乘用車制動踏板基于直線作動器的耐久性能試驗臺架的設計研究

王龍　張喆　王斌　張超　馬永偉

摘 要：基于QC/T 788-2018中的對于踏板耐久性的試驗要求，設計了一套試驗臺架，結構簡單，使用直線作動器即可滿足試驗要求。通過更換踏板安裝座、調整壓簧的壓縮量、調整主動桿的位置可以滿足不同型號踏板的加載力和加載頻率試驗要求，具有良好的適應性。

關鍵詞：制動踏板;直線作動器;耐久性

隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，汽車愈來愈成為生活中不可缺少的工具，汽車的舒適性、安全性、操控性也越來越受到消費者的重視。制動踏板是用戶對車輛操控性主觀評價的媒介之一（制動原理如圖1所示）。一個理想狀態的制動踏板，其行程與用戶腳踩力呈近似線性關系，用戶可以通過施加不同的力來控制不同程度的制動效果，從制動踏板初始位置運動至極限位置，隨著用戶的腳踩力的逐漸遞增，制動踏板傳遞給助力泵的輸出力也逐漸遞增，制動效果亦隨之增強。

由于踏板面中心運動軌跡為圓周運動，其任意兩時刻的踏板面中心法線不重合，所以以直接作動器直接加載于踏板面的試驗形式無法保證加載力時刻垂直于踏板面。試驗過程中，由于踏板運動狀態無法很好滿足試驗條件，其試驗結果往往會有不確定性和諸多爭議。針對上述問題，踏板生產廠家及檢測機構迫切需求一種新型制動踏板疲勞耐久試驗裝置。

1 制動踏板耐久性試驗要求

制動踏板耐久性要求一般如下：

（1）加載位置位置：過踏板平面幾何中心;

（2）加載方向：垂直于踏板平面;

（3）加載力：700N;

（4）加載頻率：0.7Hz～3Hz;

（5）加載行程：全行程的85%;

（6）加載次數：50萬次。

以某型踏板為例，其設計行程為120mm，依據試驗要求，在耐久試驗運動過程中，踏板由初始位置運動100mm，同時在100mm處的加載力達到700N，往復運動一次為一個循環，一個循環時間為1.4s，即1.4s往復行程200mm。

其中需要解決的問題如下：

（1）在100mm的加載過程中加載力的方向需要始終與踏板平面的垂直，如圖2所示踏板實際運動軌跡為圓周運動，任意兩個時刻，踏板面的垂直方向都存在夾角a，因此以直線作動器直接加載于踏板表面的形式無法保證在運動過程中，加載力與踏板平面時刻垂直;

（2）在運動至100mm處時加載力恰好達到700N，實際工況條件下，由于有助力泵的存在，因此可以實現位移與力的同步。而試驗臺架中，控制系統的閉環反饋只能在位移控制和力值控制兩中方式選其一，無法保證位移值與力值的統一。因此位移與力值兩個條件中一個通過直線作動器的主動閉環控制實現，一個通過機械結構的被動控制實現。

2 制動踏板耐久試驗裝置的設計

本文所設計的裝置的原理如圖3所示。O處（踏板轉動的圓心）為轉動副，A處為直角剛性固定，B處為移動副，可沿BE方向直線運動，C處為轉動副，D處為轉動副，CD為移動副（模擬直線電缸的往復伸縮運動），E處為轉動副，同時E可在導向槽內做以O點為圓心的圓周運動。當CD做往復運動時，帶動BE桿擺動與OA桿擺動，由于E點可沿導向槽運動，B處為移動副，所以BE與OA運動中始終平行，同時由于B與E可自由移動，所以整個框架結構會自動調整位置，使得AB桿只受到AB方向的力。

試驗裝置包括三部分組成，制動踏板部分，擺臂部分，直線作動器部分。具體結構如圖4所示。

制動踏板部分：踏板通過螺栓與踏板安裝座15固定，踏板安裝座15通過螺栓與踏板安裝臺架16固定，兩套直線滑塊導軌20通過螺栓固定于踏板安裝臺架16背部的左右兩側，角度調節件21通過螺栓固定于直線滑塊導軌20中的滑塊上，兩個滾動軸承23外圈通過過盈配合安裝于角度調節件21，直線軸承安裝座24通過過盈配合安裝于滾動軸承23內圈，直線軸承22通過螺栓固定于直線軸承安裝座24，壓簧19通過過盈配合安裝于負載力調節件18，負載力調節件18通過螺紋連接形式安裝于主缸模擬件17，主缸模擬件17一端通過銷軸與踏板連接，一端安裝于直線軸承22。

擺臂部分：滾動軸承6的外圈通過間隙配合安裝于擺臂安裝臺架7，軸承端蓋8通過螺栓固定于擺臂安裝臺架7，擺臂5通過過盈配合安裝于滾動軸承6的內圈，直線滑塊導軌10通過螺栓固定于擺臂5的一側，主動桿與擺臂連接件9通過螺栓固定于擺臂5的另一側，固定桿11一端通過螺栓固定于直線滑塊導軌10的滑塊上，另一端通過螺栓固定于力傳感器12，力傳感器12通過螺栓固定于踏板夾具13，踏板夾具13夾持踏板面，調整夾具位置使固定桿11垂直于踏板面。

直線作動器部分：電動缸3通過銷軸安裝于電動缸安裝連接件2，電動缸安裝連接件2通過螺栓固定于電動缸安裝臺架1，主動桿4一端通過螺紋方式安裝于電動缸3，另一端通過銷軸與主動桿與擺臂連接件9相連。

通過調整壓簧19和負載力調節件18可以調節踏板運動至要求位置時加載力的大小。通過調節主動桿與擺臂連接件9沿擺臂5的位置，可以實現以電動缸小行程的直線運動帶動踏板的大行程的圓周運動。

負載力調節件18調節至最大位置，壓簧19處于完全松弛狀態，電動缸伸出一定位移量（例如30mm），調整主動桿與擺臂連接件9沿擺臂5方向的位置以及電動缸安裝臺架1與擺臂安裝臺架7、擺臂安裝臺架7與踏板安裝臺架16的相互位置關系，使得踏板從初始狀態運動至要求位置（例如85%全行程），調整負載力調節件18使得壓簧19一端與，直線軸承安裝座24接觸，依據力傳感器反饋值接續調整調整負載力調節件18使壓簧19壓縮，直至力值達到要求值（例如500N），電動缸3縮回，至此試驗裝置調試設置完成?？梢蚤_始試驗。試驗過程中可實時采集力、位移值。

3 結語

本文通過對制動踏板耐久測試方法的研究，重新設計了一種試驗臺架，使用直線作動器就能夠同時滿足大行程、高速性、垂直加載的試驗條件;通用性強，通過更換踏板安裝座可以完成多種型號踏板試驗，調整壓簧的壓縮量滿足不同加載力的要求，調整主動桿位置滿足不同加載頻率的要求;采集數據準確，采集的力值始終為垂直于踏板的力值，角度位移傳感器的數據通過踏板尺寸換算可以準確反映踏板的行程;控制精準，采用位移控制模式，通過壓簧的調整可以準確滿足到達指定位置時加載力的要求。整套裝置試驗效率高，試驗成本低，結構簡單，制造成本低，可靈活應用于不同場合，極大的增加了測試工作的效率和便捷性。

參考文獻：

[1]QC/T 788-2018《汽車踏板裝置性能要求及臺架試驗方法》.