強(qiáng)敏，李軍政*,2,3，陳昭君，楊躍，李滿，曹瑞玲

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410128；2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128；3.南方糧油作物協(xié)同中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

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緊急狀況下汽車油門防誤踩安全輔助裝置設(shè)計(jì)

強(qiáng)敏1，李軍政*1,2,3，陳昭君1，楊躍1，李滿1，曹瑞玲1

針對(duì)小車駕駛員誤踩油門事故頻繁發(fā)生的現(xiàn)象，分析在緊急狀況下誤踩油門的產(chǎn)生原因及避免機(jī)制，以油門踏板不同狀況下所受力作為誤踩的判斷依據(jù)，設(shè)計(jì)出一套油門與剎車聯(lián)動(dòng)的安全輔助裝置。介紹了裝置的整體結(jié)構(gòu)與核心部件及其工作原理，計(jì)算并校核了主要工作部件。

棘輪棘爪；汽車安全；離心力

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.017

CLC NO.: U463.52 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-47-03

前言

近年來，隨著家用汽車越來越普及，小車駕駛員誤踩油門而造成的交通事故頻繁發(fā)生[1]，交通安全成為一個(gè)尤為突出的問題。目前已有防誤踩技術(shù)主要是采用電子控制方式，有一定的實(shí)際意義，但是存在安裝拆卸與更換不易，維護(hù)不方便等問題[2]。因此本文設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝、拆卸方便的機(jī)械離心式油門防誤踩裝置。

1、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車安全輔助系統(tǒng)以飛錘，棘輪棘爪，離心盤為核心工作部件，主要由傳動(dòng)裝置、復(fù)位裝置、防誤踩裝置、聯(lián)動(dòng)裝置和安全裝置五部分組成，如圖1所示。

其中傳動(dòng)裝置是由由齒輪、齒條和輸入軸組成。輸入軸通過平鍵與齒輪相連，通過定位銷與離心盤相連；復(fù)位裝置是由波紋管和復(fù)位彈簧組成。復(fù)位彈簧分別套在齒條上；防誤踩裝置是由彈簧、飛錘固定座、棘爪和棘輪組成，如圖 2所示。飛錘是防誤踩裝置的核心零件，與連桿相連，且與彈簧為面接觸，在離心力作用下向固定座內(nèi)側(cè)沿連桿滑動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)與其鉸接的棘爪向外運(yùn)動(dòng)；聯(lián)動(dòng)裝置由齒輪、齒條和輸出軸組成。輸出軸和傳動(dòng)盤通過銷相連，和齒輪通過平鍵連接；安全裝置由端口有螺紋的可調(diào)節(jié)軸通過螺絲與圓環(huán)固定連接，同時(shí)與輸出軸、傳動(dòng)盤的內(nèi)側(cè)相連。

2、工作原理

駕駛員防誤踩裝置僅是對(duì)誤踩信號(hào)的判斷，當(dāng)防誤踩裝置開始工作時(shí)，油門踏板失效，同時(shí)在聯(lián)動(dòng)裝置的作用下，剎車踏板工作。當(dāng)緩慢松開油門踏板時(shí)，在波紋管中的復(fù)位彈簧作用下，油門踏板和剎車踏板復(fù)位。

圖2　離心式棘輪棘爪裝置結(jié)構(gòu)圖Fig 2 Structure of Centrifugal ratchet device

圖3　汽車安全輔助系統(tǒng)工作原理圖Fig 3 Automible assistance safety system's working principle

如想要關(guān)閉此輔助系統(tǒng)，只需啟動(dòng)安全開關(guān)即可。在開關(guān)軸旋轉(zhuǎn)的過程中，圓環(huán)做圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)軸端截面上的圓環(huán)與飛錘相切時(shí)，飛錘位置瞬間固定。此時(shí)無論多大的離心力都不能使其沿固定座內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)，即棘爪無法向外部運(yùn)動(dòng)與棘輪嚙合，裝置切換到關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)需要重新開啟此輔助系統(tǒng)時(shí)，反方向旋轉(zhuǎn)開關(guān)軸即可，其工作原理如圖3所示。

以小車油門踏板正常和緊急狀況下受力大小不同，建立判斷誤踩的力學(xué)模型，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的防誤踩裝置。即在緊急狀況下由于情緒緊張導(dǎo)致油門踏板力 F1遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常情況下的踏板力F0，同時(shí)由F=ma可知，a1>>a0。因此根據(jù)F0<

圖4　力學(xué)模型Fig4 Dynamic Modle

上式中m，mp分別為飛錘和棘輪質(zhì)量，k為彈簧的彈性系數(shù)。m，mp，k為可控變量。彈力和離心力的產(chǎn)生是過程量，但是較大的加速度是由極短時(shí)間內(nèi)受力作用產(chǎn)生的，故在實(shí)際計(jì)算中用平衡時(shí)的靜力平衡計(jì)算。

踩下油門踏板時(shí)，與踏板相連的齒輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪齒條嚙合帶動(dòng)輸入軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)與輸入軸相連的離心盤旋轉(zhuǎn)，根據(jù)油門踏板受力產(chǎn)生的加速度不同，使飛錘獲得不同的離心力，克服彈簧力產(chǎn)生的作用行程不同，帶動(dòng)棘爪的運(yùn)動(dòng)也不同。

（1）正常情況下作用于油門踏板時(shí)：

其中Fm為離心力，F(xiàn)0為油門踏板力，F(xiàn)1為緊急狀況下的油門踏板力，根據(jù)已知條件計(jì)算可得[6]：

Fm<380N，a≤0.25m/s2

此時(shí)飛錘的離心力不足以克服彈簧力運(yùn)動(dòng)到棘輪棘爪嚙合的臨界點(diǎn)。

（2）緊急情況下作用于油門踏板時(shí)：

根據(jù)已知條件計(jì)算可得：

a≥30m/s2

此時(shí)飛錘離心力克服壓縮彈簧超過棘輪棘爪嚙合的臨界點(diǎn)，帶動(dòng)與其鉸接的棘爪繼續(xù)向外運(yùn)動(dòng)并最終與棘輪相互嚙合。傳動(dòng)盤的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過齒輪齒條傳動(dòng)而使剎車踏板迅速工作。

3、主要零件的設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1齒輪齒條

裝置設(shè)計(jì)時(shí)，以湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)駕駛中心的大眾新捷達(dá)為參考依據(jù)，測(cè)量計(jì)算得出齒輪齒條的安裝高度需小于90mm，踏板的最大行程Lmax=45mm，取齒輪模數(shù)為2mm，齒數(shù)為34，計(jì)算[10]獲得齒輪齒條的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1　齒輪齒條的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural Parameters of gear and rack

棘輪棘爪嚙合時(shí)，主要為彎曲和擠壓作用力，因此從彎曲強(qiáng)度和擠壓強(qiáng)度兩個(gè)方面進(jìn)行計(jì)算。一般來說，棘輪是強(qiáng)度儲(chǔ)備比較充裕的零件，工作過程中不易損壞，按照公式進(jìn)行校核計(jì)算后完全滿足使用要求[6]。棘輪的使用周期長(zhǎng)，可不考慮輪齒的接觸疲勞強(qiáng)度，按彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算，取踏板力F1'=300N[7]，取棘輪齒數(shù)z3=34，材料選用鑄鐵。由公式：

式中：m-棘輪模數(shù)；

T-棘輪所受的扭矩，T=F'*s；

φ-齒寬系數(shù)；

[σ]-棘輪輪齒材料的許用彎曲應(yīng)力[8]。計(jì)算[9]獲得棘輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2　棘輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural Parameters of rachet

4、結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)有的油門防誤踩裝置的不足，基于正常和緊急狀況下油門踏板力的不同，從機(jī)械角度設(shè)計(jì)出一款汽車安全輔助系統(tǒng)，可有效減小緊急狀況下誤踩油門事故的發(fā)生率。通過測(cè)量駕駛中心車輛的內(nèi)部空間，計(jì)算出核心零件的主要尺寸，使本裝置可以應(yīng)用于實(shí)踐中。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝、拆卸方便，實(shí)用，且設(shè)計(jì)人性化，同時(shí)可培養(yǎng)駕駛員的良好駕駛習(xí)慣。

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Design of safety assistance device of anti-false stepping accelerator pedal in emergency

Qiang Min1, Li Junzheng*1,2,3, Chen Zhaojun1, Yang Yue1, Li Man1, Cao Ruiling1
( 1.College of Engineering, Hunan Agricultural University, Hunan Changsha 410128; 2. Hunan Provincial Engineering Technology Research Center for Modern Agricultureal Equipment, Hunan Changsha 410128; 3. Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China, Hunan Changsha 410128 )

Absract: This paper analysed the reasons and solutions of the phenomenon of stepping mistakenly on the accelerator pedal in an emergency. Using different force applied on gas pedal in different conditions as a criterion to judge, a set of safety assistance device is designed for anti-false stepping on accelerator pedal that linked accelerator and brake pedals.It is introduced the whole structure and core mechanism as well as working principles.And it is calculated and verified the rationality of the main components.

Ratchet and Pawl; Automobile safety; Centrifugal force

湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目（SCX1517）。

U463.52

A

1671-7988 （2016）06-47-03

強(qiáng)敏，就讀于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)。