具有速度閾值的汽車油門誤踩機(jī)械鎖止裝置設(shè)計(jì)

郭昊,岳甲,陳功想,吳傳報(bào),甄珂

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

具有速度閾值的汽車油門誤踩機(jī)械鎖止裝置設(shè)計(jì)

郭昊,岳甲,陳功想,吳傳報(bào),甄珂

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

為了防止駕駛員在緊急制動(dòng)時(shí)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(shí)速度區(qū)別,設(shè)計(jì)了一種具有速度閾值的油門踏板誤踩鎖止裝置.裝置運(yùn)用離心式離合器的鎖止原理,即駕駛員在正常加速時(shí),油門踏板被踩踏的速度較低,裝置不鎖止；而油門被誤踩時(shí)速度較大,裝置中的鎖止機(jī)構(gòu)工作,使油門踏板及時(shí)鎖止,進(jìn)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(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)物進(jìn)行測(cè)試,實(shí)驗(yàn)表明裝置能滿足誤踩油門情況下的及時(shí)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(jī)械鎖止

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì),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(duì)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(jì)方案,主要分為兩種形式,第一種是機(jī)械式,利用踩踏踏板力來判斷是否發(fā)生誤踩,在誤踩時(shí),通過機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置將踩油門踏板的力轉(zhuǎn)化為踩制動(dòng)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(duì)油門踏板的下踩速度、加速度及位置等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控,并與相關(guān)參數(shù)的閾值進(jìn)行比較來判斷是否誤踩[3-5].此類裝置大多基于單片機(jī)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(jì)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(gè)離心式離合器,并通過一系列的機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置與油門踏板相連接.當(dāng)在正常加速時(shí),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(jī)構(gòu)工作使油門踏板及時(shí)鎖止,防止駕駛員因緊張把油門踏板當(dāng)作制動(dòng)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(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

機(jī)械鎖止裝置的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 機(jī)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(jī)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(dòng)裝置組成.左端的卷收機(jī)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(chǔ)存能量,使裝置在自由狀態(tài)下可以自動(dòng)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(shí),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(dòng)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(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)化為卷收機(jī)構(gòu)及離心式離合器的盤體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).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(dòng)機(jī)構(gòu)左側(cè)的卷收機(jī)構(gòu)及右側(cè)的棘輪轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng),在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中左側(cè)卷收機(jī)構(gòu)的窩卷彈簧收緊儲(chǔ)存能量,右側(cè)棘輪盤上的棘爪在同棘輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中產(chǎn)生離心力.當(dāng)正常情況踩下油門踏板時(shí),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(huì)鎖止,油門踏板正常工作；在緊急情況時(shí),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(shí)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(huì)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(jìn)帶槽內(nèi).

1.2 安裝布局

機(jī)械鎖止裝置的安裝如圖3所示.

圖3 機(jī)械裝置布置Fig.3 Diagramofmechanical device layout

將封裝于一體的機(jī)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(jī)械鎖止機(jī)構(gòu)連接在一起.當(dāng)油門踏板被踩下時(shí),油門踏板臂通過連接帶將踏板的運(yùn)動(dòng)傳遞到機(jī)械裝置的芯軸上,使機(jī)械裝置隨油門踏板的工作而轉(zhuǎn)動(dòng).由于本機(jī)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(duì)車身損傷較小,不會(huì)改變汽車內(nèi)部構(gòu)造,同時(shí)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(jì)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(jī)構(gòu)各部分的設(shè)計(jì)要求對(duì)彈簧的強(qiáng)度及剛度進(jìn)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(dòng)踏板存在明顯時(shí)間差,根據(jù)對(duì)不同車型踩油門和踩剎車的動(dòng)作時(shí)間調(diào)查[6],踩油門踏板的時(shí)間最低0.95 s,而踩剎車踏板時(shí)間最高0.15 s,兩者存在著很大的時(shí)間差.對(duì)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(jì)算出油門踏板的速度和加速度.在本設(shè)計(jì)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(shí)間t=0.1 s來進(jìn)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(jì)設(shè)計(jì)以大眾桑塔納2000版為例,油門踏板的行程L0=88 mm,踩油門時(shí)間t=0.1 s來進(jìn)行研究,并要求裝置鎖止時(shí),連接帶被拉出的長度L1≤20 mm,則由：時(shí)鎖止,則可得油門踏板此時(shí)速度為：v0=a0t0=0.844 8 m/s,對(duì)于不同的車型,可按結(jié)構(gòu)要求、車型的具體尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì).

（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(jì)手冊(cè)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(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)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(jì)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(jì)手冊(cè)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(jì)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(jì)算所得彈簧的主要設(shè)計(jì)尺寸如表1所示.

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

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置安裝

實(shí)驗(yàn)以桑塔納2000油門踏板工作過程為模擬對(duì)象,設(shè)計(jì)了如圖4的實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jī)構(gòu)相連,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在后方的橫板上,其伸出的紙帶和連接帶無滑動(dòng)連接.

圖4 實(shí)物安裝Fig.4 Installation drawing

2.2 速度、加速度測(cè)量

實(shí)驗(yàn)采用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器來測(cè)量油門踏板的速度和加速度.將兩條紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(shí)被拉出.測(cè)量過程中,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器每隔0.02 s向磨盤噴出一個(gè)電火花在紙帶上打下一個(gè)點(diǎn),因此,可以根據(jù)紙帶上點(diǎn)的痕跡得到連接帶被拉出的距離及所需的時(shí)間,再通過分析紙帶上相鄰點(diǎn)之間的間隔即可得出踏板的速度和加速度.通過實(shí)驗(yàn)得到不同情況下踩下油門踏板的測(cè)試結(jié)果如圖5所示.

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig.5 The result ofthe test

由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的瞬時(shí)速度計(jì)算方法得：任取紙帶上的一個(gè)中間點(diǎn)設(shè)為c點(diǎn),其前后相鄰兩個(gè)點(diǎn)分別設(shè)為b點(diǎn)和d點(diǎn),設(shè)其前后兩點(diǎn)間的距離分別為lbc和lcd,則c的瞬時(shí)速度為

式（6）中,t為打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的周期,t=0.02 s.

依次計(jì)算出各點(diǎn)的瞬時(shí)速度,取其最大值.對(duì)所采用的樣本紙帶分別進(jìn)行測(cè)試計(jì)算,油門踏板在不同的下踩速度下,裝置的鎖止時(shí)間及踏板被踩下的距離如表2所示.

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results

從表2中能夠看出本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)值大致相符,由于實(shí)際測(cè)試中機(jī)械結(jié)構(gòu)間的摩擦和機(jī)構(gòu)動(dòng)作延時(shí)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(jì)的可行性,即在誤踩油門踏板時(shí)快速有效的制動(dòng).

3 小結(jié)

此系統(tǒng)屬于汽車安全主動(dòng)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(shí)的速度差異,采用離心式離合器的原理設(shè)計(jì)了汽車油門防誤踩鎖止裝置.在駕駛員誤踩油門踏板時(shí),該裝置中的離心式離合器能夠及時(shí)對(duì)油門踏板進(jìn)行鎖死,實(shí)現(xiàn)了誤踩油門保護(hù)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(jī)械結(jié)構(gòu)是按照線控懸臂油門踏板進(jìn)行設(shè)計(jì)的,對(duì)于一般的線控大行程的油門踏板,可根據(jù)具體的車型進(jìn)行調(diào)節(jié),但對(duì)于行程過小的電子油門,本機(jī)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(jìn)行研究.

[1]邱亞楠.汽車防誤踩油門的自動(dòng)剎車系統(tǒng)的研究[D].杭州：中國計(jì)量學(xué)院,2012：52.

[2]梅哲文,李曉佳,王明環(huán),等.汽車油門防誤踩緊急剎車裝置[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2010（10）：201-203.

[3]胡振奇,朱昌吉,李君,等.汽車防誤踩加速踏板系統(tǒng)的研發(fā)[J].汽車工程,2011,33（8）：713-716.

[4]張亞,周國平,陸穎頡,等.新型智能汽車油門防誤踩系統(tǒng)的研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2014,22（11）：3764-3766.

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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(jì)劃項(xiàng)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(yùn)動(dòng)控制研究.