摘要：為方便傳統(tǒng)汽車(chē)制動(dòng)踏板的機(jī)械自動(dòng)化，根據(jù)汽車(chē)制動(dòng)踏板結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)一種帶有圓弧形截面的自動(dòng)制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)。運(yùn)用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，建立自動(dòng)制動(dòng)踏板運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，提出一種根據(jù)踏板結(jié)構(gòu)幾何約束確定最優(yōu)圓弧形截面尺寸的方法。以某電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)踏板為例，計(jì)算獲得該踏板最優(yōu)圓弧形截面的設(shè)計(jì)尺寸，并與CATIADMU模型和臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證所建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的正確性。通過(guò)開(kāi)展實(shí)車(chē)制動(dòng)試驗(yàn)，說(shuō)明所設(shè)計(jì)自動(dòng)制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)的可行性。結(jié)果表明，建立的自動(dòng)制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與CATIADMU模型的計(jì)算結(jié)果完全一致，與臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)亦十分接近;在最優(yōu)圓弧形截面的制動(dòng)仿真中，運(yùn)動(dòng)銷(xiāo)與圓弧形截面的切點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)銷(xiāo)頂點(diǎn)的橫向偏差不超過(guò)0.54mm，該機(jī)構(gòu)能平穩(wěn)連續(xù)的傳遞制動(dòng)推力;實(shí)車(chē)制動(dòng)試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)自動(dòng)制動(dòng)踏板能有效實(shí)現(xiàn)慢速、快速和人-機(jī)分離等自動(dòng)駕駛車(chē)輛的制動(dòng)過(guò)程。

　　關(guān)鍵詞：制動(dòng)踏板;機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì);運(yùn)動(dòng)幾何;自動(dòng)駕駛

　　0前言

　　自動(dòng)駕駛技術(shù)是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的重要方向，底盤(pán)自動(dòng)化是其中的重要研究?jī)?nèi)容。自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)作為自動(dòng)化底盤(pán)的主要組成之一，對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)行車(chē)安全及車(chē)速控制起到關(guān)鍵作用。目前，在制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)化應(yīng)用方面，主要以線控制動(dòng)替換傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的方式開(kāi)展。線控制動(dòng)系統(tǒng)利用電子元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)制動(dòng)的多數(shù)機(jī)械部件，通過(guò)電信號(hào)傳遞指令，再利用閥類(lèi)元件實(shí)現(xiàn)汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程[1-3]。

　　相比傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)，線控制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，能有效縮短制動(dòng)時(shí)間，可較好契合自動(dòng)駕駛汽車(chē)需求。在線控制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，博世、采埃孚、大陸、麥格納等汽車(chē)零部件廠商開(kāi)發(fā)了如iBooster、ESC、ESP等相關(guān)線控制動(dòng)產(chǎn)品[4-6]。但是，這些產(chǎn)品需要結(jié)合不同型號(hào)汽車(chē)進(jìn)行整車(chē)匹配設(shè)計(jì)和調(diào)試，開(kāi)發(fā)成本高、技術(shù)難度大，系統(tǒng)復(fù)雜度高。因此，如何結(jié)合現(xiàn)有傳統(tǒng)車(chē)輛方便快捷的開(kāi)發(fā)低成本、低復(fù)雜度、易改裝的自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)是值得研究的問(wèn)題。

　　從制動(dòng)踏板自動(dòng)化角度出發(fā)，文獻(xiàn)[7-8]設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)拉線控制踏板移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，拉線由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用限位開(kāi)關(guān)控制踏板行程。文獻(xiàn)[9]給出一種利用步進(jìn)電機(jī)直接控制踏板開(kāi)度的制動(dòng)踏板總成。文獻(xiàn)[10]給出一種橫置電動(dòng)缸制動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)固結(jié)于制動(dòng)踏板上的電推桿推動(dòng)制動(dòng)踏板工作。以上機(jī)構(gòu)方案中，拉線式機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所需安裝空間大;步進(jìn)電機(jī)直連式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于無(wú)減速機(jī)構(gòu)，對(duì)電動(dòng)機(jī)功率要求高;電動(dòng)缸推動(dòng)式與制動(dòng)踏板穿孔連接，由于踏板作圓周運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)缸作直線運(yùn)動(dòng)，連接處存在滑動(dòng)和沖擊，不利于制動(dòng)的連續(xù)性。

　　此外，以上機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案均未考慮人-機(jī)分離制動(dòng)問(wèn)題，即在緊急情況下，以上機(jī)構(gòu)駕駛員均無(wú)法介入操作。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種帶有圓弧形截面的自動(dòng)制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)，運(yùn)用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，建立自動(dòng)制動(dòng)踏板運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。以某觀光電動(dòng)車(chē)制動(dòng)踏板結(jié)構(gòu)形式為例，根據(jù)踏板結(jié)構(gòu)幾何約束，通過(guò)多次計(jì)算獲得圓弧形截面的最優(yōu)設(shè)計(jì)尺寸。在此基礎(chǔ)上，與CATIADMU模型和臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證制動(dòng)踏板運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的正確性。最后，通過(guò)開(kāi)展實(shí)車(chē)制動(dòng)試驗(yàn)，說(shuō)明所設(shè)計(jì)自動(dòng)制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)的可行性。

　　1自動(dòng)制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

　　多數(shù)傳統(tǒng)制動(dòng)踏板結(jié)構(gòu)形式類(lèi)似[11]。通過(guò)駕駛員腳踩踏板作用面，踏板后端的銷(xiāo)孔繞支點(diǎn)軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)踏板尾部制動(dòng)主缸工作，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛制動(dòng)。對(duì)于這一類(lèi)型的制動(dòng)踏板，為實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化，考慮人工制動(dòng)與自動(dòng)制動(dòng)可能同時(shí)操作，同時(shí)考慮制動(dòng)踏板附近狹小空間、作動(dòng)位移盡可能小等實(shí)際因素，方案設(shè)計(jì)時(shí)在后端部銷(xiāo)孔與支點(diǎn)軸孔間布置一推桿電動(dòng)機(jī)，向上推動(dòng)制動(dòng)踏板繞支點(diǎn)軸孔轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在小位移輸入情況下踏板后臂的自動(dòng)上升。

　　但電動(dòng)機(jī)推桿與踏板的接觸區(qū)域?yàn)橐黄矫妫�制�?dòng)過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)推桿與踏板連續(xù)運(yùn)動(dòng)，二者間的相對(duì)滑動(dòng)和推力中斷較難避免。為此，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中在該位置截取一半徑和圓心未知的圓弧，同時(shí)在電動(dòng)機(jī)推桿上方安裝一圓形斷面的運(yùn)動(dòng)銷(xiāo)，利用兩圓的剛性接觸實(shí)現(xiàn)踏板轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程，由此可防止因接觸力方向劇烈變化而導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)銷(xiāo)與踏板后臂下平面的相對(duì)滑動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)推桿電動(dòng)機(jī)推力連續(xù)作動(dòng)。

　　2自動(dòng)制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型及優(yōu)化

　　為說(shuō)明自動(dòng)制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，選取某電動(dòng)觀光車(chē)制動(dòng)踏板為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)測(cè)其幾何尺寸，利用本文方法求解最優(yōu)的圓弧形截面半徑和圓心坐標(biāo)。為驗(yàn)證本文所建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型的正確性，與CATIADMU模型和踏板運(yùn)動(dòng)學(xué)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。最后，通過(guò)實(shí)車(chē)制動(dòng)試驗(yàn)，說(shuō)明所設(shè)計(jì)自動(dòng)制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)的可行性。

　　3自動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)車(chē)制動(dòng)試驗(yàn)

　　為進(jìn)一步驗(yàn)證自動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)際制動(dòng)效果，在某型電動(dòng)觀光車(chē)上安裝本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)，開(kāi)展了相關(guān)的車(chē)輛制動(dòng)試驗(yàn)。其中，在原電動(dòng)觀光車(chē)上，將本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)2替換原制動(dòng)踏板，然后利用INV測(cè)試儀3測(cè)量電動(dòng)機(jī)推桿的上升高度，利用VBOX汽車(chē)動(dòng)力學(xué)測(cè)試儀3、5測(cè)量制動(dòng)減速度和車(chē)速，在長(zhǎng)約500m的直道4上開(kāi)展制動(dòng)試驗(yàn)。總體來(lái)說(shuō)，三種制動(dòng)工況下，電動(dòng)推桿上升高度均隨時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定增大，制動(dòng)減速度持續(xù)增大，車(chē)速基本呈線性下降，說(shuō)明自動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程是平穩(wěn)可靠的。通過(guò)控制電動(dòng)推桿行程，在自動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)上可實(shí)現(xiàn)緩速制動(dòng)、快速制動(dòng)和人-機(jī)分離制動(dòng)等多種功能。

　　緩速制動(dòng)過(guò)程中踏板從初始位置到最大行程(約12mm)約為1.6s，快速制動(dòng)的起作用時(shí)間則可達(dá)0.5s，最大制動(dòng)減速度均約為0.25g。此外，利用本文所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，駕駛員可隨時(shí)介入作用制動(dòng)踏板，在車(chē)輛自動(dòng)駕駛狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)人機(jī)共駕。

　　工科論文投稿刊物：《浙江大學(xué)學(xué)報(bào)工學(xué)版》Journal of Zhejiang University(Engineering Science)(月刊)曾用刊名：浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1956年創(chuàng)刊，四校全并后，為了突出浙江大學(xué)的工科優(yōu)勢(shì)，改為浙江學(xué)報(bào)工學(xué)版，稿源主要來(lái)之于本校教師、學(xué)生、研究所的科研工作者。

　　4結(jié)論

　　(1)本文建立的自動(dòng)制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與CATIADMU模型計(jì)算結(jié)果完全一致，與臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)亦十分接近，說(shuō)明了所建立的踏板運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的正確性。(2)利用本文的機(jī)構(gòu)優(yōu)化方法獲得了圓弧形截面的最優(yōu)初始參數(shù)，在該參數(shù)下，運(yùn)動(dòng)銷(xiāo)與圓弧形截面的切點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)銷(xiāo)頂點(diǎn)的最大橫向偏差僅0.538mm，運(yùn)動(dòng)約束和受力分析表明，優(yōu)化的制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)能提供平穩(wěn)連續(xù)的制動(dòng)推力。(3)實(shí)車(chē)制動(dòng)試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)自動(dòng)制動(dòng)踏板能有效實(shí)現(xiàn)慢速、快速和人-機(jī)分離等自動(dòng)駕駛車(chē)輛的制動(dòng)需求。

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　　作者：田國(guó)英陳昭翔孫樹(shù)磊鄧鵬毅彭憶強(qiáng)