离合踏板中的扭转弹簧设计及踏板力优化

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。

表1 弹簧设计参数Tab.1 Spring design parameters

该车型离合踏板已知参数如表2 所示。

表2 踏板设计参数Tab.2 Pedal design parameters

将上述参数代入踏板力学模型，在Excel 中计算得到该车踏板力及行程曲线如图5 所示。可以看出，该车型踏板行程82 mm时（最大踏板力），踏板助力只有约2.5 N，助力偏小；踏板起始位置时弹簧阻力为5 N，起始阻力偏小。

图5 某车型踏板力与行程曲线计算结果Fig.5 Test results of pedal force and travel curve during development phase of a model

5 扭转弹簧结构参数影响分析

根据离合踏板扭簧力学模型对该车型参数进行调整，逐一分析各参数对结果影响。其中，为踏板臂长度，调整其长度影响踏板面位置及杠杆比，此参数不建议更改。受踏板布置空间影响，簧丝线径d、扭簧中径D、有效圈数n、固定侧力臂l1，受力侧力臂l2等参数不调整，其他参数影响分析如下。

图6 长度对弹簧曲线影响Fig.6 Effect of length to spring curve

5.2 参数对踏板特性影响分析

图7 长度对弹簧曲线影响Fig.7 Effect of length to spring curve

5.3 夹角α参数对踏板特性影响分析

图8 夹角α 对弹簧曲线影响Fig.8 Effect of angleα to spring curve

5.4 弹簧角度对踏板特性影响分析

改变弹簧初始角度φ0，其他参数不变，可以得出如图9 所示的曲线图。从图9 中可以看出，弹簧角度φ0越大，初始踏板力越大，同时助力效果越好。

图9 弹簧初始角度φ0 对弹簧曲线影响Fig.9 Effect of initial angleφ0 of the spring to spring curve

图10 优化前、后踏板力对比Fig.10 Comparison of pedal force before and after optimization

将优化后的离合踏板总成安装到整车上，使用设备测得整车踏板力与行程曲线如图11所示。测试结果显示，优化后整车最大踏板力从110 N降低到96 N，初始踏板力从6 N 提升到15 N。实车路试评价舒适性明显提升。优化后离合踏板样件经200 万次耐久试验，无异常现象，证明了改进的可靠性满足要求。

图11 优化后的某车型离合踏板力与行程曲线Fig.11 Optimized clutch pedal force and travel curve of a model

5 结语

本文通过对扭转弹簧式离合踏板助力的分析、计算，并对其建立数学模型，通过数学模型对离合踏板力进行优化。在设计过程中，借助Excel 形象地描绘出助力曲线，并利用设备对优化对象进行测试、验证，得出最优的方案。该种方法不但速度快而且精度高，提高了工作效率，为设计工作提供很好的帮助。