基于模型設(shè)計(jì)的汽車新型踏板可靠性控制研究

趙榮榮

摘? 要：為滿足重型車輛對動力系統(tǒng)的功能與安全性要求，文章基于現(xiàn)有的幾種加速踏板的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，同時(shí)對機(jī)械結(jié)構(gòu)以及信號的可靠性進(jìn)行了改進(jìn)提升，建立了基礎(chǔ)模型并快速完成樣件，并進(jìn)一步對改進(jìn)部分做了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該改進(jìn)方案滿足可靠性要求。

關(guān)鍵詞：加速踏板;機(jī)械結(jié)構(gòu);改進(jìn)

中圖分類號：U463? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）18-0137-02

Abstract： In order to meet the function and safety requirements of the power system of heavy vehicles， this paper analyzes the mechanical structure of several existing acceleration pedals， and improves the reliability of the mechanical structure and signal at the same time. The basic model is established and the sample is completed quickly， and the improved part is further verified by experiments. The results show that the improved scheme meets the reliability requirements.

Keywords： acceleration pedal; mechanical structure; improvement

1 新型踏板工作原理

1.1 踏板工作原理

現(xiàn)用踏板功能的實(shí)現(xiàn)是通過轉(zhuǎn)動將機(jī)械活動轉(zhuǎn)化成模擬信號與發(fā)動機(jī)進(jìn)行信號傳遞的，接收到的踏板信號后控制節(jié)氣門的開度，從而控制整車速度。加速踏板的組成有機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器以及其他相關(guān)部分，大多數(shù)采用非接觸式霍爾傳感器，在加速踏板的旋轉(zhuǎn)軸上固定好兩塊磁鐵，形成一個(gè)穩(wěn)定的磁場，可隨加速踏板一起運(yùn)動，將非接觸式霍爾傳感器的芯片放置到磁場中，通過軸轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)模擬信號輸出。

1.2 踏板結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的吊掛式踏板的結(jié)構(gòu)大多是由踏板臂、踏板殼體、踏板蓋板組成，通過踏板臂的軸連接踏板臂和殼體蓋板實(shí)現(xiàn)踏板的轉(zhuǎn)動;踏板內(nèi)部裝有彈簧，實(shí)現(xiàn)在踩踏后踏板臂自動反彈;在踏板使用過程中，軸與裝配孔之間互相摩擦，且軸孔在設(shè)計(jì)裝配時(shí)是過盈配合，所以摩擦磨損是不可避免的。在之前的設(shè)計(jì)中，軸分成了兩個(gè)部分，旋轉(zhuǎn)軸與蓋帽，這兩個(gè)部分通過螺釘固定，且與殼體和蓋板過盈配合，所以在生產(chǎn)和裝配中會不可避免有累計(jì)誤差，使裝配后的過盈范圍大于設(shè)計(jì)范圍，導(dǎo)致磨損量過大，最終軸孔松動，出現(xiàn)踏板信號不穩(wěn)定等故障。

2 新型踏板機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)想

為了改善上述可能以及已經(jīng)出現(xiàn)的問題，后續(xù)設(shè)想將旋轉(zhuǎn)軸、蓋帽和踏板臂做成一體式設(shè)計(jì)，這樣只要控制整個(gè)新的踏板臂的關(guān)鍵尺寸的控制，后續(xù)產(chǎn)線的裝配以及總成的質(zhì)量檢查可以省略很多復(fù)雜程序，在很大程度上節(jié)省了其他隱性資源。

經(jīng)過對其他踏板的分析對比，也有很多相似的一體式踏板臂的設(shè)計(jì)，有些集成式踏板臂在摩擦軸的局部使用了雙層注塑，增加了自潤滑塑料面，使踏板在旋轉(zhuǎn)時(shí)減少摩擦;有些集成式踏板臂使用耐磨塑料材料，與相匹配的殼體和蓋板使用兩種不同的材質(zhì)，來減少相同材料的磨損。

借鑒以上設(shè)計(jì)，對之前設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，將旋轉(zhuǎn)軸、踏板臂和蓋帽集成一體之后，使用與殼體和蓋板不同的材質(zhì)，根據(jù)使用材質(zhì)的性能以及熱脹冷縮的變化量計(jì)算軸與殼體、蓋板之間的預(yù)留間隙，確認(rèn)整體軸的直徑;并借用之前踏板的人機(jī)點(diǎn)，設(shè)計(jì)踏板臂的整體建立三維模型。

3 建模與測試

3.1 建立測試模型

對踏板整體進(jìn)行有限元分析來確認(rèn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和計(jì)算踏板的改進(jìn)后踏板總成和踏板臂所受的應(yīng)力、應(yīng)變;在踏板踩點(diǎn)施加足夠大的力，檢驗(yàn)踏板是否會在極限力值情況下出現(xiàn)斷裂或者失效。

根據(jù)主機(jī)廠的安裝方式以及測試標(biāo)準(zhǔn)，踏板底部用四個(gè)螺栓固定到平面，模擬整車踏板固定到駕駛室地板，踏板臂和踏板殼體通過軸孔連接到一起，對踏板的踩踏點(diǎn)施加垂直于踏板面的踩踏力以及對踏板兩個(gè)側(cè)面施加水平力。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 正向受力分析

（1）通過有限元分析，對踏板踩踏點(diǎn)施加890N的力，在踏板臂所受的最大應(yīng)力是42MPa，應(yīng)力最大位置處在踏板臂中間位置，該處因輕量化做了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，但該最大應(yīng)力對零件的安全性沒有影響，此處可不做任何處理。第二應(yīng)力集中點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)軸處，主要是在踏板臂和旋轉(zhuǎn)軸的連接處，該應(yīng)力對零件的安全性也沒有影響，可不做處理;根據(jù)分析得知最小應(yīng)力不足1MPa，對于整個(gè)踏板臂來說，均不足1MPa。按照機(jī)械設(shè)計(jì)原則，太大的安全系數(shù)并不是最優(yōu)設(shè)計(jì)，在保證足夠的安全系數(shù)，要使得零件的設(shè)計(jì)簡單化與輕量化，后續(xù)可以考慮修改所受盈利較小部分的減料。

（2）考慮到在車輛行駛和駕駛員使用過程中，偶爾會出現(xiàn)粗暴操作，需要模擬在粗暴操作時(shí)踏板臂的受力情況。對踏板臂踩踏點(diǎn)施加1554N的力，通過施加極限力來分析踏板臂的受力情況;本次踏板臂所受的最大應(yīng)力是110MPa，應(yīng)力最大位置處在踏板臂中間位置，尤其是在與旋轉(zhuǎn)軸連接處的加強(qiáng)筋位置所受應(yīng)力最大，此處在長期承受最大應(yīng)力會導(dǎo)致加強(qiáng)筋損壞，在此處可以增加加強(qiáng)筋厚度;在處理模型時(shí)，此處也并未做圓角處理，也可能是由于直角所產(chǎn)生的應(yīng)力集中，可在后續(xù)加工過程中倒圓角處理。

3.2.2 正向受力位移分析

踏板整體的位移在施加890N和1154N力的最大位移如下表1所示。其中踏板最大位移量在踏板面的頂部。其最大位移量均在位移變化所要求的范圍之內(nèi)，該最大位移量不會導(dǎo)致踏板臂的結(jié)構(gòu)變形。

3.2.3 測向受力分析

對踏板臂兩側(cè)分別施加350N的力，在踏板臂所受的最大應(yīng)力是100MPa，應(yīng)力最大位置是踏板臂與旋轉(zhuǎn)軸連接處的加強(qiáng)筋處，在處理模型時(shí)，此處也并未做圓角處理，也可能是由于直角所產(chǎn)生的應(yīng)力集中，可在后續(xù)加工過程中倒圓角處理。此處可能在長期承受最大應(yīng)力會導(dǎo)致加強(qiáng)筋損壞，在此處可以增加加強(qiáng)筋厚度。

3.2.4 測向受力位移分析

對踏板臂兩側(cè)分別施加350N的力后踏板整體的位移分析，最大位移如表2所示。其中踏板最大位移量在踏板面的頂部。側(cè)向受力后位移稍有些大，軸孔之間徑向間隙在受力過程中會有偏轉(zhuǎn)，徑向間隙設(shè)置偏大會是旋轉(zhuǎn)軸承受較大扭矩，可能會使旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生斷裂或磨損時(shí)效，此處會適當(dāng)減小旋轉(zhuǎn)軸軸孔配合徑向間隙。

3.3 測試分析

根據(jù)上述分析，完成對踏板臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，開始做模具樣件做試驗(yàn)驗(yàn)證。對踏板整體性能來說，本次改進(jìn)需要驗(yàn)證踏板強(qiáng)度以及改進(jìn)軸孔徑向間隙的樣件在耐久試驗(yàn)之后的磨損情況。借鑒現(xiàn)有的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和主機(jī)廠標(biāo)準(zhǔn)，確認(rèn)做機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)和耐久性能試驗(yàn)驗(yàn)證，具體試驗(yàn)方法詳見表3。

3.3.1 試驗(yàn)過程及試驗(yàn)臺架介紹

（1）機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)。機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)康脑谂c向踏板施加一個(gè)極限的載荷，判斷踏板總成是否會出現(xiàn)失效或者斷裂，檢驗(yàn)踏板設(shè)計(jì)是否能保證乘客的安全和使用性能;將踏板用夾具固定在試驗(yàn)臺架上，其踩踏面與試驗(yàn)臺架頂桿相接觸，頂桿以一定的速度持續(xù)鄉(xiāng)下運(yùn)動，通過施加于頂桿的力可以測到踏板踩踏處的受力，當(dāng)頂桿力到極限受力后停止施力，后續(xù)返回踏板初始狀態(tài)，期間會持續(xù)記錄踏板的電信號。（2）耐久性能試驗(yàn)。為保證汽車在使用壽命中油門踏板經(jīng)過數(shù)百萬次踩踏都能正常工作，在一定的溫度、濕度條件下，驅(qū)動汽車油門踏板往復(fù)動作，以檢測踏板的耐久性能。耐久試驗(yàn)臺架系統(tǒng)分為控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng)兩部分：控制系統(tǒng)采用PLC，負(fù)責(zé)傳送程序與發(fā)送開關(guān)機(jī)指令，控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過角度編碼器檢測旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向位置。測試系統(tǒng)通過接入踏板傳感器輸出踏板傳感器的電壓信號，對測試結(jié)果進(jìn)行閾值比較判定產(chǎn)品是否合格，選用多通道同步數(shù)據(jù)采集卡。

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

（1）踏板總成在正向反向以及側(cè)面承受臺架機(jī)械載荷后，踏板的電信號正常，機(jī)械結(jié)構(gòu)完整未發(fā)生斷裂以及破壞。（2）踏板總成在承受1000萬次耐久后，滿足各標(biāo)準(zhǔn)要求，電信號正常，信號公差在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，踏板機(jī)械結(jié)構(gòu)無卡死、不回位、踏不到底等機(jī)械故障。（3）踏板臂轉(zhuǎn)軸改進(jìn)滿足行業(yè)和主機(jī)廠的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

本次通過對分段式踏板的轉(zhuǎn)軸改進(jìn)為一體式轉(zhuǎn)軸，對踏板一體式轉(zhuǎn)軸的踏板臂和踏板總成進(jìn)行了有限元分析，確認(rèn)了踏板臂和踏板總成所受的應(yīng)力應(yīng)變，對可能出現(xiàn)的失效進(jìn)行了改進(jìn)，然后做樣件進(jìn)行了機(jī)械強(qiáng)度和耐久試驗(yàn)的臺架測試，均符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及整車廠標(biāo)準(zhǔn)。

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