乘用車制動(dòng)踏板基于直線作動(dòng)器的耐久性能試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)研究

王龍　張喆　王斌　張超　馬永偉

摘 要：基于QC/T 788-2018中的對(duì)于踏板耐久性的試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)臺(tái)架，結(jié)構(gòu)簡單，使用直線作動(dòng)器即可滿足試驗(yàn)要求。通過更換踏板安裝座、調(diào)整壓簧的壓縮量、調(diào)整主動(dòng)桿的位置可以滿足不同型號(hào)踏板的加載力和加載頻率試驗(yàn)要求，具有良好的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)踏板;直線作動(dòng)器;耐久性

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)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(fèi)者的重視。制動(dòng)踏板是用戶對(duì)車輛操控性主觀評(píng)價(jià)的媒介之一（制動(dòng)原理如圖1所示）。一個(gè)理想狀態(tài)的制動(dòng)踏板，其行程與用戶腳踩力呈近似線性關(guān)系，用戶可以通過施加不同的力來控制不同程度的制動(dòng)效果，從制動(dòng)踏板初始位置運(yùn)動(dòng)至極限位置，隨著用戶的腳踩力的逐漸遞增，制動(dòng)踏板傳遞給助力泵的輸出力也逐漸遞增，制動(dòng)效果亦隨之增強(qiáng)。

由于踏板面中心運(yùn)動(dòng)軌跡為圓周運(yùn)動(dòng)，其任意兩時(shí)刻的踏板面中心法線不重合，所以以直接作動(dòng)器直接加載于踏板面的試驗(yàn)形式無法保證加載力時(shí)刻垂直于踏板面。試驗(yàn)過程中，由于踏板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無法很好滿足試驗(yàn)條件，其試驗(yàn)結(jié)果往往會(huì)有不確定性和諸多爭議。針對(duì)上述問題，踏板生產(chǎn)廠家及檢測機(jī)構(gòu)迫切需求一種新型制動(dòng)踏板疲勞耐久試驗(yàn)裝置。

1 制動(dòng)踏板耐久性試驗(yàn)要求

制動(dòng)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(shù)：50萬次。

以某型踏板為例，其設(shè)計(jì)行程為120mm，依據(jù)試驗(yàn)要求，在耐久試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)過程中，踏板由初始位置運(yùn)動(dòng)100mm，同時(shí)在100mm處的加載力達(dá)到700N，往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次為一個(gè)循環(huán)，一個(gè)循環(huán)時(shí)間為1.4s，即1.4s往復(fù)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(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡為圓周運(yùn)動(dòng)，任意兩個(gè)時(shí)刻，踏板面的垂直方向都存在夾角a，因此以直線作動(dòng)器直接加載于踏板表面的形式無法保證在運(yùn)動(dòng)過程中，加載力與踏板平面時(shí)刻垂直;

（2）在運(yùn)動(dòng)至100mm處時(shí)加載力恰好達(dá)到700N，實(shí)際工況條件下，由于有助力泵的存在，因此可以實(shí)現(xiàn)位移與力的同步。而試驗(yàn)臺(tái)架中，控制系統(tǒng)的閉環(huán)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(tǒng)一。因此位移與力值兩個(gè)條件中一個(gè)通過直線作動(dòng)器的主動(dòng)閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)，一個(gè)通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的被動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)。

2 制動(dòng)踏板耐久試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的裝置的原理如圖3所示。O處（踏板轉(zhuǎn)動(dòng)的圓心）為轉(zhuǎn)動(dòng)副，A處為直角剛性固定，B處為移動(dòng)副，可沿BE方向直線運(yùn)動(dòng)，C處為轉(zhuǎn)動(dòng)副，D處為轉(zhuǎn)動(dòng)副，CD為移動(dòng)副（模擬直線電缸的往復(fù)伸縮運(yùn)動(dòng)），E處為轉(zhuǎn)動(dòng)副，同時(shí)E可在導(dǎo)向槽內(nèi)做以O(shè)點(diǎn)為圓心的圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng)CD做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)BE桿擺動(dòng)與OA桿擺動(dòng)，由于E點(diǎn)可沿導(dǎo)向槽運(yùn)動(dòng)，B處為移動(dòng)副，所以BE與OA運(yùn)動(dòng)中始終平行，同時(shí)由于B與E可自由移動(dòng)，所以整個(gè)框架結(jié)構(gòu)會(huì)自動(dòng)調(diào)整位置，使得AB桿只受到AB方向的力。

試驗(yàn)裝置包括三部分組成，制動(dòng)踏板部分，擺臂部分，直線作動(dòng)器部分。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

制動(dòng)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(tái)架16固定，兩套直線滑塊導(dǎo)軌20通過螺栓固定于踏板安裝臺(tái)架16背部的左右兩側(cè)，角度調(diào)節(jié)件21通過螺栓固定于直線滑塊導(dǎo)軌20中的滑塊上，兩個(gè)滾動(dòng)軸承23外圈通過過盈配合安裝于角度調(diào)節(jié)件21，直線軸承安裝座24通過過盈配合安裝于滾動(dòng)軸承23內(nèi)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(fù)載力調(diào)節(jié)件18，負(fù)載力調(diào)節(jié)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(dòng)軸承6的外圈通過間隙配合安裝于擺臂安裝臺(tái)架7，軸承端蓋8通過螺栓固定于擺臂安裝臺(tái)架7，擺臂5通過過盈配合安裝于滾動(dòng)軸承6的內(nèi)圈，直線滑塊導(dǎo)軌10通過螺栓固定于擺臂5的一側(cè)，主動(dòng)桿與擺臂連接件9通過螺栓固定于擺臂5的另一側(cè)，固定桿11一端通過螺栓固定于直線滑塊導(dǎo)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(diào)整夾具位置使固定桿11垂直于踏板面。

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

通過調(diào)整壓簧19和負(fù)載力調(diào)節(jié)件18可以調(diào)節(jié)踏板運(yùn)動(dòng)至要求位置時(shí)加載力的大小。通過調(diào)節(jié)主動(dòng)桿與擺臂連接件9沿?cái)[臂5的位置，可以實(shí)現(xiàn)以電動(dòng)缸小行程的直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)踏板的大行程的圓周運(yùn)動(dòng)。

負(fù)載力調(diào)節(jié)件18調(diào)節(jié)至最大位置，壓簧19處于完全松弛狀態(tài)，電動(dòng)缸伸出一定位移量（例如30mm），調(diào)整主動(dòng)桿與擺臂連接件9沿?cái)[臂5方向的位置以及電動(dòng)缸安裝臺(tái)架1與擺臂安裝臺(tái)架7、擺臂安裝臺(tái)架7與踏板安裝臺(tái)架16的相互位置關(guān)系，使得踏板從初始狀態(tài)運(yùn)動(dòng)至要求位置（例如85%全行程），調(diào)整負(fù)載力調(diào)節(jié)件18使得壓簧19一端與，直線軸承安裝座24接觸，依據(jù)力傳感器反饋值接續(xù)調(diào)整調(diào)整負(fù)載力調(diào)節(jié)件18使壓簧19壓縮，直至力值達(dá)到要求值（例如500N），電動(dòng)缸3縮回，至此試驗(yàn)裝置調(diào)試設(shè)置完成?？梢蚤_始試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中可實(shí)時(shí)采集力、位移值。

3 結(jié)語

本文通過對(duì)制動(dòng)踏板耐久測試方法的研究，重新設(shè)計(jì)了一種試驗(yàn)臺(tái)架，使用直線作動(dòng)器就能夠同時(shí)滿足大行程、高速性、垂直加載的試驗(yàn)條件;通用性強(qiáng)，通過更換踏板安裝座可以完成多種型號(hào)踏板試驗(yàn)，調(diào)整壓簧的壓縮量滿足不同加載力的要求，調(diào)整主動(dòng)桿位置滿足不同加載頻率的要求;采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(shù)據(jù)通過踏板尺寸換算可以準(zhǔn)確反映踏板的行程;控制精準(zhǔn)，采用位移控制模式，通過壓簧的調(diào)整可以準(zhǔn)確滿足到達(dá)指定位置時(shí)加載力的要求。整套裝置試驗(yàn)效率高，試驗(yàn)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，可靈活應(yīng)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(xiàn)：

[1]QC/T 788-2018《汽車踏板裝置性能要求及臺(tái)架試驗(yàn)方法》.