陳昭君,李軍政,2,3,強(qiáng)敏,楊躍, 李滿, 曹瑞玲

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南長沙 410128；2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)中心，湖南長沙 410128；3.南方糧油作物協(xié)同中心，湖南長沙 410128)

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機(jī)械式汽車油門防誤踩安全輔助裝置

陳昭君1,李軍政1,2,3,強(qiáng)敏1,楊躍1, 李滿1, 曹瑞玲1

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南長沙 410128；2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)中心，湖南長沙 410128；3.南方糧油作物協(xié)同中心，湖南長沙 410128)

為避免“誤把油門當(dāng)剎車”事件的發(fā)生，設(shè)計一種機(jī)械式防誤踩油門安全輔助系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)駕駛員正常踩油門與緊急制動誤踩油門時油門踏板加速度的差異來判斷是否要進(jìn)行緊急剎車，并利用離合器的原理合理設(shè)計裝置結(jié)構(gòu)，確保油門誤踩的情況下汽車緊急制動，保障駕駛員的人身安全。

汽車；安全輔助；棘輪；離心力

0　引言

隨著機(jī)動車的不斷增多，汽車安全技術(shù)的發(fā)展和完善不容忽視，并且主動安全技術(shù)已成為汽車安全技術(shù)的發(fā)展重點和趨勢[1]。據(jù)統(tǒng)計：由緊急情況下“誤踩油門”造成的交通事故最為普遍，幾乎占了12.6%[2]。然而到目前為止,依然沒有研制出完善的保護(hù)措施,這種情況充分說明了現(xiàn)有的油門和制動系統(tǒng)的設(shè)計還存在一些致命缺陷。因此，汽車安全技術(shù)的發(fā)展和完善不容忽視。

針對此種情況，作者設(shè)計了一種油門防誤踩系統(tǒng)，具備安裝簡單，結(jié)構(gòu)輕便，性能安全、可靠，促使駕駛員養(yǎng)成良好駕駛習(xí)慣等優(yōu)點。

1　整體設(shè)計方案

1.1系統(tǒng)組成

此系統(tǒng)主要包括誤踩信號判斷感應(yīng)器、傳動裝置、制動裝置、復(fù)位裝置、安全模式切換裝置。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

其中，誤踩信號判斷感應(yīng)器由飛錘、彈簧、連桿、棘爪、棘輪、離心盤組成。飛錘是核心部件，飛錘與彈簧連接，在固定座上左右滑動，并與連桿機(jī)構(gòu)鉸接帶動棘爪運動。傳動裝置由抱死機(jī)構(gòu)、齒輪、齒條、輸入軸組成。抱死機(jī)構(gòu)與踏板相連，齒輪齒條相互嚙合，輸入軸與齒輪、離心盤相連。制動裝置由抱死機(jī)構(gòu)、輸出軸、齒輪齒條組成。傳動盤與輸出軸相連，齒輪齒條以及抱死機(jī)構(gòu)連接方式與傳動裝置相同。復(fù)位裝置由復(fù)位彈簧及波紋管組成，復(fù)位彈簧安裝在齒條外圍。安全模式切換裝置端口有螺紋的軸與圓環(huán)通過螺絲固定連接，與輸出軸、傳動盤內(nèi)側(cè)相連。

1.2工作原理

安全輔助裝置分別在油門桿、剎車桿上安裝一個抱死機(jī)構(gòu)，通過齒輪齒條傳動裝置帶動誤踩信號判斷感應(yīng)器運動，實現(xiàn)油門桿與制動桿的相互作用，系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

當(dāng)汽車正常行駛時，油門、剎車相互獨立，緊急情況下駕駛員誤操作時，油門踏板壓力的驟增導(dǎo)致離心盤速度迅速變化，飛錘產(chǎn)生足以克服彈簧阻力的離心力向外擴(kuò)張，棘輪棘爪嚙合，同時觸發(fā)制動裝置使剎車桿迅速踩下，從而達(dá)到剎車制動的目的。當(dāng)緩慢放開油門踏板時，在復(fù)位彈簧的作用下棘輪機(jī)構(gòu)又恢復(fù)正常狀態(tài)，此時油門、剎車又相互獨立工作。如不需要此裝置時，可旋轉(zhuǎn)安全裝置開關(guān)，切換飛錘運動狀態(tài)。其中感應(yīng)并執(zhí)行判斷的棘輪結(jié)構(gòu)如圖3所示。

設(shè)計利用正常踩油門和緊急情況油門踩踏力不同來判斷是否為誤踩。緊急情況下，由于駕駛員誤把油門當(dāng)剎車，對油門踏板的踩踏力比正常情況下的踩踏力要大得多，由力學(xué)公式F=ma可知加速度也比平常正常踩油門時大。由此可以將油門踏板的踩踏力作為誤踩判斷的依據(jù)，再利用離合器的原理來根據(jù)判斷選擇不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實現(xiàn)加油或剎車制動。

駕駛員誤操作時，猛踩油門踏板到底的時間大約是0.1 s，而正常踩油門到底的時間大約是1.1 s，兩種情況下，駕駛員踩油門踏板的速率和加速度都不同[3]。為簡化分析，駕駛員誤操作時猛踩油門踏板到底可視為做勻加速直線運動[4]，由運動學(xué)公式：

s=v0t+at2/2

(1)

式中：s為油門踏板行程；v0為油門踏板初速度，v0=0；a為油門踏板加速度；t為猛踩油門踏板到底的時間。可求得：

a=2s/t2

(2)

油門踏板的行程約為100 mm,根據(jù)踩油門踏板的時間及行程可計算出：正常踩油門時的油門踏板加速度大約為 0.17 m/s2，誤踩油門時油門踏板的加速度大約為 20 m/s2，這兩者之間的差值很大，為避免因超車加速而引起系統(tǒng)判斷失誤，加速度應(yīng)取得稍大些，此設(shè)計以油門踏板加速度a=20 m/s2為判斷閾值。

油門踏板踩下時，齒輪齒條嚙合帶動離心盤轉(zhuǎn)動。誤踩油門時，離心盤的加速度達(dá)到20 m/s2以上，此時飛錘克服彈簧阻力向外運動，同時帶動棘爪向外旋轉(zhuǎn)，棘輪棘爪彼此嚙合，觸發(fā)制動裝置的聯(lián)動機(jī)構(gòu)，使剎車踏板迅速踩下，實現(xiàn)緊急剎車。

2　主要部件設(shè)計

2.1誤踩信號判斷感應(yīng)器

棘輪棘爪嚙合時，力主要作用在棘輪的輪齒上，主要為彎曲和擠壓作用力，因此應(yīng)從彎曲強(qiáng)度和擠壓強(qiáng)度兩個方面進(jìn)行計算。據(jù)調(diào)查，正常情況下的踏板力為100 N,而在緊急制動的情況下所產(chǎn)生的踏板力為350 N[5-6]。進(jìn)行彎曲強(qiáng)度計算時取F=350 N，z=33,踏板踩到底的行程L=45 mm，材料選用45鋼，調(diào)制處理，[σ]=650 MPa[7]。按彎曲強(qiáng)度計算[8],由公式：

(3)

式中：T為棘輪軸所受的扭矩；z為棘輪的齒數(shù)，取z=33;φ為齒寬系數(shù)，取φ=1；[σ]為棘輪齒輪材料的許用彎曲應(yīng)力。則：

T=F×L=15 750 N·mm

(4)

由此可求得棘輪模數(shù)：m≈1 mm

棘輪的其他參數(shù)計算如下：

齒高：h=0.75 m=0.75 mm

齒頂厚：a=m=1 mm

齒頂圓直徑：da=mz=33 mm

齒根圓直徑：df=da+1.5m=34.5 mm

根據(jù)工作情況，齒槽圓角半徑：r=1.5 mm，棘輪厚度：b=4 mm。

2.2傳動裝置、制動裝置設(shè)計

由于剎車與油門是兩套不同的控制系統(tǒng)，必須合理地設(shè)計輔助機(jī)構(gòu)，使汽車在正常情況下行駛時，油門與剎車系統(tǒng)相互獨立工作，互不干涉；當(dāng)突遇緊急狀況時，油門與剎車機(jī)構(gòu)同時工作，即油門與剎車系統(tǒng)相互制約，共同作用。輸入輸出執(zhí)行裝置均采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)，誤踩時，油門踏板上的齒輪齒條將力轉(zhuǎn)化成離心盤的加速度，當(dāng)達(dá)到20 m/s2時，棘輪通過輸出軸的聯(lián)動作用帶動剎車踏板上的齒輪齒條運動，從而使剎車踏板踩下。正常行駛時，誤踩信號判斷感應(yīng)器沒有觸發(fā)，棘輪棘爪分離，阻斷動力的傳遞，輸入軸帶動離心盤做空轉(zhuǎn)運動，油門踏板處于踩下狀態(tài)，剎車踏板處于初始狀態(tài)，屬于正常加速行駛操作。當(dāng)踩踏力解除后，在波紋管中復(fù)位彈簧的作用下，油門、剎車踏板復(fù)位。

2.3安全模式切換裝置設(shè)計

當(dāng)不需要使用此裝置時，可以通過該裝置切斷動力的傳遞。因此只要將飛錘的位置固定，使棘輪棘爪不能嚙合，裝置就無法工作。為了減小設(shè)計空間，采用螺紋來調(diào)節(jié)開關(guān)的長度，在開關(guān)旋轉(zhuǎn)的過程中，圓環(huán)做圓周運動，當(dāng)軸端截面上圓環(huán)與飛錘擋塊相切時，飛錘位置鎖死，不能向外部運動，裝置切換到關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)需要開啟此裝置時，反方向旋轉(zhuǎn)開關(guān)即可。

3　結(jié)論

在不影響原有汽車使用結(jié)構(gòu)和性能的基礎(chǔ)上設(shè)計了一套機(jī)械式油門防誤踩裝置，通過對正常踩油門和誤踩油門時油門踏板加速度的分析，計算出系統(tǒng)的判斷閥值，并考慮到加速超車時的情況，有效避免系統(tǒng)錯誤判斷。當(dāng)然系統(tǒng)也存在問題，不同的車型，油門踏板行程s以及猛踩油門踏板時間t也就不同，最終系統(tǒng)的油門踏板加速度判斷閥值就不同，需根據(jù)具體車型進(jìn)行計算。

該裝置不影響原有的使用結(jié)構(gòu)和性能，輕便、安全、可靠；合理利用離合器的原理，靈活運用棘輪機(jī)構(gòu)的特性，使裝置結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、實用，便于拆裝，并且克服了只能夠?qū)崿F(xiàn)部分功能，既可以防止油門被誤踩，又可以及時制動，同時還可以培養(yǎng)司機(jī)良好的駕駛習(xí)慣，避免“誤把油門當(dāng)剎車”慘劇的發(fā)生。

【1】邱亞楠.汽車防誤踩油門的自動剎車系統(tǒng)的研究[D].杭州:中國計量學(xué)院，2012：1-2.

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【8】孫新杰.淺談棘輪離合器設(shè)計[J].中國科技信息，2011 (15)：111-116.

Mechanical Safety Assistance Device for Accelerator Pedal of Automobile

CHEN Zhaojun1, LI Junzheng1,2,3, QIANG Min1, YANG Yue1,LI Man1,CAO Ruiling1

(1.College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha Hunan 410128,China; 2.Hunan Provincial Engineering Technology Research Center for Modern Agricultural Equipment, Changsha Hunan 410128,China;3.Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China, Changsha Hunan 410128,China)

In order to avoid the occurrence of the events that the accelerator pedal was stepped under emergency, a mechanical safety assistant system that anti mistakenly stepped on the accelerator was designed. According to the difference of acceleration of accelerator pedal between common operation and false step on accelerator under emergency, the system determined whether to carry out emergency brake with the safety assistance device or not, and reasonable structure was obtained by making use of the principle of clutch. It is ensured that the accelerator pedal can be braked under emergency and the driver is protected.

Automobile; Safety assistance; Ratchet; Centrifugal force

2016-04-05

湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗計劃項目(SCX1517)

陳昭君(1993—)，女，大學(xué)本科，專業(yè)方向為車輛工程。E-mail:1906332058@qq.com。

李軍政，E-mail：lijunzheng2008@163.com。

U463.51

A

1674-1986(2016)07-019-03