郭爱军， 刘志更

(1. 中国神华能源股份有限公司 神东煤炭分公司， 陕西 神木 719315；2. 中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

矿用防爆运人车的离合器安装在发动机与变速箱之间，其主动部分与发动机飞轮相连，从动部分与变速箱相连。它是一种依靠其主、从动盘之间的摩擦来传递动力且能分离的机构。矿用防爆运人车的离合器普遍采用膜片弹簧离合器[1]，其基本结构如图1所示。

然而,矿用防爆运人车的离合器压盘的压紧力比较大，普遍存在脚踏感沉重。为了减轻驾驶员离合踏板的力度，一般采用离合助力器，也叫离合助力缸或助力泵。这种装置采用气缸和油缸同步工作的“气顶液”的助力形式，普遍存在助力比小、司机操作困难、长时间行驶容易导致驾驶员疲乏等缺点。通过反复分析研究，设计了一种真空助力离合系统。

1-飞轮； 2-从动盘； 3-压盘； 4-膜片弹簧； 5-输入输出轴。

1 传统防爆运人车的离合机构

传统防爆运人车的离合机构是利用制动液作为介质，从离合踏板开始，最终把力传至离合器拨叉，作用在分离轴承上，下压压盘膜片,从而分离压盘和离合器片，中断传动。

带离合助力缸的离合机构组成如图2所示。离合助力缸替换了原来普通的离合分泵，而两者所起的作用是一样的，同样是通过推杆控制离合器拨叉，但在助力缸中引入了气缸,利用气压来产生助力。在结构原理上，离合助力缸和工业制造上使用的气液增压缸相似，同样是气缸和油缸一体的结构，液压油和压缩空气是隔离的，并使用压缩空气达到助力作用[2]。

1-离合器踏板； 2-总泵； 3-高压油管； 4-离合器助力器。

2 真空助力离合器的组成和原理

真空助力离合系统主要由离合踏板、真空助力离合总泵、真空罐、单向阀、真空泵总成及离合助力器等组成[3],如图3所示。真空助力离合总泵安装在离合踏板与离合助力器之间，由离合踏板通过拉线实现对真空助力离合总泵的操作。真空助力离合总泵的动力源来自发电机内部的真空泵。在真空泵总成和真空助力离合总泵之间串联一个用于储能的真空罐及单向阀。

图3 真空助力离合系统框架构成

离合踏板和真空助力离合总泵产生的推力共同作用在离合助力器的活塞上，以提高离合助力器的输出压力[4]。真空助力离合总泵的真空伺服气室由带有橡胶膜片的活塞分为常压室和变压室，一般常压室的真空度为60～80 kPa，即真空泵可以提供的真空度大小取决于其常压室和变压室的气压差值。当变压室的真空度达到外界大气压时，真空助力离合总泵可以提供最大的输出力。真空助力离合总泵所产生的真空度大小及速度关系到真空助力离合总泵的工作状态，真空助力离合总泵的容量关系到离合助力器的整体性能。

真空助力离合总泵的特性曲线如图4所示,其中包含了启动值、跳增值、残留值和滞后率等重要的技术参数。

1-升压曲线； 2-降压曲线； 3-水平曲线。

3 真空助力离合系统设计计算

利用真空助力离合总泵的输入、输出特性曲线，可以求出离合器踏板的踏板力-液压输出特性[5]，继而可以求得离合助力器的输出力，最后计算得出真空助力离合总泵所需要的最小真空度值。具体的计算流程如图5所示。

图5 计算流程

根据真空助力离合总泵的工作原理和结构尺寸，可以近似求出真空助力离合总泵的输入、输出特性曲线上的两个特征参数：与最大助力点对应的输入力F01和输出力F02。F02与F01之比即为助力比。

1) 假设真空助力离合总泵的真空度为0，且不考虑助力器的机械效率及忽略复位弹簧的反作用力和制动主缸推杆截面积的影响，根据力平衡原理可以近似列出如下方程式：

(1)

(2)

由以上两式可得：

F01=πD2p/(4is-4)

(3)

F02=πD2pis/(4is-4)

(4)

(5)

式中：D为伺服膜片的有效直径，m；d1为橡胶反作用盘的直径，m；d2为滑柱的直径，m；p为真空助力离合总泵常压腔的真空度，Pa；is为助力比。

由以上计算可得到在不同真空度时与最大助力点对应的F01与F02。由最大助力点开始，输入力的增大就等于输出力的增大。该真空助力离合总泵的输入、输出特性曲线如图6所示。

图6 输入、输出特性曲线

2) 按以上公式计算真空助力离合总泵的工作特性，从而可以求出真空助力离合总泵的液压输出力，具体公式为：

(6)

式中：pm为离合助力器输出压力，Pa；F2为真空助力离合总泵输出力，N；Dm为离合助力器缸径，m。

3) 离合器踏板力Ft的计算。真空助力离合总泵在最大助力点前离合踏板力为：

(7)

式中：ip为离合器踏板机构的助力比；ηp为离合器助力系统的机械效率。

真空助力离合总泵在最大助力点后离合踏板力为：

(8)

按式(7)和式(8)可求解出在不同真空度时离合器踏板力与真空助力离合总泵的液压输出特性。

4 整车真空助力离合性能试验

真空助力离合系统在某型矿用运人车上的具体布置如图7所示。根据以上计算结果，选定容积为5 L的真空罐及某型号的真空助力离合总泵，该真空助力离合总泵的性能曲线如图8所示。

(a)

(b)

图8 真空助力离合总泵的真空度曲线

由图8可知，所选定的真空助力离合总泵在5 s内即可产生55.0 kPa的真空度，满足了最小真空度大于37.5 kPa的最低要求。整车离合助力性能试验结果表明，所设计匹配的真空助力离合系统可满足实际的使用要求。

5 结论

1) 对真空助力离合系统而言，真空助力器离合总泵产生的真空度越大，离合踏板就越省力，越能保证矿用防爆运人车的操作舒适性。

2) 在离合助力系统中，采用真空助力的设计和选型应尽量使真空度满足离合性能的使用要求。

3) 根据整车的道路试验结果表明，所设计的防爆运人车真空助力离合系统提高了整车驾驶操作的舒适性，其性能可满足使用的要求。