汽車制動(dòng)踏板行程及踏板力的評(píng)估初探

吳 林,鄧 林,章 超

(六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與機(jī)電工程學(xué)院,安徽 六安 237158)

引言

隨著人們生活水平的提高,汽車逐漸成為人們生活的必需品,我國(guó)也因此成為全球最大的汽車市場(chǎng),對(duì)汽車有著巨大的需求。汽車在滿足人們基本的出行需求時(shí),還必須注重汽車性能的提高。人們?cè)隈{駛汽車過(guò)程中,首先感受到的就是汽車的制動(dòng)狀況。影響汽車駕駛性能及安全性能的一個(gè)重要指標(biāo)就是汽車制動(dòng)性能。就目前來(lái)看,人們?cè)谄囍苿?dòng)過(guò)程中所感受到的制動(dòng)問(wèn)題主要包括汽車制動(dòng)踏板力感不足、踏板行程過(guò)長(zhǎng)、剎車靈敏度不夠以及剎車太硬或者太軟,由此對(duì)汽車駕駛的安全性與舒適性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因而汽車生產(chǎn)線、檢測(cè)站以及維修廠都會(huì)對(duì)汽車制動(dòng)踏板行程及踏板力進(jìn)行評(píng)估,以改善汽車制動(dòng)性能。

1 汽車制動(dòng)踏板行程及其影響因素

1.1 汽車制動(dòng)踏板行程

總的來(lái)說(shuō),汽車制動(dòng)系統(tǒng)主要有兩種,一是液壓制動(dòng),二是氣壓制動(dòng)。液壓制動(dòng)系統(tǒng)一般用于轎車和小型貨車,而氣壓制動(dòng)系統(tǒng)主要在中、大型的客車與貨車中使用[1]。所謂的汽車踏板自由行程,主要是指當(dāng)汽車踏板發(fā)生向下移動(dòng)后,此時(shí)總泵活塞還沒(méi)開(kāi)始下一步的動(dòng)作之前,這時(shí)的踏板下移距離就是踏板行程。假如踏板的自由行程比較大,極有可能無(wú)法充分發(fā)揮汽車制動(dòng)功能。而假如踏板行程太短,則可能導(dǎo)致活塞皮碗堵塞旁通孔的情況。我國(guó)汽車行業(yè)對(duì)汽車踏板的性能要求都有明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,即在縱向力的作用之下,汽車踏板表面不能出現(xiàn)超過(guò)5毫米的永久變形量,并且不能出現(xiàn)裂紋以及發(fā)生損壞等明顯缺陷。其試驗(yàn)方法為根據(jù)車輛的具體情況,對(duì)踏板機(jī)構(gòu)總成進(jìn)行固定,然后連接負(fù)載機(jī)構(gòu)和踏板機(jī)構(gòu),同時(shí)將踏板臂固定于工作行程的中間區(qū)域。再施加和踏板表面垂直的縱向力在踏板的中心位置,并維持5秒鐘的時(shí)間,最后對(duì)加載點(diǎn)的縱向位移量進(jìn)行測(cè)量[2]。只有當(dāng)汽車踏板行程處于合適的距離內(nèi),才能更好地發(fā)揮汽車的制動(dòng)作用,提高汽車的安全性能和舒適度。圖1是汽車制動(dòng)踏板的實(shí)物圖。

圖1 汽車制動(dòng)踏板

1.2 汽車制動(dòng)踏板行程的影響因素

一般來(lái)說(shuō),汽車制動(dòng)踏板行程可以劃分為兩個(gè)階段,一個(gè)是踏板空行程階段,另一個(gè)是工作行程階段[3]。踏板空行程指的是在踏板被踩下的過(guò)程中,汽車還未受到制動(dòng)力影響時(shí)踏板所發(fā)生的位移。也就是對(duì)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)間隙進(jìn)行消除所需要消耗的距離,這一行程主要和三個(gè)方面的因素有關(guān),其一消除制動(dòng)器運(yùn)行間隙;其二踏板結(jié)構(gòu)和真空助力器桿叉的裝配間隙;其三,制動(dòng)總泵空行程及空隙。而踏板工作行程主要指的汽車剛開(kāi)始出現(xiàn)減速狀態(tài)到汽車獲得最大制動(dòng)時(shí)踏板發(fā)生的位移,這一階段液壓管路系統(tǒng)正在進(jìn)行封閉建壓,此時(shí)增加踏板力,踏板位移增大,管路壓力提高,所以主缸活塞位移的大小會(huì)影響踏板行程,而管路壓力也不一樣,液壓管路系統(tǒng)所消耗的液量不同,主缸活塞的位移液不一樣。因此,歸納起來(lái),對(duì)踏板行程具有影響的因素:第一,對(duì)制動(dòng)間隙進(jìn)行消除消耗的液量。這不但受制動(dòng)器運(yùn)行間隙的影響,同時(shí)還與制動(dòng)缸輪的直徑大小存在一定的關(guān)系。第二,制動(dòng)鉗的耗液量。制動(dòng)室的壓力不同,制動(dòng)鉗對(duì)制動(dòng)液的消耗量也不同,其影響因素包括活塞的回位量、輪缸的直徑以及鉗體缸度。制動(dòng)鉗的耗液量可以使用相關(guān)的檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè),其檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確和符合實(shí)際情況。第三,摩擦片的壓縮量。其不但受到摩擦片的厚度、摩擦材料所具有的壓縮性質(zhì)的影響,而且受力面積和溫度都會(huì)影響到摩擦片的壓縮量。第四,制動(dòng)軟管與硬管的膨脹量。第五,主缸的液量損失。這主要指的是主缸開(kāi)始建壓時(shí),在壓力逐漸上升的過(guò)程中,第一、二腔活塞在前進(jìn)過(guò)程中對(duì)排量的消耗。同時(shí),這還受到缸徑大小以及缸體內(nèi)部皮碗變形的影響。第六,制動(dòng)液的壓縮量。通常情況下,制動(dòng)液屬于不被壓縮的剛性液體,然而空氣中的水分與細(xì)小的氣泡會(huì)被其吸收,因此儲(chǔ)藏制動(dòng)液的罐子蓋口盡可能保持封閉狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō),滯留在管路中的空氣不能超過(guò)3%,在制動(dòng)過(guò)程中會(huì)將空氣全部壓扁[4]。

2 檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)原理

按照有關(guān)的設(shè)計(jì)要求,對(duì)汽車制動(dòng)踏板行程及踏板力進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)需要進(jìn)行測(cè)力計(jì)以及行程測(cè)量?jī)x的設(shè)置。同時(shí)還要依據(jù)具體的使用工況,進(jìn)行固定裝置的設(shè)置安裝工作,也就是限位叉和定位板的安裝,并進(jìn)行施力手柄等傳遞機(jī)構(gòu)的設(shè)置,以實(shí)現(xiàn)力與位移的傳遞。按照使用的相關(guān)要求,踏板使用的是機(jī)械手動(dòng)的方式,從而使使用效果更加安全可靠和快速。同時(shí),顯示器、比較儀以及力傳感器等共同組成了測(cè)力部分,而游標(biāo)尺、位移傳感器以及顯示器等共同組成了行程測(cè)量部分[5]。檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 檢查儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1-彈性元件;2-定位板;3-限位元;4-力傳感器;5-比較儀; 6-顯示器;7-拉線;8-手柄;9-位移傳感器;10-游標(biāo)尺;11-刻尺盤(pán)

通過(guò)使用力傳感器來(lái)比較位移量,同時(shí)將其進(jìn)行轉(zhuǎn)換,并經(jīng)過(guò)顯示器將力顯示出來(lái),以此完成力的檢測(cè)。而進(jìn)行行程的檢測(cè)時(shí)不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換,踏板的擺動(dòng)弧線可通過(guò)設(shè)備直接顯示成直線形式的弦長(zhǎng),也就是踏板的行程能夠直接得以顯示出來(lái)。所以,設(shè)備在進(jìn)行使用之前或者已經(jīng)使用了一定的時(shí)間之后,應(yīng)當(dāng)通過(guò)標(biāo)定臺(tái)進(jìn)行再一次的標(biāo)定,以此檢驗(yàn)其是不是發(fā)生了改變。

標(biāo)定臺(tái)的主要作用在于對(duì)檢查儀的行程與力進(jìn)行標(biāo)定,而為了使標(biāo)定的精度更加準(zhǔn)確,這就要求標(biāo)定臺(tái)的結(jié)構(gòu)可以對(duì)制動(dòng)踏板的具體工作情況實(shí)現(xiàn)真實(shí)的模擬。鑒于車型各式各樣,因而制動(dòng)踏板的空間結(jié)構(gòu)也存在一定的差異性,若使用在不同的車型上,就需要適當(dāng)?shù)恼{(diào)整這部分。此外,還設(shè)置了多種部件在標(biāo)定臺(tái)上,如牽引系統(tǒng)、行程測(cè)量器以及測(cè)力計(jì)等。

3 汽車踏板系統(tǒng)模擬

3.1 系統(tǒng)概述

對(duì)于一個(gè)完整的汽車踏板系統(tǒng)來(lái)說(shuō),其組成部分包括踏板臂、套筒、支撐支架以及尼龍襯套等。通過(guò)實(shí)際的研究表明,采用不一樣的子系統(tǒng)模擬方法,汽車踏板強(qiáng)度的最終分析結(jié)果存在一定的差異性。研究案例中的汽車踏板是可變杠桿比,具有一定的復(fù)雜性,通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)汽車踏板強(qiáng)度的模擬方法進(jìn)行探討。

3.2 工況模擬評(píng)估

我們通過(guò)踏板液壓系統(tǒng)以及踏板杠桿比原理能夠知道,當(dāng)汽車駕駛員在對(duì)汽車踏板系統(tǒng)進(jìn)行操縱的過(guò)程中,在踏板表面上施加的垂直力量會(huì)被放大,進(jìn)而傳遞到助力裝置上,成為助力裝置上的驅(qū)動(dòng)力,之后在液壓系統(tǒng)的作用下,能夠得出執(zhí)行裝置上的荷載,最后得出液壓系統(tǒng)的管道壓力。無(wú)論是車輛的制動(dòng)距離,還是離合系統(tǒng)的行程大小,都會(huì)直接受到該管道壓力的影響。

一般來(lái)說(shuō),在對(duì)汽車踏板進(jìn)行操縱時(shí),支撐支架會(huì)有比較細(xì)微的變形發(fā)生。假如踏板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在不合理的情況,在對(duì)工況進(jìn)行縱向加載時(shí),極有可能使得套筒與銷軸等發(fā)生嚴(yán)重屈服情況,進(jìn)而使得支撐踏板臂端出現(xiàn)很大的變形狀況,從而導(dǎo)致踏板臂加載點(diǎn)位移比較大。

使用燒焊的方式來(lái)連接踏板臂和套筒以及助力裝置和套筒。站在受力的層面分析,套筒所受到的力包括扭轉(zhuǎn)組合與彎曲的共同荷載作用,所以在進(jìn)行踏板模型的構(gòu)建過(guò)程中,無(wú)論是套筒及銷軸發(fā)生的屈服程度,還是扭轉(zhuǎn)變形大小都與燒焊區(qū)域的大小有著直接的關(guān)系。假如套筒及銷軸出現(xiàn)比較嚴(yán)重的屈服,也一樣會(huì)導(dǎo)致踏板加載點(diǎn)的位移比較大。

為了防止金屬結(jié)構(gòu)件的彼此觸碰而導(dǎo)致磨損情況的出現(xiàn),并盡可能降低噪音,同時(shí)使接觸摩擦力增大及裝配方便,因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),要使銷軸和套筒之間留有空隙,以此作為尼龍襯套的布置點(diǎn),踏板臂圍繞銷軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí),此時(shí)會(huì)有扭轉(zhuǎn)荷載施加在尼龍襯套上,進(jìn)而使得開(kāi)口位置出現(xiàn)變形。

3.3 不同的汽車踏板模擬方案分析

在模擬汽車踏板強(qiáng)度時(shí)采用相關(guān)的軟件進(jìn)行,使用殼單元對(duì)踏板支架進(jìn)行模擬,使用rod單元來(lái)模擬焊點(diǎn),使用實(shí)體單元來(lái)模擬踏板臂,在進(jìn)行模擬的過(guò)程中需要對(duì)材料的非線性進(jìn)行考慮。采用不一樣的建模方法,再通過(guò)比較仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果,選擇具有較高的分析精度且合適的模擬方法。對(duì)于模型的細(xì)節(jié),需要對(duì)套筒與銷軸模擬方法進(jìn)行考慮,還要對(duì)焊接區(qū)域與踏板臂的模擬方法進(jìn)行考慮。

4 踏板力的評(píng)定

在評(píng)定過(guò)程中,不但需要對(duì)原始狀態(tài)的檢查儀進(jìn)行標(biāo)定,而且在檢查儀使用了一定的時(shí)間后應(yīng)當(dāng)重新進(jìn)行標(biāo)定,這是因?yàn)樵谑褂眠^(guò)程中,一些跌打、碰撞等方面的因素會(huì)在很大程度上導(dǎo)致檢查儀出現(xiàn)變形或者造成各部件的位置發(fā)生改變,這就需要對(duì)其精度進(jìn)行相應(yīng)的校核。關(guān)于檢查儀上對(duì)力進(jìn)行標(biāo)定的方法,可按照以下步驟進(jìn)行:第一,在標(biāo)定臺(tái)上進(jìn)行踏板總成的安裝。此時(shí)需要對(duì)總成空間形狀進(jìn)行關(guān)注,看是否符合所要檢測(cè)的車型。第二,在踏板上放置需要進(jìn)行標(biāo)定的檢查儀。第三,在支架上放置測(cè)力計(jì),同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,使其處于合適的位置,也就是要將測(cè)力計(jì)的中間位置和撐桿相對(duì),然后進(jìn)行固定。第四,將踏板推動(dòng)桿的調(diào)節(jié)螺釘擰下來(lái),并在檢查儀的手柄上掛上牽引系統(tǒng)拉線。第五,360°旋轉(zhuǎn)另一個(gè)測(cè)力計(jì)的顯示盤(pán),并重新回到0刻度。第六,對(duì)牽引系統(tǒng)進(jìn)行使用,施加300N的荷載,同時(shí)對(duì)另一個(gè)測(cè)力計(jì)的刻度標(biāo)記進(jìn)行調(diào)整,使其為300N。第七,完成卸載,將檢查儀取出,并將測(cè)力計(jì)拆下。

5 檢測(cè)制動(dòng)踏板行程及踏板力

在檢測(cè)汽車制動(dòng)踏板行程及踏板力時(shí),施加一定的力在檢查儀手柄上,如果測(cè)力計(jì)上的讀數(shù)顯示為300N時(shí),對(duì)行程計(jì)上游標(biāo)的刻度進(jìn)行檢查,其數(shù)值應(yīng)當(dāng)不超過(guò)55毫米。由于存在不一樣的車型,因而其數(shù)值也存在一定的差異。檢測(cè)時(shí)可按以下步驟進(jìn)行:第一,在制動(dòng)踏板上將檢查儀進(jìn)行固定。第二,在方向盤(pán)的保護(hù)套上掛上行程計(jì)的拉線,然后對(duì)制動(dòng)踏板進(jìn)行推壓,推壓次數(shù)為3次。第三,讓行程計(jì)上游標(biāo)尺的移動(dòng)指針能夠接觸到固定指針,并施加一定的力在檢查儀的手柄端部,施加的力的大小以顯示盤(pán)上的刻度讀數(shù)顯示為300N為準(zhǔn),然后逐漸放開(kāi)檢查儀手柄。第四,對(duì)行程計(jì)上游標(biāo)尺顯示的數(shù)值進(jìn)行記錄。第五,將方向盤(pán)保護(hù)套上的拉線取下來(lái),并將其掛在檢查儀手柄的頂端。最后將檢查儀卸下。

6 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段,我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展取得了巨大成就,汽車幾乎成為了人們出行的必備交通工具,隨著人們汽車使用頻率的增加,越來(lái)越追求汽車操作的舒適度和安全性。與此同時(shí),人們也越來(lái)越注重汽車制動(dòng)踏板行程計(jì)踏板力的研究。由于汽車制動(dòng)踏板設(shè)計(jì)的科學(xué)合理與否,直接關(guān)系著汽車的制動(dòng)性能,進(jìn)而對(duì)汽車的安全性能產(chǎn)生一定的影響,同時(shí)對(duì)汽車操作的舒適度也有著重要的影響。因此,對(duì)汽車制動(dòng)踏板行程及踏板力的評(píng)估進(jìn)行科學(xué)的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義,這對(duì)汽車行業(yè)的發(fā)展也具有非常重要的積極意義。