楊躍，李軍政,2,3，陳昭君，強(qiáng)敏，曹瑞玲，李滿

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410128；2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長(zhǎng)沙 410128；3.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南長(zhǎng)沙 410128)

基于UG的汽車(chē)安全輔助剎車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

楊躍1，李軍政1,2,3，陳昭君1，強(qiáng)敏1，曹瑞玲1，李滿1

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410128；2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長(zhǎng)沙 410128；3.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南長(zhǎng)沙 410128)

為防止汽車(chē)駕駛員在汽車(chē)行駛中由于緊急情況的出現(xiàn)使得駕駛員對(duì)加速踏板采取錯(cuò)誤操作，結(jié)合剎車(chē)與油門(mén)踏板位置，利用離心式棘輪離合器原理，設(shè)計(jì)出一種汽車(chē)安全輔助剎車(chē)系統(tǒng)。運(yùn)用Unigraphics NX8軟件，在裝配模式下采用自頂向下設(shè)計(jì)方法對(duì)該裝置各零部件進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后運(yùn)用其結(jié)構(gòu)分析模塊，確定不同條件下此裝置的受力情況，之后進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，對(duì)此裝置模型添加不同約束條件，分析強(qiáng)度變化，驗(yàn)證汽車(chē)安全輔助剎車(chē)系統(tǒng)的有效可靠性。

汽車(chē)安全；輔助剎車(chē)系統(tǒng)；參數(shù)化建模；仿真分析

0 引言

我國(guó)家用汽車(chē)越來(lái)越普及，隨之而來(lái)的交通事故也變得越來(lái)越多。據(jù)統(tǒng)計(jì)：由于駕駛員在緊急情況下把油門(mén)當(dāng)剎車(chē)誤踩所造成的事故比例高達(dá)12.6%[1]。因此，非常有必要設(shè)計(jì)一款汽車(chē)安全輔助剎車(chē)系統(tǒng)以避免此類(lèi)事故的發(fā)生。目前針對(duì)這類(lèi)事故也做了一部分研究，主要分為兩類(lèi)：機(jī)械式和電子式。前者是在副駕駛制動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進(jìn)[2];后者主要是設(shè)計(jì)電子式真空助力器[3]。但這兩類(lèi)技術(shù)在拆裝和維護(hù)方面很不方便。文中設(shè)計(jì)的機(jī)械離心式防誤踩安全輔助裝置可以解決上述問(wèn)題，同時(shí)利用目前最常用的機(jī)械設(shè)計(jì)、分析和制造軟件UG對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各零部件進(jìn)行三維實(shí)體建模并仿真分析，使得設(shè)計(jì)變得準(zhǔn)確而快捷，大幅度提高了工作效率。

1 整體設(shè)計(jì)原理

整體裝置由三大部分組成：輸入軸、棘輪離合器、輸出軸，如圖1所示。

此裝置安裝時(shí)通過(guò)可調(diào)節(jié)螺栓確定與汽車(chē)的最佳固定角度，兩齒輪齒條相連的踏板固定夾分別與油門(mén)踏板與剎車(chē)踏板桿固定。當(dāng)安全開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)，在緊急情況下誤踩油門(mén)踏板，與油門(mén)踏板固定夾相連的齒條快速向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)與齒條相連齒輪快速旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)輸入軸旋轉(zhuǎn)。輸入軸快速旋轉(zhuǎn)，使輸入軸末端平臺(tái)產(chǎn)生離心力，在離心力作用下，輸入軸末端平臺(tái)上的滑塊克服彈簧力向外滑動(dòng)，滑塊上的連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)棘爪圍繞其固定桿旋轉(zhuǎn)，當(dāng)棘爪旋轉(zhuǎn)到充分張開(kāi)而與棘輪嚙合，從而帶動(dòng)與棘輪相連接的輸出軸旋轉(zhuǎn)，輸出軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)其上齒輪旋轉(zhuǎn)，從而使踏板桿向下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生制動(dòng)，汽車(chē)減速直至停止。松開(kāi)踏板，齒條在回位彈簧助力下恢復(fù)原始狀態(tài)，離心塊在復(fù)位彈簧彈力作用下恢復(fù)初始狀態(tài)，棘爪與棘輪分離，工作行程結(jié)束。當(dāng)安全開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，開(kāi)關(guān)末端圓環(huán)平移套住滑塊移動(dòng)桿末端，從而鎖死滑塊向外滑動(dòng)，棘爪無(wú)法張開(kāi)，棘輪與棘爪不能?chē)Ш?，輸出軸對(duì)齒條無(wú)驅(qū)動(dòng)，輸入軸與輸出軸各自分離，互不影響，裝置不起作用。

2 三維實(shí)體建模

依據(jù)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的CAD圖紙，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。創(chuàng)建方法一般是先利用“拉伸”、“回轉(zhuǎn)”等工具創(chuàng)建零件的大體形狀，然后在零件上添加“凸臺(tái)”、“孔”、“筋”、“槽”等特征[4]。具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù) mm

首先，建立輸入軸三維模型圖，如圖2所示。

其次，采用WAVE幾何鏈接引用輸入軸左端面，在此端面上建立棘輪離合器，如圖3所示。

然后，對(duì)輸出軸進(jìn)行建模，如圖4所示。

最后創(chuàng)建齒輪齒條以及基座外殼完成總裝配，如圖5所示。

3 有限元模型與仿真分析

3.1 有限元模型

結(jié)構(gòu)分析就是對(duì)裝配主模型進(jìn)行受力分析。在模型上添加約束條件、加載力矩，根據(jù)受力應(yīng)變的情況進(jìn)行主模型的修改[5]。文中主要是對(duì)輸入軸和棘輪離合器進(jìn)行分析，以輸入軸與棘輪工作時(shí)為例。

首先，分析輸入軸與棘輪受力情況，理想化模型，添加材料。材料屬性如表2所示。

表2 裝置材料屬性

然后劃分3D四面體網(wǎng)格，輸入軸有限元模型共有節(jié)點(diǎn)數(shù)5 780、單元數(shù)3 142，棘輪有限元模型共有節(jié)點(diǎn)數(shù)19 072、單元9 841，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6所示。

3.2 載荷與約束確定

(1)對(duì)模型添加約束條件。通過(guò)分析定位與受力情況可知，輸入軸與棘輪的自由度為繞軸心旋轉(zhuǎn)。因此，在輸入軸與棘輪的兩端面添加約束，而圍繞軸中心旋轉(zhuǎn)不受限制。

(2)對(duì)模型添加載荷。裝置運(yùn)行時(shí)，主要受到載荷為齒條傳給常嚙合齒輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，另一載荷為左端面離心盤(pán)上棘輪離合器嚙合時(shí)帶動(dòng)輸出軸旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，兩轉(zhuǎn)矩方向相反，使軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，計(jì)算時(shí)將復(fù)雜的受力狀況簡(jiǎn)化成 4 種典型的工況，分別分析不同靜態(tài)載荷作用下的受力與變形響應(yīng)。為保證裝置受力分析時(shí)不會(huì)產(chǎn)生剛性位移并且能夠便于計(jì)算分析，確定齒輪齒條對(duì)中心軸的加載方式和約束條件如表3所示。

表3 裝置加載方式與約束條件

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

(1)最大制動(dòng)力工況

緊急情況下誤踩油門(mén)的最大制動(dòng)力為90 N[6]，通過(guò)計(jì)算可得出輸入軸在棘輪無(wú)制動(dòng)與棘輪制動(dòng)時(shí)的應(yīng)力分析云圖，如圖7所示。

圖7(a)、(c)中，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；圖7(b)、(d)中，棘輪在與棘爪接觸處受到的應(yīng)力最大，棘輪棘爪接觸處位移變形量最大，實(shí)際變形量低于最小許用變形量，滿足剛度要求。

(2)最大速度工況

人在緊急情況下誤踩油門(mén)所需反應(yīng)時(shí)間最短為0.6 s[7]，通過(guò)計(jì)算可得最大速度時(shí)輸入軸在無(wú)棘輪制動(dòng)與有棘輪制動(dòng)時(shí)的應(yīng)力分析云圖，如圖8所示。

圖8(a)、(c)中，輸入軸在中間所受應(yīng)力最小，最大應(yīng)力處在兩端；圖8(b)、(d)中，棘輪棘爪接觸處所受應(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。

分析4種工況，最終得出結(jié)論：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，為0.119 5 mm；輸入軸最小許用撓度為0.27 mm，實(shí)際撓度小于最小許用撓度，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)汽車(chē)安全輔助剎車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行三維建模與有限元仿真分析，最終結(jié)果表明該裝置在4種不同工況下都滿足強(qiáng)度和剛度要求，設(shè)計(jì)合理。文中研究為汽車(chē)安全輔助剎車(chē)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與可靠性驗(yàn)證提供理論依據(jù)和參考。

【1】任宇立.道路交通安全現(xiàn)狀及交通事故分析方法初探[J].道路交通與安全,2010,10(2):4-6.

【2】姜遠(yuǎn)順.真空助力器輔助裝置:201110333073.9[P].2012-06-20.

【3】張德兆,李克強(qiáng).汽車(chē)集成式電子真空助力器系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)公路學(xué)報(bào),2011(1):115-121.

【4】麓山文化.UG NX9中文版機(jī)械設(shè)計(jì)從入門(mén)到精通[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

【5】文少波.基于UG建模的機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(9)：43-45.

【6】賈佳鵬.防勿踩油門(mén)的設(shè)計(jì)構(gòu)想[J].汽車(chē)電器，2006(8)：9-10.【7】許洪國(guó).汽車(chē)運(yùn)用工程[M].4版.北京:人民交通出版社，2009.

Design and Analysis of Automobile Safety Auxiliary Braking System Based on UG

YANG Yue1, LI Junzheng1,2,3, CHEN Zhaojun1, QIANG Min1, CAO Ruiling1, LI Man1
(1.College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha Hunan 410128, China;2.Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China, Changsha Hunan 410128, China; 3.Hunan Provincial Engineering Technology Research Center for Modern Agricultural Equipment, Changsha Hunan 410128, China)

To prevent erroneous operation on accelerator pedal by car driver due to emergency situations in driving process, combining with the brake and accelerator pedal position, using centrifugal clutch ratchet principle, an automobile safety auxiliary brake system was designed. By using Unigraphics NX8 software in assembly mode with the top-down design method, three dimensional entity models were built for all parts of the device, then the structure analysis module was used to determine the force situation of this device under different conditions, and structural strength analysis was carried out. After adding different constraint conditions on the device, intensity change was analyzed. The effective reliability of the automotive safety auxiliary braking system was verified.

Automobile safety; Auxiliary braking system; Parametric modeling; Simulation analysis

2016-03-21

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(SCX1517)

楊躍(1993—)，男，專(zhuān)業(yè)方向?yàn)槠?chē)服務(wù)工程。E-mail：731968945@qq.com。

李軍政，E-mail：lijunzheng2008@163.com。

TH12;TH133.4

A

1674-1986(2016)06-025-04