淺談制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

朱鵬程、趙衛(wèi)晨、韋振舉、覃春好

（1. 上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司 545007；2. 廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司 545007)

0 引言

制動(dòng)踏板在設(shè)計(jì)過(guò)程中,經(jīng)常出現(xiàn)輸入條件的變更。了解制動(dòng)踏板的受力情況，可以對(duì)輸入條件變更帶來(lái)的影響進(jìn)行初步評(píng)估，使踏板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更有方向性。除此之外，還可以對(duì)最大應(yīng)力、變形區(qū)域進(jìn)行預(yù)判，并與CAE分析結(jié)果相比對(duì)，判斷其分析結(jié)果是否具有合理性。

1 踏板機(jī)構(gòu)

如圖1所示，制動(dòng)踏板主要由踏板桿、踏板支架、軸銷(xiāo)、襯套、回位彈簧和襯套等零件組成。

1.1 踏板桿

踏板桿常見(jiàn)結(jié)構(gòu)有非斷開(kāi)式踏板桿與斷開(kāi)式踏板桿（圖2）。其中，斷開(kāi)式踏板的結(jié)構(gòu)主要是為了避讓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的中間軸和傳動(dòng)軸等零件；而非斷開(kāi)式踏板桿相對(duì)斷開(kāi)式踏板結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，質(zhì)量更輕。

1.2 踏板支架

踏板支架根據(jù)使用的材料分為塑料踏板支架與金屬踏板支架（圖3），塑料踏板支架成型精度高，質(zhì)量小，但成本高。

圖1 制動(dòng)踏板結(jié)構(gòu)

圖2 非斷開(kāi)式踏板桿（左）和斷開(kāi)式踏板桿（右）

圖3 塑料支架（左）和金屬支架（右）

2 踏板桿受力情況

2.1 非斷開(kāi)式踏板桿

如圖4、圖5所示，該踏板桿為非斷開(kāi)式踏板桿，它靜止地處于1/2全行程位置上。O點(diǎn)為踏板旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，Q為推桿“U”型叉與踏板桿接觸點(diǎn)，H點(diǎn)為踏板面中心點(diǎn)。Ft為踏板力（假設(shè)踏板力過(guò)踏板H點(diǎn)，并垂直于踏板面），F(xiàn)Q為助力器推桿對(duì)踏板的支持力。FO為踏板支架對(duì)踏板桿的作用力。a為輸入力臂，b為輸出力臂，c為踏板面中心H點(diǎn)到Q點(diǎn)的距離。踏板杠桿比i=a/b，杠桿比是影響踏板感覺(jué)的重要因素，不輕易修改[1]。

圖4 非斷開(kāi)式踏板受力情況

圖5 踏板桿彎矩圖

踏板桿的最大彎矩為如下。

將踏板桿的截面看似成矩形，其高為h（板厚方向）、寬為L(zhǎng)，則抗彎截面系數(shù)為如下。

踏板桿截面最大正應(yīng)力如下。

由公式(1)～公式(3)可知，在Q點(diǎn)附近踏板桿彎矩最大。彈性變形最大的區(qū)域一般在踏板面。為了避免Q點(diǎn)附近應(yīng)力變形過(guò)大而導(dǎo)致踏板面彈性變形過(guò)大，在保持材料、杠桿比不變的情況下，盡量減小c與b的值（滿(mǎn)足助力器主缸行程下），從而降低彎矩Mmax。還可以增加踏板桿寬度或厚度降低正應(yīng)力，其中，增加寬度效果會(huì)更明顯些。踏板桿寬度從Q點(diǎn)區(qū)域至H、O點(diǎn)區(qū)域逐漸減小，不僅提高了材料利用率還減少了踏板桿質(zhì)量。

2.2 斷開(kāi)式踏板桿

如圖6所示，斷開(kāi)式踏板桿由輸入桿、轉(zhuǎn)軸、輸出桿組成，踏板力通過(guò)它們最終傳遞給真空助力器。因此不僅要考慮輸入桿、輸出桿彎矩，還要考慮轉(zhuǎn)軸的扭矩。

斷開(kāi)式踏板轉(zhuǎn)軸扭矩如下。

轉(zhuǎn)軸圓截面的切應(yīng)力如下。

轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)角如下。

式中，D為圓管的外圓直徑；d為圓管的內(nèi)圓直徑；Wt為抗扭截面系數(shù)；Lg為兩踏板桿之間的圓管長(zhǎng)度；G為切變模量，可以通過(guò)彈性模量與泊松比求出；Ip為對(duì)于圓心的極慣性距，對(duì)于空心圓鋼，Ip計(jì)算如下。

由公式(1)～公式(3)可知，輸入桿、輸出桿最大彎矩會(huì)出現(xiàn)在轉(zhuǎn)軸附近。因此踏板桿的寬度由O點(diǎn)到H點(diǎn)、Q點(diǎn)逐漸減小，如圖7所示。在保持材料、杠桿比不變的情況下，盡量減小a與b的值（滿(mǎn)足助力器主缸行程下），可以有效地降低扭矩T。也可以通過(guò)增大內(nèi)徑、外徑有效地提高抗扭截面系數(shù)Wt，從而降低切應(yīng)力。橫截面上的切應(yīng)力沿半徑按線(xiàn)性規(guī)律分布，圓心附近的應(yīng)力很小，材料沒(méi)有充分發(fā)揮作用。彈性變形最大的區(qū)域一般在踏板面。在保證材料不變的情況下，除了修改a、b、L三值可以改善變形外，還可以通過(guò)增加極慣性距Ip或者減小桿間距Lg，達(dá)到減少變形、質(zhì)量的目的。

圖6 斷開(kāi)式踏板桿

圖7 變截面踏板桿

3 踏板支架受力情況

如圖8所示,踏板力Ft在FQ右側(cè)，要想滿(mǎn)足平衡，踏板支架對(duì)踏板桿的作用力FO必須位于FQ左側(cè)。踏板桿對(duì)踏板支架的合力為Ff，是FO的反作用力。Ff到O1轉(zhuǎn)軸的軸向距離為k，到O2的距離為e。轉(zhuǎn)軸對(duì)踏板O1處的拉力為FO1，O2處的拉力為FO2。根據(jù)受力平衡有，F(xiàn)f= FO1+ FO1。

因?yàn)閗＜e，所以FO1＞ FO2，左側(cè)的踏板支架相對(duì)右側(cè)的支架受力情況更較惡劣。在材料不變的情況下，可通過(guò)增加加強(qiáng)筋、板厚等方式提高左側(cè)支架的強(qiáng)度與剛度。而右側(cè)的支架在滿(mǎn)足強(qiáng)度剛度的情況，著重考慮輕量化結(jié)構(gòu)。

如圖9所示，F(xiàn)Q1為踏板桿對(duì)真空助力器的力，是FQ的反作用力。真空助力器通過(guò)螺母與B1、B2、C1和C2四個(gè)安裝點(diǎn)連接。很顯然，A1點(diǎn)和A2點(diǎn)受到的是拉力，并且A1點(diǎn)受到的拉力比A2點(diǎn)更大。解決這兩個(gè)點(diǎn)附近區(qū)域應(yīng)力大的方法主要有2種：一是減小兩點(diǎn)受到的拉力，如增加u的值；二是加強(qiáng)兩點(diǎn)附近區(qū)域的剛度，如采用板厚更大的支架與兩點(diǎn)相接，再通過(guò)焊接將該支架與其他支架相連接。因?yàn)槭艿降氖抢?，通過(guò)增加接觸面積方式是無(wú)法有效地改善該區(qū)域的應(yīng)力情況。

圖8 踏板支架受力情況

圖9 踏板支架

4 結(jié)束語(yǔ)

制動(dòng)踏板受力情況會(huì)隨著結(jié)構(gòu)的不同而有所差異，但是分析方法一樣的。了解制動(dòng)踏板的受力情況，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更有方向性與目的性[2]。