中型卡车离合助力器的匹配设计及优化

梁丽娟，刘洁浩

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

中型卡车离合助力器的匹配设计及优化

梁丽娟，刘洁浩

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章以某中卡的离合操纵系统为研究对象，计算分析该系统匹配离合助力器的合理性，并针对市场出现的问题对该车离合助力器结构进行优化。

中卡；离合操纵系统；离合助力器

CLC NO.:U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-27-04

引言

目前离合器操纵机构主要有机械式、液压式、弹簧助力式、气压助力机械式、气压助力液压式等。由于中型卡车采用的离合器分离力很大，在众多的操纵机构中，气压助力液压式操纵机构具有操纵轻便，布置简单等优点，中重型卡车离合器操纵机构一般采用气压助力机械式。

中型卡车一般用于长途运输，且使用工况复杂，离合器的使用十分频繁，驾驶员工作时间长，因此在离合系统设计时，在保证离合器、离合系统工作行程能满足恶劣工况的使用要求外，减小踏板力，提高操纵舒适度，降低驾驶员的工作强度越来越重要。本文从中型卡车使用工况和整车参数出发，主要讨论离合助力器选型是否合理，以及对离合助力器进行优化。

1、离合系统工作原理

重型卡车离合器及离合器示意图，如图1所示。

图1 离合器液压气助力操纵系统

此操纵系统为离合器液压气助力操纵系统，主要 零部件为离合油壶、离合踏板、离合总泵、离合助力器以及离合管路组成。

此系统工作原理简要分析：

当驾驶员踩下离合踏板后，推动离合总泵的活塞，将总泵的工作缸中的油液经管路传输至离合助力器的液压腔, 一部分液压力作用于液压工作活塞，另一部分液压力作用于液压控制活塞，打开离合助力器进气阀座的阀门后，液压力和气压力共同作用于推杆上，使离合助力器的推杆推动分离拨叉，分离拨叉拨动分离轴承，分离轴承作用于离合器的分离指，使离合器产生分离作用。

当驾驶员抬起脚松离合踏板时，液压油回到主缸，离合器分离指的恢复力作用于分离轴承，通过分离拨叉作用于离合助力器的推杆上，液压控制活塞回位，进气阀门关闭，排气阀打开，压缩空气排到大气，离合器接合，发动机动力传递至变速器，汽车实现起步。

2、离合器助力器结构

某中型卡车离合操纵系统采用的离合助力器为液压传动，离合助力器的机构如下图，图2所示：

图2 离合助力器的结构

离合器分离时，踩下汽车离合器踏板，高压油由B进入，推动中继活塞C向左运动，推开进气阀门D，储气筒的气压从A口进入，经过打开的进气阀门D，再经过输气管E，到达助力气缸的F腔，在气压力的作用下推动助力活塞G向左运动，助力活塞G推动活塞H，同时从B口进入的高压油也作用于活塞H上，活塞H在助力活塞G的推动及高压油的共同作用下，推动推杆K向左运动，推杆K与离合器分离杠杆相联，从而操纵离合器分离。

离合器啮合时，松开离合器踏板时，液压油回流，油压力被释放，中继活塞C向右移动，关闭进气通道，打开排气通道，F腔的空气从排气通道排向大气，此时推杆K、活塞H、助力活塞G向右移动，离合器结合。

3、离合器助力器参数匹配

3.1 离合助力器缸径匹配

图3 离合操纵系统工作示意图

离合器助力器推杆工作行程计算公式：

式中：

d1——离合器总泵缸径；

d2——离合助力器总成液压缸径；

S——踏板总行程；

E1——离合助力器排液效率90%～95%，取90%；E2——离合管路效率，取90%；

a/b——踏板杠杆比

S1——离合助力器推杆的理论行程。

离合踏板的工作行程按下式计算：

式中：

S——踏板总行程；

S2——离合总泵工作行程

a/b——踏板杠杆比

S0——踏板空行程（一般为15-25）

离合器分离指分离行程计算公式为：

式中：

c/d——拨叉杠杆比；

a/b——踏板杠杆比；

S4——套筒与分离指之间间隙1～3mm，一般去3mm；

离合器操纵系统行程要满足使用要求，离合器分离指分离行程S3＞S5离合器分离的最大行程的前提下，符合以下几个条件：

1）S＜S6踏板的设计最小有效行程

2）S1＜S7离合助力器有效行程；

3）S2＜S8离合总泵有效行程；

4）系统磨损后仍能彻底分离。

目前我们的离合助力器缸径d2有两种：φ22mm和φ 19.8mm。

某中型卡车的踏板只有一种，相应参数为S6=150mm，踏板杠杆比a/b=4.92，踏板空行程S0=20mm总泵缸径d1φ 22.23mm，活塞行程S8=35mm，行程效率为0.81；

采用的¢380膜片弹簧推式离合器分离行程S5=12mm，拨叉杠杆比c/d=1.35。

表1 离合器分离指分离行程计算参数表

通过计算结果可以看出：

1）离合助力器缸径选取φ22mm，φ19.8mm均能满足离合系统行程要求；

2）离合助力器缸径选取φ22mm其分离行程15.6mm，为最佳匹配，满足了离合系统行程要求，在摩擦片磨损3mm后，其行程仍能满足要求；而离合助力器缸径选用φ19.8mm的话，分离指分离行程过大，可能导致分离指过推问题，导致离合器的损坏。

3.2 离合助力器性能曲线的匹配

某中型卡车离合助力器缸径选取φ22mm，行程大于25的助力器共有两种气压缸径：φ90mm，φ102mm。两种离合助力器性能曲线如下图，图4、图5：

图4 φ22mm气压缸φ90mm离合助力器性能曲线

图5 φ22mm气压缸φ102mm离合助力器性能曲线

离合助力器性能曲线分析（以图4为例）：

X坐标代表离合助力器液压油缸输入油压

Y坐标该表推杆输出力

拐点1表示进气阀门开启点油压

拐点2表示进气阀门完全开启点油压

在进气阀门未打开时，进气阀为初始平衡阶段，作用于液压控制活塞的力有液压油压力F油，反作用腔气压力F气腔和回位弹簧力T，三者平衡公式为：F油=F气腔（气压力）+T（弹簧力）。

离合助力器推杆输出力位作用为液压控制活塞上的力，性能曲线表示公式：

式中：

p——液压压力；

d2——离合助力器液压缸径

随着油压的增加，进气阀门处于开启状态。离合助力器推杆上输出力为液压活塞作用力，气压腔活塞作用力，气压腔活塞回位弹簧力三者之和，性能曲线表示公式：

Fn=F1（气压力）+F2（液压力）+T（弹簧力）。

式中：p2——进气阀开启阶段气压腔压缩空气压强；

d3——气压腔活塞工作直径；

式中：p——液压压力；

d2——离合助力器液压缸径

其中弹簧力计算工时可表示为：T=k·l

式中：k——气压活塞回位弹簧的刚度；

l——气压腔活塞回位弹簧的变形量

当离合助力器推杆力Fn＞F分（弹簧分离力）时，离合器开始分离。当离合器完全分离后，弹簧的负载弹簧刚度和压形变满足弹簧预压力大于液压力和气压力之和时，弹簧力可以忽略不计。此时弹簧变形量不变，气压腔体积也不变，此时弹簧推杆力Fn可简化为Fn=F1（气压力）+F2（液压力）。

离合助力器系统离合踏板力计算公式：

式中：

E1——踏板机构及离合器总泵的机械效率 取90%；

P——总泵内部液体压强，单位Mp；

d1——总泵缸径；

a/b——踏板杠杆比；

F——离合踏板力。

从离合助力器性能曲线可以看出，不同气缸缸径，离合助力器的油压开启点和斜率是不同的。从离合踏板力计算公式我们可以看出，踏板力在总泵缸径选定后，踏板杠杆比确定后，踏板的分离力大小至于液压压强成正比。所以客户可根据离合器分离力，离合踏板力要求采用不同的油压开启点及斜率。

某中卡离合总泵缸径d1=φ22.23mm，踏板杠杆比a/b= 4.92，离合器为 ¢380膜片弹簧推式离合器，最大分离力为3500N。

P的计算：

¢380膜片弹簧推式离合器最大分离力为3500N

E2：机械效率取90%，c/d=1.35

转换到离合器助力器推杆上的最大推力F1：

从图4离合器助力器性能曲线图上，我们可以看到在要求的分离力2880N时液压缸工作压强已超过1.7Mpa，E3：管路效率取90%，离合总泵的压强：P=P1/ E3=1.89Mpa；

从图5离合器助力器性能曲线图上，我们可以看到在要求的分离力2880N时液压缸工作压强不到1Mpa，在这种情况下计算时通常采用曲线拐点处的压强；

离合分泵的压强：P1=1Mpa

E3：管路效率取90%，离合总泵的压强：P=P1/ E3=1.11 Mpa；

两种不同缸径助力器离合踏板力为：

表3 踏板力计算参数表

通过计算结果可以看出：离合助力器液压开启点早，斜率大，离合器分离时液压强度小，踏板力相应减小。为了驾驶员劳动强度，我们要求踏板力应在100N～150N之间，这样值不大，也能保证有一定的脚感；从离合系统行程和踏板力综合考虑，选择离合助力器液缸径φ22mm气缸径为φ 102mm为最佳配置。

4、离合器助力器结构优化

某中卡按上述匹配离合器及离合系统，驾驶员发现在踩踏离合踏板时，有异常抖动的问题，影响驾驶员操作舒适度。零部件制造质量及装配质量符合标准要求，驾驶员缓慢踩踏离合踏板，抖动幅度及持续时间较低，快速踩踏后，抖动幅度及持续时间又明显的上升，车辆在怠速时，离合踏板而没有抖动。初步确定为离合系统随动性差导致的抖动，而影响离合系统随动性主要部件为离合助力器。某中卡的离合助力器结构为分体式，助力缸在后，助力活塞与液压活塞是分开的，助力器的随动性不好，故而导致离合踏板抖动。而外挂式回位弹簧，推杆易偏心，对振动也有一定的影响作用。为了解决这个问题，提高离合系统的操作舒适度，采用新型结构离合助力器。

新型离合助力器原理：

离合器分离时，踩下踏板，高压油从4口输入B腔，作用在活塞b上，使活塞b产生向左的推力，同时高压油进入D腔，液压力作用在控制活塞c上，使活塞c向左移，关闭排气，阀门e左移，打开进气门，压缩空气流入A腔。在气压力和液压力同时作用下活塞b使推杆a往左移，从而操纵离合器。

新型离合助力器结构如下图，图6所示：

图6 新型离合助力器结构

离合器啮合时，放松脚踏板，4口液压下降。在回位弹簧d和气压力的作用下，使活塞c右移，关闭进气门，打开排气门， 压缩空气从5排向大气。在离合器弹簧及复位弹簧g力作用下，通过推杆a把活塞b推向右端，离合器结合。

新型助力器特点是助力缸在前，内置式推杆回位弹簧，助力活塞与液压活塞是连接在一起的，助力器随动性优于老型助力器。内置式推杆回位弹簧，推杆不会偏心，对降低振动有一定帮助。在某中卡上换上新型离合助力器后，经验证离合踏板异常抖动问题消失。

5、总结

文章对中型4×2载货车HFC1121K3R1ZT离合器及离合系统介绍，着重于离合助力器匹配设计步骤及计算方法，通过离合助力器结构优化设计，确定最佳离合系统状态。以上内容虽然主要针对中型4×2自卸车，但不失一般性，对于中重型汽车采用液压气助力的离合系统，离合助力器匹配及优化可按此过程进行设计。

[1] 刘维信主编.汽车设计.北京:清华大学出版社 2001.7.

[2] 陈家瑞主编.汽车构造（下册）. 北京：机械工业出版社 2000.10.

[3] 徐石安主编.汽车离合器（汽车设计丛书）. 北京：清华大学出版社 2004.12.

[4] 刘维信主编.机械最优化设计.北京;清华大学出版社 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

梁丽娟，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.009