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汽車油門踏板安全輔助裝置設(shè)計(jì)與仿真分析

文檔作者：李軍政陳昭君楊躍強(qiáng)敏曹瑞玲李滿文檔來(lái)源： 1．湖南省長(zhǎng)沙市湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 2．湖南省長(zhǎng)沙市南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心 3．湖南省長(zhǎng)沙市湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年03月04日
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第54卷第7期
V01．54 No．7
農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程
AGRICULTURAL EQUIPMENT&amp;amp;VEHICLE ENGINEERING
2016年7月
July 2016
doi：10．3969／j．issn．1673—3142．2016．07．003
汽車油門踏板安全輔助裝置設(shè)計(jì)與仿真分析
李軍政Ⅲ，陳昭君1，楊躍1，強(qiáng)敏1，曹瑞玲1，李滿1
(1．410128湖南省長(zhǎng)沙市湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院；2．410128湖南省長(zhǎng)沙市南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心；
3．410128湖南省長(zhǎng)沙市湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心)
[摘要】針對(duì)汽車駕駛員在緊急情況下頻繁出現(xiàn)誤踩油門而造成嚴(yán)重交通事故的現(xiàn)象，分析了駕駛員對(duì)油門和
制動(dòng)兩種踏板的操控和工作模式，以油門踏板的受力作為誤踩判斷的依據(jù)，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械離心式油門防誤踩
安全輔助裝置。將油門踏板誤踩操作轉(zhuǎn)換為安全操作。通過(guò)對(duì)裝置核心部件輸入軸與棘輪機(jī)構(gòu)的三維建模與有
限元仿真分析。獲得了應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律，驗(yàn)證了裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。
[關(guān)鍵詞]汽車安全；緊急制動(dòng)；建模與仿真
[中圈分類號(hào)】U491．6 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A [文章編號(hào)】1673—3142(2016)07-0010—05
Design and Simulation Analysis of Safety Assistance Device of Automobile Accelerator Pedal
b Junzhen91"2伊9 Chen Zhaojunl，Yang Yuel，Qiang Minl，Cao Ruffin91，Li Manl
(1．Cofiege of Engineering，Hunan Agricultural University，Changsha City，Hunan Province 410128，China；
2．Southern Regional CoHaborafive Innovation Center for Grain and Oil Crops in China，
Changsha City，Hunan Province 410128，China；
3．Hunan Provincial Engineering Technology Research Center for Modern Agricultural Equipment，
Changsha City，Hunan Province 410128，China)
[Abstract】Based on the phenomenon that tIle automobile drivers mistakenly step on the accelerator which causes serious tmmc
accident to Occur frequently in emergency situations，this paper analyzes the accelerator and brake pedal manipulation and op—
erating modes．With the judgment of the force appfied on the pedal，a mechanical centrifugal safety assistance device of automo—
bile accelerator pedal is designed which transfers the mistaken manipulation on the pedal into safe operation．It obtains tlle distribution
of stress and strain of the core component of the input shaft and the ratchet mechanism through the three---dimengional
modeling and finite element simulation analysis and verifies the reasonability of the structural design．
[Key words]automobile safety；emergency braking；modeling and simulation
0引言
隨著家用小車的日益普及，道路交通事故逐年
增加，其中，因緊急情況下駕駛員誤踩加速踏板而
造成的事故比例高達(dá)12．6％11。21。由于現(xiàn)代汽車的加
速踏板和制動(dòng)踏板都由汽車駕駛員的右腳操作完
成，在空間位置上非常貼近，而二者的作業(yè)確實(shí)完
全相反的，因此在緊急情況下最容易出現(xiàn)誤操作，
從而對(duì)汽車的操控完全有悖于駕駛員本來(lái)的意圖，
增加了嚴(yán)重車禍的風(fēng)險(xiǎn)。然而到目前為止，依然沒
有完善的保護(hù)措施和裝備避免類似情況發(fā)生。已有
基金項(xiàng)目：湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目
(SCXl5 17)
收稿日期：2016-03一18 慘回日期：2016．旬3—23
油門防誤踩技術(shù)主要基于傳感器與電子技術(shù)。但是
存在運(yùn)行不穩(wěn)定、容易發(fā)生誤判、受外部環(huán)境因素
影響大、拆裝互換不方便等缺點(diǎn)C3-73。因此。研制一
套簡(jiǎn)單實(shí)用、工作可靠的油門防誤踩裝置具有重
要的現(xiàn)實(shí)意義。
本文設(shè)計(jì)的機(jī)械式汽車油門防誤踩安全輔助
系統(tǒng)解決了上述問(wèn)題，簡(jiǎn)單實(shí)用工作可靠，開關(guān)切
換方便，拆裝不影響原車駕駛性能，同時(shí)有助于促
使駕駛員養(yǎng)成良好駕駛習(xí)慣。
1工作原理
1．1油門一制動(dòng)踏板工作流程
系統(tǒng)工作的核心技術(shù)在于通過(guò)對(duì)油門踏板動(dòng)
作的判斷而選擇不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。而實(shí)現(xiàn)該功能
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第54卷第7期李軍政等：汽車油門踏板安全輔助裝置設(shè)計(jì)與仿真分析
的機(jī)械裝置為重力離心式棘輪棘爪機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)工
作流程如圖1所示．安全輔助裝置的信號(hào)感應(yīng)器
接收來(lái)自駕駛員對(duì)油門踏板的動(dòng)作信號(hào)，通過(guò)判
斷機(jī)制識(shí)別其為正常踩踏動(dòng)作還是誤踩動(dòng)作，從
而分別啟動(dòng)不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的加油操作
意圖和防誤踩制動(dòng)減速停車。
駕駛員油門動(dòng)作
信號(hào)感應(yīng)器
誤踩油門
衛(wèi)
開啟警報(bào)及安全裝置
旦
油門一剎車踏板聯(lián)動(dòng)二二二]工二
緊急減速、停車
正常行駛
丑
關(guān)閉警報(bào)及安全裝置
丑
油門一剎車踏板互不干涉二二二]工二二
正常加速行駛
圈1系統(tǒng)工作漉程
Fig．1 Work processes of the system
1．2油門一制動(dòng)踏板控制邏輯
根據(jù)駕駛員右腳對(duì)油門踏板和制動(dòng)踏板的操
作．正常駕駛過(guò)程中對(duì)制動(dòng)踏板的快慢操作都是安
全的，其結(jié)果就是使車減速并停止，而對(duì)油門踏板
的操作，無(wú)論快慢都是使車加速，并且會(huì)隨著加油
快慢而導(dǎo)致車提速的快慢。兩種踏板在慢速踩下都
相對(duì)安全。因此出現(xiàn)誤操作的最大可能性在于快速
加油和快速制動(dòng)的錯(cuò)誤執(zhí)行。由于情況緊急之下沒
有時(shí)間進(jìn)行錯(cuò)誤糾正。出現(xiàn)車禍的風(fēng)險(xiǎn)最高。所以
在設(shè)計(jì)中主要是對(duì)油門踏板快速踩下動(dòng)作的控制
執(zhí)行，如表1所示。其余動(dòng)作正常執(zhí)行。
衰1奠板控■邏輯
Tab．1 Control Iogic of the pedals
1．3油門一制動(dòng)踏板聯(lián)動(dòng)機(jī)制
在油門踏板桿外側(cè)和制動(dòng)踏板桿內(nèi)側(cè)安裝一
個(gè)聯(lián)動(dòng)抱死機(jī)構(gòu)。兩者通過(guò)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)與棘輪機(jī)構(gòu)
相連接．棘輪機(jī)構(gòu)常態(tài)下抱緊油門踏板桿而感應(yīng)
油門踏板的速度，結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。由于聯(lián)動(dòng)
機(jī)構(gòu)常態(tài)下與制動(dòng)踏板桿分離，因此制動(dòng)踏板的
動(dòng)作獨(dú)立執(zhí)行，當(dāng)油門踏板在慢速情況下，棘輪機(jī)
構(gòu)的離心式感應(yīng)器判斷為正常操作而并不傳動(dòng)給
聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)油門踏板以超過(guò)設(shè)定速度踩下時(shí)，感
應(yīng)器判斷為誤操作而啟動(dòng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)．在離心式棘
輪鎖的作用下，聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)擴(kuò)張，從而松開油門踏板
桿而抱死制動(dòng)踏板桿，同時(shí)啟動(dòng)減油措施，從而執(zhí)
行安全防范的制動(dòng)減速停車操作，避免因誤操作
帶來(lái)的可怕后果。
田2職動(dòng)機(jī)嗣蘑鞫圈
Fig．2 Linkage mechanism of the ii：)(副：JsIs
1．4誤踩信號(hào)感應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)
誤踩信號(hào)感應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由飛錘、彈簧、連
桿、棘爪、棘輪、離心盤等組成，如圖3所示。飛錘
是核心部件，飛錘與彈簧連接，在固定座上徑向滑
動(dòng)，并與連桿機(jī)構(gòu)鉸接帶動(dòng)棘爪運(yùn)動(dòng)。棘爪和棘輪
分別連接動(dòng)力輸入軸與執(zhí)行輸出軸。飛錘感應(yīng)輸
入軸的轉(zhuǎn)速并確定執(zhí)行動(dòng)力輸出與否．從而實(shí)現(xiàn)
兩兩踏板的聯(lián)動(dòng)與否。
1．撣簧2．E錘3．㈨定座4棘爪5．棘輪
圖3棘輪結(jié)構(gòu)圖
Fig．3 Structure of ratchet
以油門踏板正常和緊急狀況下踩下的速度不
一樣而做出判斷。由于踏板作用位移相同但是作
用時(shí)間不一樣，因此可將踏板的加速度作為判斷
依據(jù)，也就是瞬時(shí)受力大小不同，建立離心式飛錘
速度感應(yīng)機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型如圖4所示。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
12 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程2016年
圖4禹心機(jī)構(gòu)力學(xué)模型
Fig 4 Dynamic model of centrifugal mechanism
根據(jù)模型可得：
Fm=nm=mrt02=mv2，r (1)
，
Fk=kx=k I穢出(2)
6
c=壚唧忙』％參(3)
式中：m——飛錘質(zhì)量；rnp棘輪質(zhì)量：．j}——彈簧的
彈性系數(shù)。
m，％，k為可控變量。彈力和離心力的產(chǎn)生是
過(guò)程量。但是較大的加速度是由極短時(shí)間內(nèi)受力
作用產(chǎn)生的．故在實(shí)際計(jì)算中用穩(wěn)定狀態(tài)下的靜
力平衡計(jì)算。
誤操作時(shí)猛踩油門與正常踩油門兩種情況下
油門踏板的速率和加速度都不同。為簡(jiǎn)化分析，油
門踏板到底可視為做勻加速直線運(yùn)動(dòng)【“]．由運(yùn)動(dòng)
學(xué)公式：
S=vot+at212，昭2(S---vot)伊(4) 式中：．卜油門踏板行程；t，r油門踏板初速度，
t7廬0 m／s；r油門踏板加速度；卜一作用時(shí)間。
由踩油門踏板的時(shí)間及行程可計(jì)算出正常踩
油門時(shí)的加速度與誤踩油門時(shí)的加速度．為避免
因超車加速而引起系統(tǒng)判斷失誤。加速度取得稍
大些，以此作為感應(yīng)機(jī)構(gòu)的判斷閾值。
2裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
汽車油門踏板安全輔助裝置系統(tǒng)主要由誤踩
信號(hào)感應(yīng)裝置、傳動(dòng)裝置、復(fù)位裝置、聯(lián)動(dòng)裝置和
安全裝置五部分組成，如圖5所示。
其中傳動(dòng)裝置是由齒輪、齒條和輸人軸組成。
輸入軸與齒輪相連，通過(guò)定位銷與離心盤相連；復(fù)
位裝置是由波紋管和復(fù)位彈簧組成：防誤踩裝置是
由彈簧、飛錘固定座、棘爪和棘輪組成，飛錘與連桿
相連，且與彈簧為面接觸。在離心力作用下向固定
座內(nèi)側(cè)沿連桿滑動(dòng)．同時(shí)帶動(dòng)與其鉸接的棘爪向外
運(yùn)動(dòng)；聯(lián)動(dòng)裝置由齒輪、齒條和輸出軸組成。輸出軸
和傳動(dòng)盤通過(guò)銷相連，和齒輪通過(guò)平鍵連接；安全
裝置由端口有螺紋的可調(diào)節(jié)軸通過(guò)螺絲與圓環(huán)固
定連接，同時(shí)與輸出軸、傳動(dòng)盤的內(nèi)側(cè)相連。
1．12．齒條2．13．渡紋冒3．14．復(fù)位彈簧4．8．齒輪5．輸入軸
6．離心盤7．傳動(dòng)盤9．輸出軸10．安全裝置切換開關(guān)11．平鍵
15．內(nèi)棘輪
圈5汽車油門安全輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
Fig．5 Structure of the assistance safety system
3有限元模型與仿真分析
3．1三維建模
在UG軟件裝配模式下。采用自頂向下設(shè)計(jì)
方法，利用WAVE幾何鏈接等進(jìn)行參數(shù)化建模。
一般是先創(chuàng)建零件的大體形狀，然后再添加各類
特征而完成∞]。建立整體裝置三維模型，如圖6
所示，其中棘輪離合器的三維模型如圖7所示。
圖6裝置三維模型圖
Fig．6 3D model of the assistance safety system
圖7棘輪離合器三維模型圖
Fig．7 3D model of the ratchet clutch
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第54卷第7期李軍政等：汽車油門踏板安全輔助裝置設(shè)計(jì)與仿真分析13
3．2有限元模型
對(duì)裝置中主要受力的工作部件輸入軸和棘輪
離合器建立有限元模型并進(jìn)行計(jì)算與仿真，分析其
受力應(yīng)變的規(guī)律，從而為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基本依
據(jù)。建立理想化模型，添加材料，材料屬性如表2。
裹2裝置材料屬性
Tab．2 Properties of the materials
劃分3D四面體網(wǎng)格，獲得網(wǎng)格化仿真模型，對(duì)
模型兩端面添加約束條件，以正反兩種加載模式分
別分析4種典型工況下的受力與變形響應(yīng)。
3．3仿真結(jié)果與分析
(1)最大制動(dòng)力工況
根據(jù)緊急情況下誤踩油門的最大制動(dòng)力90 N口]，
分別獲得輸入軸在棘輪無(wú)制動(dòng)與棘輪制動(dòng)時(shí)的
應(yīng)力云圖。如圖8。
¨})
圖8最大制動(dòng)力工況下的有限元分析
Fig．8 Finite Element Analysis of maximum braking force
輸入軸在兩端受到的應(yīng)力最大，最大應(yīng)力位
于棘輪與輸入軸連接處，而棘輪在與棘爪接觸處
受到的應(yīng)力最大，變形量最大。
(2)最大速度工況
根據(jù)駕駛員緊急情況下誤踩油門所需反應(yīng)時(shí)
間最短為0．1。0．6 s[-o]，分別算得最大速度時(shí)輸入
軸在棘輪無(wú)制動(dòng)與棘輪有制動(dòng)時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變?cè)?
圖．如圖9所示。輸入軸在中間所受應(yīng)力最小，兩
端處最大，棘輪在棘爪接觸處所受應(yīng)力最大，沿
兩邊逐次遞減，實(shí)際最大應(yīng)力低于設(shè)計(jì)要求最小
應(yīng)力。
圈9最大速度工況下的有限元分析
Fig．9 Finite element analysis of the maximum speed
綜上所述，在扭轉(zhuǎn)力矩作用下，輸入軸中間應(yīng)
變最小，左端與棘輪離合器連接處應(yīng)變最大，經(jīng)計(jì)
算實(shí)際撓度小于最小許用撓度，符合設(shè)計(jì)要求。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
14 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程2016年
5結(jié)論
本文針對(duì)現(xiàn)有的油門防誤踩裝置的不足?；?
于正常和緊急狀況下油門踏板力的不同，分析并
計(jì)算出裝置系統(tǒng)感應(yīng)裝置的判斷閥值。設(shè)計(jì)出一
款機(jī)械式汽車安全輔助系統(tǒng)，在不影響原有的使
用結(jié)構(gòu)和性能的基礎(chǔ)上合理利用棘輪棘爪離合的
原理，實(shí)現(xiàn)油門踏板與制動(dòng)踏板的邏輯控制與聯(lián)
動(dòng)，可有效降低緊急狀況下誤踩油門事故的發(fā)生
率。裝置整體設(shè)計(jì)人性化?？梢苑乐褂烷T被誤踩，
同時(shí)還可以培養(yǎng)駕駛員的良好駕駛習(xí)慣。
針對(duì)裝置的核心部件輸入軸與棘輪離合器進(jìn)
行三維建模與有限元仿真分析，獲得了4種不同
工況下的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果及其分布規(guī)律．驗(yàn)證了設(shè)
計(jì)的合理性。同時(shí)也為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)提供
了充分的依據(jù)。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介李軍政(1978一)，男，博士生，副教授，碩士生導(dǎo)師，研
究方向：地面作業(yè)裝備與控制。E-mail：lijurlzIlen92008@163．tom
寧波華盛推出四款重卡液力緩速器新品
2016年6月18日，寧波華盛液力緩速器項(xiàng)
目產(chǎn)品上市發(fā)布會(huì)舉行。在發(fā)布會(huì)上，寧波華盛
汽車部件有限公司董事長(zhǎng)陳靜良在接受記者采訪
時(shí)說(shuō)：“2012年國(guó)家頒布的《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)
條件》(GB 7258—2012)，要求‘車長(zhǎng)大于9米(專
用校車為車長(zhǎng)大于8 m)，總質(zhì)量≥12 000 kg的
貨車和專項(xiàng)作業(yè)以及所有危險(xiǎn)品運(yùn)輸車的制動(dòng)系
統(tǒng)必須強(qiáng)制裝用輔助制動(dòng)系統(tǒng)’。此外，今年兩會(huì)
期間有三個(gè)提案提出強(qiáng)制安裝緩速器裝置。并要
求整車企業(yè)設(shè)計(jì)、預(yù)留可安裝緩速器產(chǎn)品空間?！?
2013年3月，寧波華盛正式啟動(dòng)液力緩速器
項(xiàng)目。從設(shè)計(jì)、研發(fā)、開發(fā)到一款款產(chǎn)品定型、生產(chǎn)
總裝下線．終于在2015年10月通過(guò)國(guó)家級(jí)最高
質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)證書。
在發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)。寧波華盛正式向市場(chǎng)推出
HS．32B型(3 200 N·m并聯(lián)式安裝)、HS．36B型
(3 600 N·m并聯(lián)式安裝)、HS．40C型(4 000 N·m
串聯(lián)式安裝)、HS．40D型(4 000 N·m獨(dú)立式安裝)
四款液力緩速器。陳靜良告訴記者：“目前市面上
的液力緩速器只要兩種安裝方式，適用車型少，而
我們有三種安裝方式，產(chǎn)品覆蓋面更廣?！彼€透
露．HS．45D獨(dú)立安裝與HS．45C貼附式串聯(lián)安裝
兩款黃金版產(chǎn)品也即將下線．寧波華盛下一步還
將研發(fā)35 t以上車型可安裝使用的液力緩速器。
全面滿足更多車型的需求。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)

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