离合踏板中的扭转弹簧设计及踏板力优化

2021-10-04董恒马成

农业装备与车辆工程 2021年9期

董恒，马成

（230601 安徽省合肥市安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心）

0 引言

为满足不同群体客户需求，整车厂会开发多种尺寸规格的车型、不同排量和扭矩的发动机。而为了适应不同的发动机扭矩和整车质量，以及考虑成本因素，离合器规格及分离力设计存在差异，因此，同样的离合踏板放在不同的车型上，踏板力舒适性差异明显[1]。在开发阶段，需要对新车型的离合踏板操纵力进行调试，从而达到最优的舒适性。如果仅通过经验来调整改进踏板力，会造成时间和材料成本浪费。

以某新车型为例，该车在开发阶段样车测试时，发现存在最大踏板力过大、初始踏板力过小等现象。针对这一问题，本文对离合踏板进行力学建模，分析了影响踏板力的主要因素，通过调试各参数，最终使踏板舒适性达到要求。

1 踏板助力结构介绍

乘用车助力结构离合踏板常用平列扭转弹簧[2]。当驾驶员初始踩下踏板时，踏板力低，扭转弹簧储存能量。当踏板行程过了拐点，弹簧储存的能量释放，提供助力，降低最大踏板力，如图1 所示。

图1 助力机构对踏板力的影响示意图Fig.1 Effect of booster mechanism to the pedal

2 扭转弹簧结构介绍

扭转弹簧的主要几何参数如图2 所示。

图2 扭转弹簧结构参数Fig.2 Torsion spring structure parameters

图2 中：d——簧丝线径，mm；D——扭簧中径，mm；n——有效圈数；φ0——初始角度，°；l1——固定侧力臂，mm；l2——受力侧力臂，mm。

离合踏板扭簧材料一般为65Mn，弹性模量为196 500～198 600 MPa，取中间值197 550 MPa[3]。

扭转弹簧扭转刚度KT（N·mm/°)计算公式如式（1）：

3 离合踏板力设计计算

建立离合踏板受力分析数学模型如图3所示[4]。

图3 扭转弹簧式离合踏板力学模型Fig.3 Dynamic model of torsion-spring clutch pedal

根据余弦定理，从力学模型中得到

将式（2）和式（3）合并，可得到角度φ和夹角α关系

式（4）中，

弹簧受到的扭矩T=扭转刚度×旋转角度，故: T=KT×（φ0-φ）。扭簧受力侧扭臂产生的作用力 F2=力矩/受力侧力臂，由此可得

根据正弦定理，得

将式（3）、式（6）、式（7）代入，根据力的平衡原理，扭簧对支架反弹力F0计算公式如下：

将式（3）、式（8）代入，得到力F0方向和夹角β计算公式如下：

最终踏板面受到的力F

式中：A——踏板臂旋转中心点；B——弹簧上安装点；C——弹簧下安装点；D——弹簧轴线投影点；P——踏板面中心点。α——直线夹角；φ——弹簧安装后的工作角度。

从式（1）、式（4）、式（5）、式（9）、式（10）、式（11）中可见，离合踏板助力特性除了与弹簧本身参数有关外，还与AB长度、AC长度、长度、夹角α相关，通过修改这些参数，就可以改变踏板的助力特性。

4 踏板力优化的具体应用

对某款新车型进行踏板力测试，将测试设备安装到整车上，测得踏板力与行程曲线如图4所示。

图4 某车型开发阶段踏板力及行程曲线测试结果Fig.4 Test results of pedal force and travel curve during development phase of a model

测试结果显示，该车型最大踏板力110 N，最大踏板力时踏板行程约为82 mm。踏板力偏大会导致红绿灯或城市堵车时费力，导致客户抱怨。一般情况下，对于乘用车，推荐新车型离合踏板力80～100 N[5]；力过小则无踏板感觉，力过大则操作费力，影响驾驶乐趣。同时，该车起始踏板力6 N，路试人员实车评价起始位置处离合踏板比较松旷，脚感较差。因此该车型需进行优化，降低最大踏板力，并增加初始踏板力。

该车型选用扭转弹簧参数如表1 所示。