踏板系统设计原则与规则要求

踏板是车手驾驶用到的关键装置之一，它设计得合理与否、舒适与否，将会大大影响车手的驾驶操作，从而影响比赛成绩。因此，踏板系统的设计、装配和服役过程中的调试至关重要。

踏板系统由油门踏板和制动踏板组成，按照装配形式可以分为整体式和分体式两种（图7－8和图7－9）。整体式即两个踏板共用一块底板，主要是为了便于安装在钢管车架上，可以提供整个固定平面。而对于单体壳车身，不再有使用整体式踏板系统的必要，并且分体式可以去除中间连接段的冗余部分，大大减轻底板的重量。

图7－8　有级可调踏板

图7－9　北京航空航天大学2019年电车分体式踏板

踏板的立柱高度和转动角度需要符合人体工效学，保证车手踩踏省力，这需要测量车手所穿赛车鞋的尺寸，根据车手坐姿和踝关节活动的合适角度来确定。同时需要避免在踩踏过程中出现鞋底脱离踏片的情况，可以在踏片和挡脚块上增加限制脚部活动空间的设计。

加速踏板的结构和需求比制动踏板简单，通常主要部件为底板、立柱、回位弹簧、角位移传感器、踏片、挡脚块以及各类紧固件。由于加速踏板的踩踏不会使用太大的力，所以加速踏板在设计时能通过各类仿真试验尽可能轻量化。在使用需求上，加速踏板要力求与脚部动作高度配合。首先，立柱和踏片高度要合适，使车手可以使用脚趾与脚掌连接处关节部位踩踏踏片，这是最为舒适且可控的踩踏方式。其次，踏板在踩踏过程中应有合适的回复力，使得踩下时不会太重，而回弹时又快速、灵敏，这可以说是加速踏板使用中最重要的需求，不理想的踏板回弹会严重影响赛车动力的输出。规则中要求必须有两个能够独立回位的弹簧，可以使用一个扭簧加一个空气弹簧的组合，弹簧的参数需要根据回弹力大小设计进行定做。(www.xing528.com)

对于电车而言，规则要求加速踏板必须有至少两个传感器输出信号，且信号传递曲线的斜率不同。线位移传感器最大的特点是可靠性极高，结构简单。满足斜率不同的规则只需供电电压不同即可，因此两个传感器可以使用相同型号。其缺点则在于外观效果不佳、占空间、增重。角位移传感器结构更为精巧轻便，可靠性同样高，但前提是供电电压必须可靠。满足斜率规则同样是不同电压供电，相应地必须要选择输入电压不同的角度传感器，加之踏板整体空间有限，选型较为麻烦。且踏板的转动角度如此小，角度传感器的输出信号变化量也是非常小的，因此在选型的时候需要同时和电控系统设计人员沟通，确定他们能接受的最小变化量，避免造成麻烦。

制动踏板的主体是两个杠杆结构。第一个杠杆的主体是踏板的立柱，一个力为水平方向上的脚踏力，另一个力为施加给主缸力的斜向上的反作用力，杠杆的支点即为立柱的转轴。这个杠杆的作用在于根据制动需求放大脚踏力并施加给主缸（这个放大倍率在后面将称为杠杆比）。第二个杠杆的主体是平衡杆。在赛事规则中要求：赛车必须有两套独立的制动回路，在其中任何一个回路失效时必须保证另一个回路能单独完成制动。所以，FSAE赛车基本会采用双主缸的配置，按前轮和后轮分为两个回路，而调节前、后轮制动力分配的工具即为平衡杆（后面将这个分配比例称为制动分配比）。杠杆的支点即为平衡杆中部的鱼眼轴承，两个力即为两主缸的力。通过调节鱼眼轴承到两个主缸固定点之间的距离来调节力臂长度。

规则要求制动踏板能承受至少2 000 N的力而不损坏，当一个主缸放油后能触发超行程开关。需要对立柱和底板进行有限元仿真检验，并对超行程开关的装配位置进行校核。

制动主缸的选型与较多因素都有关系，包括杠杆比、卡钳型号、制动分配比、国家进出口贸易情况等。由于后轮所需要的制动力远低于前轮，所以可以使制动系统的两个主缸使用不同的缸径，或者前轮制动卡钳使用四活塞，后轮制动卡钳使用双活塞的设计，这方面合适的调整可以有效减小杠杆比，便于制动踏板结构的设计。

规则要求赛车在紧急制动时4个轮能同时抱死且车辆不跑偏，因此除了制动系统的维护外，赛车测试过程中还会对杠杆比进行调节。尽管做到精确的同时抱死比较困难，但务必保证前轮抱死不晚于后轮；否则制动时的车身姿态将会非常不稳定，容易失控。

在设计底板时需要注意，底板不是一个单向受力的零件，在主缸固定的吊耳处，底板受向下压力，但是在固定立柱的吊耳处，则是受到向上的拉力。所以，在设计减重开孔、设计底板安装固定孔的位置时都需要注意到这一点；否则有底板断裂的风险。

另外，还需要认真考虑装配流程，踏板的小零件较多，装配空间狭窄，尽量多地考虑可能发生的困难以避免装配或检修时遇到麻烦。