摘要：為方便傳統汽車制動踏板的機械自動化，根據汽車制動踏板結構形式，設計一種帶有圓弧形截面的自動制動踏板機構。運用機構運動學原理，建立自動制動踏板運動學模型，提出一種根據踏板結構幾何約束確定最優圓弧形截面尺寸的方法。以某電動汽車制動踏板為例，計算獲得該踏板最優圓弧形截面的設計尺寸，并與CATIADMU模型和臺架試驗數據進行對比，驗證所建立運動學模型的正確性。通過開展實車制動試驗，說明所設計自動制動踏板機構的可行性。結果表明，建立的自動制動踏板機構運動學模型與CATIADMU模型的計算結果完全一致，與臺架試驗數據亦十分接近;在最優圓弧形截面的制動仿真中，運動銷與圓弧形截面的切點和運動銷頂點的橫向偏差不超過0.54mm，該機構能平穩連續的傳遞制動推力;實車制動試驗表明，所設計自動制動踏板能有效實現慢速、快速和人-機分離等自動駕駛車輛的制動過程。

　　關鍵詞：制動踏板;機構設計;運動幾何;自動駕駛

　　0前言

　　自動駕駛技術是未來汽車發展的重要方向，底盤自動化是其中的重要研究內容。自動制動系統作為自動化底盤的主要組成之一，對自動駕駛汽車行車安全及車速控制起到關鍵作用。目前，在制動系統自動化應用方面，主要以線控制動替換傳統制動系統的方式開展。線控制動系統利用電子元件代替傳統制動的多數機械部件，通過電信號傳遞指令，再利用閥類元件實現汽車制動過程[1-3]。

　　相比傳統制動系統，線控制動系統結構緊湊，能有效縮短制動時間，可較好契合自動駕駛汽車需求。在線控制動系統技術領域，博世、采埃孚、大陸、麥格納等汽車零部件廠商開發了如iBooster、ESC、ESP等相關線控制動產品[4-6]。但是，這些產品需要結合不同型號汽車進行整車匹配設計和調試，開發成本高、技術難度大，系統復雜度高。因此，如何結合現有傳統車輛方便快捷的開發低成本、低復雜度、易改裝的自動制動系統是值得研究的問題。

　　從制動踏板自動化角度出發，文獻[7-8]設計了一種自動制動機構，通過拉線控制踏板移動以實現制動，拉線由電機驅動，利用限位開關控制踏板行程。文獻[9]給出一種利用步進電機直接控制踏板開度的制動踏板總成。文獻[10]給出一種橫置電動缸制動機構，帶動固結于制動踏板上的電推桿推動制動踏板工作。以上機構方案中，拉線式機構結構復雜，所需安裝空間大;步進電機直連式結構簡單，但由于無減速機構，對電動機功率要求高;電動缸推動式與制動踏板穿孔連接，由于踏板作圓周運動，電動缸作直線運動，連接處存在滑動和沖擊，不利于制動的連續性。

　　此外，以上機構設計方案均未考慮人-機分離制動問題，即在緊急情況下，以上機構駕駛員均無法介入操作。針對上述問題，本文設計了一種帶有圓弧形截面的自動制動踏板機構，運用機構運動學原理，建立自動制動踏板運動學模型。以某觀光電動車制動踏板結構形式為例，根據踏板結構幾何約束，通過多次計算獲得圓弧形截面的最優設計尺寸。在此基礎上，與CATIADMU模型和臺架試驗數據進行對比，驗證制動踏板運動學模型的正確性。最后，通過開展實車制動試驗，說明所設計自動制動踏板機構的可行性。

　　1自動制動踏板機構方案設計

　　多數傳統制動踏板結構形式類似[11]。通過駕駛員腳踩踏板作用面，踏板后端的銷孔繞支點軸順時針轉動，從而帶動踏板尾部制動主缸工作，實現車輛制動。對于這一類型的制動踏板，為實現其自動化，考慮人工制動與自動制動可能同時操作，同時考慮制動踏板附近狹小空間、作動位移盡可能小等實際因素，方案設計時在后端部銷孔與支點軸孔間布置一推桿電動機，向上推動制動踏板繞支點軸孔轉動，實現在小位移輸入情況下踏板后臂的自動上升。

　　但電動機推桿與踏板的接觸區域為一平面，制動過程中難以實現電動機推桿與踏板連續運動，二者間的相對滑動和推力中斷較難避免。為此，在機構設計中在該位置截取一半徑和圓心未知的圓弧，同時在電動機推桿上方安裝一圓形斷面的運動銷，利用兩圓的剛性接觸實現踏板轉動過程，由此可防止因接觸力方向劇烈變化而導致的運動銷與踏板后臂下平面的相對滑動，進而實現推桿電動機推力連續作動。

　　2自動制動踏板機構運動模型及優化

　　為說明自動制動踏板機構的優化設計過程，選取某電動觀光車制動踏板為研究對象，通過實測其幾何尺寸，利用本文方法求解最優的圓弧形截面半徑和圓心坐標。為驗證本文所建立機構運動模型的正確性，與CATIADMU模型和踏板運動學臺架試驗數據進行對比分析。最后，通過實車制動試驗，說明所設計自動制動踏板機構的可行性。

　　3自動制動機構實車制動試驗

　　為進一步驗證自動制動機構的實際制動效果，在某型電動觀光車上安裝本文設計的自動制動機構，開展了相關的車輛制動試驗。其中，在原電動觀光車上，將本文所設計的自動制動機構2替換原制動踏板，然后利用INV測試儀3測量電動機推桿的上升高度，利用VBOX汽車動力學測試儀3、5測量制動減速度和車速，在長約500m的直道4上開展制動試驗。總體來說，三種制動工況下，電動推桿上升高度均隨時間連續穩定增大，制動減速度持續增大，車速基本呈線性下降，說明自動制動機構運動過程是平穩可靠的。通過控制電動推桿行程，在自動制動機構上可實現緩速制動、快速制動和人-機分離制動等多種功能。

　　緩速制動過程中踏板從初始位置到最大行程(約12mm)約為1.6s，快速制動的起作用時間則可達0.5s，最大制動減速度均約為0.25g。此外，利用本文所設計機構，駕駛員可隨時介入作用制動踏板，在車輛自動駕駛狀態下可實現人機共駕。

　　工科論文投稿刊物：《浙江大學學報工學版》Journal of Zhejiang University(Engineering Science)(月刊)曾用刊名：浙江大學學報(自然科學版)，1956年創刊，四校全并后，為了突出浙江大學的工科優勢，改為浙江學報工學版，稿源主要來之于本校教師、學生、研究所的科研工作者。

　　4結論

　　(1)本文建立的自動制動踏板機構運動學模型與CATIADMU模型計算結果完全一致，與臺架試驗數據亦十分接近，說明了所建立的踏板運動學模型的正確性。(2)利用本文的機構優化方法獲得了圓弧形截面的最優初始參數，在該參數下，運動銷與圓弧形截面的切點和運動銷頂點的最大橫向偏差僅0.538mm，運動約束和受力分析表明，優化的制動踏板機構能提供平穩連續的制動推力。(3)實車制動試驗表明，所設計自動制動踏板能有效實現慢速、快速和人-機分離等自動駕駛車輛的制動需求。

　　參考文獻：

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　　作者：田國英陳昭翔孫樹磊鄧鵬毅彭憶強