朱鵬程、趙衛(wèi)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(chuàng)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(xiàn)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(qū)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(tǒng)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），F(xiàn)Q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(shù)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(qū)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(qū)域至H、O點區(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(shù)；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(xiàn)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(shù)Wt，從而降低切應力。橫截面上的切應力沿半徑按線性規(guī)律分布，圓心附近的應力很小，材料沒有充分發(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，F(xiàn)f= 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，F(xiàn)Q1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(qū)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(qū)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(qū)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]。