1 引言
制動(dòng)踏板的結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為普通的連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在進(jìn)行踏板關(guān)鍵尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，有較多的已知并且明確的輸入條件，但最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)并不是唯一的數(shù)值，而是在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。常規(guī)的設(shè)計(jì)思路需要進(jìn)行較多的數(shù)學(xué)計(jì)算，并且要反復(fù)計(jì)算、逐步逼近才能使設(shè)計(jì)尺寸達(dá)到合理的范圍。
當(dāng)今計(jì)算機(jī)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(zhǔn)確地確定制動(dòng)踏板的關(guān)鍵設(shè)計(jì)尺寸。
2 制動(dòng)踏板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
制動(dòng)踏板結(jié)構(gòu)如圖1所示，制動(dòng)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(dòng)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(dòng)踏板桿7與真空助力器推桿5通過(guò)銷軸和卡簧相連。制動(dòng)時(shí)，駕駛員用腳踩下制動(dòng)踏板腳踏墊，踏板繞回轉(zhuǎn)中心4逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，通過(guò)軸銷推動(dòng)真空助力器推桿向前運(yùn)動(dòng)。真空助力器上有管路與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管相連接，助力器可以借助發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(dòng)主缸內(nèi)部的活塞，活塞隨之向前運(yùn)動(dòng)使主缸內(nèi)的制動(dòng)液流動(dòng)，從而使主缸內(nèi)制動(dòng)液通過(guò)制動(dòng)管路到達(dá)各車輪的制動(dòng)分缸，制動(dòng)分缸推動(dòng)制動(dòng)器工作實(shí)現(xiàn)減速制動(dòng)。
圖1 抽動(dòng)踏板結(jié)構(gòu)示意圖
3 制動(dòng)踏板設(shè)計(jì)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(diǎn)中心2和下止點(diǎn)中心l的位置：整車總體布置根據(jù)人機(jī)工程要求指定的已知點(diǎn)。
（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(hào)選型，制動(dòng)主缸的缸徑和活塞行程則由整車制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配后確定為P18=42.5mm。真空助力器和制動(dòng)主缸作為一個(gè)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(dòng)主缸活塞的行程一致。
（3）推桿允許的擺動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)報(bào)告指定。
未知參數(shù)：點(diǎn)3和點(diǎn)4的具體位置，即踏板參數(shù)設(shè)計(jì)要確定的內(nèi)容。
目標(biāo)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(dòng)量R≤3°，將推桿的軸線上線擺動(dòng)3°并將擺動(dòng)后的兩直線端點(diǎn)相連作為矩形A的短邊，以推桿行程P18：42.5mm為矩形A長(zhǎng)邊，則最終點(diǎn)3的運(yùn)動(dòng)軌跡完全落在矩形A范圍內(nèi)就可以達(dá)到設(shè)計(jì)目的。
圖2中矩形B要求推桿的擺動(dòng)量不大于1.5°為了達(dá)到設(shè)計(jì)最優(yōu)，最大限度地提高傳動(dòng)效率，減少推桿球頭磨損，筆者要求點(diǎn)3的運(yùn)動(dòng)軌跡完全落在矩形B中。
圖2 制動(dòng)踏板已知輸入條件
4 NX草圖功能簡(jiǎn)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(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)以來(lái)，發(fā)展迅速，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于中國(guó)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(shí)體模型相關(guān)聯(lián)的二維圖形。它可以通過(guò)對(duì)近似的曲線輪廓進(jìn)行尺寸和幾何約束來(lái)準(zhǔn)確地表達(dá)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖，再輔以拉伸（Extruded Body）、旋轉(zhuǎn)（Revolved Body）和掃描（Sweep along Guide）等實(shí)體建模方法來(lái)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(kāi)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(shí)體特征。用戶可以對(duì)草圖的幾何約束和尺寸約束進(jìn)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(dá)式3類。
尺寸約束：尺寸約束用于控制一個(gè)草圖對(duì)象的尺寸或2個(gè)對(duì)象間的關(guān)系，相當(dāng)于對(duì)草圖對(duì)象的尺寸標(biāo)注。與尺寸標(biāo)注不同之處在于，尺寸約束可以驅(qū)動(dòng)草圖對(duì)象的尺寸，即根據(jù)給定尺寸驅(qū)動(dòng)、限制和約束草圖對(duì)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(duì)象的幾何特性和確定草圖對(duì)象之間的相互關(guān)系，例如在某個(gè)方向上固定、與某個(gè)對(duì)象相切或與某個(gè)對(duì)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(duì)象，可添加不同的幾何約束類型。
表達(dá)式：表達(dá)式是NX的一個(gè)工具，是用于控制模型參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式或條件語(yǔ)句。它的等式左側(cè)必須是一個(gè)簡(jiǎn)單的變量，等式右側(cè)是一個(gè)數(shù)學(xué)語(yǔ)句或一個(gè)條件語(yǔ)句。通過(guò)算術(shù)和條件表達(dá)式，用戶可以控制部件的特性，例如控制部件的特征或?qū)ο蟮某叽纭Ｍㄟ^(guò)表達(dá)式不但可以控制部件中特征與特征之間、對(duì)象與對(duì)象之間、特征與對(duì)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(dá)式的組成：表達(dá)式由2個(gè)部分組成，左側(cè)為變量名，右側(cè)為組成表達(dá)式的字符串。表達(dá)式字符串經(jīng)計(jì)算后將值賦予左側(cè)的變量。
表達(dá)式的類型：算數(shù)表達(dá)式，如Pl=5+8×sin45°；條件表達(dá)式，如width=if（length<100）（60）else（40）；幾何表達(dá)式，如P3=length（3）。
5 利用NX草圖分析功能確定踏板參數(shù)的過(guò)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(zhǔn)，兩側(cè)各做2條共4條虛線，利用幾何約束的共點(diǎn)命令將4條虛線右側(cè)的端點(diǎn)與助力器推桿的中心線右側(cè)的端點(diǎn)設(shè)為“共點(diǎn)”；利用幾何約束的等長(zhǎng)命令將4條虛線與助力器推桿的中心線設(shè)為“等長(zhǎng)”；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(biāo)位置
將虛線1和4左側(cè)端點(diǎn)連接并以此為矩形短邊，長(zhǎng)邊平行于中心線且其長(zhǎng)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(biāo)位置的合格范圍。同樣，以虛線2和3左側(cè)端點(diǎn)連線為短邊得出的矩形B為踏板與推桿連接銷目標(biāo)位置優(yōu)化范圍，筆者將其作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。
詳細(xì)參數(shù)設(shè)計(jì)：如圖5所示，首先利用幾何約束命令將已知點(diǎn)下止點(diǎn)中心l和上止點(diǎn)中心2設(shè)為“完全固定”，使其不能移動(dòng)。然后以點(diǎn)1和點(diǎn)2為起點(diǎn)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(diǎn)1和點(diǎn)2設(shè)為“共點(diǎn)”，再利用幾何約束命令將兩條綠線設(shè)為“等長(zhǎng)”，將兩條綠線上端點(diǎn)同樣設(shè)為“共點(diǎn)”。至此．2條綠線便是踏板桿的力臂，點(diǎn)3便是踏板桿的回轉(zhuǎn)中心。
圖5 制動(dòng)踏板已知輸入條件
作藍(lán)色圓，將其圓心與點(diǎn)3設(shè)為“共點(diǎn)”，在綠色直線上標(biāo)注尺寸L1，其數(shù)值P16的大小隨意設(shè)定，再對(duì)圓的直徑進(jìn)行標(biāo)注將其尺寸以表達(dá)式的方式設(shè)定為P17=P16×2/2.93，也就是說(shuō)，圓的半徑是助力器推桿的力臂，圓是推桿力臂的運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)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(shí)點(diǎn)3的位置會(huì)隨之變化，圓的直徑也隨之變化，當(dāng)圓弧完全落在矩形B范圍時(shí)，踏板的參數(shù)便可以確定下來(lái)。
如圖6所示：點(diǎn)4和點(diǎn)5為圓6與矩形B兩短邊的交點(diǎn)，則點(diǎn)4和點(diǎn)5為連接銷運(yùn)動(dòng)的上、下止點(diǎn)，點(diǎn)3為踏板的回轉(zhuǎn)中心，至此踏板的2個(gè)重要點(diǎn)的位置明確，可以順利開(kāi)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(guò)分析制動(dòng)踏板設(shè)計(jì)過(guò)程的杠桿比、行程和上、下止點(diǎn)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(jì)輔助軟件Siemens NX的草圖分析的幾何約束、尺寸約束及表達(dá)式功能來(lái)確定制動(dòng)踏板的關(guān)鍵尺寸。這種簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)方法可以應(yīng)用于其他連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，提升設(shè)計(jì)效率。
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本文標(biāo)題：NX草圖分析在制動(dòng)踏板設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
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