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汽车油门踏板安全辅助装置设计与仿真分析

文档作者：李军政陈昭君杨跃强敏曹瑞玲李满文档来源： 1．湖南省长沙市湖南农业大学工学院 2．湖南省长沙市南方粮油作物协同创新中心 3．湖南省长沙市湖南省现代农业装备工程技术研究中心		点击数：	更新时间： 2021年03月04日
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第54卷第7期
V01．54 No．7
农业装备与车辆工程
AGRICULTURAL EQUIPMENT&amp;amp;VEHICLE ENGINEERING
2016年7月
July 2016
doi：10．3969／j．issn．1673—3142．2016．07．003
汽车油门踏板安全辅助装置设计与仿真分析
李军政Ⅲ，陈昭君1，杨跃1，强敏1，曹瑞玲1，李满1
(1．410128湖南省长沙市湖南农业大学工学院；2．410128湖南省长沙市南方粮油作物协同创新中心；
3．410128湖南省长沙市湖南省现代农业装备工程技术研究中心)
[摘要】针对汽车驾驶员在紧急情况下频繁出现误踩油门而造成严重交通事故的现象，分析了驾驶员对油门和
制动两种踏板的操控和工作模式，以油门踏板的受力作为误踩判断的依据，设计了一种机械离心式油门防误踩
安全辅助装置。将油门踏板误踩操作转换为安全操作。通过对装置核心部件输入轴与棘轮机构的三维建模与有
限元仿真分析。获得了应力应变的分布规律，验证了装置结构设计的合理性。
[关键词]汽车安全；紧急制动；建模与仿真
[中圈分类号】U491．6 [文献标志码】A [文章编号】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
随着家用小车的日益普及，道路交通事故逐年
增加，其中，因紧急情况下驾驶员误踩加速踏板而
造成的事故比例高达12．6％11。21。由于现代汽车的加
速踏板和制动踏板都由汽车驾驶员的右脚操作完
成，在空间位置上非常贴近，而二者的作业确实完
全相反的，因此在紧急情况下最容易出现误操作，
从而对汽车的操控完全有悖于驾驶员本来的意图，
增加了严重车祸的风险。然而到目前为止，依然没
有完善的保护措施和装备避免类似情况发生。已有
基金项目：湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目
(SCXl5 17)
收稿日期：2016-03一18 惨回日期：2016．旬3—23
油门防误踩技术主要基于传感器与电子技术。但是
存在运行不稳定、容易发生误判、受外部环境因素
影响大、拆装互换不方便等缺点C3-73。因此。研制一
套简单实用、工作可靠的油门防误踩装置具有重
要的现实意义。
本文设计的机械式汽车油门防误踩安全辅助
系统解决了上述问题，简单实用工作可靠，开关切
换方便，拆装不影响原车驾驶性能，同时有助于促
使驾驶员养成良好驾驶习惯。
1工作原理
1．1油门一制动踏板工作流程
系统工作的核心技术在于通过对油门踏板动
作的判断而选择不同的执行机构。而实现该功能
万方数据
第54卷第7期李军政等：汽车油门踏板安全辅助装置设计与仿真分析
的机械装置为重力离心式棘轮棘爪机构。系统工
作流程如图1所示．安全辅助装置的信号感应器
接收来自驾驶员对油门踏板的动作信号，通过判
断机制识别其为正常踩踏动作还是误踩动作，从
而分别启动不同的执行机构完成相应的加油操作
意图和防误踩制动减速停车。
驾驶员油门动作
信号感应器
误踩油门
卫
开启警报及安全装置
旦
油门一刹车踏板联动二二二]工二
紧急减速、停车
正常行驶
丑
关闭警报及安全装置
丑
油门一刹车踏板互不干涉二二二]工二二
正常加速行驶
圈1系统工作漉程
Fig．1 Work processes of the system
1．2油门一制动踏板控制逻辑
根据驾驶员右脚对油门踏板和制动踏板的操
作．正常驾驶过程中对制动踏板的快慢操作都是安
全的，其结果就是使车减速并停止，而对油门踏板
的操作，无论快慢都是使车加速，并且会随着加油
快慢而导致车提速的快慢。两种踏板在慢速踩下都
相对安全。因此出现误操作的最大可能性在于快速
加油和快速制动的错误执行。由于情况紧急之下没
有时间进行错误纠正。出现车祸的风险最高。所以
在设计中主要是对油门踏板快速踩下动作的控制
执行，如表1所示。其余动作正常执行。
衰1奠板控■逻辑
Tab．1 Control Iogic of the pedals
1．3油门一制动踏板联动机制
在油门踏板杆外侧和制动踏板杆内侧安装一
个联动抱死机构。两者通过联动机构与棘轮机构
相连接．棘轮机构常态下抱紧油门踏板杆而感应
油门踏板的速度，结构组成如图2所示。由于联动
机构常态下与制动踏板杆分离，因此制动踏板的
动作独立执行，当油门踏板在慢速情况下，棘轮机
构的离心式感应器判断为正常操作而并不传动给
联动机构。当油门踏板以超过设定速度踩下时，感
应器判断为误操作而启动联动机构．在离心式棘
轮锁的作用下，联动机构扩张，从而松开油门踏板
杆而抱死制动踏板杆，同时启动减油措施，从而执
行安全防范的制动减速停车操作，避免因误操作
带来的可怕后果。
田2职动机嗣蘑鞫圈
Fig．2 Linkage mechanism of the ii：)(副：JsIs
1．4误踩信号感应执行机构
误踩信号感应执行机构主要由飞锤、弹簧、连
杆、棘爪、棘轮、离心盘等组成，如图3所示。飞锤
是核心部件，飞锤与弹簧连接，在固定座上径向滑
动，并与连杆机构铰接带动棘爪运动。棘爪和棘轮
分别连接动力输入轴与执行输出轴。飞锤感应输
入轴的转速并确定执行动力输出与否．从而实现
两两踏板的联动与否。
1．掸簧2．E锤3．㈨定座4棘爪5．棘轮
图3棘轮结构图
Fig．3 Structure of ratchet
以油门踏板正常和紧急状况下踩下的速度不
一样而做出判断。由于踏板作用位移相同但是作
用时间不一样，因此可将踏板的加速度作为判断
依据，也就是瞬时受力大小不同，建立离心式飞锤
速度感应机构的力学模型如图4所示。
万方数据
12 农业装备与车辆工程2016年
图4禹心机构力学模型
Fig 4 Dynamic model of centrifugal mechanism
根据模型可得：
Fm=nm=mrt02=mv2，r (1)
，
Fk=kx=k I秽出(2)
6
c=垆唧忙』％参(3)
式中：m——飞锤质量；rnp棘轮质量：．j}——弹簧的
弹性系数。
m，％，k为可控变量。弹力和离心力的产生是
过程量。但是较大的加速度是由极短时间内受力
作用产生的．故在实际计算中用稳定状态下的静
力平衡计算。
误操作时猛踩油门与正常踩油门两种情况下
油门踏板的速率和加速度都不同。为简化分析，油
门踏板到底可视为做匀加速直线运动【“]．由运动
学公式：
S=vot+at212，昭2(S---vot)伊(4) 式中：．卜油门踏板行程；t，r油门踏板初速度，
t7庐0 m／s；r油门踏板加速度；卜一作用时间。
由踩油门踏板的时间及行程可计算出正常踩
油门时的加速度与误踩油门时的加速度．为避免
因超车加速而引起系统判断失误。加速度取得稍
大些，以此作为感应机构的判断阈值。
2装置整体结构设计
汽车油门踏板安全辅助装置系统主要由误踩
信号感应装置、传动装置、复位装置、联动装置和
安全装置五部分组成，如图5所示。
其中传动装置是由齿轮、齿条和输人轴组成。
输入轴与齿轮相连，通过定位销与离心盘相连；复
位装置是由波纹管和复位弹簧组成：防误踩装置是
由弹簧、飞锤固定座、棘爪和棘轮组成，飞锤与连杆
相连，且与弹簧为面接触。在离心力作用下向固定
座内侧沿连杆滑动．同时带动与其铰接的棘爪向外
运动；联动装置由齿轮、齿条和输出轴组成。输出轴
和传动盘通过销相连，和齿轮通过平键连接；安全
装置由端口有螺纹的可调节轴通过螺丝与圆环固
定连接，同时与输出轴、传动盘的内侧相连。
1．12．齿条2．13．渡纹冒3．14．复位弹簧4．8．齿轮5．输入轴
6．离心盘7．传动盘9．输出轴10．安全装置切换开关11．平键
15．内棘轮
圈5汽车油门安全辅助系统结构图
Fig．5 Structure of the assistance safety system
3有限元模型与仿真分析
3．1三维建模
在UG软件装配模式下。采用自顶向下设计
方法，利用WAVE几何链接等进行参数化建模。
一般是先创建零件的大体形状，然后再添加各类
特征而完成∞]。建立整体装置三维模型，如图6
所示，其中棘轮离合器的三维模型如图7所示。
图6装置三维模型图
Fig．6 3D model of the assistance safety system
图7棘轮离合器三维模型图
Fig．7 3D model of the ratchet clutch
万方数据
第54卷第7期李军政等：汽车油门踏板安全辅助装置设计与仿真分析13
3．2有限元模型
对装置中主要受力的工作部件输入轴和棘轮
离合器建立有限元模型并进行计算与仿真，分析其
受力应变的规律，从而为结构优化设计提供基本依
据。建立理想化模型，添加材料，材料属性如表2。
裹2装置材料属性
Tab．2 Properties of the materials
划分3D四面体网格，获得网格化仿真模型，对
模型两端面添加约束条件，以正反两种加载模式分
别分析4种典型工况下的受力与变形响应。
3．3仿真结果与分析
(1)最大制动力工况
根据紧急情况下误踩油门的最大制动力90 N口]，
分别获得输入轴在棘轮无制动与棘轮制动时的
应力云图。如图8。
¨})
图8最大制动力工况下的有限元分析
Fig．8 Finite Element Analysis of maximum braking force
输入轴在两端受到的应力最大，最大应力位
于棘轮与输入轴连接处，而棘轮在与棘爪接触处
受到的应力最大，变形量最大。
(2)最大速度工况
根据驾驶员紧急情况下误踩油门所需反应时
间最短为0．1。0．6 s[-o]，分别算得最大速度时输入
轴在棘轮无制动与棘轮有制动时的应力应变云
图．如图9所示。输入轴在中间所受应力最小，两
端处最大，棘轮在棘爪接触处所受应力最大，沿
两边逐次递减，实际最大应力低于设计要求最小
应力。
圈9最大速度工况下的有限元分析
Fig．9 Finite element analysis of the maximum speed
综上所述，在扭转力矩作用下，输入轴中间应
变最小，左端与棘轮离合器连接处应变最大，经计
算实际挠度小于最小许用挠度，符合设计要求。
万方数据
14 农业装备与车辆工程2016年
5结论
本文针对现有的油门防误踩装置的不足。基
于正常和紧急状况下油门踏板力的不同，分析并
计算出装置系统感应装置的判断阀值。设计出一
款机械式汽车安全辅助系统，在不影响原有的使
用结构和性能的基础上合理利用棘轮棘爪离合的
原理，实现油门踏板与制动踏板的逻辑控制与联
动，可有效降低紧急状况下误踩油门事故的发生
率。装置整体设计人性化。可以防止油门被误踩，
同时还可以培养驾驶员的良好驾驶习惯。
针对装置的核心部件输入轴与棘轮离合器进
行三维建模与有限元仿真分析，获得了4种不同
工况下的应力应变结果及其分布规律．验证了设
计的合理性。同时也为进一步优化设计结构提供
了充分的依据。
参考文献
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机械工业出版社．2014．
[10]许洪国．汽车运用工程[M]．4版．北京：人民交通出版社，2009．
作者简介李军政(1978一)，男，博士生，副教授，硕士生导师，研
究方向：地面作业装备与控制。E-mail：lijurlzIlen92008@163．tom
宁波华盛推出四款重卡液力缓速器新品
2016年6月18日，宁波华盛液力缓速器项
目产品上市发布会举行。在发布会上，宁波华盛
汽车部件有限公司董事长陈静良在接受记者采访
时说：“2012年国家颁布的《机动车运行安全技术
条件》(GB 7258—2012)，要求‘车长大于9米(专
用校车为车长大于8 m)，总质量≥12 000 kg的
货车和专项作业以及所有危险品运输车的制动系
统必须强制装用辅助制动系统’。此外，今年两会
期间有三个提案提出强制安装缓速器装置。并要
求整车企业设计、预留可安装缓速器产品空间。”
2013年3月，宁波华盛正式启动液力缓速器
项目。从设计、研发、开发到一款款产品定型、生产
总装下线．终于在2015年10月通过国家级最高
质量检验检测证书。
在发布会现场。宁波华盛正式向市场推出
HS．32B型(3 200 N·m并联式安装)、HS．36B型
(3 600 N·m并联式安装)、HS．40C型(4 000 N·m
串联式安装)、HS．40D型(4 000 N·m独立式安装)
四款液力缓速器。陈静良告诉记者：“目前市面上
的液力缓速器只要两种安装方式，适用车型少，而
我们有三种安装方式，产品覆盖面更广。”他还透
露．HS．45D独立安装与HS．45C贴附式串联安装
两款黄金版产品也即将下线．宁波华盛下一步还
将研发35 t以上车型可安装使用的液力缓速器。
全面满足更多车型的需求。
万方数据

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