1 引言

    制動踏板的結(jié)構(gòu)可以簡化為普通的連桿運動機構(gòu)，在進行踏板關(guān)鍵尺寸設(shè)計時，有較多的已知并且明確的輸入條件，但最佳的設(shè)計參數(shù)并不是唯一的數(shù)值，而是在一個合理的范圍內(nèi)。常規(guī)的設(shè)計思路需要進行較多的數(shù)學計算，并且要反復計算、逐步逼近才能使設(shè)計尺寸達到合理的范圍。

    當今計算機輔助軟件已經(jīng)得到全面普及，本文利用Siemens NX的草圖分析功能，快速、準確地確定制動踏板的關(guān)鍵設(shè)計尺寸。

2 制動踏板結(jié)構(gòu)簡介

    制動踏板結(jié)構(gòu)如圖1所示，制動踏板及支架位于駕駛艙內(nèi)側(cè)，通常情況下，微車的真空助力器l位于駕駛艙外側(cè)的前方，制動踏板支架3和真空助力器l同固定在車身鈑金內(nèi)外兩側(cè)。制動踏板桿7與真空助力器推桿5通過銷軸和卡簧相連。制動時，駕駛員用腳踩下制動踏板腳踏墊，踏板繞回轉(zhuǎn)中心4逆時針旋轉(zhuǎn)，通過軸銷推動真空助力器推桿向前運動。真空助力器上有管路與發(fā)動機進氣歧管相連接，助力器可以借助發(fā)動機進氣歧管內(nèi)的真空度將駕駛員的踩踏力放大并傳遞給制動主缸內(nèi)部的活塞，活塞隨之向前運動使主缸內(nèi)的制動液流動，從而使主缸內(nèi)制動液通過制動管路到達各車輪的制動分缸，制動分缸推動制動器工作實現(xiàn)減速制動。

圖1 抽動踏板結(jié)構(gòu)示意圖

3 制動踏板設(shè)計輸入條件和期望結(jié)果

    如圖2所示，已知輸入條件如下。

    （1）上止點中心2和下止點中心l的位置：整車總體布置根據(jù)人機工程要求指定的已知點。

    （2）推桿行程P18=42.5mm；微車的真空助力器通常根據(jù)現(xiàn)有型號選型，制動主缸的缸徑和活塞行程則由整車制動系統(tǒng)參數(shù)匹配后確定為P18=42.5mm。真空助力器和制動主缸作為一個總成部件，其位置通常由整車總體布置選定，推桿的行程和制動主缸活塞的行程一致。

    （3）推桿允許的擺動量R≤3°真空助力器技術(shù)要求中的明確要求。

    （4）踏板杠桿比S=Ll/L2=2.93；由整車制動系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計報告指定。

    未知參數(shù)：點3和點4的具體位置，即踏板參數(shù)設(shè)計要確定的內(nèi)容。

    目標參數(shù)分析：圖2右半部分為推桿的放大圖，已知條件和推桿允許的擺動量R≤3°，將推桿的軸線上線擺動3°并將擺動后的兩直線端點相連作為矩形A的短邊，以推桿行程P18：42.5mm為矩形A長邊，則最終點3的運動軌跡完全落在矩形A范圍內(nèi)就可以達到設(shè)計目的。

    圖2中矩形B要求推桿的擺動量不大于1.5°為了達到設(shè)計最優(yōu)，最大限度地提高傳動效率，減少推桿球頭磨損，筆者要求點3的運動軌跡完全落在矩形B中。

圖2 制動踏板已知輸入條件

4 NX草圖功能簡介

    Siemens NX的前身NX是CAID/CAD/CAM/CAE一體化的三維參數(shù)化高端軟件，自從1990年進入中國市場以來，發(fā)展迅速，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于中國的航空、航天、汽車、造船及電子等工業(yè)領(lǐng)域，其中以CAD功能的應(yīng)用較廣。

    NX中的草圖（Sketch）是指與實體模型相關(guān)聯(lián)的二維圖形。它可以通過對近似的曲線輪廓進行尺寸和幾何約束來準確地表達設(shè)計師的設(shè)計意圖，再輔以拉伸（Extruded Body）、旋轉(zhuǎn)（Revolved Body）和掃描（Sweep along Guide）等實體建模方法來創(chuàng)建模型。

    一般情況下，用戶的三維建模都是從創(chuàng)建草圖開始，即先利用草圖功能創(chuàng)建出特征的大略形狀，再利用草圖的幾何和尺寸約束功能，精確設(shè)置草圖的形狀和尺寸。繪制草圖完成后即可利用拉伸、回轉(zhuǎn)或掃掠等功能，創(chuàng)建與草圖關(guān)聯(lián)的實體特征。用戶可以對草圖的幾何約束和尺寸約束進行修改，從而快速更新模型。

    本文主要用的草圖命令有尺寸約束、幾何約束、表達式3類。

    尺寸約束：尺寸約束用于控制一個草圖對象的尺寸或2個對象間的關(guān)系，相當于對草圖對象的尺寸標注。與尺寸標注不同之處在于，尺寸約束可以驅(qū)動草圖對象的尺寸，即根據(jù)給定尺寸驅(qū)動、限制和約束草圖對象的形狀和大小。

    NX草圖的尺寸約束命令和功能舉例如圖3所示。

圖3 NX草圖尺寸約束工具欄及功能舉例

    幾何約束：幾何約束用于定義草圖對象的幾何特性和確定草圖對象之間的相互關(guān)系，例如在某個方向上固定、與某個對象相切或與某個對象垂直和平行等。在NX中，系統(tǒng)提供了20種類型的幾何約束。根據(jù)不同的草圖對象，可添加不同的幾何約束類型。

    表達式：表達式是NX的一個工具，是用于控制模型參數(shù)的數(shù)學表達式或條件語句。它的等式左側(cè)必須是一個簡單的變量，等式右側(cè)是一個數(shù)學語句或一個條件語句。通過算術(shù)和條件表達式，用戶可以控制部件的特性，例如控制部件的特征或?qū)ο蟮某叽�。通過表達式不但可以控制部件中特征與特征之間、對象與對象之間、特征與對象之間的相互尺寸與位置關(guān)系，而且可以控制裝配中的部件與部件之間的尺寸與位置關(guān)系。

    表達式的組成：表達式由2個部分組成，左側(cè)為變量名，右側(cè)為組成表達式的字符串。表達式字符串經(jīng)計算后將值賦予左側(cè)的變量。

    表達式的類型：算數(shù)表達式，如Pl=5+8×sin45°；條件表達式，如width=if（length<100）（60）else（40）；幾何表達式，如P3=length（3）。

5 利用NX草圖分析功能確定踏板參數(shù)的過程

    確定踏板與推桿連接銷期望位置的范圍。

    如圖4所示，以助力器推桿的中心線為基準，兩側(cè)各做2條共4條虛線，利用幾何約束的共點命令將4條虛線右側(cè)的端點與助力器推桿的中心線右側(cè)的端點設(shè)為“共點”；利用幾何約束的等長命令將4條虛線與助力器推桿的中心線設(shè)為“等長”；再利用尺寸約束的角度命令將4條虛線與中心線的角度設(shè)置為p19=1.5°、p20=3°、p21=1.5°、p22=3°。

圖4 踏板與推桿連接銷目標位置

    將虛線1和4左側(cè)端點連接并以此為矩形短邊，長邊平行于中心線且其長度為主缸活塞行程P18=42.5mm，得出矩形A為踏板與推桿連接銷目標位置的合格范圍。同樣，以虛線2和3左側(cè)端點連線為短邊得出的矩形B為踏板與推桿連接銷目標位置優(yōu)化范圍，筆者將其作為設(shè)計目標。

    詳細參數(shù)設(shè)計：如圖5所示，首先利用幾何約束命令將已知點下止點中心l和上止點中心2設(shè)為“完全固定”，使其不能移動。然后以點1和點2為起點分別作2條綠線，利用幾何約束將2條綠線的下端分別與點1和點2設(shè)為“共點”，再利用幾何約束命令將兩條綠線設(shè)為“等長”，將兩條綠線上端點同樣設(shè)為“共點”。至此．2條綠線便是踏板桿的力臂，點3便是踏板桿的回轉(zhuǎn)中心。

圖5 制動踏板已知輸入條件

    作藍色圓，將其圓心與點3設(shè)為“共點”，在綠色直線上標注尺寸L1，其數(shù)值P16的大小隨意設(shè)定，再對圓的直徑進行標注將其尺寸以表達式的方式設(shè)定為P17=P16×2/2.93，也就是說，圓的半徑是助力器推桿的力臂，圓是推桿力臂的運動軌跡，圓的大小為踏板力臂/1除以杠桿比2.93。

    確定踏板的具體參數(shù)：方法很簡單，就是不斷地調(diào)整、更改Ll的尺寸數(shù)值P16的大小，更改時點3的位置會隨之變化，圓的直徑也隨之變化，當圓弧完全落在矩形B范圍時，踏板的參數(shù)便可以確定下來。

    如圖6所示：點4和點5為圓6與矩形B兩短邊的交點，則點4和點5為連接銷運動的上、下止點，點3為踏板的回轉(zhuǎn)中心，至此踏板的2個重要點的位置明確，可以順利開展后續(xù)建模工作。

圖6 踏板與推桿連接銷位置確定

6 小結(jié)

    本文通過分析制動踏板設(shè)計過程的杠桿比、行程和上、下止點等已知條件，以及踏板關(guān)鍵尺寸的內(nèi)在關(guān)系，利用設(shè)計輔助軟件Siemens NX的草圖分析的幾何約束、尺寸約束及表達式功能來確定制動踏板的關(guān)鍵尺寸。這種簡單且準確的設(shè)計方法可以應(yīng)用于其他連桿運動機構(gòu)設(shè)計中，提升設(shè)計效率。

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本文標題：NX草圖分析在制動踏板設(shè)計中的應(yīng)用

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