基于SIMULINK的離合器踏板特性仿真研究

周大翠，高東璇，楊良勇，雷 雄

（四川工程職業(yè)技術學院，四川 德陽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[1]，其性能的優(yōu)劣對駕駛員的操作舒適性和離合器的工作狀態(tài)起著至關重要的作用。隨著汽車零部件技術的不斷發(fā)展，國內(nèi)外學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)動機轉(zhuǎn)速、實車冷熱狀態(tài)下，對膜片彈簧離合器踏板特性進行了測試；陸藝等[3]設計了一套基于USB高速數(shù)據(jù)采集模塊的離合器踏板特性便攜式測試系統(tǒng)。目前針對離合器踏板特性主要是從試驗角度來研究的。本文從理論出發(fā)，建立動力學數(shù)學模型，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)化設計提供理論支撐。

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 動力學數(shù)學模型

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，以踩下和松開離合器踏板兩個過程，建立動力學微分方程[6]。

踩下離合器踏板時，主缸推桿推動主缸活塞，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系如式（1），而液壓油流量由主缸、工作缸活塞的運動速度和缸徑?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、工作缸活塞運動阻尼（N/mm/s）；

同樣結(jié)合牛頓定律，可得到松開踏板過程中主缸、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踏為踏板傳動比。

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

對于同心式液壓式操縱系統(tǒng)：

對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)動態(tài)傳動數(shù)學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，與工作缸結(jié)構(gòu)參數(shù)無關，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)三方面來討論離合器踏板力和踏板行程隨時間的變化規(guī)律。從數(shù)學模型可知彈簧剛度和阻尼系數(shù)的變化不會引起液壓系統(tǒng)流量的改變，只會引起液壓力的改變，從而該參數(shù)的變化會引起踏板力的變化，對踏板行程的變化不起作用。運用MATLAB/SIMULINK仿真軟件建立模型，得到踩下踏板和松開踏板過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間的變化曲線，如圖4～6所示。

由圖4可以看出，無論是踩下踏板過程還是松開踏板過程，主缸活塞面積越大，同一時刻的踏板力越大。這是由于主缸活塞面積的增大導致主缸液壓力的增大，根據(jù)數(shù)學模型，所以踏板力就越大。為了滿足離合器操縱系統(tǒng)設計要求，踏板力不能超過150 N，因此在設計離合器主缸時，活塞面積不宜過大。

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，無論是踩下踏板過程還是松開踏板過程，主缸活塞面積越大，同一時刻的踏板行程越小。這是因為在一定的分離力和分離行程下，主缸活塞面積越大，主缸活塞行程就越小，因此經(jīng)傳動比換算得到的踏板行程就越小。但踏板行程不能過小，從而引起離合器嚴重磨損等不良現(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，無論是踩下踏板過程還是松開踏板過程，主缸彈簧剛度越大，踏板力越大。這是因為彈簧剛度越大，彈簧力越大，根據(jù)動力學數(shù)學模型，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速度較慢，從圖7可以看出，液壓阻尼的改變對整個離合器踏板的操縱過程中的踏板力沒有什么影響。

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力學數(shù)學模型，并運用Matlab/Simulink對不同系統(tǒng)參數(shù)下的踏板力和踏板行程進行了仿真分析。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)下動力學模型的建立為離合器液壓操縱系統(tǒng)的選型和優(yōu)化改進提供了理論支撐，避免了實車試驗的繁瑣，節(jié)省了大量的人力物資，具有重大的實際意義。