基于人机工程的客车卧式离合器踏板设计

王 用，刘玉聪，梁业译

（桂林大宇客车有限公司，广西桂林541003）

基于人机工程的客车卧式离合器踏板设计

王 用，刘玉聪，梁业译

（桂林大宇客车有限公司，广西桂林541003）

简要介绍客车卧式离合器踏板的人机工程结构特点，并根据离合器系统的相关参数对踏板力和踏板行程等进行匹配设计，以确定离合器踏板最佳的人车操纵位置。

客车；卧式离合器踏板；人机工程；设计；操纵

汽车操纵设计中应用人机工程学就是以驾驶员为中心，研究各个操纵装置如何适应人的需要，设计一个最佳的人-车-环境系统。在汽车驾驶过程中，造成驾驶员疲劳的主要因素之一是频繁踩踏离合器踏板，这就要求离合器踏板的设计布置一定要科学合理。本文介绍卧式离合器踏板的结构和布置，并设计踏板力和行程以确定最佳的离合器踏板操纵状态。

1 卧式离合器踏板的结构和布置

1.1 结构特点

目前客车普遍采用液压操纵气助力式离合器系统，其结构简单、传动效率高且便于布置[1]。离合器踏板现主要有卧式和吊挂式两种形式。吊挂式离合器踏板布置在驾驶区内，存在踏板杠杆比小、踏板重、维修操作困难等缺点。卧式离合器踏板总成如图1所示，采用底置式布置，即离合器主缸3通过离合器踏板总成水平安装于驾驶区下方，离合器踏板1在外力的作用下沿运动轨迹绕旋转中心转动，同时带动主缸活塞向左运动使主缸内产生油压，高压油通过油管4输送至助力器5并使气罐7中的高压空气进入助力器并推动助力器活塞运动促使离合器分离。当外力取消，在踏板回位弹簧和内部油压的反作用下踏板回到初始位置并释放油压，离合器再次接合。离合器踏板卧式布置有如下优点：

1）离合器踏板操纵装置和主缸安装于驾驶区下方，不受驾驶区其它附件布置的影响，可以实现较大的踏板杠杆比，使踏板操纵更轻便。

2）驾驶区地板布置成斜面，一方面可当作驾驶员歇脚板，另外，还可将地板式刹车踏板和油门踏板并排安装在斜面上，使踏板踩踏的角度和力度更符合人机工程学，可提高驾驶舒适性。

3）离合器主缸安装于驾驶区下方，离合器油管走向更简单，维修操作也更方便。

图1 离合器操纵系统示意图

1.2 踏板的布置

离合器踏板是离合器系统的直接操纵装置，是驾驶员与汽车的人机交互部分，离合器踏板的操纵性直观体现了离合器系统的参数设计和布置是否合理。

对于客车离合器踏板，首先需参考前期总布置确定的前围立挡板、眼点和R点位置，初步预定离合器踏板的型式、安装位置和运动行程范围，再结合驾驶员座椅、仪表台、转向管柱、方向盘及刹车踏板和油门踏板等位置参数[2]，根据GB/T 13053-2008《客车车内尺寸》最终确定离合器踏板的位置。离合器踏板布置需要考虑的相关参数如表1[3]和图2所示。

表1 离合器踏板布置相关参数mm

图2 离合器踏板布置示意图

踏板间距和高度落差等参数目前尚无强制要求的法规和标准，一般根据经验和对比车型分析确定参数范围，确保驾驶员踩离合器踏板时脚不会碰转向柱防尘罩及周边附件，膝盖不会顶到方向盘。

2 离合器踏板的设计校核

根据车型设计任务书和总布置的要求，确定发动机和离合器等参数及离合器操纵型式和管路布局，对离合器主缸和助力器选型及参数确认，再对操纵机构进行设计校核。以客车GL6118HCD为例，对离合器踏板进行设计校核。离合器操纵系统的相关参数见表2。

表2 离合系统相关参数

2.1 踏板行程的设计校核

离合器踏板总行程S由踏板自由行程SZ和工作行程SG组成，即S=SZ+。

1）踏板的自由行程，是指踩下踏板至分离轴承开始对分离杠杆施加分离力时对应的踏板行程。

2）踏板的工作行程，是指分离轴承开始对分离杠杆施加分离力至离合器完全分离对应的踏板行程[5]。

则踏板的总行程S=SZ+SG=32+115=147 mm，踏板的总行程符合设计要求。对于自调常接触式助力器，分离轴承自由行程d5=0，踏板的自由行程会更小[6-7]。

2.2 踏板力的设计校核

按国标GB 7258-2012要求，踏板力F≤300 N[8]，但实际驾驶操纵性要求一般应小于150 N[9]。对于液压操纵气助力式离合器系统，踏板力主要来自克服踏板回位弹簧弹力F51、油压给主缸活塞反作用力F61和主缸活塞内部弹簧弹力F71，即踏板力F=F51+F61+F71。

1）克服踏板回位弹簧弹力所需踏板力F51=LS× k1×g/a/η=29 N

2）当离合器彻底分离时，助力器推杆回位弹簧力相对较小可忽略，则助力器推杆力F3=F2/i2/η=3 389 N，车用气压为0.8 MPa，再根据图3可确定油压P油=0.71 MPa。由于主缸和助力器之间为液压传动，彻底分离时主缸与助力器油压相等，油压给主缸活塞的反推力F6=P油×π×4=321 N，则克服油压反作用力所需踏板力F61=F6/i1/η=59 N。

3）此车型所用主缸内置弹簧的弹簧行程-弹力对应关系如图4，主缸推杆与活塞间隙为0.5 mm，踏板踩到底时主缸推杆实际行程即活塞行程为23.7 mm，此时根据图4可以确定主缸回位弹簧弹力F7=73 N，则F71=F7/i1/η=13 N。

图3 助力器性能曲线

图4 主缸弹簧行程-弹力图

综合可得踏板力F=F51+F61+F71=29+59+13=101 N，且系统油压、主缸和助力器行程均在技术要求范围内，满足使用要求。

2.3 气助力失效时踏板力和油压计算

如果气压助力系统失效，只要将离合器踏板行程稍微加大以增加进入液压工作缸的油量，增大踏板力建立足够的液压，便可推动液压工作缸活塞运动，使离合器分离。忽略主缸和助力器上的回位弹簧力，踏板力F=F2/（i1×i2×i）3=547 N，此时系统的油压P油=F×i1（/π×/4）=7.4 MPa，符合离合系统最大油压不超过12 MPa的要求。

2.4 离合器踏板设计注意事项

车辆运行过程中，离合器主缸失效的主要原因是主缸活塞的磨损[10]，在离合器踏板设计时，须确保离合器主缸中心轴线与主缸活塞推杆在理论上位置重合，即主缸轴线与活塞推杆夹角a为0°的位置应在推杆摆臂运动轨迹弧高中点处的垂线上，如图5所示。随着活塞推杆推进，主缸内油压增大，活塞阻力增加但推杆与活塞夹角逐渐变小至0°，而后夹角a再稍微增加，推杆行程也即将结束。主缸活塞在夹角a很小的情况下运行可减小磨损，延长使用寿命。本车型主缸轴线与活塞推杆夹角为0.25°，远远小于主缸厂家3°以内的要求。

图5 主缸轴线与推杆位置图

3 结束语

本文详述了卧式离合器踏板的布置方式，精确计算踏板力和行程，使踏板操纵起来轻松舒适，可降低驾驶员的劳动强度并延长离合器系统的使用寿命，提高经济效益。

[1]陈家瑞.汽车构造：下册[M].3版.北京：人民交通出版社，1997.

[2]郑汝泉，余泽兵，王海平.汽车踏板布局设计[J].重庆理工大学学报，2010.

[3]全国汽车标准化技术委员会.客车车内尺寸：GB/T 13053-2008[S].北京：中国标准出版社，2008：2.

[4]王霄锋.汽车底盘设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

[5]汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册：设计篇[K].北京：人民交通出版社，2001.

[6]刘惟信.汽车设计[M].北京：清华大学出版社，2001.

[7]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2000.

[8]公安部道路交通管理标准化技术委员会.机动车运行安全技术条件：GB7258-2012[S].北京：中国标准出版社，2012：5.

[9]陈建峰.穆传禄，高惠贞.11-12 m长客车离合器操纵系统设计[J].客车技术与研究，2008，30（3）：28-29.

[10]羊拯民.汽车修理[M].合肥：安徽科学技术出版社，2001.

修改稿日期：2016-09-20

Design of Horizontal Clutch Pedal Based on Human Engineering for Coaches/Buses

WangYong,Liu Yucong,LiangYeyi
（Guilin DaewooBus Co.,Ltd,Guilin 541003,China）

The human engineeringstructure features ofthe horizontal clutch pedal for coaches/buses are brieflyintroduced,and in order to determine the optimum operation position of the clutch pedal,the author matches and designs the pedal force and pedal travel accordingtothe clutch systemparameters.

coach/bus;horizontal clutch pedal;human engineering;design;operation

U463.211

B

1006-3331（2017）01-0030-03

王用（1981-），男，工程师；主要从事客车底盘设计和研究工作。