汽车制动踏板行程及踏板力的评估初探

吴 林,邓 林,章 超

(六安职业技术学院汽车与机电工程学院,安徽 六安 237158)

引言

随着人们生活水平的提高,汽车逐渐成为人们生活的必需品,我国也因此成为全球最大的汽车市场,对汽车有着巨大的需求。汽车在满足人们基本的出行需求时,还必须注重汽车性能的提高。人们在驾驶汽车过程中,首先感受到的就是汽车的制动状况。影响汽车驾驶性能及安全性能的一个重要指标就是汽车制动性能。就目前来看,人们在汽车制动过程中所感受到的制动问题主要包括汽车制动踏板力感不足、踏板行程过长、刹车灵敏度不够以及刹车太硬或者太软,由此对汽车驾驶的安全性与舒适性产生严重影响。因而汽车生产线、检测站以及维修厂都会对汽车制动踏板行程及踏板力进行评估,以改善汽车制动性能。

1 汽车制动踏板行程及其影响因素

1.1 汽车制动踏板行程

总的来说,汽车制动系统主要有两种,一是液压制动,二是气压制动。液压制动系统一般用于轿车和小型货车,而气压制动系统主要在中、大型的客车与货车中使用[1]。所谓的汽车踏板自由行程,主要是指当汽车踏板发生向下移动后,此时总泵活塞还没开始下一步的动作之前,这时的踏板下移距离就是踏板行程。假如踏板的自由行程比较大,极有可能无法充分发挥汽车制动功能。而假如踏板行程太短,则可能导致活塞皮碗堵塞旁通孔的情况。我国汽车行业对汽车踏板的性能要求都有明确的标准规定,即在纵向力的作用之下,汽车踏板表面不能出现超过5毫米的永久变形量,并且不能出现裂纹以及发生损坏等明显缺陷。其试验方法为根据车辆的具体情况,对踏板机构总成进行固定,然后连接负载机构和踏板机构,同时将踏板臂固定于工作行程的中间区域。再施加和踏板表面垂直的纵向力在踏板的中心位置,并维持5秒钟的时间,最后对加载点的纵向位移量进行测量[2]。只有当汽车踏板行程处于合适的距离内,才能更好地发挥汽车的制动作用,提高汽车的安全性能和舒适度。图1是汽车制动踏板的实物图。

图1 汽车制动踏板

1.2 汽车制动踏板行程的影响因素

一般来说,汽车制动踏板行程可以划分为两个阶段,一个是踏板空行程阶段,另一个是工作行程阶段[3]。踏板空行程指的是在踏板被踩下的过程中,汽车还未受到制动力影响时踏板所发生的位移。也就是对机械运转间隙进行消除所需要消耗的距离,这一行程主要和三个方面的因素有关,其一消除制动器运行间隙;其二踏板结构和真空助力器杆叉的装配间隙;其三,制动总泵空行程及空隙。而踏板工作行程主要指的汽车刚开始出现减速状态到汽车获得最大制动时踏板发生的位移,这一阶段液压管路系统正在进行封闭建压,此时增加踏板力,踏板位移增大,管路压力提高,所以主缸活塞位移的大小会影响踏板行程,而管路压力也不一样,液压管路系统所消耗的液量不同,主缸活塞的位移液不一样。因此,归纳起来,对踏板行程具有影响的因素:第一,对制动间隙进行消除消耗的液量。这不但受制动器运行间隙的影响,同时还与制动缸轮的直径大小存在一定的关系。第二,制动钳的耗液量。制动室的压力不同,制动钳对制动液的消耗量也不同,其影响因素包括活塞的回位量、轮缸的直径以及钳体缸度。制动钳的耗液量可以使用相关的检测设备进行检测,其检测结果更加准确和符合实际情况。第三,摩擦片的压缩量。其不但受到摩擦片的厚度、摩擦材料所具有的压缩性质的影响,而且受力面积和温度都会影响到摩擦片的压缩量。第四,制动软管与硬管的膨胀量。第五,主缸的液量损失。这主要指的是主缸开始建压时,在压力逐渐上升的过程中,第一、二腔活塞在前进过程中对排量的消耗。同时,这还受到缸径大小以及缸体内部皮碗变形的影响。第六,制动液的压缩量。通常情况下,制动液属于不被压缩的刚性液体,然而空气中的水分与细小的气泡会被其吸收,因此储藏制动液的罐子盖口尽可能保持封闭状态。一般来说,滞留在管路中的空气不能超过3%,在制动过程中会将空气全部压扁[4]。

2 检测仪结构原理

按照有关的设计要求,对汽车制动踏板行程及踏板力进行同时检测需要进行测力计以及行程测量仪的设置。同时还要依据具体的使用工况,进行固定装置的设置安装工作,也就是限位叉和定位板的安装,并进行施力手柄等传递机构的设置,以实现力与位移的传递。按照使用的相关要求,踏板使用的是机械手动的方式,从而使使用效果更加安全可靠和快速。同时,显示器、比较仪以及力传感器等共同组成了测力部分,而游标尺、位移传感器以及显示器等共同组成了行程测量部分[5]。检测仪结构图如图2所示。

图2 检查仪结构简图1-弹性元件;2-定位板;3-限位元;4-力传感器;5-比较仪; 6-显示器;7-拉线;8-手柄;9-位移传感器;10-游标尺;11-刻尺盘

通过使用力传感器来比较位移量,同时将其进行转换,并经过显示器将力显示出来,以此完成力的检测。而进行行程的检测时不需要进行转换,踏板的摆动弧线可通过设备直接显示成直线形式的弦长,也就是踏板的行程能够直接得以显示出来。所以,设备在进行使用之前或者已经使用了一定的时间之后,应当通过标定台进行再一次的标定,以此检验其是不是发生了改变。

标定台的主要作用在于对检查仪的行程与力进行标定,而为了使标定的精度更加准确,这就要求标定台的结构可以对制动踏板的具体工作情况实现真实的模拟。鉴于车型各式各样,因而制动踏板的空间结构也存在一定的差异性,若使用在不同的车型上,就需要适当的调整这部分。此外,还设置了多种部件在标定台上,如牵引系统、行程测量器以及测力计等。

3 汽车踏板系统模拟

3.1 系统概述

对于一个完整的汽车踏板系统来说,其组成部分包括踏板臂、套筒、支撑支架以及尼龙衬套等。通过实际的研究表明,采用不一样的子系统模拟方法,汽车踏板强度的最终分析结果存在一定的差异性。研究案例中的汽车踏板是可变杠杆比,具有一定的复杂性,通过试验结果,对汽车踏板强度的模拟方法进行探讨。

3.2 工况模拟评估

我们通过踏板液压系统以及踏板杠杆比原理能够知道,当汽车驾驶员在对汽车踏板系统进行操纵的过程中,在踏板表面上施加的垂直力量会被放大,进而传递到助力装置上,成为助力装置上的驱动力,之后在液压系统的作用下,能够得出执行装置上的荷载,最后得出液压系统的管道压力。无论是车辆的制动距离,还是离合系统的行程大小,都会直接受到该管道压力的影响。

一般来说,在对汽车踏板进行操纵时,支撑支架会有比较细微的变形发生。假如踏板结构设计存在不合理的情况,在对工况进行纵向加载时,极有可能使得套筒与销轴等发生严重屈服情况,进而使得支撑踏板臂端出现很大的变形状况,从而导致踏板臂加载点位移比较大。

使用烧焊的方式来连接踏板臂和套筒以及助力装置和套筒。站在受力的层面分析,套筒所受到的力包括扭转组合与弯曲的共同荷载作用,所以在进行踏板模型的构建过程中,无论是套筒及销轴发生的屈服程度,还是扭转变形大小都与烧焊区域的大小有着直接的关系。假如套筒及销轴出现比较严重的屈服,也一样会导致踏板加载点的位移比较大。

为了防止金属结构件的彼此触碰而导致磨损情况的出现,并尽可能降低噪音,同时使接触摩擦力增大及装配方便,因此在进行设计时,要使销轴和套筒之间留有空隙,以此作为尼龙衬套的布置点,踏板臂围绕销轴进行旋转时,此时会有扭转荷载施加在尼龙衬套上,进而使得开口位置出现变形。

3.3 不同的汽车踏板模拟方案分析

在模拟汽车踏板强度时采用相关的软件进行,使用壳单元对踏板支架进行模拟,使用rod单元来模拟焊点,使用实体单元来模拟踏板臂,在进行模拟的过程中需要对材料的非线性进行考虑。采用不一样的建模方法,再通过比较仿真结果和试验结果,选择具有较高的分析精度且合适的模拟方法。对于模型的细节,需要对套筒与销轴模拟方法进行考虑,还要对焊接区域与踏板臂的模拟方法进行考虑。

4 踏板力的评定

在评定过程中,不但需要对原始状态的检查仪进行标定,而且在检查仪使用了一定的时间后应当重新进行标定,这是因为在使用过程中,一些跌打、碰撞等方面的因素会在很大程度上导致检查仪出现变形或者造成各部件的位置发生改变,这就需要对其精度进行相应的校核。关于检查仪上对力进行标定的方法,可按照以下步骤进行:第一,在标定台上进行踏板总成的安装。此时需要对总成空间形状进行关注,看是否符合所要检测的车型。第二,在踏板上放置需要进行标定的检查仪。第三,在支架上放置测力计,同时进行相应的调整,使其处于合适的位置,也就是要将测力计的中间位置和撑杆相对,然后进行固定。第四,将踏板推动杆的调节螺钉拧下来,并在检查仪的手柄上挂上牵引系统拉线。第五,360°旋转另一个测力计的显示盘,并重新回到0刻度。第六,对牵引系统进行使用,施加300N的荷载,同时对另一个测力计的刻度标记进行调整,使其为300N。第七,完成卸载,将检查仪取出,并将测力计拆下。

5 检测制动踏板行程及踏板力

在检测汽车制动踏板行程及踏板力时,施加一定的力在检查仪手柄上,如果测力计上的读数显示为300N时,对行程计上游标的刻度进行检查,其数值应当不超过55毫米。由于存在不一样的车型,因而其数值也存在一定的差异。检测时可按以下步骤进行:第一,在制动踏板上将检查仪进行固定。第二,在方向盘的保护套上挂上行程计的拉线,然后对制动踏板进行推压,推压次数为3次。第三,让行程计上游标尺的移动指针能够接触到固定指针,并施加一定的力在检查仪的手柄端部,施加的力的大小以显示盘上的刻度读数显示为300N为准,然后逐渐放开检查仪手柄。第四,对行程计上游标尺显示的数值进行记录。第五,将方向盘保护套上的拉线取下来,并将其挂在检查仪手柄的顶端。最后将检查仪卸下。

6 结语

现阶段,我国国民经济的发展取得了巨大成就,汽车几乎成为了人们出行的必备交通工具,随着人们汽车使用频率的增加,越来越追求汽车操作的舒适度和安全性。与此同时,人们也越来越注重汽车制动踏板行程计踏板力的研究。由于汽车制动踏板设计的科学合理与否,直接关系着汽车的制动性能,进而对汽车的安全性能产生一定的影响,同时对汽车操作的舒适度也有着重要的影响。因此,对汽车制动踏板行程及踏板力的评估进行科学的研究具有十分重要的现实意义,这对汽车行业的发展也具有非常重要的积极意义。