離合器操縱舒適性客觀評(píng)價(jià)方法與試驗(yàn)研究

李震宇，張志剛，周大翠

(重慶理工大學(xué) 車輛工程學(xué)院，重慶 400054)

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離合器操縱舒適性客觀評(píng)價(jià)方法與試驗(yàn)研究

李震宇，張志剛，周大翠

(重慶理工大學(xué) 車輛工程學(xué)院，重慶 400054)

隨著現(xiàn)代人對(duì)汽車舒適性的要求越來(lái)越高，離合器踏板作為汽車內(nèi)操縱頻率較高的裝置，其操縱舒適性成為關(guān)注的重點(diǎn)。應(yīng)用離合器操縱系統(tǒng)靜態(tài)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，以不同的速度踩下離合器踏板，得到踏板力與踏板行程特性曲線。通過(guò)數(shù)據(jù)處理并定義踏板剛度，運(yùn)用Matlab軟件繪制踏板剛度隨踏板行程的變化曲線。以踏板剛度變化規(guī)律作為離合器踏板舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)果表明：在一定的踏板速度范圍內(nèi)，踩下踏板速度越大，踏板剛度變化規(guī)律波動(dòng)越小，舒適性越好；踩下速度越小，踏板剛度變化規(guī)律波動(dòng)越大，舒適性越差。

離合器踏板; 舒適性;踏板剛度

離合器作為手動(dòng)變速器的關(guān)鍵零部件之一，其操縱舒適性直接關(guān)系到駕駛員的工作狀態(tài)[1-8]。隨著我國(guó)汽車保有量的持續(xù)增長(zhǎng)，城市擁堵現(xiàn)象日益嚴(yán)重，迫使駕駛手動(dòng)擋汽車的駕駛員對(duì)離合器的操縱越來(lái)越頻繁，對(duì)離合器操縱舒適性提出了越來(lái)越高的要求。因此，開(kāi)展有關(guān)離合器操縱舒適性客觀評(píng)價(jià)方法和試驗(yàn)的研究，對(duì)于提高我國(guó)手動(dòng)變速器汽車的駕駛性能具有重要意義。

本文針對(duì)目前該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，提出了一種新的離合器操縱舒適性客觀評(píng)價(jià)方法，進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，定義了踏板剛度，并以此作為舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)。研究結(jié)果表明，該指標(biāo)能客觀、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)離合器操縱舒適性。

1 離合器操縱舒適性評(píng)價(jià)模型

1.1 離合器液壓操縱系統(tǒng)工作原理

離合器操縱系統(tǒng)主要分為機(jī)械式和液壓式，本文以液壓式操縱系統(tǒng)為研究對(duì)象。該系統(tǒng)主要由主缸、工作缸及管路系統(tǒng)組成[1]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。工作原理是依靠主缸中液壓油產(chǎn)生的油壓推動(dòng)工作缸活塞的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)液壓作用到離合器分離撥叉或分離軸承上，再通過(guò)分離軸承推動(dòng)離合器膜片彈簧的移動(dòng)使離合器分離，從而完成動(dòng)力的切斷。

圖1 離合器操縱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 評(píng)價(jià)方法

目前國(guó)內(nèi)外就離合器操縱舒適性提出的評(píng)價(jià)方法主要有模糊邏輯理論[2-3]、生物力學(xué)法[4]、動(dòng)作元矩陣法[5]等。這些方法是基于駕駛員的實(shí)際感受進(jìn)行評(píng)價(jià)，主觀性強(qiáng)，成本較高。本文采用基于試驗(yàn)臺(tái)的客觀評(píng)價(jià)方法，通過(guò)力傳感器和位移傳感器測(cè)得踏板力和踏板行程，對(duì)踏板力進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)定不同單位踏板行程進(jìn)行多次評(píng)價(jià)，最終得出整個(gè)踏板行程范圍內(nèi)的離合器操縱舒適性。該方法能實(shí)時(shí)、客觀、準(zhǔn)確地反映離合器踏板操縱過(guò)程中評(píng)價(jià)指標(biāo)隨踏板行程的變化規(guī)律，適用性廣，排除了駕駛員、座椅等沒(méi)有明確界限的外在因素對(duì)離合器操縱特性評(píng)價(jià)的影響。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

離合器操縱舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo)有異點(diǎn)數(shù)目、力變率、力-行程剛度[7]等。踏板力和踏板行程作為離合器操縱系統(tǒng)的主要性能參數(shù)，其變化規(guī)律直接影響著離合器操縱舒適性。因此，本文提出將踏板剛度作為離合器操縱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

踏板剛度K與彈簧剛度相似，為踏板力增量ΔF與踏板行程增量ΔS之比，即產(chǎn)生單位踏板行程所需的踏板力。踏板剛度并非一個(gè)常數(shù)，它隨著踏板力和踏板行程變化而變化。如果踏板剛度變化規(guī)律明顯，表明產(chǎn)生單位踏板行程所需的踏板力變化大，這種變化規(guī)律容易對(duì)駕駛員產(chǎn)生較大的沖擊，會(huì)降低踏板操縱舒適性，時(shí)間一長(zhǎng)，容易造成駕駛員疲勞駕駛，從而影響行車安全性。

(1)

(2)

(3)

式中：ΔF為每單位踏板行程踏板力變化量；ΔS為每單位踏板行程踏板位移變化量；Fi，Si為每隔i個(gè)單位踏板對(duì)應(yīng)的踏板力、踏板行程，i=0,1,2,3，…；Fi+1，Si+1為第i+1個(gè)單位踏板對(duì)應(yīng)的踏板力、踏板行程。

2 試驗(yàn)方案

在自主設(shè)計(jì)研發(fā)的離合器操縱特性試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)某離合器液壓操縱系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)過(guò)程分為踩下踏板和松開(kāi)踏板2個(gè)過(guò)程，對(duì)踏板速度分別為10，50，100 mm/s的3種工況進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 離合器液壓操縱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

離合器操縱系統(tǒng)特性試驗(yàn)臺(tái)基本構(gòu)成如圖2所示，主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、踏板機(jī)器人、測(cè)控系統(tǒng)等5部分組成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)和變頻控制器組成，用于模擬離合器輸入轉(zhuǎn)速；傳感系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、踏板力傳感器等構(gòu)成，用于測(cè)量離合器輸入轉(zhuǎn)速、踏板位移、分離軸承位移、操縱系統(tǒng)油管壓力、踏板力；機(jī)械系統(tǒng)主要由鐵平板、基座及支架構(gòu)成，為被試離合器、傳感器等提供基礎(chǔ)支撐和安裝基座；踏板機(jī)器人系統(tǒng)由踏板執(zhí)行器、控制器構(gòu)成，用于模擬駕駛員踩下/松開(kāi)踏板的動(dòng)作，并且踏板機(jī)器人的踩踏速度可以精確控制；測(cè)控系統(tǒng)主要由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、信號(hào)調(diào)理器、通訊板卡及測(cè)控分析軟件等組成。

圖2 離合器操縱特性試驗(yàn)臺(tái)基本構(gòu)成

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用上述試驗(yàn)臺(tái)測(cè)得每種工況下踩下和松開(kāi)踏板過(guò)程的踏板力和踏板行程的關(guān)系曲線，如圖3所示。由于該試驗(yàn)的采樣頻率為200 Hz，采樣周期小，采樣點(diǎn)較多，為了能更好地說(shuō)明離合器的操縱舒適性，故分別以1，5，10 mm作為單位踏板行程。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，篩選出每單位踏板行程所對(duì)應(yīng)的踏板力Fi。通過(guò)式(3)求得踏板剛度。最后通過(guò)仿真軟件Matlab繪制踏板剛度隨踏板行程的變化曲線。圖4為踏板速度為 10 mm/s、單位踏板行程為5 mm時(shí)的踏板剛度變化規(guī)律。

由圖4可以看出：踩下離合器踏板后，在A段即踏板行程開(kāi)始階段，踏板剛度波動(dòng)很大，單位踏板行程踏板力變化量較大，說(shuō)明在踏板行程開(kāi)始階段離合器操縱舒適性較差，隨后踏板剛度變化平穩(wěn)。在踏板行程最后階段B點(diǎn)處，受試驗(yàn)臺(tái)踏板處限位螺釘?shù)挠绊?，在踏板行程達(dá)到設(shè)定的最大值150 mm時(shí)，踏板執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)缸的推桿還有向前運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，而此時(shí)限位螺釘已經(jīng)阻止踏板行程的繼續(xù)增大，所以踏板力急劇增大，踏板剛度較大。因此，該處的踏板剛度變化不予討論。

圖3 離合器踏板特性曲線

圖4 單位踏板行程為5 mm的踏板剛度變化規(guī)律

由圖5可以看出：在踩下踏板過(guò)程中，當(dāng)踏板行程為5～10 mm、踏板速度為10 mm/s時(shí)的踏板剛度隨踏板行程的變化較大；當(dāng)踏板行程為45～55 mm，踏板速度為50 mm/s時(shí)的踏板剛度隨踏板行程的變化較大；當(dāng)踏板行程為60～65 mm，踏板速度為100 mm/s時(shí)的踏板剛度隨踏板行程的變化較大；但在3種踏板速度下的踏板剛度變化趨勢(shì)幾乎重合；在松開(kāi)踏板過(guò)程中，只有當(dāng)踏板行程為 5～10 mm、踏板速度為10 mm/s時(shí)的踏板剛度隨踏板行程的變化較大，但在該踏板速度下的整個(gè)踏板剛度變化趨勢(shì)較其余兩種踏板速度變化較大。

由圖6可以看出：在踩下踏板過(guò)程中，當(dāng)踏板行程在0～20 mm、踏板速度為10 mm/s時(shí)的踏板剛度隨踏板行程的變化較大；在踏板行程為45～65 mm時(shí)，3種踏板速度下的踏板剛度變化趨勢(shì)基本一致；在松開(kāi)踏板過(guò)程中，當(dāng)踏板行程在0～10 mm、踏板速度為10 mm/s時(shí)，踏板剛度隨踏板行程的變化較大；當(dāng)踏板行程在45～65 mm、踏板速度為10 mm/s時(shí)，踏板剛度隨踏板行程的變化較大；在踏板行程為105～115 mm、踏板速度為50 mm/s和100 mm/s時(shí)，踏板剛度隨踏板行程的變化都較小。通過(guò)對(duì)比3種踏板速度下的踏板剛度變化規(guī)律可知，踏板速度為10 mm/s時(shí)的情況更能直觀反映出踏板剛度的變化規(guī)律。

圖5 單位踏板行程1 mm的踏板剛度變化規(guī)律

由圖7可以看出：在踩下踏板過(guò)程中，當(dāng)踏板行程在0～20 mm、踏板速度為10 mm/s時(shí)，踏板剛度隨踏板行程的變化較大；當(dāng)踏板行程在30～140 mm時(shí)，踏板速度變化對(duì)踏板剛度隨踏板行程的變化影響較??；在松開(kāi)踏板過(guò)程中，當(dāng)踏板行程在0～140 mm、踏板速度為10 mm/s時(shí)，踏板剛度整體變化趨勢(shì)比較明顯，但是無(wú)法反映0～20 mm范圍內(nèi)的踏板剛度變化規(guī)律。

綜上所述，由圖5～7的分析結(jié)果可知：無(wú)論是離合踏板踩下過(guò)程，還是離合踏板松開(kāi)過(guò)程，在不同單位踏板行程下，以踏板速度10 mm/s踩下/松開(kāi)踏板時(shí)，踏板剛度變化均比較明顯；單位踏板行程的取值不同也會(huì)影響客觀評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。從分析結(jié)果可知：?jiǎn)挝惶ぐ逍谐虨? mm時(shí)，可以從整體上直觀表征踏板剛度的變化規(guī)律。因此，以10 mm/s的踏板速度和5 mm單位踏板行程作為離合器操縱舒適性客觀評(píng)價(jià)的輸入，能更加直觀地客觀評(píng)價(jià)離合器操縱舒適性。

為了驗(yàn)證本研究提出的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)的有效性，利用試驗(yàn)對(duì)客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)和主觀評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)時(shí)踏板速度分別為10，50，100 mm/s，客觀評(píng)價(jià)時(shí)單位踏板行程取 5 mm。

圖7 單位踏板行程10 mm的踏板剛度變化規(guī)律

踏板速度評(píng)價(jià)方法1050100最大踏板剛度踩下2．82．12．1松開(kāi)1．90．40．7主觀感受明顯不明顯不明顯

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)整車企業(yè)對(duì)離合器操縱舒適性的評(píng)價(jià)要求，提出了試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法和踏板剛度變化規(guī)律評(píng)價(jià)指標(biāo)。利用離合器操縱特性試驗(yàn)臺(tái)，以不同的踏板速度操縱某離合器液壓操縱系統(tǒng)，對(duì)測(cè)得的踏板力和踏板行程進(jìn)行了采集和處理，以不同單位踏板行程分析系統(tǒng)操縱舒適性。該評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)能客觀、準(zhǔn)確地反映離合器操縱舒適性，為主觀評(píng)價(jià)離合踏板舒適性研究提供試驗(yàn)基礎(chǔ)，同時(shí)為選擇合適的踏板速度提供參考依據(jù)。

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

Study on Comfort Evaluation and Test of Clutch Pedal Handling

LI Zhen-yu, ZHANG Zhi-gang, ZHOU Da-cui

(College of Vehicle Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

As the higher requirement for comfortableness to the automobile, as handling device with higher frequency within automobile, the handling comfort of clutch pedal becomes the focus of attention. Characteristic curves between pedal force and pedal travel were obtained by clutch actuation system static performance test-bed with different pedal speed. Then the pedal stiffness was defined by data processing and pedal stiffness curves along with the change of pedal stroke were drawn by using MATLAB software. Pedal stiffness change rule was the evaluation index of clutch pedal comfort. The results show that the greater the pedal speed, the smaller the stiffness variation fluctuation and the better the comfortableness. The smaller the pedal speed, the greater the stiffness variation fluctuation, the worse the comfortableness.

clutch pedal; comfort; pedal stiffness

2014-10-25 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51205432)；重慶理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(YCX2013202)

李震宇(1989—),男，重慶人,碩士研究生，主要從事車輛試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)研究。

李震宇，張志剛，周大翠.離合器操縱舒適性客觀評(píng)價(jià)方法與試驗(yàn)研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015(3):10-14.

format：LI Zhen-yu, ZHANG Zhi-gang, ZHOU Da-cui.Study on Comfort Evaluation and Test of Clutch Pedal Handling[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science,2015(3):10-14.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.03.003

U463; TH137

A

1674-8425(2015)03-0010-05