一种汽车自动制动踏板机构设计及试验

　　摘要：为方便传统汽车制动踏板的机械自动化，根据汽车制动踏板结构形式，设计一种带有圆弧形截面的自动制动踏板机构。运用机构运动学原理，建立自动制动踏板运动学模型，提出一种根据踏板结构几何约束确定最优圆弧形截面尺寸的方法。以某电动汽车制动踏板为例，计算获得该踏板最优圆弧形截面的设计尺寸，并与CATIADMU模型和台架试验数据进行对比，验证所建立运动学模型的正确性。通过开展实车制动试验，说明所设计自动制动踏板机构的可行性。结果表明，建立的自动制动踏板机构运动学模型与CATIADMU模型的计算结果完全一致，与台架试验数据亦十分接近;在最优圆弧形截面的制动仿真中，运动销与圆弧形截面的切点和运动销顶点的横向偏差不超过0.54mm，该机构能平稳连续的传递制动推力;实车制动试验表明，所设计自动制动踏板能有效实现慢速、快速和人-机分离等自动驾驶车辆的制动过程。

　　关键词：制动踏板;机构设计;运动几何;自动驾驶

　　0前言

　　自动驾驶技术是未来汽车发展的重要方向，底盘自动化是其中的重要研究内容。自动制动系统作为自动化底盘的主要组成之一，对自动驾驶汽车行车安全及车速控制起到关键作用。目前，在制动系统自动化应用方面，主要以线控制动替换传统制动系统的方式开展。线控制动系统利用电子元件代替传统制动的多数机械部件，通过电信号传递指令，再利用阀类元件实现汽车制动过程[1-3]。

　　相比传统制动系统，线控制动系统结构紧凑，能有效缩短制动时间，可较好契合自动驾驶汽车需求。在线控制动系统技术领域，博世、采埃孚、大陆、麦格纳等汽车零部件厂商开发了如iBooster、ESC、ESP等相关线控制动产品[4-6]。但是，这些产品需要结合不同型号汽车进行整车匹配设计和调试，开发成本高、技术难度大，系统复杂度高。因此，如何结合现有传统车辆方便快捷的开发低成本、低复杂度、易改装的自动制动系统是值得研究的问题。

　　从制动踏板自动化角度出发，文献[7-8]设计了一种自动制动机构，通过拉线控制踏板移动以实现制动，拉线由电机驱动，利用限位开关控制踏板行程。文献[9]给出一种利用步进电机直接控制踏板开度的制动踏板总成。文献[10]给出一种横置电动缸制动机构，带动固结于制动踏板上的电推杆推动制动踏板工作。以上机构方案中，拉线式机构结构复杂，所需安装空间大;步进电机直连式结构简单，但由于无减速机构，对电动机功率要求高;电动缸推动式与制动踏板穿孔连接，由于踏板作圆周运动，电动缸作直线运动，连接处存在滑动和冲击，不利于制动的连续性。

　　此外，以上机构设计方案均未考虑人-机分离制动问题，即在紧急情况下，以上机构驾驶员均无法介入操作。针对上述问题，本文设计了一种带有圆弧形截面的自动制动踏板机构，运用机构运动学原理，建立自动制动踏板运动学模型。以某观光电动车制动踏板结构形式为例，根据踏板结构几何约束，通过多次计算获得圆弧形截面的最优设计尺寸。在此基础上，与CATIADMU模型和台架试验数据进行对比，验证制动踏板运动学模型的正确性。最后，通过开展实车制动试验，说明所设计自动制动踏板机构的可行性。

　　1自动制动踏板机构方案设计

　　多数传统制动踏板结构形式类似[11]。通过驾驶员脚踩踏板作用面，踏板后端的销孔绕支点轴顺时针转动，从而带动踏板尾部制动主缸工作，实现车辆制动。对于这一类型的制动踏板，为实现其自动化，考虑人工制动与自动制动可能同时操作，同时考虑制动踏板附近狭小空间、作动位移尽可能小等实际因素，方案设计时在后端部销孔与支点轴孔间布置一推杆电动机，向上推动制动踏板绕支点轴孔转动，实现在小位移输入情况下踏板后臂的自动上升。

　　但电动机推杆与踏板的接触区域为一平面，制动过程中难以实现电动机推杆与踏板连续运动，二者间的相对滑动和推力中断较难避免。为此，在机构设计中在该位置截取一半径和圆心未知的圆弧，同时在电动机推杆上方安装一圆形断面的运动销，利用两圆的刚性接触实现踏板转动过程，由此可防止因接触力方向剧烈变化而导致的运动销与踏板后臂下平面的相对滑动，进而实现推杆电动机推力连续作动。

　　2自动制动踏板机构运动模型及优化

　　为说明自动制动踏板机构的优化设计过程，选取某电动观光车制动踏板为研究对象，通过实测其几何尺寸，利用本文方法求解最优的圆弧形截面半径和圆心坐标。为验证本文所建立机构运动模型的正确性，与CATIADMU模型和踏板运动学台架试验数据进行对比分析。最后，通过实车制动试验，说明所设计自动制动踏板机构的可行性。

　　3自动制动机构实车制动试验

　　为进一步验证自动制动机构的实际制动效果，在某型电动观光车上安装本文设计的自动制动机构，开展了相关的车辆制动试验。其中，在原电动观光车上，将本文所设计的自动制动机构2替换原制动踏板，然后利用INV测试仪3测量电动机推杆的上升高度，利用VBOX汽车动力学测试仪3、5测量制动减速度和车速，在长约500m的直道4上开展制动试验。总体来说，三种制动工况下，电动推杆上升高度均随时间连续稳定增大，制动减速度持续增大，车速基本呈线性下降，说明自动制动机构运动过程是平稳可靠的。通过控制电动推杆行程，在自动制动机构上可实现缓速制动、快速制动和人-机分离制动等多种功能。

　　缓速制动过程中踏板从初始位置到最大行程(约12mm)约为1.6s，快速制动的起作用时间则可达0.5s，最大制动减速度均约为0.25g。此外，利用本文所设计机构，驾驶员可随时介入作用制动踏板，在车辆自动驾驶状态下可实现人机共驾。

　　工科论文投稿刊物：《浙江大学学报工学版》Journal of Zhejiang University(Engineering Science)(月刊)曾用刊名：浙江大学学报(自然科学版)，1956年创刊，四校全并后，为了突出浙江大学的工科优势，改为浙江学报工学版，稿源主要来之于本校教师、学生、研究所的科研工作者。

　　4结论

　　(1)本文建立的自动制动踏板机构运动学模型与CATIADMU模型计算结果完全一致，与台架试验数据亦十分接近，说明了所建立的踏板运动学模型的正确性。(2)利用本文的机构优化方法获得了圆弧形截面的最优初始参数，在该参数下，运动销与圆弧形截面的切点和运动销顶点的最大横向偏差仅0.538mm，运动约束和受力分析表明，优化的制动踏板机构能提供平稳连续的制动推力。(3)实车制动试验表明，所设计自动制动踏板能有效实现慢速、快速和人-机分离等自动驾驶车辆的制动需求。

　　参考文献：

　　[1]刘宏伟，刘伟，林光钟，等.线控制动系统踏板感觉模拟器设计与改进[J].浙江大学学报，2018，52(12)：2271-2278.LIUHongwei，LIUWei，LINGuangzhong，etal.Designandimprovementofbrakepedalfeelemulatorinelectro-hydraulicbrakesystem[J].JournalofZhejiangUniversity，2018，52(12)：2271-2278.

　　[2]孙惠萍.线控制动踏板装置研究[D].重庆：重庆大学，2014.SUNHuiping.Researchofbrake-by-wirepedaldevice[D].Chongqing：ChongqingUniversity，2014.

　　[3]龚小祥，常思勤，蒋李晨，等.电动汽车新型线控制动单元及其控制系统[J].上海交通大学学报，2016，50(3)：395-400.GONGXiaoxiang，CHANGSiqin，JIANGLichen，etal.Anovelbrake-by-wireunitandcontrolsystemforelectricvehicle[J].JournalofShanghaiJiaoTongUniversity，2016，50(3)：395-400.

　　作者：田国英陈昭翔孙树磊邓鹏毅彭忆强