1 引言
制动踏板的结构可以简化为普通的连杆运动机构，在进行踏板关键尺寸设计时，有较多的已知并且明确的输入条件，但最佳的设计参数并不是唯一的数值，而是在一个合理的范围内。常规的设计思路需要进行较多的数学计算，并且要反复计算、逐步逼近才能使设计尺寸达到合理的范围。
当今计算机辅助软件已经得到全面普及，本文利用Siemens NX的草图分析功能，快速、准确地确定制动踏板的关键设计尺寸。
2 制动踏板结构简介
制动踏板结构如图1所示，制动踏板及支架位于驾驶舱内侧，通常情况下，微车的真空助力器l位于驾驶舱外侧的前方，制动踏板支架3和真空助力器l同固定在车身钣金内外两侧。制动踏板杆7与真空助力器推杆5通过销轴和卡簧相连。制动时，驾驶员用脚踩下制动踏板脚踏垫，踏板绕回转中心4逆时针旋转，通过轴销推动真空助力器推杆向前运动。真空助力器上有管路与发动机进气歧管相连接，助力器可以借助发动机进气歧管内的真空度将驾驶员的踩踏力放大并传递给制动主缸内部的活塞，活塞随之向前运动使主缸内的制动液流动，从而使主缸内制动液通过制动管路到达各车轮的制动分缸，制动分缸推动制动器工作实现减速制动。
图1 抽动踏板结构示意图
3 制动踏板设计输入条件和期望结果
如图2所示，已知输入条件如下。
（1）上止点中心2和下止点中心l的位置：整车总体布置根据人机工程要求指定的已知点。
（2）推杆行程P18=42.5mm；微车的真空助力器通常根据现有型号选型，制动主缸的缸径和活塞行程则由整车制动系统参数匹配后确定为P18=42.5mm。真空助力器和制动主缸作为一个总成部件，其位置通常由整车总体布置选定，推杆的行程和制动主缸活塞的行程一致。
（3）推杆允许的摆动量R≤3°真空助力器技术要求中的明确要求。
（4）踏板杠杆比S=Ll/L2=2.93；由整车制动系统参数匹配设计报告指定。
未知参数：点3和点4的具体位置，即踏板参数设计要确定的内容。
目标参数分析：图2右半部分为推杆的放大图，已知条件和推杆允许的摆动量R≤3°，将推杆的轴线上线摆动3°并将摆动后的两直线端点相连作为矩形A的短边，以推杆行程P18：42.5mm为矩形A长边，则最终点3的运动轨迹完全落在矩形A范围内就可以达到设计目的。
图2中矩形B要求推杆的摆动量不大于1.5°为了达到设计最优，最大限度地提高传动效率，减少推杆球头磨损，笔者要求点3的运动轨迹完全落在矩形B中。
图2 制动踏板已知输入条件
4 NX草图功能简介
Siemens NX的前身NX是CAID/CAD/CAM/CAE一体化的三维参数化高端软件，自从1990年进入中国市场以来，发展迅速，现已广泛应用于中国的航空、航天、汽车、造船及电子等工业领域，其中以CAD功能的应用较广。
NX中的草图（Sketch）是指与实体模型相关联的二维图形。它可以通过对近似的曲线轮廓进行尺寸和几何约束来准确地表达设计师的设计意图，再辅以拉伸（Extruded Body）、旋转（Revolved Body）和扫描（Sweep along Guide）等实体建模方法来创建模型。
一般情况下，用户的三维建模都是从创建草图开始，即先利用草图功能创建出特征的大略形状，再利用草图的几何和尺寸约束功能，精确设置草图的形状和尺寸。绘制草图完成后即可利用拉伸、回转或扫掠等功能，创建与草图关联的实体特征。用户可以对草图的几何约束和尺寸约束进行修改，从而快速更新模型。
本文主要用的草图命令有尺寸约束、几何约束、表达式3类。
尺寸约束：尺寸约束用于控制一个草图对象的尺寸或2个对象间的关系，相当于对草图对象的尺寸标注。与尺寸标注不同之处在于，尺寸约束可以驱动草图对象的尺寸，即根据给定尺寸驱动、限制和约束草图对象的形状和大小。
NX草图的尺寸约束命令和功能举例如图3所示。
图3 NX草图尺寸约束工具栏及功能举例
几何约束：几何约束用于定义草图对象的几何特性和确定草图对象之间的相互关系，例如在某个方向上固定、与某个对象相切或与某个对象垂直和平行等。在NX中，系统提供了20种类型的几何约束。根据不同的草图对象，可添加不同的几何约束类型。
表达式：表达式是NX的一个工具，是用于控制模型参数的数学表达式或条件语句。它的等式左侧必须是一个简单的变量，等式右侧是一个数学语句或一个条件语句。通过算术和条件表达式，用户可以控制部件的特性，例如控制部件的特征或对象的尺寸。通过表达式不但可以控制部件中特征与特征之间、对象与对象之间、特征与对象之间的相互尺寸与位置关系，而且可以控制装配中的部件与部件之间的尺寸与位置关系。
表达式的组成：表达式由2个部分组成，左侧为变量名，右侧为组成表达式的字符串。表达式字符串经计算后将值赋予左侧的变量。
表达式的类型：算数表达式，如Pl=5+8×sin45°；条件表达式，如width=if（length<100）（60）else（40）；几何表达式，如P3=length（3）。
5 利用NX草图分析功能确定踏板参数的过程
确定踏板与推杆连接销期望位置的范围。
如图4所示，以助力器推杆的中心线为基准，两侧各做2条共4条虚线，利用几何约束的共点命令将4条虚线右侧的端点与助力器推杆的中心线右侧的端点设为“共点”；利用几何约束的等长命令将4条虚线与助力器推杆的中心线设为“等长”；再利用尺寸约束的角度命令将4条虚线与中心线的角度设置为p19=1.5°、p20=3°、p21=1.5°、p22=3°。
图4 踏板与推杆连接销目标位置
将虚线1和4左侧端点连接并以此为矩形短边，长边平行于中心线且其长度为主缸活塞行程P18=42.5mm，得出矩形A为踏板与推杆连接销目标位置的合格范围。同样，以虚线2和3左侧端点连线为短边得出的矩形B为踏板与推杆连接销目标位置优化范围，笔者将其作为设计目标。
详细参数设计：如图5所示，首先利用几何约束命令将已知点下止点中心l和上止点中心2设为“完全固定”，使其不能移动。然后以点1和点2为起点分别作2条绿线，利用几何约束将2条绿线的下端分别与点1和点2设为“共点”，再利用几何约束命令将两条绿线设为“等长”，将两条绿线上端点同样设为“共点”。至此．2条绿线便是踏板杆的力臂，点3便是踏板杆的回转中心。
图5 制动踏板已知输入条件
作蓝色圆，将其圆心与点3设为“共点”，在绿色直线上标注尺寸L1，其数值P16的大小随意设定，再对圆的直径进行标注将其尺寸以表达式的方式设定为P17=P16×2/2.93，也就是说，圆的半径是助力器推杆的力臂，圆是推杆力臂的运动轨迹，圆的大小为踏板力臂/1除以杠杆比2.93。
确定踏板的具体参数：方法很简单，就是不断地调整、更改Ll的尺寸数值P16的大小，更改时点3的位置会随之变化，圆的直径也随之变化，当圆弧完全落在矩形B范围时，踏板的参数便可以确定下来。
如图6所示：点4和点5为圆6与矩形B两短边的交点，则点4和点5为连接销运动的上、下止点，点3为踏板的回转中心，至此踏板的2个重要点的位置明确，可以顺利开展后续建模工作。
图6 踏板与推杆连接销位置确定
6 小结
本文通过分析制动踏板设计过程的杠杆比、行程和上、下止点等已知条件，以及踏板关键尺寸的内在关系，利用设计辅助软件Siemens NX的草图分析的几何约束、尺寸约束及表达式功能来确定制动踏板的关键尺寸。这种简单且准确的设计方法可以应用于其他连杆运动机构设计中，提升设计效率。
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本文标题：NX草图分析在制动踏板设计中的应用
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