郭昊,岳甲,陳功想,吳傳報,甄珂

（河南科技學(xué)院機電學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

具有速度閾值的汽車油門誤踩機械鎖止裝置設(shè)計

郭昊,岳甲,陳功想,吳傳報,甄珂

（河南科技學(xué)院機電學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

為了防止駕駛員在緊急制動時誤踩油門踏板,通過分析正常和緊急兩種情況下,油門踏板被踩過程中的瞬時速度區(qū)別,設(shè)計了一種具有速度閾值的油門踏板誤踩鎖止裝置.裝置運用離心式離合器的鎖止原理,即駕駛員在正常加速時,油門踏板被踩踏的速度較低,裝置不鎖止；而油門被誤踩時速度較大,裝置中的鎖止機構(gòu)工作,使油門踏板及時鎖止,進而防止油門踏板被踩下,有效地防止誤踩事故的發(fā)生,提高行車的安全性.通過對設(shè)計系統(tǒng)實物進行測試,實驗表明裝置能滿足誤踩油門情況下的及時鎖止功能,與以往的誤踩油門系統(tǒng)相比,可靠性和準(zhǔn)確性均有較大提高.

油門誤踩；踏板速度；機械鎖止

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計,在緊急情況下,駕駛?cè)藛T因慌亂誤踩油門而導(dǎo)致的交通事故占到了重大交通事故的12.6%[1].為了避免誤踩油門而造成重大事故,國內(nèi)已有相關(guān)人員對此作了相應(yīng)的研究,并提出了相應(yīng)防誤踩裝置的設(shè)計方案,主要分為兩種形式,第一種是機械式,利用踩踏踏板力來判斷是否發(fā)生誤踩,在誤踩時,通過機械聯(lián)動裝置將踩油門踏板的力轉(zhuǎn)化為踩制動踏板的力[2].此類裝置改變了汽車的原始結(jié)構(gòu),影響了汽車工作的穩(wěn)定性.第二種是電子式,通過傳感器對油門踏板的下踩速度、加速度及位置等信息進行實時的監(jiān)控,并與相關(guān)參數(shù)的閾值進行比較來判斷是否誤踩[3-5].此類裝置大多基于單片機或行車電腦的電子控制裝置,判斷條件較少,準(zhǔn)確性和可靠性不高.

本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一套具有速度閾值的油門踏板誤踩鎖止裝置.該裝置的主要部件是一個離心式離合器,并通過一系列的機械聯(lián)動裝置與油門踏板相連接.當(dāng)在正常加速時,油門踏板的速度較低,裝置不工作；在誤踩情況下,由于油門踏板被踩下的速度較大,裝置中的鎖止機構(gòu)工作使油門踏板及時鎖止,防止駕駛員因緊張把油門踏板當(dāng)作制動踏板踩下而造成嚴(yán)重事故.

1 油門踏板誤踩鎖止裝置的設(shè)計

1.1 總體設(shè)計方案

機械鎖止裝置的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 機械裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Diagramofmechanical device structure

裝置主要由左端蓋內(nèi)的卷收機構(gòu)、右端蓋內(nèi)的離心式離合器及中間箱體內(nèi)的聯(lián)動裝置組成.左端的卷收機構(gòu)由渦卷彈簧和渦卷彈簧殼體組成,其作用是在工作的過程中儲存能量,使裝置在自由狀態(tài)下可以自動回正；右端的離心式離合器的作用是在油門踏板被踩下的速度過高時,使踏板鎖死,總體結(jié)構(gòu)如下圖2所示.

圖2 離心式離合器Fig.2 Centrifugal clutch

離心式離合器主要由敏感彈簧、棘爪、棘輪盤體、棘爪槽及殼體組成.敏感彈簧在一定的拉力下被安裝在彈簧導(dǎo)軌中,一端與棘輪盤相連,另一端與棘爪相連,使棘爪在彈簧的拉力作用下,緊貼在棘輪導(dǎo)軌內(nèi).中間箱體內(nèi)的聯(lián)動裝置主要由連接帶、帶槽、芯軸及軸承組成,左右端蓋固定在中間箱體上,芯軸通過軸承支撐在箱體正中位置,卷收機構(gòu)和離心式離合器通過花鍵與芯軸連接,在芯軸的中間處安裝有帶槽,通過左端的軸肩、平鍵及軸套固定在中間芯軸上.在帶槽內(nèi)裝卷有油門踏板連接帶,一端與油門踏板臂連接,一端卷收在帶槽內(nèi),將油門踏板與鎖止裝置連接在一起,使油門踏板的擺動轉(zhuǎn)化為卷收機構(gòu)及離心式離合器的盤體的旋轉(zhuǎn)運動.當(dāng)踩下油門踏板,踏板臂將卷收在帶槽內(nèi)的油門踏板連接帶拉出,并通過芯軸帶動機構(gòu)左側(cè)的卷收機構(gòu)及右側(cè)的棘輪轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動,在轉(zhuǎn)動的過程中左側(cè)卷收機構(gòu)的窩卷彈簧收緊儲存能量,右側(cè)棘輪盤上的棘爪在同棘輪盤轉(zhuǎn)動的過程中產(chǎn)生離心力.當(dāng)正常情況踩下油門踏板時,由于油門踏板踩踏的速度較低,棘爪產(chǎn)生的離心力較小,不足以使離心式離合器的棘爪被甩出,裝置不會鎖止,油門踏板正常工作；在緊急情況時,由于油門踏板踩下的速度很大,棘爪產(chǎn)生的離心力較大,使離心式離合器棘爪甩出與右端蓋內(nèi)的棘輪卡槽結(jié)合,實現(xiàn)棘輪盤鎖死,油門踏板無法被踩下,防止車輛因油門誤踩急加速造成嚴(yán)重交通事故.當(dāng)松開踏板后,芯軸會在渦卷彈簧作用力下回轉(zhuǎn),使油門踏板復(fù)位,并將連接帶卷收進帶槽內(nèi).

1.2 安裝布局

機械鎖止裝置的安裝如圖3所示.

圖3 機械裝置布置Fig.3 Diagramofmechanical device layout

將封裝于一體的機械裝置5安裝在油門踏板下方的汽車殼體6上,通過連接帶4將汽車油門踏板與機械鎖止機構(gòu)連接在一起.當(dāng)油門踏板被踩下時,油門踏板臂通過連接帶將踏板的運動傳遞到機械裝置的芯軸上,使機械裝置隨油門踏板的工作而轉(zhuǎn)動.由于本機械裝置僅通過連接帶與油門踏板相連,因此在安裝過程中對車身損傷較小,不會改變汽車內(nèi)部構(gòu)造,同時其結(jié)構(gòu)簡單、便于拆卸,可根據(jù)需要選擇安裝.

1.3 主要部件分析計算

由于本裝置在工作的過程中,棘爪被甩出的臨界離心力主要由彈簧的拉力決定,故根據(jù)機構(gòu)各部分的設(shè)計要求對彈簧的強度及剛度進行分析.

1.3.1 閾值的確定在日常駕車中我們可以感覺到踩油門踏板和制動踏板存在明顯時間差,根據(jù)對不同車型踩油門和踩剎車的動作時間調(diào)查[6],踩油門踏板的時間最低0.95 s,而踩剎車踏板時間最高0.15 s,兩者存在著很大的時間差.對于不同的車輛,油門踏板的行程L也不相同.根據(jù)公式即可計算出油門踏板的速度和加速度.在本設(shè)計中以大眾桑塔納2000線控油門為例,取油門踏板的行程L0=88 mm,踩下油門踏板的時間t=0.1 s來進行研究,可求得油門踏板平均速度v=0.88 m/s,加速度為a0=17.6 m/s2.即當(dāng)油門踏板的速度大于v=0.88 m/s或加速度大于a0=17.6 m/s2系統(tǒng)判斷為誤踩油門.

1.3.2 離心式離合器敏感彈簧的設(shè)計設(shè)計以大眾桑塔納2000版為例,油門踏板的行程L0=88 mm,踩油門時間t=0.1 s來進行研究,并要求裝置鎖止時,連接帶被拉出的長度L1≤20 mm,則由：時鎖止,則可得油門踏板此時速度為：v0=a0t0=0.844 8 m/s,對于不同的車型,可按結(jié)構(gòu)要求、車型的具體尺寸進行設(shè)計.

（1）初步假設(shè)鋼絲的直徑d1=0.5 mm,彈簧的安裝載荷P1=1.0 N,由設(shè)計手冊表16.1-4[7],選用材料為重要用途碳素彈簧鋼絲的Ⅲ類拉伸彈簧.由棘爪邊長為b=8 mm,則彈簧的外徑D2≤8 mm,采用RLⅠ半圓勾環(huán).

（2）工作載荷P2為棘爪所受離心力,則P2=mv12/r=2.50 N,因彈簧為三類載荷拉伸彈簧,則彈簧工作極限載荷為

式（1）中,m為棘爪的質(zhì)量,取m=7 g；r為棘爪質(zhì)心到芯軸中心的距離,取r=28 mm；v1棘爪在鎖死的臨界速度值v1=v0k=3.21 m/s；k聯(lián)動機構(gòu)的傳動比,取k=3.8.

（3）由彈簧的安裝載荷P1和工作載荷P2及其工作長度h2,則可初定彈簧剛度P'為

式（2）中,h2為彈簧的工作長度,根據(jù)相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計取其為h2=5 mm.

（4）由彈簧為三類載荷拉伸彈簧,工作極限載荷Pi=3.125 N,查設(shè)計手冊表2-16[8],選取鋼絲直徑d1=0.5 mm,彈簧中徑D=6 mm,工作極限Pi=8.04 N,彈簧單圈剛度Pd'=2.860 N,初拉力P0=0.409 N的重要用途碳素彈簧鋼絲彈簧.

由Pd'=2.860 N/mm及初定彈簧剛度P'=0.3 N/mm,則可計算出彈簧圈數(shù)n=Pd'/P'=9.53,取n=10,則可得彈簧原長為

由彈簧剛度P'=Pd'/n=0.286 mm,則可得安裝載荷下彈簧的長度為

工作載荷下彈簧的長度為

由以上計算所得彈簧的主要設(shè)計尺寸如表1所示.

表1 棘輪敏感彈簧的設(shè)計尺寸Tab.1 The size ofthe ratchet sensitive spring

2 實驗驗證

2.1 實驗裝置安裝

實驗以桑塔納2000油門踏板工作過程為模擬對象,設(shè)計了如圖4的實驗裝置.該系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)為一鋁制三腳架,油門踏板安裝在前方的斜架上,鎖止機構(gòu)豎直固定在后面的橫板上,連接帶經(jīng)過上方的導(dǎo)軌使油門踏板與鎖止機構(gòu)相連,打點計時器固定在后方的橫板上,其伸出的紙帶和連接帶無滑動連接.

圖4 實物安裝Fig.4 Installation drawing

2.2 速度、加速度測量

實驗采用打點計時器來測量油門踏板的速度和加速度.將兩條紙帶穿過打點計時器磨盤的上下兩側(cè),并將其固定在油門踏板連接帶上,使紙帶能夠隨連接帶同時被拉出.測量過程中,打點計時器每隔0.02 s向磨盤噴出一個電火花在紙帶上打下一個點,因此,可以根據(jù)紙帶上點的痕跡得到連接帶被拉出的距離及所需的時間,再通過分析紙帶上相鄰點之間的間隔即可得出踏板的速度和加速度.通過實驗得到不同情況下踩下油門踏板的測試結(jié)果如圖5所示.

圖5 實驗測試結(jié)果Fig.5 The result ofthe test

由打點計時器的瞬時速度計算方法得：任取紙帶上的一個中間點設(shè)為c點,其前后相鄰兩個點分別設(shè)為b點和d點,設(shè)其前后兩點間的距離分別為lbc和lcd,則c的瞬時速度為

式（6）中,t為打點計時器打點的周期,t=0.02 s.

依次計算出各點的瞬時速度,取其最大值.對所采用的樣本紙帶分別進行測試計算,油門踏板在不同的下踩速度下,裝置的鎖止時間及踏板被踩下的距離如表2所示.

表2 實驗結(jié)果Tab.2 Experimental results

從表2中能夠看出本系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)和設(shè)計值大致相符,由于實際測試中機械結(jié)構(gòu)間的摩擦和機構(gòu)動作延時等因素,踏板速度和踏板下踩距離略有偏大,但已足夠證明本設(shè)計的可行性,即在誤踩油門踏板時快速有效的制動.

3 小結(jié)

此系統(tǒng)屬于汽車安全主動控制的一種,避免了在緊急情況下駕駛員誤踩油門而引發(fā)的汽車交通事故安全問題.本文通過正常加速與誤踩油門時的速度差異,采用離心式離合器的原理設(shè)計了汽車油門防誤踩鎖止裝置.在駕駛員誤踩油門踏板時,該裝置中的離心式離合器能夠及時對油門踏板進行鎖死,實現(xiàn)了誤踩油門保護功能,提高了交通的安全性,有效地預(yù)防了交通故事的發(fā)生,保證了汽車的行駛安全.本機械結(jié)構(gòu)是按照線控懸臂油門踏板進行設(shè)計的,對于一般的線控大行程的油門踏板,可根據(jù)具體的車型進行調(diào)節(jié),但對于行程過小的電子油門,本機械裝置有一定的局限性,本文不再做出闡述,將在以后結(jié)合電子系統(tǒng)進行研究.

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（責(zé)任編輯：盧奇）

The design of the mechanical locking device for anti-mistakenly stepped on the accelerator system with the speed threshold

GUO Hao,YUE Jia,CHEN Gongxiang,WU Chuanbao,ZHEN Ke
（School ofMechanical and Electrical Engineering,Henan Institute ofScience and Technology,Xinxiang 453003,China）

In order to prevent the driver stepping on the accelerator pedal mistakenly when deceleration is needed. In terms of the situation,a locking device of anti-mistakenly stepped on the accelerator pedal with speed threshold by analyzed the different instantaneous velocity of the pedal in different conditions was designed.The lock principle of the centrifugal clutch is used in the device,thus when the instantaneous speed of accelerator pedal is lower than the critical value at normal speed,the device is not locked；while the pedal is depressed mistakenly and the speed is greater than the threshold,the locking mechanism of the device will lock the accelerator pedal timely.This effectively prevents the occurrence of the accident due to mistakenly stepping on the pedal,and improves the active safety driving.Through the relevant data test for the simulation system,it showed that this device can meet the prompt accelerator lock function in the case of mistakenly stepped on.Compared with the previous anti-mistakenly stepped on the accelerator system,its reliability and accuracy are greatly improved.

trample accelerator error condition；the speed of pedal；mechanical lock

U463.5

A

1008-7516（2017）01-0065-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2017.01.013

2016-10-25

河南科技學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目（201510467003）

郭昊（1980—）,男,河南新鄉(xiāng)人,博士,副教授.主要從事約束系統(tǒng)控制和高速高精度運動控制研究.