1、汽车制动机器人执行机构研究摘要： 为了更加准确的去设计踏板感觉模拟器的参数，需要建立制动踏板感觉特性的数学模型并进行一系列的客观评价试验来获得模型的参数。而由驾驶员进行操作的客观评价试验一致性很差，这导致试验效率降低且会让结果变得不可靠。因此，有必要开发一种可以按照预先设定的条件来精确踩踏制动踏板的机器人，以便获得良好的精度和重复性，为再生制动系统的操纵机构开发服务。 Abstract:：In order to design parameters to pedal feel simulator more accurate mathematical model, parameters neede
2、d to establish the brake pedal feeling characteristics and objective evaluation of a series of experiments to obtain model. But by the driver of the objective evaluation of test consistency is poor, which lead to the test efficiency and make the results unreliable. Therefore, it is necessary to deve
3、lop a preset condition to precisely the brake pedal of the robot, in order to obtain a good accuracy and repeatability, service control mechanism for the development of the regenerative braking system. 关键词：制动踏板感觉模拟；汽车制动机器人；新能源汽车 Keywords: Simulation of automobile brake brake pedal feel; robot; new e
4、nergy vehicles 中图分类号：U46 文献标识码： 0引言 国内外对于汽车制动机器人的研究很多，但一般驾驶员无法一同坐在车里，本研究旨在设计一种小型的，可以安装在实车上进行试验的，使用方便可靠的制动机器人执行机构。 制动机器人执行机构工作方式 该执行机构工作时应保证以下四点要求： 踏板行程的精确控制，需要至少精确到 0.1mm； 将制动踏板踩到底的时间不得超过 0.2s； 电动缸推进的行程不能超过踏板的全行程； 电动缸提供的推力不能低于最大踏板力。 基于以上四点，将制动机器人的执行机构工作方式设计如下： 图 1 制动机器人执行机构工作方式 2驱动原件选型 选择伺服电动缸作为制动机器
5、人的驱动原件。伺服电动缸的选用需要满足三点要求： 满足空间的尺寸要求； 最大推力不低于最大的踏板力； 行程大于踏板的全行程。在 ECE（联合国欧洲经济委员会汽车法规）中对于普通乘用车制动性能的要求里，汽车的最大踏板力应不高于 500N1。根据一般乘用车的设计经验，制动踏板的全行程不会超过120mm4，空间的尺寸选择将在第五部分说明。 3伺服驱动器 伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。伺服驱动器一般通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位。 4车载逆变器 4.1 车载逆变
6、器的选择标准 使用车载逆变器时，用电器的功率不可以超过车载逆变器的最大功率，否则会将车载逆变器烧坏。根据表 2 中的信息，可以计算出伺服电动缸和伺服驱动器的最大总功率: ，计算结果 P 总为 1282W。 4.2 车载逆变器技术参数 下表为该车载逆变器的技术参数： 表 1 车载逆变器的技术参数 5制动机器人执行机构的零部件设计 5.1 制动机器人执行机构的效果图 图 2 为该执行机构的立体图，伺服电动缸尾端铰接在支撑梁上，中间夹有滚珠轴承，电动缸可以绕着支撑梁旋转。伺服电动缸前端通过压力传感器、球铰、铰制孔螺栓连接在机器人脚上，电动缸的前端可以绕铰制孔螺栓转动。机器人脚通过 4 个 M8 的螺
7、栓压紧在制动踏板上，不能在制动踏板平面内移动。支撑梁由两个高度可调的支撑架支撑，它被上支撑架夹紧，不能绕自身的轴心旋转。上、下两个支撑架由若干个螺栓夹紧在一起，共同支撑整个执行机构。下支撑架和下支撑架底板焊接在一起，成 90。角。两个下支撑架底板分别由 4 个 M8 螺栓连接在汽车驾驶室的地板上，亦即连接在承载式车身上。 图 2 执行机构的立体图 5.2 上支撑架 上支撑架起到夹紧支撑梁和支撑整个机构的作用，上支撑架夹使用 8.8级 M8x1.0 螺栓紧支撑梁。 5.3 下支撑架 下支撑架上端使用螺栓与上支撑架夹紧，与上支撑架一起调节支撑架的总高度。下端焊接在支撑架底板上，共同固定在汽车驾驶室
8、地板上。5.5 机器人脚 机器人脚和制动踏板固连在一起，它的功用是将伺服电动缸的推力传递到制动踏板上。机器人脚由踏板和耳件两部分焊接而成。 6制动机器人执行机构的空间校核 6.1 制动机器人执行机构的空间计算 该执行机构的空间布置主要应满足以下两点： (1).将整套机构放置在驾驶室座椅前，机构与制动踏板连接后不与车内任何零部件产生干涉。 (2).机构工作时不妨碍驾驶员操控车辆。 图 3 为该机构工作始、末位置简化后的侧视图： 图 3 执行机构工作始、末位置的侧视图 图中各参数的意义分别为：制动踏板转过的角度；：初始时踏板与地面的角度；：末位置踏板与地面的角度；1：初始时伺服电动缸与地面所成角度
9、；2：末位置伺服电动缸与地面所成角度；：初始时电动缸丝杠与制动踏板所成角度；：末位置电动缸丝杠与制动踏板所成角度；h1:初始时制动踏板离地高度；h3:末位置制动踏板离地高度；h2：除支撑架 h1 外剩余高度；L 总：机构电动缸丝杠方向总长度；R：制动踏板旋转半径。S1：初始位置支撑架与制动踏板的水平距离；S2：初始位置制动踏板距离座椅的水平距离。所有参数除，1，2，h2 和 s1 外，均为可测量量，这几个变量的设计将会影响整个机构的尺寸和受力。 在该机构运动的末位置，制动踏板处的受力情况如图 4 所示，推力可以分解为垂直踏板和沿踏板两个方向的力。踏板正压力最大值为500N，F 推的最大值由伺服
10、电动缸决定，F 推 max=645N，可列式： 故可计算得出 125.2 由 可以计算得到 h2 的范围，根据图 3 中的角度关系可列式： 计算得到：， 其中。 又，整理得： 1，s1 的关系式为： ； 机构电动缸丝杠方向总长度计算公式： 上式中的各参数分别为：L 缸=328mm，L 传感器=76.2mm，L 球铰=30mm，L 机器人脚=25mm，这样可得到 L 总=459.2mm。 根据上面几个式子可得到 ，1，2，h2 和 s1 分别与 的关系式，这样即可计算出各参数的取值范围进行零件的设计。 6.2 实车测量数据和计算 对于不同的轿车，上述的 、s2 等几个参数是不同的，相应地就会造成
11、 h2 等设计参数范围的变化，因此需要使该执行机构的高度可以变化，以使各参数保持在计算允许的范围内。 为得到一个具体的参数范围，选择 2009 款奔腾 B50 1.6MT 进行实车测量，选择该车型的主要理由是该车型为普及型轿车，车内空间相对较小，可以作为最小车内空间的参考。 根据测量得到的数据，代入计算公式得到各变量的计算结果为： 这样可以得到支撑架理论上的总高度为 h1+h2230.82mm,根据设计的支撑架尺寸可知，支撑架的实际总高度为 238mmL318mm,满足计算结果。 7制动机器人执行机构的强度、刚度校核 7.1 上支撑架强度校核 根据上面空间校核的计算结果，假设，在机构行程的末位
12、置伺服电动缸的推力为 600N，经过支撑梁的传递将力分配给两个上支撑架，由于上支撑架与下支撑架用螺栓紧固在一起，故共同受到伺服电动缸推力产生的弯矩，上支撑架受到弯矩的最大值为： ，计算得到 另外上支撑架还受到 M8 夹紧螺栓的压紧力，该压紧力的值计算如下：螺栓预紧力： 2 式中为该螺栓的屈服强度，对于 8.8 级螺栓的屈服强度为 ；为该螺栓的最小截面积， ,该螺栓的最小截面积为 。得到的最大值为15.54kN。 螺栓预紧力矩： 式中 K 为拧紧力系数，查表得 K= ；d 为螺栓直径，这里直径为8mm。计算得到 Mt 的最大值为 螺栓压紧力： 2 式中 为摩擦系数，对于铁与铁的摩擦系数查表得 =
13、1.1，计算得 综合以上受力，在有限元分析软件中对上支撑架进行有限元分析，结果最大应力为 56.9MPa 该机构使用的材料均为碳钢 Q235，则上支撑架受力在安全范围内，安全系数为 7.2 下支撑架强度校核 (1).下支撑架强度校核 下支撑架受到伺服电动缸推力产生的弯矩，其弯矩的最大值为计算得到 。 (2).下支撑架焊接处强度校核 下支撑架底部和支撑架底板焊接在一起，焊接处的受力分析如图 5所示： 图 5 焊接处的受力 ； ； ； 代入数据计算得到 ； ； ； 焊接处的许用应力如下表： 拉应力 压应力 切应力 1=0.9 a= =0.6 表 2 焊接处的许用应力2 根据焊接强度计算公式，代入数
14、据计算得到 ； ； ,结果在安全范围内。 7.4 机器人脚强度校核 (1).机器人脚耳件强度校核 铰制孔螺栓将伺服电动缸的推力传递到机器人脚的耳件上，进行机器人脚耳件的有限元分析，结果最大应力为 9.19MPa。 (2).机器人脚焊接处强度校核 机构运动结束时，伺服电动缸和制动踏板间的角度为 ,上面计算得到： 假设 =125，则机器人脚焊接处受到的切应力为： 代入数据计算得到焊接处的切应力为 3全范围内。 8制动机器人执行机构的稳定性校核 8.1 上下支撑架紧固螺栓 上支撑架与下支撑架使用 M10 螺栓紧固在一起，根据公式、得到 M10 螺栓的预紧力矩为 Mt=44Nm，压紧力为FN=2768
15、N，得到垂直方向的摩擦力为 f=FN=3044.8N。上支撑架受到的垂直方向的力最大为，远小于螺栓提供的摩擦力。而螺栓处受到的扭转力矩为 ，小于螺栓的预计力矩，故上支撑架和下支撑架在受到最大力时不发生相对位移。 8.2 上支撑架夹紧螺栓 上支撑架夹紧螺栓用来夹紧支撑梁，使机构在运动时支撑梁不发生轴向移动。上支撑架使用 M8 螺栓夹紧，由前面的计算可知螺栓的压紧力为 1727N，使用有限元分析软件计算螺栓夹紧处上支撑架的形变，结果支撑架的平均形变为，假设因为夹紧造成的支撑梁形变是该形变量的千分之一5，则有。由碳钢受压产生形变公式 计算得到 F=318N,故上支撑架提供的沿支撑梁的轴向摩擦力至少为： f=F=350N 因此上支撑架螺栓的夹紧力可以保证支撑梁不发生轴向位移。 参考文献 1 联合国欧洲经济委员会汽车法规 2 秦大同，谢立阳.连接件与紧固件M.化学工业出版社，2013.3:171-173,272-281 3 聂毓琴，孟广伟.材料力学M.机械工业出版社，2009.1:25 4 中国国家标准化管理委员会.乘用车制动系统技术要求及试验方法Z.2008 5 何宇平，伦景光.国内外轿车制动法规的评述J.汽车工程，1994.第三期:2
