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(NaturalScience)66
66井冈山大学学报(自然科学版)
文章编号:1674-8085(2020)05-0066-06
基于棘轮机构的安全油门踏板装置设计与仿真分析
*潘道远1,2,郑诚心1,徐宏雨1
(,安徽,芜湖241000;,安徽,芜湖241000)
摘要:针对特殊情况下驾驶员容易误踩油门踏板而造成交通事故的现象,分析了驾驶员踩踏油门踏板的方式,
利用小球的惯性力作为误踩的评判依据,设计了一种基于棘轮机构的安全油门踏板装置。应用CATIA软件对
该装置进行了三维建模,并对核心部件使用ANSYS软件进行有限元仿真分析。棘轮、前棘爪和后棘爪所受应
、,均小于45#钢的屈服强度值355MPa,且核心部件
的应变较小。结果表明,该装置满足设计要求,能够防止驾驶员对油门踏板的误操作。
关键词:油门踏板;棘轮机构;棘轮棘爪;惯性力;仿真分析
中图分类号:TH116文献标识码:ADOI:.1674-
DESIGNANDSIMULATIONANALYSISOFSAFETYACCELERATOR
PEDALDEVICEBASEDONRATCHETMECHANISM
*PANDaoyuan1,2,ZHENGChengxin1,XUHongyu1
(,AnhuiPolytechnicUniversity,Wuhu,Anhui241000;
,Wuhu,Anhui241000)
Abstract:Inviewofthetrafficaccidentcausedbydriver'smistakeonacceleratorpedalunderspecial
circumstances,thispaperanalysesthewayinwhichthedrivertramplesontheacceleratorpedal,anddesignsa
safetyacceleratorpedaldevicebasedonratchetmechanismbyusingtheinertiaforceoftheballasthebasisfor
-dimensionalmodelofthedeviceisbuiltbyCATIAsoftware,andfiniteelement
,front
,,whicharelessthan355MPa
ofyieldstrengthof45#steel,
meetsthedesignrequirementsandcanpreventthedriverfromoperatingtheacceleratorpedalincorrectly.
Keywords:acceleratorpedal;crankshaftratchet;ratchetpawl;inertiaforce;simulationanalysis
0引言
万辆,%%。随着汽车保
近些年来,随着汽车制造企业的发展以及我有量的上升,汽车事故也随之增加。驾驶员误将
国人民生活水平的不断提高,家用汽车已经成为油门踏板当刹车踩踏而造成的交通事故占重大事
现代家庭不可或缺的交通工具。2018年上半年,%。目前,防止误将油门踏板当作刹车
_______________________________
收稿日期:2020-06-07;修改日期:2020-07-19
基金项目:安徽省自然科学基金项目(1808085ME128);安徽高校自然科学重点项目(KJ2017A106);安徽工程大学大学生科研项目(2020DZ33);安徽
工程大学创新团队:人机自然交互下的智能机器人信息共融与协同控制
作者简介:*潘道远(1982-),男,湖南常德人,副教授,博士,主要从事汽车电子、振动分析与控制研究(E-mail:******@);
郑诚心(1999-),男,浙江衢州人,安徽工程大学机械与汽车工程学院本科生(E-mail:******@);
徐宏雨(1999-),男,安徽合肥人,安徽工程大学机械与汽车工程学院本科生(E-mail:******@).
万方数据
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踩踏的装置大体分为机械装置和电控装置[1-3]。电
控装置相比于机械装置所需技术复杂,且大多数
基于传感器而实现,因而存在传感器不稳定而产
生误判的情况。因此,设计一种机械式安全油门
踏板装置具有重要意义。
目前,国内外研究人员在安全油门踏板的机
械装置方面做了大量研究。以油门踏板的受力作
为误踩判断的依据,文献[4]设计了一种机械离心
式油门防误踩安全辅助装置。文献[5]为了克服不
能实现及时刹车的不足,设计了机械联动装置。
上述研究在理论上可行,但联动装置过于复杂[6],图1基于棘轮机构的安全油门踏板装置
在工程应用上还有待改进。为此,本文利用小球
mechanism
的惯性力作为误踩的评判依据,设计一种基于棘
轮机构的安全油门踏板装置系统,该系统还配置误踩感应机构主要由棘轮、棘爪、小球、弹
了安全辅助电控装置来保证在特殊情况下的应急簧、高强度钢制绳和手拧螺栓组成,如图2所示。
作用。由图2可知,该机构能够感应车辆在向前、向后
行驶时的突然加速。当车辆向前行驶,驾驶员踩
1安全油门踏板装置结构及工作原踏油门踏板时,棘轮沿逆时针转动。由于车辆此
时有向前的加速度,小球向左运动,左侧小球克
理服弹簧阻力,拉动高强度钢制绳,棘爪Ⅱ绕固定
轴沿顺时针转动,同时右侧小球推动棘爪Ⅰ,棘
Ⅰ绕固定轴沿顺时针转动,从而实现两棘爪锁
基于棘轮机构的安全油门踏板装置系统主要止棘轮,完成对棘轮的锁定作用。当车辆向后行
由传动装置、安全辅助电控装置和误踩感应装置驶,驾驶员踩踏油门踏板时,棘轮沿逆时针转动。
三大部分构成,如图1所示。由图1可知,传动由于车辆此时有向后的加速度,小球向右运动,
装置主要由踏板、齿轮、传动轴组成。踏板和传左侧小球克服弹簧阻力,拉动高强度钢制绳,棘
动轴相连,实现将转动传输到齿轮和棘轮上,实爪Ⅱ绕固定轴沿顺时针转动,从而实现单棘爪锁
现车辆的提速和棘轮的转动。安全辅助电控装置止棘轮,完成对棘轮的锁止作用。
主要由电动推杆和伸缩杆组成,当电信号传输到
电动推杆时,电动推杆向前推动,此时伸缩杆主
体向后运动,与棘轮相连接的两杆向上运动,实
现油门踏板的强制复位,起到误踩感应机构失效
后的安全保障作用。误踩感应装置由误踩感应机
构和其保护壳组成。误踩感应机构在感应到一定
程度的加速度时完成锁止作用。保护壳则用于为
Ⅰ
构件。Ⅱ
图2误踩感应机构结构图
mistake
万方数据
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在目前的家用车辆中,油门、刹车都是采用实际上车辆的加速度是由油门踏板在相同的
右脚控制。在正常行驶中,驾驶员往往会逐渐加行程中所使用时间的长短来决定的。误踩感应机
大踩踏油门踏板的力度,从而来实现逐渐的提速。构主要是通过车辆的加速度变化来实现机构的锁
因此在正常行驶中,车内物体受惯性影响的程度止作用。在该机构中,小球的惯性力大小由车辆
小。但在特殊情况下,驾驶员由于各种原因造成的加速度来决定。假设车辆向前匀速行驶,误踩
施加踩踏力失当,造成车辆的加速向前或加速向感应机构力学模型如图4(a)所示。当误踩油门踏
后,致使车内物体受惯性影响的程度大,产生车板时,车辆则处于向前的加速状态,小球在惯性
内物体前倾或者后倒的现象。根据驾驶员的操作力的作用下相对向左运动,误踩感应机构力学模
行为可以发现,在匀加速踩踏油门踏板的情况下型如图4(b)所示。小球向左运动时会带动右弹簧
是安全的,但在快速踩踏油门踏板的情况下会导和高强度钢制绳也向左运动,最终通过棘爪的转
致该装置运行,触发棘爪锁死棘轮以达到对油门动来实现对棘轮的锁止作用。
踏板的控制。该装置对不同情况的反馈调节如表1
所示。
表1装置对不同情况的反馈调节
Table1Feedbackregulationofdevicefordifferentsituations
油门踏板运行情况行为判断反馈调节
正常踩踏无误踩正常行驶
快速踩踏(车辆前行)误踩棘轮机构运行、锁止
快速踩踏(车辆后退)误踩棘轮机构运行、锁止
基于棘轮机构的安全油门踏板装置能够正常图4误踩感应机构力学模型
运行的核心技术是通过对物体惯性的运用。
球的惯性力应用在以棘轮机构作为基础的机械装mistake
置中。为了避免误踩感应机构的失效,该装置增由于小球与保护壳的接触为点接触,可忽略
加了以电动推杆为主的安全辅助电控装置。整个相互间的摩擦力。由图4可知,车辆以加速度为
装置系统的工作流程如图3所示。由图3可知,
a1向前行驶,则小球的惯性力为
该装置通过小球的运动来判定驾驶员的误踩,及dv
f=m×(−a)=−m(1)
时对棘轮机构进行锁止。11dt
式中:m为小球质量,v为小球运动速度,t为时
间。
左右弹簧在小球惯性力的作用下受力为
t
fk1=k1×x1=−k1v1dt(2)
∫0
t
fk2=k2×x2=−k2v2dt(3)
∫0
式中:k1和k2分别为左右弹簧的弹性系数,x1和
x2分别为左右弹簧的形变量。
由图4(b)可知,小球的移动位移为
Δx=x1−x2(4)
高强度钢制绳原始长度为S,在小球的作用
图3装置工作流程图
下其变化量为
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ΔS=S−(h2+Δx2)(5)员在特殊情况下给齿轮施加的力,选取齿轮材料
为钢,其材料属性如表所示。经计算得到
高强度钢制绳与小球运动法线方向夹角为45#2
齿轮相关参数:模数为2,齿数为30,压力角为
θ1,则其所受的拉力为
20°,分度圆为60mm,齿顶高为2mm,齿根高
fs1=(f1−fk1−fk2)/sinθ1(6)
,齿宽为18mm,。
将式(1)至式(5)代入式(6),可得
表245#钢的材料属性
ttdv
(k1v1dt+k2v2dt−m)Table2Materialpropertiesof45#Steel
∫0∫0
f=dt
s1Δx(7)属性值
sin()
h2+Δx2杨氏模量(kPa)×108
小球质量m、左右弹簧的弹性系数k1和k2
33
均是可调节量,且高强度钢制绳也可根据需要进密度(kg/m)×10
屈服强度(MPa)355
行选型。由式(7)可知,根据需要选取适当参数值
即可实现误踩感应机构的感应功能。由于弹簧力
和拉力均属于过程变量,且加速度也是在极短时
由误踩感应机构的结构可知,其锁止功能依
间内产生的,故在实际进行误踩感应机构设计时,
靠棘轮和棘爪的啮合来现实。棘轮和棘爪在啮合
可用稳定状态下的静力学模型进行估算。
时主要受力为弯曲和挤压应力,因此对棘轮和棘
误踩感应机构中棘轮的加速度取决于油门踏
爪进行分析时主要从弯曲和挤压两方面考虑[7-9]。
板的加速度,而棘轮的加速度与棘轮和棘爪之间
棘轮的材质为45#钢,相对而言在机构运行时不
的作用力相关。根据油门踏板的结构可知
易损坏。为确定棘轮的结构参数,参考外接齿啮
t
vy=F/mydt(8)式棘轮机构尺寸计算表达式
∫0
3
式中:F为油门踏板踩踏作用力,my为油门踏板m=/(2ϕ[σ])(11)
质量,vy为油门踏板线速度。式中:m为棘轮模数,T为棘轮所受扭矩,T=
由于油门踏板与棘轮是同轴转动,则有F×r,F为棘轮受力,r为棘轮半径,φ为齿宽系
rj数;[σ]为棘轮弯曲应力。
vj=vy(9)
ry经计算得到棘轮的结构参数:模数为2,齿
式中:rj为棘轮半径,ry为施力点至轴心的距离,,齿高为2mm,
vj为棘轮线速度。mm,齿面倾斜角10°,厚度为10mm,齿数为
则棘轮受力为35,棘轮外径为70mm。经计算得到棘爪的结构
dv参数:工作面边长为5mm,
F=mj(10)
jjdtmm,齿形角55°,。
式中:mj为棘轮质量。
驾驶员在特殊情况下,由于心理紧张会造成3有限元模型与仿真分析
踩踏油门踏板过猛,此时作用在油门踏板的力会
高达380N,因此在设计时,
应力要适当放大。根据设计的相关参数,在CATIA软件中完成
基于棘轮机构的安全油门踏板装置的零部件设计
2装置核心部件设计及装配,如图5所示。同时,在UG软件中完成
装置主要部分的爆炸效果图。误踩感应机构装置
。安全辅助电控装置的
在进行安全油门踏板装置设计时,参考驾驶爆炸效果图如图7所示。
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略大于实际的应力值,利用ANSYS软件得到的
棘轮和棘爪的应力图如图8所示。由图8可知,
棘轮、前棘爪和后棘爪所受应力的最大值分别为
、,均小于
45#钢的屈服强度值,因此所设计基于棘轮机构的
安全油门踏板装置满足材料的许用应力要求,能
够正常工作。
图5安全油门踏板装置的装配图
(a)棘轮
图6误踩感应装置效果图
(b)前棘爪
图7安全辅助电控装置效果图
后棘爪
(c)
图8棘轮和棘爪的应力图
在基于棘轮机构的安全油门踏板装置的工作
过程中,影响最大的是误踩感应机构中的棘轮和
棘爪。利用中
ANSYSWorkbenchstaticstructural为了验证核心部件是否符合材料的许用应变
模块对棘轮和棘爪进行应力和应变分析[10-12]。棘
要求,在棘轮和棘爪啮合处施加略大于实际的应
轮和棘爪的材料为45#钢,其在常温下的屈服强
力值,利用ANSYS软件得到的棘轮和棘爪的应
度为355MPa。
变图如图9所示。由图9可知,棘轮、前棘爪和
为了验证核心部件是否满足材料的许用应力
×106mm、
要求,根据动力学分析在棘轮和棘爪啮合处施加
××105mm。各核心部件的应变
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量均较小,满足材料的形变要求,不影响装置的制绳来联动棘爪,从而实现棘爪与棘轮的啮合,
正常工作。最终完成装置对油门踏板的锁止功能。
针对装置中容易发生损害的核心部件,利用
ANYSY软件进行了有限元分析。结果表明棘轮、
前棘爪和后棘爪所受应力的最大值均小于材料的
许用应力,且核心零部件的应变量较小,装置满
足设计要求。安全油门踏板装置还配置了安全辅
助电控装置来保证在特殊情况下的应急作用。设
计的基于棘轮机构的安全油门踏板装置空间布局
合理,可在一定程度上减少误踩油门踏板造成的
(a)棘轮
交通事故。
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