中型卡車離合助力器的匹配設(shè)計(jì)及優(yōu)化

梁麗娟，劉潔浩

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

中型卡車離合助力器的匹配設(shè)計(jì)及優(yōu)化

梁麗娟，劉潔浩

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章以某中卡的離合操縱系統(tǒng)為研究對(duì)象，計(jì)算分析該系統(tǒng)匹配離合助力器的合理性，并針對(duì)市場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題對(duì)該車離合助力器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

中卡；離合操縱系統(tǒng)；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(jī)構(gòu)主要有機(jī)械式、液壓式、彈簧助力式、氣壓助力機(jī)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(jī)構(gòu)中，氣壓助力液壓式操縱機(jī)構(gòu)具有操縱輕便，布置簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，中重型卡車離合器操縱機(jī)構(gòu)一般采用氣壓助力機(jī)械式。

中型卡車一般用于長(zhǎng)途運(yùn)輸，且使用工況復(fù)雜，離合器的使用十分頻繁，駕駛員工作時(shí)間長(zhǎng)，因此在離合系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在保證離合器、離合系統(tǒng)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(qiáng)度越來(lái)越重要。本文從中型卡車使用工況和整車參數(shù)出發(fā)，主要討論離合助力器選型是否合理，以及對(duì)離合助力器進(jìn)行優(yōu)化。

1、離合系統(tǒng)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(tǒng)

此操縱系統(tǒng)為離合器液壓氣助力操縱系統(tǒng)，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(tǒng)工作原理簡(jiǎn)要分析：

當(dāng)駕駛員踩下離合踏板后，推動(dòng)離合總泵的活塞，將總泵的工作缸中的油液經(jīng)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(jìn)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(dòng)分離撥叉，分離撥叉撥動(dòng)分離軸承，分離軸承作用于離合器的分離指，使離合器產(chǎn)生分離作用。

當(dāng)駕駛員抬起腳松離合踏板時(shí)，液壓油回到主缸，離合器分離指的恢復(fù)力作用于分離軸承，通過(guò)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(jìn)氣閥門關(guān)閉，排氣閥打開，壓縮空氣排到大氣，離合器接合，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞至變速器，汽車實(shí)現(xiàn)起步。

2、離合器助力器結(jié)構(gòu)

某中型卡車離合操縱系統(tǒng)采用的離合助力器為液壓傳動(dòng)，離合助力器的機(jī)構(gòu)如下圖，圖2所示：

圖2 離合助力器的結(jié)構(gòu)

離合器分離時(shí)，踩下汽車離合器踏板，高壓油由B進(jìn)入，推動(dòng)中繼活塞C向左運(yùn)動(dòng)，推開進(jìn)氣閥門D，儲(chǔ)氣筒的氣壓從A口進(jìn)入，經(jīng)過(guò)打開的進(jìn)氣閥門D，再經(jīng)過(guò)輸氣管E，到達(dá)助力氣缸的F腔，在氣壓力的作用下推動(dòng)助力活塞G向左運(yùn)動(dòng)，助力活塞G推動(dòng)活塞H，同時(shí)從B口進(jìn)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(dòng)及高壓油的共同作用下，推動(dòng)推桿K向左運(yùn)動(dòng)，推桿K與離合器分離杠桿相聯(lián)，從而操縱離合器分離。

離合器嚙合時(shí)，松開離合器踏板時(shí)，液壓油回流，油壓力被釋放，中繼活塞C向右移動(dòng)，關(guān)閉進(jìn)氣通道，打開排氣通道，F(xiàn)腔的空氣從排氣通道排向大氣，此時(shí)推桿K、活塞H、助力活塞G向右移動(dòng)，離合器結(jié)合。

3、離合器助力器參數(shù)匹配

3.1 離合助力器缸徑匹配

圖3 離合操縱系統(tǒng)工作示意圖

離合器助力器推桿工作行程計(jì)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(jì)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(jì)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(tǒng)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(gè)條件：

1）S＜S6踏板的設(shè)計(jì)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(tǒng)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(yīng)參數(shù)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(jì)算參數(shù)表

通過(guò)計(jì)算結(jié)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(tǒng)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(tǒng)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(guò)大，可能導(dǎo)致分離指過(guò)推問(wèn)題，導(dǎo)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(biāo)代表離合助力器液壓油缸輸入油壓

Y坐標(biāo)該表推桿輸出力

拐點(diǎn)1表示進(jìn)氣閥門開啟點(diǎn)油壓

拐點(diǎn)2表示進(jìn)氣閥門完全開啟點(diǎn)油壓

在進(jìn)氣閥門未打開時(shí)，進(jìn)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(jìn)氣閥門處于開啟狀態(tài)。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(jìn)氣閥開啟階段氣壓腔壓縮空氣壓強(qiáng)；

d3——?dú)鈮呵换钊ぷ髦睆剑?/p>

式中：p——液壓壓力；

d2——離合助力器液壓缸徑

其中彈簧力計(jì)算工時(shí)可表示為：T=k·l

式中：k——?dú)鈮夯钊匚粡椈傻膭偠龋?/p>

l——?dú)鈮呵换钊匚粡椈傻淖冃瘟?/p>

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

離合助力器系統(tǒng)離合踏板力計(jì)算公式：

式中：

E1——踏板機(jī)構(gòu)及離合器總泵的機(jī)械效率 取90%；

P——總泵內(nèi)部液體壓強(qiáng)，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(diǎn)和斜率是不同的。從離合踏板力計(jì)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(qiáng)成正比。所以客戶可根據(jù)離合器分離力，離合踏板力要求采用不同的油壓開啟點(diǎn)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(jì)算：

￠380膜片彈簧推式離合器最大分離力為3500N

E2：機(jī)械效率取90%，c/d=1.35

轉(zhuǎn)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(shí)液壓缸工作壓強(qiáng)已超過(guò)1.7Mpa，E3：管路效率取90%，離合總泵的壓強(qiáng)：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(shí)液壓缸工作壓強(qiáng)不到1Mpa，在這種情況下計(jì)算時(shí)通常采用曲線拐點(diǎn)處的壓強(qiáng)；

離合分泵的壓強(qiáng)：P1=1Mpa

E3：管路效率取90%，離合總泵的壓強(qiáng)：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(jì)算參數(shù)表

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看出：離合助力器液壓開啟點(diǎn)早，斜率大，離合器分離時(shí)液壓強(qiáng)度小，踏板力相應(yīng)減小。為了駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度，我們要求踏板力應(yīng)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(tǒng)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(jié)構(gòu)優(yōu)化

某中卡按上述匹配離合器及離合系統(tǒng)，駕駛員發(fā)現(xiàn)在踩踏離合踏板時(shí)，有異常抖動(dòng)的問(wèn)題，影響駕駛員操作舒適度。零部件制造質(zhì)量及裝配質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求，駕駛員緩慢踩踏離合踏板，抖動(dòng)幅度及持續(xù)時(shí)間較低，快速踩踏后，抖動(dòng)幅度及持續(xù)時(shí)間又明顯的上升，車輛在怠速時(shí)，離合踏板而沒(méi)有抖動(dòng)。初步確定為離合系統(tǒng)隨動(dòng)性差導(dǎo)致的抖動(dòng)，而影響離合系統(tǒng)隨動(dòng)性主要部件為離合助力器。某中卡的離合助力器結(jié)構(gòu)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(dòng)性不好，故而導(dǎo)致離合踏板抖動(dòng)。而外掛式回位彈簧，推桿易偏心，對(duì)振動(dòng)也有一定的影響作用。為了解決這個(gè)問(wèn)題，提高離合系統(tǒng)的操作舒適度，采用新型結(jié)構(gòu)離合助力器。

新型離合助力器原理：

離合器分離時(shí)，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(chǎn)生向左的推力，同時(shí)高壓油進(jìn)入D腔，液壓力作用在控制活塞c上，使活塞c向左移，關(guān)閉排氣，閥門e左移，打開進(jìn)氣門，壓縮空氣流入A腔。在氣壓力和液壓力同時(shí)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(jié)構(gòu)如下圖，圖6所示：

圖6 新型離合助力器結(jié)構(gòu)

離合器嚙合時(shí)，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(guān)閉進(jìn)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(fù)位彈簧g力作用下，通過(guò)推桿a把活塞b推向右端，離合器結(jié)合。

新型助力器特點(diǎn)是助力缸在前，內(nèi)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(dòng)性優(yōu)于老型助力器。內(nèi)置式推桿回位彈簧，推桿不會(huì)偏心，對(duì)降低振動(dòng)有一定幫助。在某中卡上換上新型離合助力器后，經(jīng)驗(yàn)證離合踏板異常抖動(dòng)問(wèn)題消失。

5、總結(jié)

文章對(duì)中型4×2載貨車HFC1121K3R1ZT離合器及離合系統(tǒng)介紹，著重于離合助力器匹配設(shè)計(jì)步驟及計(jì)算方法，通過(guò)離合助力器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定最佳離合系統(tǒng)狀態(tài)。以上內(nèi)容雖然主要針對(duì)中型4×2自卸車，但不失一般性，對(duì)于中重型汽車采用液壓氣助力的離合系統(tǒng)，離合助力器匹配及優(yōu)化可按此過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

[1] 劉維信主編.汽車設(shè)計(jì).北京:清華大學(xué)出版社 2001.7.

[2] 陳家瑞主編.汽車構(gòu)造（下冊(cè)）. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2000.10.

[3] 徐石安主編.汽車離合器（汽車設(shè)計(jì)叢書）. 北京：清華大學(xué)出版社 2004.12.

[4] 劉維信主編.機(jī)械最優(yōu)化設(shè)計(jì).北京;清華大學(xué)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(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.009