汽车制动机器人执行机构研究

①
故可计算得出θ′ 125.2
由θ′可以计算得到 h2 的范围，根据图 3 中的角度关系可列 式：
图 4 制动踏板的 受力
计算得到：
② ，
其中
。
又
，整理得：
③
λ1，s1 的关系式为：
；
机构电动缸丝杠方向总长度计算公式：
④
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。
4．车载逆变器 4.1 车载逆变器的选择标准
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：
输入电压
DC10-15V
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：α：制动踏板转过的角度；β：初始时踏板与地面的角度； β′：末位置踏板与地面的角度；λ1：初始时伺服电动缸与地面所成角度；λ2：末位置伺 服电动缸与地面所成角度；θ：初始时电动缸丝杠与制动踏板所成角度；θ′：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。
输出电压
AC220+5%
输出频率
50Hz+2
低压警报（空载）
DC10.0V-11.0V
低压关闭电压
DC10V+2V
高压关闭电压
DC15V+2V
无负载损耗
<0.3A
Hale Waihona Puke 转换效率>95%
USB 输出电压
5V max 500mA
输出功率
1500W
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
根据上面几个式子可得到θ，λ1，λ2，h2 和 s1 分别与θ′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α、β、s2 等几个参数是不同的，相应地就会造成 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。
Abstract: ： In order to design parameters to pedal feel simulator more accurate
mathematical model, parameters needed 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
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。
Keywords: Simulation of automobile brake brake pedal feel; robot; new energy 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。
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=μF=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
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：
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
[σ1]=0.9[σ]
压应力 [σa]=[σ] 表 2 焊接处的许用应力[2]
根据焊接强度计算公式，代入数据计算得到
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+h2≥230.82mm,根据设计的支撑架尺寸可 知，支撑架的实际总高度为 238mm≤L≤318mm,满足计算结果。
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地板上。
5.5 机器人脚
1. 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：
1. 踏板行程的精确控制，需要至少精确到 0.1mm；
2. 将制动踏板踩到底的时间不得超过 0.2s；
3. 电动缸推进的行程不能超过踏板的全行程；
4. 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：
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
反馈
控制行程
伺服驱动器
伺服电动缸
传输数据 压力传感器
是
对射式光 电开关
检测是否到 达最大行程
制动踏板
机器人脚
数字压力显示 器
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人的驱动原件。伺服电动缸的选用需要满足三点要求：①
满足空间的尺寸要求；② 最大推力不低于最大的踏板力；③ 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 500N[1]。根据一般乘用车的设计经验，制动踏板的全行程不会超过 120mm[4]，
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。
到 Mt 的最大值为
螺栓压紧力：
[2]
⑦
式中μ为摩擦系数，对于铁与铁的摩擦系数查表得μ=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
；
切应力 [τ]=0.6[σ]
；
；
,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θ′,上面计算得到：