淺談制動踏板機構設計

朱鵬程、趙衛晨、韋振舉、覃春好

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

0 引言

制動踏板在設計過程中,經常出現輸入條件的變更。了解制動踏板的受力情況，可以對輸入條件變更帶來的影響進行初步評估，使踏板的結構設計更有方向性。除此之外，還可以對最大應力、變形區域進行預判，并與CAE分析結果相比對，判斷其分析結果是否具有合理性。

1 踏板機構

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

1.1 踏板桿

踏板桿常見結構有非斷開式踏板桿與斷開式踏板桿（圖2）。其中，斷開式踏板的結構主要是為了避讓轉向系統的中間軸和傳動軸等零件；而非斷開式踏板桿相對斷開式踏板結構更簡單，質量更輕。

1.2 踏板支架

踏板支架根據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，質量小，但成本高。

圖1 制動踏板結構

圖2 非斷開式踏板桿（左）和斷開式踏板桿（右）

圖3 塑料支架（左）和金屬支架（右）

2 踏板桿受力情況

2.1 非斷開式踏板桿

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

圖4 非斷開式踏板受力情況

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，則抗彎截面系數為如下。

踏板桿截面最大正應力如下。

由公式(1)～公式(3)可知，在Q點附近踏板桿彎矩最大。彈性變形最大的區域一般在踏板面。為了避免Q點附近應力變形過大而導致踏板面彈性變形過大，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力，其中，增加寬度效果會更明顯些。踏板桿寬度從Q點區域至H、O點區域逐漸減小，不僅提高了材料利用率還減少了踏板桿質量。

2.2 斷開式踏板桿

如圖6所示，斷開式踏板桿由輸入桿、轉軸、輸出桿組成，踏板力通過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，還要考慮轉軸的扭矩。

斷開式踏板轉軸扭矩如下。

轉軸圓截面的切應力如下。

轉軸扭轉角如下。

式中，D為圓管的外圓直徑；d為圓管的內圓直徑；Wt為抗扭截面系數；Lg為兩踏板桿之間的圓管長度；G為切變模量，可以通過彈性模量與泊松比求出；Ip為對于圓心的極慣性距，對于空心圓鋼，Ip計算如下。

由公式(1)～公式(3)可知，輸入桿、輸出桿最大彎矩會出現在轉軸附近。因此踏板桿的寬度由O點到H點、Q點逐漸減小，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（滿足助力器主缸行程下），可以有效地降低扭矩T。也可以通過增大內徑、外徑有效地提高抗扭截面系數Wt，從而降低切應力。橫截面上的切應力沿半徑按線性規律分布，圓心附近的應力很小，材料沒有充分發揮作用。彈性變形最大的區域一般在踏板面。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，還可以通過增加極慣性距Ip或者減小桿間距Lg，達到減少變形、質量的目的。

圖6 斷開式踏板桿

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，要想滿足平衡，踏板支架對踏板桿的作用力FO必須位于FQ左側。踏板桿對踏板支架的合力為Ff，是FO的反作用力。Ff到O1轉軸的軸向距離為k，到O2的距離為e。轉軸對踏板O1處的拉力為FO1，O2處的拉力為FO2。根據受力平衡有，Ff= FO1+ FO1。

因為k＜e，所以FO1＞ FO2，左側的踏板支架相對右側的支架受力情況更較惡劣。在材料不變的情況下，可通過增加加強筋、板厚等方式提高左側支架的強度與剛度。而右側的支架在滿足強度剛度的情況，著重考慮輕量化結構。

如圖9所示，FQ1為踏板桿對真空助力器的力，是FQ的反作用力。真空助力器通過螺母與B1、B2、C1和C2四個安裝點連接。很顯然，A1點和A2點受到的是拉力，并且A1點受到的拉力比A2點更大。解決這兩個點附近區域應力大的方法主要有2種：一是減小兩點受到的拉力，如增加u的值；二是加強兩點附近區域的剛度，如采用板厚更大的支架與兩點相接，再通過焊接將該支架與其他支架相連接。因為受到的是拉力，通過增加接觸面積方式是無法有效地改善該區域的應力情況。

圖8 踏板支架受力情況

圖9 踏板支架

4 結束語

制動踏板受力情況會隨著結構的不同而有所差異，但是分析方法一樣的。了解制動踏板的受力情況，使結構設計更有方向性與目的性[2]。