某轻型汽油卡车离合系统开发设计

陆海平

某轻型汽油卡车离合系统开发设计

陆海平

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽车离合系统是实现汽车平稳起步、平顺换档的装置，需要具有合适的储备能力、结合平顺柔和、分离迅速彻底、散热能力强、操作轻便等特点。文章以一种轻型汽油卡车为实例，详细讲解了离合器总成的选型、设计参数的匹配过程。在离合器总成设计过程完成后，通过选择一种离合操纵系统对离合踏板力、踏板分离结合行程进行理论校核计算，确认了此离合操纵系统中离合总泵、分泵、踏板、变速器杠杆比的具体参数与结构形式；应用平台化设计，确定了离合总泵、分泵等关键零部件的选型，以满足设计要求；同时还运用了UG三维建、二维SE软件对各总成件、管路的布置进行校核，形成了一种轻型（汽油）卡车离合系统布置设计图。

轻型卡车；离合系统；结构和原理；匹配设计；管路布置

CLC NO.: U462.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-51-04

引言

离合系统主要包括离合器、操纵机构和离合管路等部分组成。其中离合器按不同的分类和不同结构具有多种形式，目前轻型卡车的离合器结构形式多采用推式离合器，压紧弹簧多为膜片弹簧；离合操纵机构是驾驶员借以使离合器分离，而又使之柔和结合的一套机构，也由于不同的使用工况和设计要求分为多种形式，轻型卡车的离合操纵机构有液压、液压真空助力、液压气助力三种。

离合系统的主要功能是保证汽车平稳起步、便于发动机的起动和变速器的换档、防止传动系过载；在此为前提下的性能要求上需要具有合适的储备能力、结合平顺柔和、分离迅速彻底、散热能力强、操作轻便、从动部分转动惯量尽量小，减少换档过程中产生的冲击。同时也要关注离合器空间尺寸的校核及相关的运动分析，保证安装尺寸、轴向布置和选装空间；还要关注操纵系统的人机工程校核和空间的运动分析及结构件的强度，同时也要关注管路部分的管径选择、密封性、走向及固定等几方面。

离合系统的评价指标分离合器和离合操纵两部分。离合器从后备系数、起步温升等方面进行评价；操纵机构从踏板力、踏板行程等方面进行评价。

1 离合器总成的性能匹配设计

1.1 转矩容量

离合器转矩容量由摩擦片的尺寸和摩擦系数，压力弹簧的工作压力，摩擦片数来确定。其数学表达式为：

式中：μ为摩擦系数，一般取0.25～0.30；p为压力弹簧通过压盘加于摩擦片上的压力，单位：N；n为摩擦片面数，单片离合器为2；Rc为摩擦片平均摩擦半径，单位：mm

设摩擦片的压力均匀分布，则：

式中：D为摩擦片外径；d为摩擦片内径

在实际运用过程中，随着波形片的有无，摩擦系数的变化，弹簧压力变化等因素，转矩容量是变化的，转矩容量一般通过实验来确定。

单位摩擦面积传递转矩的许用值（N·m/mm2），见表1：

表1 离合器规格与扭矩容量的选用

1.2 滑磨功

离合器摩擦片被夹在飞轮和压盘中间，以滑磨功的形式供给车辆运动能量，使得发动机旋转和车辆方面的旋转达到同步。滑磨功即为离合器一次接合吸收的能量，它作为热量散发到大气中。

在汽车起步过程中，总滑磨功可用下式计算：

式中：ne为发动机转速（r/min），轻卡一般取1500r/min；ma为汽车总质量，单位：kg；rr为车轮转动半径，单位：m；io为变速器一档速比；ig为后桥速比。

单位面积滑磨功则为：

汽车离合器的单位面积滑磨功推荐值[l]如下：

1）轿车和微型货车 [l]≤0.4

2）总质量小于6T的货车 [l]≤0.33

3）带拖挂的重型车或牵引车 [l]≤0.25

压盘起步温升则为：

式中：γ为压盘热量比例，单片式取0.5；m为压盘质量，单位：kg；c为压盘比热容，单位：J/（kg·℃），△t≤7℃

1.3 后备系数

为了可靠地利用离合器中的摩擦传递发动机的转矩，离合器静摩擦力矩Tc应大于发动机的转矩Temax，其数学表达式为：

汽车离合器的后备系数β推荐值如下：

1）轿车和微型货车 β=1.3～1.75

2）轻型和重型货车 β=1.6～2.25

3）带拖挂的重型车或牵引车 β=2.0～3.5

1.4 某轻型汽油卡车离合器匹配设计实例

以HFC1040轻型汽油卡车为例，对离合器总成匹配设计进行研讨。

通过表1物理空间的校核，选用φ260×φ160规格离合器，静摩擦力矩通过实验得出Tc=337N·m。

选用轻卡车型基本参数见表2：

表2 一种轻卡（汽油）产品的参数

根据公式（2-6）计算得出：后备系数β=337/193=1.746，在1.6～2.25之间，满足设计要求。

根据公式（2-3）、（2-4）、（2-5）计算得出：总滑磨功W=3.142×15002×4500×0.352/（1800×5.5942×5.8572）=6329J；单位面积滑磨功l=4×6329/2/3.14/(2602-1602)=0.096≤0.33；

压盘质量m=7.74kg，c=灰铁544J/(Kg℃)，压盘起步温升△t=0.5×6329/7.74/544=0.75℃≤7℃，均满足设计要求。

2 离合操纵系统的形式与匹配设计

2.1 液压操纵系统的匹配设计

图1 液压操纵系统示意图

图1 中，相关参数列表如下：

表3 液压操纵系统相关参数

2.1.1 排量校核计算

离合分泵设计的最大工作行程，必须大于离合器最大分离行程传递到分泵推杆的行程；

离合器总泵排量必须能满足离合分泵工作行程时所需的输入排量：V1＞V2+V3

V1：离合总泵活塞总成的最大行程减去空行程所产生的排量；

V2：离合器分泵工作行程产生的排量

V3：管路内液体的正常损耗及压缩变形的总体积，一般不超过1.5ml

2.1.2 踏板力校核计算

由离合器特性得出，离合器最大分离力为F4，踏板助力簧的力为F助则：

2.1.3 踏板行程校核计算

根据离合器完全分离时的行程推导出踏板的行程，踏板的行程S由踏板的自由行程S1和工作行程S2组成，即：

式中，Sf为分离轴承自由行程，一般取1mm～3mm；S分离为离合器分离行程

1）S分离取离合器刚刚完全分离的行程时，踏板行程S要小于踏板最大行程

S分离取分离指最大分离行程时，踏板行程S要大于踏板最大行程

2.2 某轻型汽油卡车离合操纵系统的匹配设计实例

上述选用φ260×φ160规格离合器，通过查验离合器压盘分离曲线，得出F4=2500N

分离行程7.5mm，最大分离行程8.5mm

图2 分离特性曲线

初步考虑，采用液压操纵系统进行匹配设计，各零部件参数如下：

表4 一种轻卡（汽油）离合操纵系统匹配参数

根据公式（3-1）、（3-2），求得：总泵排量V1=3.14× (19.05/2)2×(35-1.2)/1000=9.62ml；

分泵工作排量V2=3.14×(26.99/2)2×（7.5*1.762）/1000=7.56ml；

V2+V3=9.06mml＜9.62ml，满足设计要求。

根据公式（3-3），F助=20N，η=0.9

求得：踏板力F1=2500/1.762/26.992×19.052/4.922/ 0.9-20=139N≤160N，满足设计要求。

根据公式（3-4），S1=20mm，S分离=7.5mm

求得：踏板分离行程S=20+7.5×1.762×26.992/19.052* 4.922=150mm≤170mm，满足设计要求。

根据公式（3-4），S1=20mm，S分离=8.5mm

求得：踏板分离行程S=20+8.5×1.762×26.992/19.052* 4.922=170mm≥170mm，满足设计要求。

3 离合管路布置设计

3.1 离合管路的作用及设计准则

3.1.1 离合管路的作用

离合管路的作用为储存和传输制动液，将离合总泵产生的液压能传输到离合分泵上，通过分泵把液压能转化成机械能，推动离合拨叉与分离轴承，从而实现离合器的分离。尼龙管是离合助力器使用到另外一种管路，用以传输气压，通过助力器把气压能转化为机械能，以推动离合拨叉与分离轴承，实现离合器的分离。

3.1.2 离合管路的设计准则

a）离合管路的装配满足装配的可操作性要求，防止管路与车架、尖角、铆钉、支架及其他管路的静态干涉；

b）离合管路能够满足离合系统的使用需求，实现离合操纵系统的有效、踏板的回位迅捷；

c）离合管路能够满足整车车辆的使用需求，具备足够的密封性、耐压性、可靠性和耐久性；

3.2 离合管路的设计要点

3.2.1 离合管路布置及管路选择

离合管路设计首先根据要求绘制整车离合管线路布置图，基本采用软管加硬管的组合方式，根据整车和离合器的回位性选择离合管径规格，硬管材料采用双层钢管(YB/ T4164)，管子的最小弯曲半径为管径的3～3.5倍，喇叭口端的直线部分长度不小于弯曲半径的两倍。不同直径管路的最小弯曲尺寸见图3、表5（根据现有配套厂家的制造工艺）。

图3 钢管折弯示意图

表5 钢管最小弯曲尺寸

3.2.2 离合管路静、动态干涉校核

表6 管路静态干涉校核

表7 管路动态干涉确认项

3.2.3 离合管路管夹固定

钢管管夹的间隔标准，见图4、表8：

图4 钢管管夹固定间隔示意图

表8 钢管管夹固定间隔尺寸

3.3 轻型汽油卡车管路布置示例图

按照以上管路布置要求，针对一种轻型卡车（汽油）进行管路设计，整个离合操纵系统由30种零部件构成，管路设计布置、固定与连接如图5所示。

图5 一种卡车（汽油）管路布置图

4 结论

本论文从汽车离合器的的结构、功能和特点出发，阐述了轻型卡车离合系统的必要性，并论述了离合操纵机构常用的结构形式及匹配设计、管路布置的要点与设计规范，以一种轻型汽油卡车为实例，详细讲解了整车离合系统的设计匹配过程。

在本次设计中，采用经验设计与匹配设计相结合设计方法，注重体现了规范化、系列化、标准化、通用化和模块化的设计原则，并有轻卡系列的离合系统参数作为参考，进一步提高离合系统开发质量、降低开发成本、缩短开发周期，同时也诠释了轻卡产品离合系统系列化、平台化的重要性。

[1] 张小虞, 冯超.汽车工程手册·设计篇.[M]人民交通出版社2001.

[2] 林秉华.最新汽车设计实用手册.[M]上海交通大学出版社 2001.

[3] 余志生.汽车理论.[M]机械工业出版社2000.

[4] 陈家瑞.汽车构造.[M]人民交通出版社2006.

Development and design of a light gasoline truck clutch system

Lu Haiping
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

The automobile clutch system is a device which can realize the smooth start and smooth shift of the car. It needs the proper reserve capacity, the combination of smooth and soft, rapid and complete separation, strong heat dissipation, easy operation and so on.Taking a light gasoline truck as an example, the selection of clutch assembly and the matching process of design parameters are explained in detail. In the clutch assembly design process is completed by selecting a clutch control system combined with the theoretical calculation of separation distance of the clutch pedal, pedal force, confirmed the clutch control system in clutch pump, pedal, the transmission lever ratio specific parameters and structure design of application platform, determine; the selection of pump pump, clutch and other key components, to meet the design requirements; we also use the UG to build 3D and 2D SE software to check the assembly, pipe layout, the formation of a light truck clutch (gasoline) system layout design.

light truck; clutch system; the structure and principle; matching design Pipeline layout

U462.2

A

1671-7988 (2017)16-51-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.019

陆海平，（1988-），男，助理工程师。就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司轻型车研究所，主要从事汽车底盘总布置业务方面的设计工作。