的傳遞路線，以踩下和松開(kāi)離合器踏板兩個(gè)過(guò)程，建立動(dòng)力學(xué)微分方程[6]。

踩下離合器踏板時(shí)，主缸推桿推動(dòng)主缸活塞，容腔中的液壓油壓縮，壓力升高，產(chǎn)生的流量變化量與壓力之間的關(guān)系如式（1），而液壓油流量由主缸、工作缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度和缸徑?jīng)Q定的[7]，如式（2）所示：根據(jù)牛頓定律，可得到踩下踏板過(guò)程中主缸、工作缸活塞的力平衡方程：

式中，Q為流量變化量；P為油管壓力（Pa）；β為體積模量（Pa）；V 為油液體積（mm3）；Az、Ag為主缸、工作缸活塞面積（mm2）；Mz、Mg為主缸、工作缸活塞質(zhì)量（g）；kz、kg為主缸、工作缸彈簧剛度（N/mm）；Fz、Fg為主缸、工作缸推力（N）；xz、xg為主缸、工作缸活塞行程（mm）；cz、cg為主缸、工作缸活塞運(yùn)動(dòng)阻尼（N/mm/s）；

同樣結(jié)合牛頓定律，可得到松開(kāi)踏板過(guò)程中主缸、工作缸活塞的力平衡方程：

液壓油流量變化量為：

踏板力和踏板行程由主缸推力和主缸活塞行程經(jīng)離合器踏板傳動(dòng)比換算得到。

式中，F(xiàn)為踏板力；S為踏板行程；i踏為踏板傳動(dòng)比。

踩下和松開(kāi)踏板過(guò)程中的工作缸推力、工作缸活塞行程是通過(guò)膜片彈簧小端的分離力和分離行程換算得到的。

對(duì)于同心式液壓式操縱系統(tǒng)：

對(duì)于分體式液壓操縱系統(tǒng)：

式中，F(xiàn)分為膜片彈簧小端分離力；S分為膜片彈簧小端分離行程；i分為分離撥叉杠桿比。

3 仿真結(jié)果與分析

由離合器液壓操縱系統(tǒng)動(dòng)態(tài)傳動(dòng)數(shù)學(xué)模型以及膜片彈簧小端的分離力、分離行程可知，踏板力和踏板行程的變化主要與主缸結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，與工作缸結(jié)構(gòu)參數(shù)無(wú)關(guān)，因此本文從主缸不同的活塞面積、彈簧剛度和油液阻尼系數(shù)三方面來(lái)討論離合器踏板力和踏板行程隨時(shí)間的變化規(guī)律。從數(shù)學(xué)模型可知彈簧剛度和阻尼系數(shù)的變化不會(huì)引起液壓系統(tǒng)流量的改變，只會(huì)引起液壓力的改變，從而該參數(shù)的變化會(huì)引起踏板力的變化，對(duì)踏板行程的變化不起作用。運(yùn)用MATLAB/SIMULINK仿真軟件建立模型，得到踩下踏板和松開(kāi)踏板過(guò)程在不同主缸活塞面積、彈簧剛度、阻尼系數(shù)下踏板力和踏板行程隨時(shí)間的變化曲線，如圖4～6所示。

由圖4可以看出，無(wú)論是踩下踏板過(guò)程還是松開(kāi)踏板過(guò)程，主缸活塞面積越大，同一時(shí)刻的踏板力越大。這是由于主缸活塞面積的增大導(dǎo)致主缸液壓力的增大，根據(jù)數(shù)學(xué)模型，所以踏板力就越大。為了滿足離合器操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，踏板力不能超過(guò)150 N，因此在設(shè)計(jì)離合器主缸時(shí)，活塞面積不宜過(guò)大。

圖4 不同主缸活塞面積的踏板力仿真曲線

由圖5可以看出，無(wú)論是踩下踏板過(guò)程還是松開(kāi)踏板過(guò)程，主缸活塞面積越大，同一時(shí)刻的踏板行程越小。這是因?yàn)樵谝欢ǖ姆蛛x力和分離行程下，主缸活塞面積越大，主缸活塞行程就越小，因此經(jīng)傳動(dòng)比換算得到的踏板行程就越小。但踏板行程不能過(guò)小，從而引起離合器嚴(yán)重磨損等不良現(xiàn)象。

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖5 不同主缸活塞面積的踏板行程仿真曲線

由圖6可以看出，無(wú)論是踩下踏板過(guò)程還是松開(kāi)踏板過(guò)程，主缸彈簧剛度越大，踏板力越大。這是因?yàn)閺椈蓜偠仍酱?，彈簧力越大，根?jù)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，所需的踏板力就越大。

圖6 不同主缸彈簧剛度的踏板力仿真曲線

由于液壓油在主缸中的流動(dòng)速度較慢，從圖7可以看出，液壓阻尼的改變對(duì)整個(gè)離合器踏板的操縱過(guò)程中的踏板力沒(méi)有什么影響。

圖7 不同主缸油液阻尼系數(shù)的踏板力仿真曲線

4 結(jié)論

（1）根據(jù)離合器液壓操縱系統(tǒng)的工作原理建立了動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用Matlab/Simulink對(duì)不同系統(tǒng)參數(shù)下的踏板力和踏板行程進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，主缸活塞面積越大，踏板力越大，踏板行程越小；主缸彈簧剛度越大，踏板力越大，油液阻尼系數(shù)的變化不影響踏板力的大小。

（2）不同系統(tǒng)參數(shù)下動(dòng)力學(xué)模型的建立為離合器液壓操縱系統(tǒng)的選型和優(yōu)化改進(jìn)提供了理論支撐，避免了實(shí)車試驗(yàn)的繁瑣，節(jié)省了大量的人力物資，具有重大的實(shí)際意義。