基于棘輪機構(gòu)的安全油門踏板裝置設(shè)計與仿真分析

潘道遠，鄭誠心，徐宏雨

基于棘輪機構(gòu)的安全油門踏板裝置設(shè)計與仿真分析

*潘道遠1,2，鄭誠心1，徐宏雨1

(1. 安徽工程大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，安徽，蕪湖 241000；2. 汽車新技術(shù)安徽省工程技術(shù)研究中心，安徽，蕪湖 241000)

針對特殊情況下駕駛員容易誤踩油門踏板而造成交通事故的現(xiàn)象，分析了駕駛員踩踏油門踏板的方式，利用小球的慣性力作為誤踩的評判依據(jù)，設(shè)計了一種基于棘輪機構(gòu)的安全油門踏板裝置。應(yīng)用CATIA軟件對該裝置進行了三維建模，并對核心部件使用ANSYS軟件進行有限元仿真分析。棘輪、前棘爪和后棘爪所受應(yīng)力的最大值分別為152.1 MPa、165.19 MPa和149.82 MPa，均小于45#鋼的屈服強度值355 MPa，且核心部件的應(yīng)變較小。結(jié)果表明，該裝置滿足設(shè)計要求，能夠防止駕駛員對油門踏板的誤操作。

油門踏板；棘輪機構(gòu)；棘輪棘爪；慣性力；仿真分析

0 引言

近些年來，隨著汽車制造企業(yè)的發(fā)展以及我國人民生活水平的不斷提高，家用汽車已經(jīng)成為現(xiàn)代家庭不可或缺的交通工具。2018年上半年，中國汽車市場產(chǎn)銷量分別為1405.8萬輛和1406.6萬輛，同期分別增長4.2％和5.6％。隨著汽車保有量的上升，汽車事故也隨之增加。駕駛員誤將油門踏板當(dāng)剎車踩踏而造成的交通事故占重大事故的12.6%。目前，防止誤將油門踏板當(dāng)作剎車踩踏的裝置大體分為機械裝置和電控裝置[1-3]。電控裝置相比于機械裝置所需技術(shù)復(fù)雜，且大多數(shù)基于傳感器而實現(xiàn)，因而存在傳感器不穩(wěn)定而產(chǎn)生誤判的情況。因此，設(shè)計一種機械式安全油門踏板裝置具有重要意義。

目前，國內(nèi)外研究人員在安全油門踏板的機械裝置方面做了大量研究。以油門踏板的受力作為誤踩判斷的依據(jù)，文獻[4]設(shè)計了一種機械離心式油門防誤踩安全輔助裝置。文獻[5]為了克服不能實現(xiàn)及時剎車的不足，設(shè)計了機械聯(lián)動裝置。上述研究在理論上可行，但聯(lián)動裝置過于復(fù)雜[6]，在工程應(yīng)用上還有待改進。為此，本文利用小球的慣性力作為誤踩的評判依據(jù)，設(shè)計一種基于棘輪機構(gòu)的安全油門踏板裝置系統(tǒng)，該系統(tǒng)還配置了安全輔助電控裝置來保證在特殊情況下的應(yīng)急作用。

1 安全油門踏板裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

基于棘輪機構(gòu)的安全油門踏板裝置系統(tǒng)主要由傳動裝置、安全輔助電控裝置和誤踩感應(yīng)裝置三大部分構(gòu)成，如圖1所示。由圖1可知，傳動裝置主要由踏板、齒輪、傳動軸組成。踏板和傳動軸相連，實現(xiàn)將轉(zhuǎn)動傳輸?shù)烬X輪和棘輪上，實現(xiàn)車輛的提速和棘輪的轉(zhuǎn)動。安全輔助電控裝置主要由電動推桿和伸縮桿組成，當(dāng)電信號傳輸?shù)诫妱油茥U時，電動推桿向前推動，此時伸縮桿主體向后運動，與棘輪相連接的兩桿向上運動，實現(xiàn)油門踏板的強制復(fù)位，起到誤踩感應(yīng)機構(gòu)失效后的安全保障作用。誤踩感應(yīng)裝置由誤踩感應(yīng)機構(gòu)和其保護殼組成。誤踩感應(yīng)機構(gòu)在感應(yīng)到一定程度的加速度時完成鎖止作用。保護殼則用于為小球提供滑動軌道以及布置誤踩感應(yīng)機構(gòu)的內(nèi)部構(gòu)件。

1.裝置保護殼 2.踏板 3.電動推桿 4.伸縮桿 5.齒輪 6.傳動軸

誤踩感應(yīng)機構(gòu)主要由棘輪、棘爪、小球、彈簧、高強度鋼制繩和手擰螺栓組成，如圖2所示。由圖2可知，該機構(gòu)能夠感應(yīng)車輛在向前、向后行駛時的突然加速。當(dāng)車輛向前行駛，駕駛員踩踏油門踏板時，棘輪沿逆時針轉(zhuǎn)動。由于車輛此時有向前的加速度，小球向左運動，左側(cè)小球克服彈簧阻力，拉動高強度鋼制繩，棘爪Ⅱ繞固定軸沿順時針轉(zhuǎn)動，同時右側(cè)小球推動棘爪Ⅰ，棘爪Ⅰ繞固定軸沿順時針轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)兩棘爪鎖止棘輪，完成對棘輪的鎖定作用。當(dāng)車輛向后行駛，駕駛員踩踏油門踏板時，棘輪沿逆時針轉(zhuǎn)動。由于車輛此時有向后的加速度，小球向右運動，左側(cè)小球克服彈簧阻力，拉動高強度鋼制繩，棘爪Ⅱ繞固定軸沿順時針轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)單棘爪鎖止棘輪，完成對棘輪的鎖止作用。

1.棘輪 2.扭簧 3.小球 4.手擰螺栓 5.棘爪Ⅰ 6.棘爪Ⅱ 7.彈簧 8.高強度鋼制繩

1.2 工作原理

在目前的家用車輛中，油門、剎車都是采用右腳控制。在正常行駛中，駕駛員往往會逐漸加大踩踏油門踏板的力度，從而來實現(xiàn)逐漸的提速。因此在正常行駛中，車內(nèi)物體受慣性影響的程度小。但在特殊情況下，駕駛員由于各種原因造成施加踩踏力失當(dāng)，造成車輛的加速向前或加速向后，致使車內(nèi)物體受慣性影響的程度大，產(chǎn)生車內(nèi)物體前傾或者后倒的現(xiàn)象。根據(jù)駕駛員的操作行為可以發(fā)現(xiàn)，在勻加速踩踏油門踏板的情況下是安全的，但在快速踩踏油門踏板的情況下會導(dǎo)致該裝置運行，觸發(fā)棘爪鎖死棘輪以達到對油門踏板的控制。該裝置對不同情況的反饋調(diào)節(jié)如表1所示。

表1 裝置對不同情況的反饋調(diào)節(jié)

基于棘輪機構(gòu)的安全油門踏板裝置能夠正常運行的核心技術(shù)是通過對物體慣性的運用。將小球的慣性力應(yīng)用在以棘輪機構(gòu)作為基礎(chǔ)的機械裝置中。為了避免誤踩感應(yīng)機構(gòu)的失效，該裝置增加了以電動推桿為主的安全輔助電控裝置。整個裝置系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。由圖3可知，該裝置通過小球的運動來判定駕駛員的誤踩，及時對棘輪機構(gòu)進行鎖止。

圖3 裝置工作流程圖

1.3 動力學(xué)建模

實際上車輛的加速度是由油門踏板在相同的行程中所使用時間的長短來決定的。誤踩感應(yīng)機構(gòu)主要是通過車輛的加速度變化來實現(xiàn)機構(gòu)的鎖止作用。在該機構(gòu)中，小球的慣性力大小由車輛的加速度來決定。假設(shè)車輛向前勻速行駛，誤踩感應(yīng)機構(gòu)力學(xué)模型如圖4(a)所示。當(dāng)誤踩油門踏板時，車輛則處于向前的加速狀態(tài)，小球在慣性力的作用下相對向左運動，誤踩感應(yīng)機構(gòu)力學(xué)模型如圖4(b)所示。小球向左運動時會帶動右彈簧和高強度鋼制繩也向左運動，最終通過棘爪的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)對棘輪的鎖止作用。

圖4 誤踩感應(yīng)機構(gòu)力學(xué)模型

由于小球與保護殼的接觸為點接觸，可忽略相互間的摩擦力。由圖4可知，車輛以加速度為1向前行駛，則小球的慣性力為

式中：為小球質(zhì)量，為小球運動速度，為時間。

左右彈簧在小球慣性力的作用下受力為

式中：1和2分別為左右彈簧的彈性系數(shù)，1和2分別為左右彈簧的形變量。

由圖4(b)可知，小球的移動位移為

高強度鋼制繩原始長度為，在小球的作用下其變化量為

高強度鋼制繩與小球運動法線方向夾角為1，則其所受的拉力為

將式(1)至式(5)代入式(6)，可得

小球質(zhì)量、左右彈簧的彈性系數(shù)1和2均是可調(diào)節(jié)量，且高強度鋼制繩也可根據(jù)需要進行選型。由式(7)可知，根據(jù)需要選取適當(dāng)參數(shù)值即可實現(xiàn)誤踩感應(yīng)機構(gòu)的感應(yīng)功能。由于彈簧力和拉力均屬于過程變量，且加速度也是在極短時間內(nèi)產(chǎn)生的，故在實際進行誤踩感應(yīng)機構(gòu)設(shè)計時，可用穩(wěn)定狀態(tài)下的靜力學(xué)模型進行估算。

誤踩感應(yīng)機構(gòu)中棘輪的加速度取決于油門踏板的加速度，而棘輪的加速度與棘輪和棘爪之間的作用力相關(guān)。根據(jù)油門踏板的結(jié)構(gòu)可知

式中：為油門踏板踩踏作用力，y為油門踏板質(zhì)量，y為油門踏板線速度。

由于油門踏板與棘輪是同軸轉(zhuǎn)動，則有

式中：j為棘輪半徑，y為施力點至軸心的距離，j為棘輪線速度。

則棘輪受力為

式中：j為棘輪質(zhì)量。

駕駛員在特殊情況下，由于心理緊張會造成踩踏油門踏板過猛，此時作用在油門踏板的力會高達380 N，因此在設(shè)計時，棘輪和棘輪的許用應(yīng)力要適當(dāng)放大。

2 裝置核心部件設(shè)計

2.1 齒輪的設(shè)計

在進行安全油門踏板裝置設(shè)計時，參考駕駛員在特殊情況下給齒輪施加的力，選取齒輪材料為45#鋼，其材料屬性如表2所示。經(jīng)計算得到齒輪相關(guān)參數(shù)：模數(shù)為2，齒數(shù)為30，壓力角為20°，分度圓為60 mm，齒頂高為2 mm，齒根高為2.5 mm，齒寬為18 mm，齒寬系數(shù)為0.3。

表2 45#鋼的材料屬性

2.2 棘輪和棘爪的設(shè)計

由誤踩感應(yīng)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)可知，其鎖止功能依靠棘輪和棘爪的嚙合來現(xiàn)實。棘輪和棘爪在嚙合時主要受力為彎曲和擠壓應(yīng)力，因此對棘輪和棘爪進行分析時主要從彎曲和擠壓兩方面考慮[7-9]。棘輪的材質(zhì)為45#鋼，相對而言在機構(gòu)運行時不易損壞。為確定棘輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)，參考外接齒嚙式棘輪機構(gòu)尺寸計算表達式

式中：為棘輪模數(shù)，為棘輪所受扭矩，=×，為棘輪受力，為棘輪半徑，為齒寬系數(shù)；[]為棘輪彎曲應(yīng)力。

經(jīng)計算得到棘輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)：模數(shù)為2，齒距為6.28 mm，齒高為2 mm，齒根角半徑為0.5 mm，齒面傾斜角10°，厚度為10 mm，齒數(shù)為35，棘輪外徑為70 mm。經(jīng)計算得到棘爪的結(jié)構(gòu)參數(shù)：工作面邊長為5 mm，爪尖圓角半徑為0.8 mm，齒形角55°，棘爪長度12.56 mm。

3 有限元模型與仿真分析

3.1 有限元建模

根據(jù)設(shè)計的相關(guān)參數(shù)，在CATIA軟件中完成基于棘輪機構(gòu)的安全油門踏板裝置的零部件設(shè)計及裝配，如圖5所示。同時，在UG軟件中完成裝置主要部分的爆炸效果圖。誤踩感應(yīng)機構(gòu)裝置的爆炸效果圖如圖6所示。安全輔助電控裝置的爆炸效果圖如圖7所示。

圖5 安全油門踏板裝置的裝配圖

圖6 誤踩感應(yīng)裝置效果圖

圖7 安全輔助電控裝置效果圖

3.2 有限元仿真分析

在基于棘輪機構(gòu)的安全油門踏板裝置的工作過程中，影響最大的是誤踩感應(yīng)機構(gòu)中的棘輪和棘爪。利用ANSYS Workbench 中static structural模塊對棘輪和棘爪進行應(yīng)力和應(yīng)變分析[10-12]。棘輪和棘爪的材料為45#鋼，其在常溫下的屈服強度為355 MPa。

為了驗證核心部件是否滿足材料的許用應(yīng)力要求，根據(jù)動力學(xué)分析在棘輪和棘爪嚙合處施加略大于實際的應(yīng)力值，利用ANSYS軟件得到的棘輪和棘爪的應(yīng)力圖如圖8所示。由圖8可知，棘輪、前棘爪和后棘爪所受應(yīng)力的最大值分別為152.1 MPa、165.19 MPa和149.82 MPa，均小于45#鋼的屈服強度值，因此所設(shè)計基于棘輪機構(gòu)的安全油門踏板裝置滿足材料的許用應(yīng)力要求，能夠正常工作。

為了驗證核心部件是否符合材料的許用應(yīng)變要求，在棘輪和棘爪嚙合處施加略大于實際的應(yīng)力值，利用ANSYS軟件得到的棘輪和棘爪的應(yīng)變圖如圖9所示。由圖9可知，棘輪、前棘爪和后棘爪所受應(yīng)變的最大值分別為1.63×106mm、1.41×105mm和1.43×105mm。各核心部件的應(yīng)變量均較小，滿足材料的形變要求，不影響裝置的正常工作。

4 結(jié)論

為了解決誤踩油門踏板而造成交通事故的現(xiàn)象，針對現(xiàn)有防誤踩油門踏板裝置的不足，通過分析誤踩油門踏板情況下作用力的變化，利用小球的慣性力，設(shè)計了一種新的基于棘輪機構(gòu)的安全油門踏板裝置。該裝置在不影響現(xiàn)有機構(gòu)正常運行的基礎(chǔ)上，合理地利用小球的慣性力來實現(xiàn)對車輛加速度變化的感應(yīng)，通過彈簧和高強度鋼制繩來聯(lián)動棘爪，從而實現(xiàn)棘爪與棘輪的嚙合，最終完成裝置對油門踏板的鎖止功能。

針對裝置中容易發(fā)生損害的核心部件，利用ANYSY軟件進行了有限元分析。結(jié)果表明棘輪、前棘爪和后棘爪所受應(yīng)力的最大值均小于材料的許用應(yīng)力，且核心零部件的應(yīng)變量較小，裝置滿足設(shè)計要求。安全油門踏板裝置還配置了安全輔助電控裝置來保證在特殊情況下的應(yīng)急作用。設(shè)計的基于棘輪機構(gòu)的安全油門踏板裝置空間布局合理，可在一定程度上減少誤踩油門踏板造成的交通事故。

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DESIGN AND SIMULATION ANALYSIS OF SAFETY ACCELERATOR PEDAL DEVICE BASED ON RATCHET MECHANISM

*PAN Daoyuan1,2, ZHENG Chengxin1, XU Hongyu1

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000;2. Anhui Engineering Technology Research Center of Automotive New Technique, Wuhu, Anhui 241000)

In view of the traffic accident caused by driver's mistake on accelerator pedal under special circumstances, this paper analyses the way in which the driver tramples on the accelerator pedal, and designs a safety accelerator pedal device based on ratchet mechanism by using the inertia force of the ball as the basis for mistake evaluation. Three-dimensional model of the device is built by CATIA software, and finite element simulation analysis of key components is carried out by ANSYS software. The maximum stress of ratchet, front ratchet and rear ratchet are 152.1 MPa, 165.19 MPa and 149.82 MPa respectively, which are less than 355 MPa of yield strength of 45# steel, and the deformation of key components is small. The result shows that the device meets the design requirements and can prevent the driver from operating the accelerator pedal incorrectly.

accelerator pedal; crank shaft ratchet; ratchet pawl; inertia force; simulation analysis

TH116

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2020.05.012

1674-8085(2020)05-0066-06

2020-06-07；

2020-07-19

安徽省自然科學(xué)基金項目(1808085ME128)；安徽高校自然科學(xué)重點項目(KJ2017A106)；安徽工程大學(xué)大學(xué)生科研項目(2020DZ33)；安徽工程大學(xué)創(chuàng)新團隊：人機自然交互下的智能機器人信息共融與協(xié)同控制

*潘道遠(1982-)，男，湖南常德人，副教授，博士，主要從事汽車電子、振動分析與控制研究(E-mail:plongroad@163.com);

鄭誠心(1999-)，男，浙江衢州人，安徽工程大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院本科生(E-mail:1758923675@qq.com);

徐宏雨(1999-)，男，安徽合肥人，安徽工程大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院本科生 (E-mail:1758332337@qq.com).