1 引言
制動踏板的結構可以簡化為普通的連桿運動機構，在進行踏板關鍵尺寸設計時，有較多的已知并且明確的輸入條件，但最佳的設計參數并不是唯一的數值，而是在一個合理的范圍內。常規的設計思路需要進行較多的數學計算，并且要反復計算、逐步逼近才能使設計尺寸達到合理的范圍。
當今計算機輔助軟件已經得到全面普及，本文利用Siemens NX的草圖分析功能，快速、準確地確定制動踏板的關鍵設計尺寸。
2 制動踏板結構簡介
制動踏板結構如圖1所示，制動踏板及支架位于駕駛艙內側，通常情況下，微車的真空助力器l位于駕駛艙外側的前方，制動踏板支架3和真空助力器l同固定在車身鈑金內外兩側。制動踏板桿7與真空助力器推桿5通過銷軸和卡簧相連。制動時，駕駛員用腳踩下制動踏板腳踏墊，踏板繞回轉中心4逆時針旋轉，通過軸銷推動真空助力器推桿向前運動。真空助力器上有管路與發動機進氣歧管相連接，助力器可以借助發動機進氣歧管內的真空度將駕駛員的踩踏力放大并傳遞給制動主缸內部的活塞，活塞隨之向前運動使主缸內的制動液流動，從而使主缸內制動液通過制動管路到達各車輪的制動分缸，制動分缸推動制動器工作實現減速制動。
圖1 抽動踏板結構示意圖
3 制動踏板設計輸入條件和期望結果
如圖2所示，已知輸入條件如下。
（1）上止點中心2和下止點中心l的位置：整車總體布置根據人機工程要求指定的已知點。
（2）推桿行程P18=42.5mm；微車的真空助力器通常根據現有型號選型，制動主缸的缸徑和活塞行程則由整車制動系統參數匹配后確定為P18=42.5mm。真空助力器和制動主缸作為一個總成部件，其位置通常由整車總體布置選定，推桿的行程和制動主缸活塞的行程一致。
（3）推桿允許的擺動量R≤3°真空助力器技術要求中的明確要求。
（4）踏板杠桿比S=Ll/L2=2.93；由整車制動系統參數匹配設計報告指定。
未知參數：點3和點4的具體位置，即踏板參數設計要確定的內容。
目標參數分析：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量R≤3°，將推桿的軸線上線擺動3°并將擺動后的兩直線端點相連作為矩形A的短邊，以推桿行程P18：42.5mm為矩形A長邊，則最終點3的運動軌跡完全落在矩形A范圍內就可以達到設計目的。
圖2中矩形B要求推桿的擺動量不大于1.5°為了達到設計最優，最大限度地提高傳動效率，減少推桿球頭磨損，筆者要求點3的運動軌跡完全落在矩形B中。
圖2 制動踏板已知輸入條件
4 NX草圖功能簡介
Siemens NX的前身NX是CAID/CAD/CAM/CAE一體化的三維參數化高端軟件，自從1990年進入中國市場以來，發展迅速，現已廣泛應用于中國的航空、航天、汽車、造船及電子等工業領域，其中以CAD功能的應用較廣。
NX中的草圖（Sketch）是指與實體模型相關聯的二維圖形。它可以通過對近似的曲線輪廓進行尺寸和幾何約束來準確地表達設計師的設計意圖，再輔以拉伸（Extruded Body）、旋轉（Revolved Body）和掃描（Sweep along Guide）等實體建模方法來創建模型。
一般情況下，用戶的三維建模都是從創建草圖開始，即先利用草圖功能創建出特征的大略形狀，再利用草圖的幾何和尺寸約束功能，精確設置草圖的形狀和尺寸。繪制草圖完成后即可利用拉伸、回轉或掃掠等功能，創建與草圖關聯的實體特征。用戶可以對草圖的幾何約束和尺寸約束進行修改，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、表達式3類。
尺寸約束：尺寸約束用于控制一個草圖對象的尺寸或2個對象間的關系，相當于對草圖對象的尺寸標注。與尺寸標注不同之處在于，尺寸約束可以驅動草圖對象的尺寸，即根據給定尺寸驅動、限制和約束草圖對象的形狀和大小。
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象的幾何特性和確定草圖對象之間的相互關系，例如在某個方向上固定、與某個對象相切或與某個對象垂直和平行等。在NX中，系統提供了20種類型的幾何約束。根據不同的草圖對象，可添加不同的幾何約束類型。
表達式：表達式是NX的一個工具，是用于控制模型參數的數學表達式或條件語句。它的等式左側必須是一個簡單的變量，等式右側是一個數學語句或一個條件語句。通過算術和條件表達式，用戶可以控制部件的特性，例如控制部件的特征或對象的尺寸。通過表達式不但可以控制部件中特征與特征之間、對象與對象之間、特征與對象之間的相互尺寸與位置關系，而且可以控制裝配中的部件與部件之間的尺寸與位置關系。
表達式的組成：表達式由2個部分組成，左側為變量名，右側為組成表達式的字符串。表達式字符串經計算后將值賦予左側的變量。
表達式的類型：算數表達式，如Pl=5+8×sin45°；條件表達式，如width=if（length<100）（60）else（40）；幾何表達式，如P3=length（3）。
5 利用NX草圖分析功能確定踏板參數的過程
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，兩側各做2條共4條虛線，利用幾何約束的共點命令將4條虛線右側的端點與助力器推桿的中心線右側的端點設為“共點”；利用幾何約束的等長命令將4條虛線與助力器推桿的中心線設為“等長”；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置為p19=1.5°、p20=3°、p21=1.5°、p22=3°。
圖4 踏板與推桿連接銷目標位置
將虛線1和4左側端點連接并以此為矩形短邊，長邊平行于中心線且其長度為主缸活塞行程P18=42.5mm，得出矩形A為踏板與推桿連接銷目標位置的合格范圍。同樣，以虛線2和3左側端點連線為短邊得出的矩形B為踏板與推桿連接銷目標位置優化范圍，筆者將其作為設計目標。
詳細參數設計：如圖5所示，首先利用幾何約束命令將已知點下止點中心l和上止點中心2設為“完全固定”，使其不能移動。然后以點1和點2為起點分別作2條綠線，利用幾何約束將2條綠線的下端分別與點1和點2設為“共點”，再利用幾何約束命令將兩條綠線設為“等長”，將兩條綠線上端點同樣設為“共點”。至此．2條綠線便是踏板桿的力臂，點3便是踏板桿的回轉中心。
圖5 制動踏板已知輸入條件
作藍色圓，將其圓心與點3設為“共點”，在綠色直線上標注尺寸L1，其數值P16的大小隨意設定，再對圓的直徑進行標注將其尺寸以表達式的方式設定為P17=P16×2/2.93，也就是說，圓的半徑是助力器推桿的力臂，圓是推桿力臂的運動軌跡，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：方法很簡單，就是不斷地調整、更改Ll的尺寸數值P16的大小，更改時點3的位置會隨之變化，圓的直徑也隨之變化，當圓弧完全落在矩形B范圍時，踏板的參數便可以確定下來。
如圖6所示：點4和點5為圓6與矩形B兩短邊的交點，則點4和點5為連接銷運動的上、下止點，點3為踏板的回轉中心，至此踏板的2個重要點的位置明確，可以順利開展后續建模工作。
圖6 踏板與推桿連接銷位置確定
6 小結
本文通過分析制動踏板設計過程的杠桿比、行程和上、下止點等已知條件，以及踏板關鍵尺寸的內在關系，利用設計輔助軟件Siemens NX的草圖分析的幾何約束、尺寸約束及表達式功能來確定制動踏板的關鍵尺寸。這種簡單且準確的設計方法可以應用于其他連桿運動機構設計中，提升設計效率。
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本文標題：NX草圖分析在制動踏板設計中的應用
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