真空助力離合系統(tǒng)在礦用防爆運(yùn)人車中的應(yīng)用

郭愛軍， 劉志更

(1. 中國神華能源股份有限公司 神東煤炭分公司， 陜西 神木 719315；2. 中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

礦用防爆運(yùn)人車的離合器安裝在發(fā)動機(jī)與變速箱之間，其主動部分與發(fā)動機(jī)飛輪相連，從動部分與變速箱相連。它是一種依靠其主、從動盤之間的摩擦來傳遞動力且能分離的機(jī)構(gòu)。礦用防爆運(yùn)人車的離合器普遍采用膜片彈簧離合器[1]，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

然而,礦用防爆運(yùn)人車的離合器壓盤的壓緊力比較大，普遍存在腳踏感沉重。為了減輕駕駛員離合踏板的力度，一般采用離合助力器，也叫離合助力缸或助力泵。這種裝置采用氣缸和油缸同步工作的“氣頂液”的助力形式，普遍存在助力比小、司機(jī)操作困難、長時間行駛?cè)菀讓?dǎo)致駕駛員疲乏等缺點。通過反復(fù)分析研究，設(shè)計了一種真空助力離合系統(tǒng)。

1-飛輪； 2-從動盤； 3-壓盤； 4-膜片彈簧； 5-輸入輸出軸。

1 傳統(tǒng)防爆運(yùn)人車的離合機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)防爆運(yùn)人車的離合機(jī)構(gòu)是利用制動液作為介質(zhì)，從離合踏板開始，最終把力傳至離合器撥叉，作用在分離軸承上，下壓壓盤膜片,從而分離壓盤和離合器片，中斷傳動。

帶離合助力缸的離合機(jī)構(gòu)組成如圖2所示。離合助力缸替換了原來普通的離合分泵，而兩者所起的作用是一樣的，同樣是通過推桿控制離合器撥叉，但在助力缸中引入了氣缸,利用氣壓來產(chǎn)生助力。在結(jié)構(gòu)原理上，離合助力缸和工業(yè)制造上使用的氣液增壓缸相似，同樣是氣缸和油缸一體的結(jié)構(gòu)，液壓油和壓縮空氣是隔離的，并使用壓縮空氣達(dá)到助力作用[2]。

1-離合器踏板； 2-總泵； 3-高壓油管； 4-離合器助力器。

2 真空助力離合器的組成和原理

真空助力離合系統(tǒng)主要由離合踏板、真空助力離合總泵、真空罐、單向閥、真空泵總成及離合助力器等組成[3],如圖3所示。真空助力離合總泵安裝在離合踏板與離合助力器之間，由離合踏板通過拉線實現(xiàn)對真空助力離合總泵的操作。真空助力離合總泵的動力源來自發(fā)電機(jī)內(nèi)部的真空泵。在真空泵總成和真空助力離合總泵之間串聯(lián)一個用于儲能的真空罐及單向閥。

圖3 真空助力離合系統(tǒng)框架構(gòu)成

離合踏板和真空助力離合總泵產(chǎn)生的推力共同作用在離合助力器的活塞上，以提高離合助力器的輸出壓力[4]。真空助力離合總泵的真空伺服氣室由帶有橡膠膜片的活塞分為常壓室和變壓室，一般常壓室的真空度為60～80 kPa，即真空泵可以提供的真空度大小取決于其常壓室和變壓室的氣壓差值。當(dāng)變壓室的真空度達(dá)到外界大氣壓時，真空助力離合總泵可以提供最大的輸出力。真空助力離合總泵所產(chǎn)生的真空度大小及速度關(guān)系到真空助力離合總泵的工作狀態(tài)，真空助力離合總泵的容量關(guān)系到離合助力器的整體性能。

真空助力離合總泵的特性曲線如圖4所示,其中包含了啟動值、跳增值、殘留值和滯后率等重要的技術(shù)參數(shù)。

1-升壓曲線； 2-降壓曲線； 3-水平曲線。

3 真空助力離合系統(tǒng)設(shè)計計算

利用真空助力離合總泵的輸入、輸出特性曲線，可以求出離合器踏板的踏板力-液壓輸出特性[5]，繼而可以求得離合助力器的輸出力，最后計算得出真空助力離合總泵所需要的最小真空度值。具體的計算流程如圖5所示。

圖5 計算流程

根據(jù)真空助力離合總泵的工作原理和結(jié)構(gòu)尺寸，可以近似求出真空助力離合總泵的輸入、輸出特性曲線上的兩個特征參數(shù)：與最大助力點對應(yīng)的輸入力F01和輸出力F02。F02與F01之比即為助力比。

1) 假設(shè)真空助力離合總泵的真空度為0，且不考慮助力器的機(jī)械效率及忽略復(fù)位彈簧的反作用力和制動主缸推桿截面積的影響，根據(jù)力平衡原理可以近似列出如下方程式：

(1)

(2)

由以上兩式可得：

F01=πD2p/(4is-4)

(3)

F02=πD2pis/(4is-4)

(4)

(5)

式中：D為伺服膜片的有效直徑，m；d1為橡膠反作用盤的直徑，m；d2為滑柱的直徑，m；p為真空助力離合總泵常壓腔的真空度，Pa；is為助力比。

由以上計算可得到在不同真空度時與最大助力點對應(yīng)的F01與F02。由最大助力點開始，輸入力的增大就等于輸出力的增大。該真空助力離合總泵的輸入、輸出特性曲線如圖6所示。

圖6 輸入、輸出特性曲線

2) 按以上公式計算真空助力離合總泵的工作特性，從而可以求出真空助力離合總泵的液壓輸出力，具體公式為：

(6)

式中：pm為離合助力器輸出壓力，Pa；F2為真空助力離合總泵輸出力，N；Dm為離合助力器缸徑，m。

3) 離合器踏板力Ft的計算。真空助力離合總泵在最大助力點前離合踏板力為：

(7)

式中：ip為離合器踏板機(jī)構(gòu)的助力比；ηp為離合器助力系統(tǒng)的機(jī)械效率。

真空助力離合總泵在最大助力點后離合踏板力為：

(8)

按式(7)和式(8)可求解出在不同真空度時離合器踏板力與真空助力離合總泵的液壓輸出特性。

4 整車真空助力離合性能試驗

真空助力離合系統(tǒng)在某型礦用運(yùn)人車上的具體布置如圖7所示。根據(jù)以上計算結(jié)果，選定容積為5 L的真空罐及某型號的真空助力離合總泵，該真空助力離合總泵的性能曲線如圖8所示。

(a)

(b)

圖8 真空助力離合總泵的真空度曲線

由圖8可知，所選定的真空助力離合總泵在5 s內(nèi)即可產(chǎn)生55.0 kPa的真空度，滿足了最小真空度大于37.5 kPa的最低要求。整車離合助力性能試驗結(jié)果表明，所設(shè)計匹配的真空助力離合系統(tǒng)可滿足實際的使用要求。

5 結(jié)論

1) 對真空助力離合系統(tǒng)而言，真空助力器離合總泵產(chǎn)生的真空度越大，離合踏板就越省力，越能保證礦用防爆運(yùn)人車的操作舒適性。

2) 在離合助力系統(tǒng)中，采用真空助力的設(shè)計和選型應(yīng)盡量使真空度滿足離合性能的使用要求。

3) 根據(jù)整車的道路試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的防爆運(yùn)人車真空助力離合系統(tǒng)提高了整車駕駛操作的舒適性，其性能可滿足使用的要求。