液压离合系统踏板不回位问题分析

李彬, 罗明军,程然超, 高家兵

(1.奇瑞汽车股份有限公司，安徽芜湖 241006；2.合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009；3.芜湖凯翼汽车有限公司，安徽芜湖 241006)



液压离合系统踏板不回位问题分析

李彬1,2, 罗明军3,程然超1, 高家兵1

(1.奇瑞汽车股份有限公司，安徽芜湖 241006；2.合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009；3.芜湖凯翼汽车有限公司，安徽芜湖 241006)

某车型液压离合系统踏板在工作过程中存在不回位的问题，导致车辆驾驶中存在安全隐患。分析该液压离合系统的工作原理，根据车辆行驶的实际工况，从液体流动性、结构密封性，离合器踏板力等几个方面，统计了液压离合系统踏板不回位的故障现象；分析离合系统故障特征及相关试验数据，找到了液压离合系统踏板不回位故障的根本原因，即液压不足、摩擦阻力大以及离合踏板助力过大或回位力不足；并提出了规避离合踏板不回位的改善措施。

液压离合系统；踏板回位；摩擦阻力

0 引言

离合系统是手动挡整车重要的系统组成部分，起到切断和传递动力，以保证车辆平稳起步及行车过程中进行换挡操作等作用。文献[1-2]系统叙述了汽车离合器结构、功能和产品设计制造的基本过程；文献[3]利用离合器踏板特性分析系统，测试了某轿车不同发动机工作转速下离合器的踏板特性；文献[4]模拟从液压离合器踏板至分离轴承的机械运动，并进行运动校核；文献[5]建立了离合器模型并使用反演法研究离合器的控制特性；文献[6]分析了离合器踏板抖动原因，并探讨了解决方案；文献[7]对离合回位慢问题进行分析，并提出了解决方案；文献[8]从故障维修角度叙述了离合器常见故障问题分析。

综上所述，对离合器不回位问题进行的系统研究较少，有必要对液压离合操纵系统的工作过程进行分析，结合离合踏板不回位的现象，对故障原因进行分析总结，进而从设计上进行优化，避免故障的发生。

1 离合系统工作过程及踏板不回位故障分类

1.1 液压离合器工作过程

液压离合器系统组成如图1所示。

图2表达了离合踏板力、踏板行程及液压管路压强之间的关系。

图2 离合踏板力-行程及管路内液压-行程关系

系统的工作过程如下：

(1)离合踏板踩下，液压系统与制动液罐相通，驾驶者克服离合踏板回位力、踏板与主缸连接副摩擦力以及主缸活塞皮碗与缸壁摩擦力。

(2)踏板继续下踩，液压系统密封并开始建压，离合器开始起作用，踏板力逐渐增加，液压也逐步上升后下降，直至踩到踏板下限位为止。此时离合器完全分离，动力中断。

(3)松开离合踏板，离合器逐渐结合直至完全结合，动力重新传递，踏板回位主要依靠系统液压力驱动返回。

(4)当离合踏板到回位行程末端时，如果离合踏板回位力不足以克服系统摩擦力，那么将出现末端不回位故障。

1.2 离合踏板不回位故障分类

根据离合踏板踩下后抬起最终踏板面停留位置，对踏板不回位故障进行分类[9-10]。

如图3，离合踏板上限位位置为A，下限位位置为B，踏板回程中间位置为C，踏板回程末端区域起始位置为D(一般与位置A距离20 mm左右)。离合踏板操作为：从位置A踩下离合踏板至位置B，松开踏板，离合踏板由位置B回弹至位置A。当离合踏板由位置A踩至位置B，松开踏板：

(1)踏板面停留在下限位位置B，称之为完全不回位；

(2)停留在B～D区间，称之为中间区域不回位；

(3)踏板面停留在回程末端区域，即D～A区间，称之为末端不回位。

图3 离合踏板面位置示意图

2 离合器踏板不回位故障原因分析

离合器踏板不回位故障初步原因见表1。

2.1 踏板不回位故障产生的原因汇总

(1)完全不回位和中间区域不回位

离合踏板完全不回位，说明系统无法建压或者液压力不足；离合踏板中间区域不回位，除液压力不足外，液压系统摩擦阻力过大或者离合踏板助力在踏板回程前段(B～C段)过大是可能的主要原因。

液压系统摩擦阻力过大主要体现在离合主缸和工作缸摩擦阻力。另外，冬季温度降低，制动液黏度明显增大，离合主缸、工作缸摩擦阻力也会增加。

(2)末端不回位

在离合踏板回程末端区域，液压逐步减小直至降为零，在此阶段导致离合踏板末端不回位的主要原因是离合踏板回位力不足和离合主缸摩擦阻力过大。

2.2 踏板不回位的故障特征及试验分析

2.2.1 管路及管路连接处漏油

漏油导致油量减少，不能建立油压以推动离合器分离杠杆，这会导致离合器无法回位。由于此类故障一般和配合结构、尺寸以及管路自身质量相关，文中不展开讨论。

2.2.2 离合主缸和工作缸密封不良

如果离合主缸或者工作缸密封不良，进一步分析其漏油根本原因。首先，测量皮碗密封配合处内外径尺寸，与皮碗新件尺寸进行对比。如果皮碗与缸壁配合处外径减小或与活塞配合内径增大，均会导致性能下降、漏油。

2.2.3 离合主缸和工作缸摩擦阻力增大

(1)冬季低温情况下

随着温度降低，制动液的黏度会逐渐并急剧增加，如表2所示。

表2 3种制动液各温度下运动黏度实测值

随着温度下降，制动液运动黏度加大，离合主缸和工作缸摩擦阻力也随之增加。

(2)非低温情况下

离合主缸或工作缸摩擦阻力增加，一般情况是皮碗有膨胀，导致与缸壁过盈量增加。而皮碗膨胀的原因主要是皮碗、制动液以及液压系统管路材料之间不兼容。经验表明：皮碗外径膨胀超过3%，缸体摩擦力增加明显，将严重影响离合踏板回位性能。如图4所示皮碗外径膨胀量超过6%。

图4 某离合主缸故障件皮碗与正常皮碗对比图

2.2.4 换挡时离合器分离力降低

随着发动机转速的增加，在离心力作用下，离合器分离力逐步下降，离合踏板力也将降低。当分离力下降一定程度，当系统液压力不足以克服系统摩擦阻力和离合踏板助力时，踏板将不回位，如图5和表3所示。

由图5和表3可知:发动机转速6 000 r/min时，回程最小踏板力由30 N降低到21 N。如考虑随着整车里程数增加，系统磨损导致摩擦阻力加大以及冬季低温时阻力也会加大，此时如在发动机6 000 r/min换挡，离合踏板可能无法回位。

图5 发动机不同转速下离合踏板行程-踏板力实测曲线

表3 某整车发动机不同转速踏板力测试值汇总表

2.2.5 离合踏板助力过大

为降低手动挡离合踏板力，一般情况下是在踏板上增加助力-回位机构，如图6所示。

图6 离合踏板助力-回位曲线

在离合踏板行程0～40 mm范围内，离合踏板输出回位力；在行程40 mm之后，离合踏板起助力作用。如踏板助力设定过大，在一些工况下(如车辆里程数较多、系统有磨损，冬季低温及高速换挡等)，会导致离合踏板完全不回位或者中间区域不回位。

2.2.6 离合踏板回位力不足

根据图2，在离合踏板行程末端区域，系统液压逐渐减小直至减小到0。如果踏板回位力不足以克服摩擦阻力，那么将出现离合踏板末端不回位故障。

3 离合踏板不回位故障设计规避措施

3.1 制动液兼容性能

为保证离合主缸、工作缸密封性能以及摩擦阻力控制在一定范围内，就需要在整车寿命范围内保证皮碗不收缩、膨胀量控制在一定范围内，需要进行兼容性试验：

(1)低压进油软管、高压软管进行耐制动液试验

在一定的温度下，管路浸泡在制动液中一定时长，对比试验前后管路质量和体积的增加情况。质量和体积增加在0～10%范围内合格。

(2)皮碗耐制动液试验

在一定的温度下，皮碗浸泡在制动液中一定时长，对比试验前后皮碗质量和体积以及外径增加情况。质量、体积增加在0～10%范围内，外径增加在0～3%范围内合格。

(3)兼容性试验

管路、皮碗同时浸泡在制动液中，试验条件和合格判断依据与单独耐制动液试验相同。

3.2 高速换挡工况离合踏板回位性能

为避免该工况下换挡离合踏板不回位问题，根据经验，需要把发动机6 000 r/min工况下离合踏板回程前半段(图3中B～C范围)最小踏板力控制在25 N以上，怠速工况时最小踏板力控制在40 N以上，需要控制如下参数：

(1)离合器回程时分离力波谷值(如图7所示)不宜过小。

图7 离合器分离力曲线

(2)离合踏板去程末端时助力值(如图7所示，离合踏板去程末端行程110～130 mm内，助力值逐渐下降)不宜过大。可通过调整离合踏板助力-回位机构几何关系及助力-回位弹簧张角来满足上述要求。

3.3 离合踏板末端回位性能

为保证离合踏板能够回位彻底，需要离合踏板自身助力-回位机构满足如下要求：

(1)回位行程足够，根据经验，需要30 mm以上(如图6所示，离合踏板回位行程为40 mm)；

(2)踏板末端回位力足够，根据经验，需要10 N以上(如图6所示，离合踏板末端回位力为17 N)。

4 结论

(1)发现并归类离合器故障。通过液压离合操纵系统的工作过程和原理的梳理，结合实际工作故障现象，将离合踏板不回位故障归类为3种状态进行研究。

(2)分析引起离合器故障的影响因素。结合具体的故障特征，以及相关的试验测试数据，较为全面地找到了导致离合踏板不回位故障的原因。

(3)提出改善措施并解决问题。针对故障原因分析，结合实际开发经验从设计源头提出了规避离合踏板不回位问题的措施，整车试验及售后使用过程中不再出现因设计制造引起的离合器踏板不回位故障，取得良好的效果。

【1】徐石安，江发潮.汽车离合器[M].北京:清华大学出版社,2005.

【2】林世裕.膜片弹簧与碟形弹簧离合器的设计与制造[M].南京:东南大学出版社,1995.

【3】孙晓清，胡志远，周含露.离合器操纵特性影响因素试验研究系统[J].汽车技术,2012(11)：53-57.

SUN X Q,HU Z Y,ZHOU H L.Experimental Study on the Factors Affecting Clutch Control Characteristics[J].Automobile Technology,2011(11):53-57.

【4】徐旭,鲁统利.汽车离合器操纵机构的分析与改进设计[J].机械设计与制造,2007(11):13-14.

XU X,LU T L.Analysis and Improvement to Clutch Operation System[J].Machinery Design & Manufacture,2007(11):13-14.

【5】LHOMME W,TRIGUI R,BOUSCAYROL A,et al.Inversion-based Control of a Vehicle with a Clutch Using a Switched Causal Modeling[J].International Journal of Systems Science,2011,42(3):319-334.

【6】WANG X G，BOUZON B L．Biomechanical Evaluation of the Comfort of Automobile Clutch Pedal Operation[J].International Journal of Industrial Ergonomics,2004,34:209-221．

【7】WANG X,BRETON-GADEGBEKU B L,BOUZON L.Biomechanical Evaluation of the Comfort of Automobile Clutch Pedal Operation[J].International Journal of Industrial Ergonomics,2004,34(3):209-221.

【8】何瑛.AMT车辆起步过程研究[J].机械设计与制造,2011(5):179-182.

HE Y.Research of the AMT Vehicle on Starting Process[J].Machinery Design & Manufacture,2011(5):179-182.

【9】胡旭军,唐庆伟.离合回位慢问题的分析与改进[J].大众汽车,2014(5):60-61.

【10】郑树平.汽车离合器常见故障诊断分析[J].汽车维修与保养,2015(2):59-60.

威伯科推出先进的OnGuardMAXTM自动紧急制动系统

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(来源：威伯科)

Analysis and Solution for Hydraulic Clutch Pedal not Returning

LI Bin1,2, LUO Mingjun3, CHENG Ranchao1, GAO Jiabing1

(1.Chery Automobile Co.,Ltd., Wuhu Anhui 241006,China; 2.School of Automotive and Mechanics Engineering,Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China;3. Cowin Automobile Co.,Ltd., Wuhu Anhui 2410006,China)

Because hydraulic clutch pedal can’t return initial position when some vehicle is driving, the power transmission will be interrupted. It is very serious security problem when vehicle is driving. The working principle of the hydraulic clutch system was analyzed. According to actual working conditions, statistical analysis was introduced into the fault problems that hydraulic clutch pedal couldn’t return from liquidity of liquid, sealing of structure, the clutch pedal force.The feature of fault and test data were analyzed and summarized, and root causes that clutch pedal couldn’t return were found. There were lack of hydraulic oil, higher flow resistance，improper clutch pedal force. At last, some improvement measures were put forward for these fault problems.

Hydraulic clutch system; Pedal returning; Frictional resistance

2016-07-21

江西省自然基金项目(20142BAB216028)；江西省教育厅科技项目(GJJ11034)

李彬(1978—)，女，硕士，工程师，研究方向为汽车结构设计与分析。

罗明军，E-mail:lmjlmh2008@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.016

U 463.82

A

1674-1986(2016)10-064-04