電控汽車防誤踩加速踏板裝置的設(shè)計

吳克紹　徐昭　徐濟宣

摘 要：文章提供了一種誤踩加速踏板的判定方法，進行了理論制動距離分析，介紹了一種自主設(shè)計的電控防誤踩加速踏板自動制動裝置。該裝置能較好地減少和避免因誤踩加速踏板而引發(fā)的交通事故。關(guān)鍵詞：電控;汽車防誤踩加速踏板;自動制動裝置中圖分類號：U463.52 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）08-127-03

Abstract： This paper provides a judgment method of mistakenly stepping on accelerator pedal， analyzes the theoretical braking distance， and introduces a self-designed electronic anti mistaking accelerator pedal automatic braking device. The device can reduce and avoid traffic accidents caused by stepping on accelerator pedal by mistake.Keywords： Electronic control; Automobile anti misoperation accelerator pedal; Automatic brake deviceCLC NO.： U463.52 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）08-127-03

1 前言

在行車過程中，遇到緊急情況時錯把加速踏板當(dāng)作制動踏板而引發(fā)的交通事故時有發(fā)生，特別是初學(xué)駕車者發(fā)生此類情況的概率更高，而目前汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計，無法防止此類誤操作所帶來的不良后果。

2 誤踩加速踏板的判定

事實上，一般正常行駛加速時踩踏加速踏板的速度不會太快，如果是遇到緊急情況將加速踏板誤作為制動踏板踩踏，則踩踏的速度比正常加速時要快得多，為此，可通過踩踏加速踏板的加速度來判定是否誤踩加速踏板。我們可以通過踩下加速踏板速度變化的斜率來確定其加速度的大小。而加速踏板速度變化的斜率與節(jié)氣門位置傳感器測得的電壓值之間具有函數(shù)關(guān)系。本設(shè)計采用直線式節(jié)氣門位置傳感器。

節(jié)氣門位置傳感器的輸出電壓V與節(jié)氣門的旋轉(zhuǎn)角度?A呈線性的函數(shù)關(guān)系V=kA（k為常數(shù)），通過推算可求得加速踏板加速度a：

由上式可知，所測電壓的二次微分值便是加速踏板的加速度值，在系統(tǒng)電子控制單元中對所測電壓值做相應(yīng)分析處理，如果加速踏板的加速度值大于設(shè)定的域值則判定為誤踩加速踏板。

3 汽車正常行駛時的制動

如果判定是誤踩加速踏板操作，設(shè)計的裝置便需要對汽車實施強制制動，因此必須根據(jù)制動系統(tǒng)的工作原理找到制動指令控制的對象。一種重要的實現(xiàn)降速停車的手段就是使制動系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。為此，我們必須先要了解制動系統(tǒng)的工作情況。對于一般轎車來說，其制動系統(tǒng)的組成主要包括制動踏板、制動主缸、制動輪缸、制動器和制動管路幾部分，制動系統(tǒng)的組成如圖 1所示。

1-前輪盤式制動器;2-制動主缸;3-真空助力器;4-制動踏板機構(gòu);

5-后輪鼓式制動器;6-制動組合閥;7-制動警告燈

制動過程：當(dāng)駕駛員踩下制動踏板，作用在制動踏板上的力通過真空助力器放大后傳至制動主缸，這時制動主缸便會流出一部分液體到制動輪缸，使得制動器的摩擦片與車輪鋼圈發(fā)生摩擦。摩擦產(chǎn)生的作用在車輪和地面上的制動力矩，使地面產(chǎn)生一個與牽引力方向相反的制動力，使正常行駛的汽車減速以至停車。

4 理論制動距離分析

駕駛員的制動操作過程包括駕駛員察覺緊急情況，移動右腳放在制動踏板上;駕駛員踩下制動踏板，制動力經(jīng)過真空助力器迅速增大;動力保持不變;駕駛員放松制動，制動力逐漸減小至零等四個過程。

如圖2所示，當(dāng)駕駛員在駕駛過程中突然接到緊急制動信號后，由于需要一段時間作出反應(yīng)，駕駛員并沒有立即采取制動措施，從圖 2所示的 a 點要經(jīng)過τ1′時間做出反應(yīng);直到經(jīng)過τ1″后駕駛員才能踩著制動踏板。

到達(dá)b點以后，制動力立刻增大，到達(dá)d點時達(dá)到其最大值。但是由于制動鼓與制動蹄之間設(shè)有間隙，所以要經(jīng)過時間τ2′后，到達(dá)c點，才能真正產(chǎn)生制動效果，使汽車產(chǎn)生減速度。

從c點到e點，這段時間內(nèi)制動器制動力在不停的增長，經(jīng)歷的時間為τ2″。

從e點到f點需要經(jīng)歷一段時間τ3，其間制動力大致保持穩(wěn)定。

總的來說，制動的全過程包括四個階段，分別是駕駛員作出制動反應(yīng)階段、制動器起作用階段、持續(xù)制動階段和放松制動器階段。

在這四個階段內(nèi)分別用 S1、S2、S3 和 S4代表汽車的行駛距離 ，它們加起來為汽車從駕駛員接收到制動信號開始到汽車停下來，這一時間段內(nèi)汽車所行駛過的距離S。

5 誤踩加速踏板輔助制動裝置設(shè)計

如圖3所示，在原有制動主缸結(jié)構(gòu)上進行一些小的改動，即在原真空助力器和制動主缸之間增加一個液壓缸，并且作用于制動主缸的是該液壓缸中的執(zhí)行活塞的推桿，該系統(tǒng)通過一套電控液壓系統(tǒng)來推動執(zhí)行活塞。當(dāng)需要采取制動操作時，電子控制單元發(fā)出電信號控制電磁閥的開通和閉合，使蓄能器中的高壓液體流向液壓缸，進而制動主缸活塞受到驅(qū)動液壓缸中的執(zhí)行活塞對其施加的壓力，制動壓力變大。

本設(shè)計采用的緊急制動裝置一方面要避免對原汽車制動系統(tǒng)做過大改動，另一方面也要考慮到裝置的可靠性和反應(yīng)時間，同時考慮到我國汽車的銷售市場環(huán)境以中低端汽車為主，因而也要兼顧到裝置的成本問題。綜上所述最終決定的方案是：利用大扭矩步進電機控制制動踏板的踩下與回位，步進電機和制動踏板間通過鋼絲繩連接。步進電機反應(yīng)靈敏，無時間上的滯后性，適用于緊急制動的情形。另一方面，步進電機可以通過電子信號控制其轉(zhuǎn)向，并且轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角可以進行相關(guān)調(diào)整，所以可以利用步進電機這一工作特性達(dá)到踩下和復(fù)原制動踏板的目的。

采取利用鋼絲繩來連接步進電機輸出軸與制動踏板的方案，主要考慮的是盡量不改變駕駛員的駕駛習(xí)慣，其結(jié)構(gòu)方案如圖4所示。

電子控制單元發(fā)出控制信號主要依靠的是單片機，電機驅(qū)動器收到單片機發(fā)來的信號后，驅(qū)動步進電機逆時針旋轉(zhuǎn)，通過鋼絲繩與制動踏板的連接，模擬踩下制動踏板的操作。步進電機逆時針旋轉(zhuǎn)的角度要取決于制動踏板從自然狀態(tài)到完全被踩下的總行程，查閱相關(guān)資料可知，制動踏板總行程s約為90mm，考慮到不同型號的步進電機，其輸出軸半徑 r不同，若將電機旋轉(zhuǎn)角度a設(shè)定為a=180s/πr。步進電機的旋轉(zhuǎn)終了位置和轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)判斷駕駛員為誤踩加速踏板操作時，以單片機為核心的控制模塊就會向電機驅(qū)動器發(fā)出控制信號，從而驅(qū)動步進電機工作，進而達(dá)到緊急制動的目的。

6 結(jié)語

本設(shè)計提出了判定誤踩加速的關(guān)鍵因素即踩下加速踏板的加速度大小，由于加速踏板加速度無法直接獲得，故通過節(jié)氣門位置傳感器得到的電壓信號，通過電壓與加速踏板位移的關(guān)系再通過計算得到油門踏板加速度值。此外當(dāng)判定誤踩加速踏板并進行緊急制動后，通過車速傳感器檢測到車速降為零時，系統(tǒng)取消緊急制動動作，汽車恢復(fù)正常行駛狀態(tài)。

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