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基于棘轮机构的安全油门踏板装置设计与仿真分析.pdf

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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
井冈山大学学报(自然科学版)67
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

构件。Ⅱ
图2误踩感应机构结构图

mistake
万方数据
68井冈山大学学报(自然科学版)

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

万方数据
井冈山大学学报(自然科学版)69
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。
万方数据
70井冈山大学学报(自然科学版)
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
万方数据
井冈山大学学报(自然科学版)71
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。
参考文献:
[1]
制方法研究[D].长春:吉林大学,2019.
[2][D].大庆:东北
石油大学,2013.
[3][D].
杭州:中国计量学院,2012.
[4]李军政,陈昭君,杨跃,
(b)前棘爪置设计与仿真分析[J].农业装备与车辆工程,2016,
54(7):10-14.
[5]梅哲文,李晓航,王明环,
车装置[J].机械设计与制造,2010,10:201-203.
[6]宋传学,郑竹安,靳立强,
开发[J].吉林大学学报:工学版,2012,42(3):527-533.
[7]那明君,宋志超,周脉乐,
栽纵向送秧机构设计与试验[J].农业机械学报,2015,
46(11):43-48.
(c)后棘爪[8]张丽萍,罗洪波,李业农,
图9棘轮和棘爪的形变图蓄门设计分析[J].机械设计与研究,2016,32(3):
-28.
[9]何全茂,
4结论构的设计[J].机械设计与研究,2017,33(2):33-35.
[10]张磊,何建涛,冯飞,
为了解决误踩油门踏板而造成交通事故的现与试验[J].汽车技术,2018,1:59-62.
象,针对现有防误踩油门踏板装置的不足,通过[11]侯升亮,侯磊,
分析误踩油门踏板情况下作用力的变化,利用小动力学仿真分析[J].中国科学:技术科学,2018,48(9):
999-1011.
球的惯性力,设计了一种新的基于棘轮机构的安
[12]周晓,马秋成,张跃春,
全油门踏板装置。该装置在不影响现有机构正常
轮棘爪碰撞过程仿真分析[J].机械科学与技术,2015,
运行的基础上,合理地利用小球的惯性力来实现
34(6):836-839.
对车辆加速度变化的感应,通过弹簧和高强度钢
万方数据