汽車電子油門踏板設(shè)計(jì)與碰撞安全性之間關(guān)系研究

方取玉

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241000）

1 研究背景

近年，某款車型在某媒體試乘試駕過程中，由于“非正?！笔褂煤驼`操作，導(dǎo)致電子油門踏板臂（懸臂式）發(fā)生斷裂現(xiàn)象（見圖1），經(jīng)過系列排查和同批次抽檢（10個(gè)樣件），排除產(chǎn)品一致性質(zhì)量問題，符合前期產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定義。

某款車型開發(fā)過程中，進(jìn)行中國(guó)新車安全星級(jí)評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）中[1]，50km/h正面100%剛性墻碰撞摸底測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)駕駛員側(cè)假人右腿部得分僅為1.16分（滿分2.0分），不滿足開發(fā)目標(biāo)定義（≥1.5分），主要表現(xiàn)集中在腿部 TI值過大。通過CAE和試驗(yàn)對(duì)標(biāo)分析，確認(rèn)問題來(lái)源該車型電子油門踏板在試驗(yàn)過程中，未能有效潰縮斷裂，將力傳遞至假人腿部導(dǎo)致其傷害值增加。

圖1 某車型電子油門踏板斷裂

如何解決上述日常使用可靠性和碰撞安全性這兩者看似“矛盾”的設(shè)計(jì)理念，是本文研究的重點(diǎn)。

圖2 電子油門踏板結(jié)構(gòu)示意圖

2 研究策略

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

通常來(lái)說(shuō)，電子油門踏板（懸臂式）會(huì)設(shè)計(jì)成斷裂形式（見圖2），主要出于碰撞中對(duì)駕駛員腿部的保護(hù)，當(dāng)主動(dòng)或被動(dòng)碰撞發(fā)生時(shí)，如果駕駛員的腳部依舊處在油門踏板上，巨大的撞擊力會(huì)通過油門踏板傳遞至小腿，對(duì)人身造成傷害。碰撞后油門踏板斷裂，則會(huì)避免力的傳導(dǎo)，保護(hù)駕駛者腿部。這就需要踏板臂設(shè)計(jì)越弱越好。

但這自然會(huì)和日常使用可靠性發(fā)生沖突，從這維度來(lái)說(shuō)，要求踏板臂設(shè)計(jì)的越強(qiáng)越好。這兩者“矛盾”如何兼顧？需要設(shè)計(jì)合理的斷裂力，即靜強(qiáng)度要求（見圖3），主要分為正向力（本文研究重點(diǎn)）、側(cè)向力、反向力和斜向力4種要求。其中，正向力要求主要關(guān)系到日常使用可靠性和碰撞安全性要求，側(cè)向力、反向力和斜向力主要是從事故救援角度考慮設(shè)計(jì)。

圖3 靜強(qiáng)度測(cè)試要求

2.2 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)研究

考慮電子油門踏板（懸臂式）日常使用可靠性，中國(guó)汽車行業(yè)專門制定了一套推薦性標(biāo)準(zhǔn)《QC/T977-2014》[2]，其中，靜強(qiáng)度要求如表1：

表1 QC/T977-2014 靜強(qiáng)度要求

2.3 日常和“非正?！笔褂脺y(cè)試研究

為了研究日常使用可靠性問題。我們分別尋找3名符合中國(guó)特色代表的人群，即1名50kg左右女性（約160cm），1名 75kg左右男性（約 175cm）和 1名 90kg左右男性（約185cm），對(duì)其日常行駛過程中，油門踏板與腳部的最大接觸力測(cè)試統(tǒng)計(jì)，和“非正?！鼻闆r下，腳部對(duì)踏板作用力情況統(tǒng)計(jì)（見表2）。

根據(jù)測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，為滿足日常使用，電子油門踏板靜強(qiáng)度（正向力）≥350N即可。但考慮小部分人群的“非正?！瘪{駛情況，踏板靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求（正向力）可提至900N。

表2 踏板作用力統(tǒng)計(jì)

備注：“非正常”使用，為車輛空擋熄火情況下，駕駛員腳部對(duì)油門踏板的最大作用力。

2.4 碰撞安全性研究

電子油門踏板，直接與駕駛員腳部接觸，在碰撞過程中，可能會(huì)因?yàn)榍芭撌芰D壓，直接通過油門踏板傳遞至駕駛員腳部，可能導(dǎo)致駕駛員腿腳部受傷。也正因?yàn)榇?，在歐洲新車安全星級(jí)評(píng)價(jià)規(guī)程（EURO NCAP）[3]及中國(guó)新車安全星級(jí)評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）中，對(duì)于碰撞測(cè)試后油門踏板的后移量和上移量都有明確的要求。這就需要油門踏板設(shè)計(jì)合理的斷裂力，確保碰撞過程中，油門踏板能順利斷裂。

基于某款車型，通過CAE Dyna軟件模擬分析C-NCAP中 50km/h 正面 100%剛性墻壁障碰撞試驗(yàn)和 64km/h 正面40%可變形壁障碰撞試驗(yàn)2種工況得知（見圖4），駕駛員腳部對(duì)油門踏板接觸力（正向力）約在1200～1800N，若要確保碰撞過程中，電子油門踏板能順利斷裂，則靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)（正向力）應(yīng)小于1200N。

圖4 CAE仿真結(jié)果

2.5 競(jìng)品車企研究

通過10個(gè)競(jìng)品車企（中國(guó)品牌6個(gè)和合資品牌4個(gè)）電子油門踏板靜強(qiáng)度要求匯總對(duì)比表（見表 3）分析，靜強(qiáng)度要求（正向力）為900～1200N。

表3 競(jìng)品車企要求統(tǒng)計(jì)

2.6 靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)

通過上述行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、競(jìng)品車企、日常使用測(cè)試和碰撞安全性CAE仿真結(jié)果分析等研究，我們對(duì)電子油門踏板靜強(qiáng)度要求進(jìn)行設(shè)計(jì)定義，即在加載速度20mm/min的載荷下，電子油門踏板（懸臂式）發(fā)生斷裂時(shí)，正向力值為900～1200N、側(cè)向力值為300～400N和

反向力值為300～400N。

3 驗(yàn)證結(jié)果

基于某款車型電子油門踏板（懸臂式），我們讓廠家按設(shè)計(jì)要求生產(chǎn)同批次10套樣件，用于“非正常”使用測(cè)試和搭載整車高速碰撞試驗(yàn)（50km/h 正面100%剛性墻碰撞試驗(yàn)）。

“非正?！笔褂?，共測(cè)試5套樣件，其斷裂力（正向力）分別為1060N、1120N、1080N、1100N和980N，滿足大部分人群的日常使用可靠性要求（≥900N）。

圖5 假人腿部傷害對(duì)比

同時(shí)，隨機(jī)抽取1套樣件搭載某款車型整車高速碰撞試驗(yàn)，檢驗(yàn)踏板臂斷裂對(duì)駕駛員腿腳部的保護(hù)效果。通過試驗(yàn)結(jié)果顯示，該車型油門踏板在碰撞過程中順利斷裂，且駕駛員右腿得分由1.16分提至1.78分，即對(duì)駕駛員腿部保護(hù)改善效果明顯（見圖5）。

4 結(jié)論

汽車電子油門踏板（懸臂式）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅要考慮日常使用所需的可靠性問題，也需考慮在發(fā)生激烈碰撞時(shí)，如何有效避免將前艙擠壓變形所導(dǎo)致的力傳遞給駕駛員腿腳部，來(lái)降低駕駛員腿腳部傷害。同時(shí)，也考慮救援工作的便捷性，避免電子油門踏板卡住駕駛員腿腳部，影響救援工作，甚至?xí)?dǎo)致駕駛員腿腳部被截肢的可能性等。

通過本文的研究，電子油門踏板（懸臂式）設(shè)計(jì)可兼顧日常使用可靠性和碰撞安全性這兩種上述看似“矛盾”設(shè)計(jì)理念。