扭转弹簧在助力式离合踏板中的应用

黄从奎，杨允辉，喻少高（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

扭转弹簧在助力式离合踏板中的应用

黄从奎，杨允辉，喻少高
（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

扭转弹簧在离合踏板中可以有效降低踏板力。文中基于扭转弹簧的结构及助力原理，结合实际应用，对扭转弹簧的助力及回位过程进行系统的分析和计算，获得弹簧助力-踏板行程曲线以及初始安装角α0、弹簧刚度K、弹簧初始角φ0对弹簧助力-踏板行程曲线的影响，验证了文中所使用扭转弹簧对踏板的实际助力效果。结果表明，文中所使用的弹簧有效降低了实际离合踏板力，且与理论值接近。

扭转弹簧；离合踏板；助力-行程曲线；助力

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.039

CLC NO.: U463.2Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2015)12-108-04

引言

随着汽车技术的发展，人们对汽车的操纵方便性有了更高的要求，尽管现在越来越多的车辆使用自动变速箱，但其高昂的成本使其在短时间内还无法普遍使用，因此市场上的很多车辆还在使用手动变速箱。离合踏板作为手动变速箱车辆标志性的离合操纵结构，其作用是将驾驶员的驾驶意图传递至离合器，从而实现对车辆的控制，踏板力的大小直接影响到操纵方便性。一般情况下，对于乘用车，离合踏板力通常要求在90N-110N之间，过大影响操作方便性，过小则影响踏板感觉。对于一定的离合器总成，离合踏板力取决于离合器分离轴承的输出力及操纵系统的传动比，传动比越大，踏板力则越小，但行程会有所增加。由于驾驶室空间有限，无法通过不断加大杠杆比来降低踏板力，因此需要设置一些助力结构来降低踏板力。

通常的助力结构有气压式和机械式。其中气压式助力结构可以产生较大的助力，一般用于踏板力很大的大型重型汽车上；机械式助力结构产生的助力有限（通常可以提供原踏板力 20%-30%的助力），一般只使用在吨位较小的汽车上。机械式助力机构结构简单，较易实现，其主要助力部件通常采用弹簧，包括圆柱螺旋压缩弹簧，圆柱螺旋扭簧等，本文主要讲述圆柱螺旋扭转弹簧在离合踏板助力中的应用及助力过程。

1、圆柱螺旋扭转弹簧

扭转弹簧常用于压紧、储能和传递扭矩，根据其结构形式，可分为内壁扭转弹簧、外臂扭转弹簧、中心臂扭转弹簧和双扭簧。圆柱螺旋扭簧的主要几何参数如图1所示，包括中径D、簧丝直径d、簧臂长度L1、L2、有效圈数n及初始角φ0，力学性能参数主要有簧丝材料弹性模量E、刚度K、工作角度φ和扭矩T，对于给定几何参数和已知材料的扭转弹簧，其刚度K可由下式计算：

对于臂长L1、L2大于扭簧一圈的展开长度时，应考虑弹簧的变形，此时刚度为：

扭转弹簧在工作过程中的扭矩为：

图1　弹簧结构参数

本文所采用的扭转弹簧结构如图2所示，参数如1所示。其中弹簧材料为65Mn，弹性模量为211000MPa。

因弹簧一圈的展开长度 L0=π×D=84mm，大于簧臂长度，故刚度：

图2　扭转弹簧结构

表1　弹簧参数

2、扭转弹簧实现助力的原理

扭转弹簧在踏板中主要有两个方面的作用，其一为在踩离合踏板时提供助力以减轻踏板力，其二为松开踏板时提供一定的回位力，保证踏板的正常回位。该功能主要是依靠扭转弹簧对踏板弹力的方向和杠杆原理来实现的，图3为扭转弹簧实现功能要求的原理简图。图中A点为踏板臂旋转轴，B点为弹簧安装销，AC为踏板臂，DE为弹簧安装支架，C点为踏板力作用点，D为弹簧支架与踏板臂焊接点，弹簧臂1与B点相连，弹簧臂2与E点相连，其中弹簧一直处于压缩状态。当在C点施加一定的力使踏板臂绕着A点旋转，E点也会绕A点旋转，带动扭转弹簧绕B点旋转，同时扭转弹簧发生扭转变形。E点的轨迹为绕A点的圆弧，AB连线在F点将轨迹分成左右两部分，其中左侧为助力区，右侧为回位区，F为拐点。

回位区：压缩的扭转弹簧对B点和E点的作用力大小相等、方向相反且沿着BE点的连线，对于E点，力的方向指向A点，对A点产生顺时针方向的力矩，该力矩使踏板臂绕着A点顺时针方向运动，使踏板正常回位。

拐点：当E点运动到F点时，E点的受力方向在AB的连线上，通过A点，则不会产生任何力矩作用。

助力区：当E点运动到该区域时，E点的受力对A点产生逆时针的力矩，使踏板臂产生向下的运动，对踏板施加助力。

通过扭转弹簧臂及旋转轴的相对位置关系，可有效实现助力和回位的作用。

图3　扭转弹簧助力原理简图

3、扭转弹簧在踏板中的助力分析

根据前述的助力原理分析，结合某皮卡车型离合踏板的实际运用，对扭转弹簧的助力过程进行分析。

图4　离合踏板

分析前对扭转弹簧工作过程进行如下假设：

（1）运动过程中，踏板各部件弹性形变忽略不计，弹簧除外。

（2）弹簧受力时，弹簧各圈中心始终在同一条直线上。

（3）弹簧受力点距弹簧中心始终为同一固定距离。

基于以上三点假设，对该踏板运动中扭转弹簧的工作过程进行分析。离合踏板结构如图4所示，按照1:1的比例将踏板简化成如图5所示的简图，图中O为踏板旋转轴，P为弹簧中心，A为弹簧臂1的安装点，B为弹簧臂2安装点，O点到B点的距离为a，到A点的距离为b，直线OA与直线OB的夹角为α。

图5　扭转弹簧助力简图

在某一位置时，两弹簧臂安装点相对P点的夹角φ可由下述公式求出：

对于整个扭转弹簧来说，弹簧受力点只有两弹簧臂的安装点A和B，力的方向沿着两安装点的连线，并指向另一安装点，取B点进行分析，将该处的力F分解成BP方向F1和垂直该方向F2，则：

对于踏板，在B点的力方向与F相反，大小与F相同，O点到该方向所在直线的垂直。

距离h=a×cos ∠ABP ，则扭转弹簧对踏板的扭矩为：M=-F×h，其中负号表示扭矩方向为顺时针方向。

该扭矩转换到踏板上的力：ΔF=M/L，其中L为踏板臂长。

若以X表示踏板行程，β表示踏板臂旋转角，α0表示初始状态（图示位置即踏板上限位置）时OA与OB的夹角，则有：

根据实际踏板，以上各参数的值分别为：a=81mm，b=106mm，L=341.6mm，α0=4°，带入可以得到初始位置（β=0）时弹簧施加给踏板的力：

即踏板在初始位置时，扭转弹簧给踏板提供8.66N的回位力。

根据以上各式，利用 matlab绘制出弹簧助力-踏板旋转角曲线，如6图所示：

图6　弹簧助力-踏板旋转角曲线

从图6中可以看出：

当β＜4°时，弹簧助力为负值，表示弹簧起回位作用，踏板处于回位区，在 β=0时（初始位置），回位力最大，为8.66N，随着β的增大，回位力逐渐减小；

当β=4°时，α=0°，直线OA与OB位于同一直线，弹簧助力为零，踏板处于拐点位置，此时弹簧仍处于压缩状态，但对踏板力不起作用；

当β＞4°时，弹簧助力为正值，表示弹簧起助力作用，踏板处于助力区，随着β的增大助力逐渐增大，当β达到17.5°时，助力达到峰值17N，随后助力逐渐减小。

由于踏板行程与踏板臂旋转角度成线性关系，可以直接获得弹簧助力-踏板行程曲线，如图7所示，最大助力点对应的踏板行程在90mm附近。

图7　弹簧助力-踏板行程曲线

4、影响助力曲线的因素

为了确定弹簧助力曲线的影响因素，分别以初始夹角α0、弹簧刚度K和弹簧初始角φ0为变量进行分析。

1）初始夹角α0：因为a、b由踏板本体结构决定，为定值，OA与OB的初始夹角α0可以通过调整踏板上下限位置进行调整，分别取不同的α0，绘制成弹簧助力-踏板行程曲线，如图8所示：

图8　不同初始夹角弹簧助力-踏板行程曲线

图8中可以看出α0对回位力大小、拐点位置及最大助力点位置有影响，α0越大，回位力越大，拐点行程也越大，最大助力点行程也较大，但最大助力值不受影响α0的影响。

2）弹簧刚度K：弹簧刚度是弹簧结构的最终体现，因此取不同的刚度K，绘制成弹簧助力-踏板行程曲线，如图9所示：

图9　不同弹簧刚度弹簧助力-踏板行程曲线

图9中可以看出，弹簧刚度K只对弹簧助力的大小有影响，刚度越大，同一行程处的助力（回位力）越大，对其拐点及最大助力点行程均无影响。

3）弹簧初始角 φ0：弹簧初始角对弹簧的刚度无影响，但对助力过程有一定的影响，取不同的弹簧初始角φ0，绘制成弹簧助力-踏板行程曲线，如图10所示：

图10　不同弹簧初始角弹簧助力-踏板行程曲线

图10中可以看出，弹簧初始角度φ0对回位力的大小、最大助力的大小及最大助力点行程都有影响，越大，回位力越大，最大助力也越大，最大助力点行程也越大，对拐点位置无影响。

5、助力效果检查

离合踏板受离合器膜片弹簧弹性特性曲线非线性的影响，踏板力-踏板行程曲线也为非线性。为了使弹簧助力作用处于最佳状态，需要了解离合踏板在没有装助力弹簧时的踏板力和行程关系，确定最大踏板力所对应的踏板行程。图11为所测得的无助力簧时某皮卡车型离合踏板的踏板力-踏板行程曲线。

从图11中可以看出，最大踏板力为119N，其位置位于踏板行程95mm左右处，为了保证助力簧的助力作用处于最佳状态，弹簧最大助力点应与图中踏板力最大位置（95mm）处。根据前述分析（见图），弹簧最大助力位置在 X=90mm处，基本上与踏板力-踏板行程曲线的最大力位置重合，及助力簧助力作用取得较好的状态。

图11　无弹簧时踏板力-踏板行程曲线

将助力弹簧装到该踏板上，并测量踏板力。一般情况下，我们只关心离合踏板力的最大值，因此只需测量踏板力最大值即可，无需测量踏板力-踏板行程曲线。测量结果如表2所示：

表2　助力弹簧作用下的踏板力

从表2中的测量结果来看，在助力簧的作用下，踏板力达到104N，处在90N～110N之间，达到了乘用车关于离合踏板力的要求。助力簧所提供的助力为15N，基本上符合理论值，说明该弹簧的刚度K、弹簧初始角度φ0及初始夹角α0能够满足设计要求。

6、结论

1）扭转弹簧安装方式可以在踏板中实现助力和回位作用，有效降低踏板力，提高踏板舒适性和方便性；

2）扭转弹簧的助力效果受到初始安装角度α0，弹簧的刚度K，弹簧初始角度φ0的影响，设计踏板及扭转弹簧时需要根据具体的踏板力和踏板行程的关系来确定；

3）本文所设计扭转弹簧的助力-踏板行程曲线满足设计要求，有效降低踏板力15N，使皮卡踏板力接近乘用车水平。

[1] 王望予,汽车设计[M]. 北京:机械工业出版社, 2007.

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[4] 濮良贵,纪名刚等.机械设计[M]. 北京:高等教育出版社,2007.

Application of Torsion Spring in Power-Assisted Clutch Pedal

Huang Congkui, Yang Yunhui, Yu Shaogao
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Effort of clutch pedal can be reduced by torsion spring. Based on the structure and power-assisting principle of torsion spring, and combined with practical applications,this article discussed working process of torsion spring and showed the curve of assisted power-travel. Assisted power-travel curvewill be influenced by initial installation angle α0, spring stiffness K and initial spring angle φ0. The effect of effort reducing by torsion spring also wasverificated in this article. The conclusion showed that clutch pedal force was reduced to design requirement and agreed with theoretical value by the torsion spring.

torsion spring; clutch pedal; Assisted power-travel curve; Power-Assisted

U463.2

A

1671-7988（2015）12-108-04

黄从奎，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心。