机械式汽车油门防误踩安全辅助装置

陈昭君,李军政,2,3,强敏,杨跃, 李满, 曹瑞玲

(1.湖南农业大学工学院，湖南长沙 410128；2.现代农业装备工程技术中心，湖南长沙 410128；3.南方粮油作物协同中心，湖南长沙 410128)



机械式汽车油门防误踩安全辅助装置

陈昭君1,李军政1,2,3,强敏1,杨跃1, 李满1, 曹瑞玲1

(1.湖南农业大学工学院，湖南长沙 410128；2.现代农业装备工程技术中心，湖南长沙 410128；3.南方粮油作物协同中心，湖南长沙 410128)

为避免“误把油门当刹车”事件的发生，设计一种机械式防误踩油门安全辅助系统。系统根据驾驶员正常踩油门与紧急制动误踩油门时油门踏板加速度的差异来判断是否要进行紧急刹车，并利用离合器的原理合理设计装置结构，确保油门误踩的情况下汽车紧急制动，保障驾驶员的人身安全。

汽车；安全辅助；棘轮；离心力

0　引言

随着机动车的不断增多，汽车安全技术的发展和完善不容忽视，并且主动安全技术已成为汽车安全技术的发展重点和趋势[1]。据统计：由紧急情况下“误踩油门”造成的交通事故最为普遍，几乎占了12.6%[2]。然而到目前为止,依然没有研制出完善的保护措施,这种情况充分说明了现有的油门和制动系统的设计还存在一些致命缺陷。因此，汽车安全技术的发展和完善不容忽视。

针对此种情况，作者设计了一种油门防误踩系统，具备安装简单，结构轻便，性能安全、可靠，促使驾驶员养成良好驾驶习惯等优点。

1　整体设计方案

1.1系统组成

此系统主要包括误踩信号判断感应器、传动装置、制动装置、复位装置、安全模式切换装置。系统框图如图1所示。

其中，误踩信号判断感应器由飞锤、弹簧、连杆、棘爪、棘轮、离心盘组成。飞锤是核心部件，飞锤与弹簧连接，在固定座上左右滑动，并与连杆机构铰接带动棘爪运动。传动装置由抱死机构、齿轮、齿条、输入轴组成。抱死机构与踏板相连，齿轮齿条相互啮合，输入轴与齿轮、离心盘相连。制动装置由抱死机构、输出轴、齿轮齿条组成。传动盘与输出轴相连，齿轮齿条以及抱死机构连接方式与传动装置相同。复位装置由复位弹簧及波纹管组成，复位弹簧安装在齿条外围。安全模式切换装置端口有螺纹的轴与圆环通过螺丝固定连接，与输出轴、传动盘内侧相连。

1.2工作原理

安全辅助装置分别在油门杆、刹车杆上安装一个抱死机构，通过齿轮齿条传动装置带动误踩信号判断感应器运动，实现油门杆与制动杆的相互作用，系统工作原理如图2所示。

当汽车正常行驶时，油门、刹车相互独立，紧急情况下驾驶员误操作时，油门踏板压力的骤增导致离心盘速度迅速变化，飞锤产生足以克服弹簧阻力的离心力向外扩张，棘轮棘爪啮合，同时触发制动装置使刹车杆迅速踩下，从而达到刹车制动的目的。当缓慢放开油门踏板时，在复位弹簧的作用下棘轮机构又恢复正常状态，此时油门、刹车又相互独立工作。如不需要此装置时，可旋转安全装置开关，切换飞锤运动状态。其中感应并执行判断的棘轮结构如图3所示。

设计利用正常踩油门和紧急情况油门踩踏力不同来判断是否为误踩。紧急情况下，由于驾驶员误把油门当刹车，对油门踏板的踩踏力比正常情况下的踩踏力要大得多，由力学公式F=ma可知加速度也比平常正常踩油门时大。由此可以将油门踏板的踩踏力作为误踩判断的依据，再利用离合器的原理来根据判断选择不同的执行机构，从而实现加油或刹车制动。

驾驶员误操作时，猛踩油门踏板到底的时间大约是0.1 s，而正常踩油门到底的时间大约是1.1 s，两种情况下，驾驶员踩油门踏板的速率和加速度都不同[3]。为简化分析，驾驶员误操作时猛踩油门踏板到底可视为做匀加速直线运动[4]，由运动学公式：

s=v0t+at2/2

(1)

式中：s为油门踏板行程；v0为油门踏板初速度，v0=0；a为油门踏板加速度；t为猛踩油门踏板到底的时间。可求得：

a=2s/t2

(2)

油门踏板的行程约为100 mm,根据踩油门踏板的时间及行程可计算出：正常踩油门时的油门踏板加速度大约为 0.17 m/s2，误踩油门时油门踏板的加速度大约为 20 m/s2，这两者之间的差值很大，为避免因超车加速而引起系统判断失误，加速度应取得稍大些，此设计以油门踏板加速度a=20 m/s2为判断阈值。

油门踏板踩下时，齿轮齿条啮合带动离心盘转动。误踩油门时，离心盘的加速度达到20 m/s2以上，此时飞锤克服弹簧阻力向外运动，同时带动棘爪向外旋转，棘轮棘爪彼此啮合，触发制动装置的联动机构，使刹车踏板迅速踩下，实现紧急刹车。

2　主要部件设计

2.1误踩信号判断感应器

棘轮棘爪啮合时，力主要作用在棘轮的轮齿上，主要为弯曲和挤压作用力，因此应从弯曲强度和挤压强度两个方面进行计算。据调查，正常情况下的踏板力为100 N,而在紧急制动的情况下所产生的踏板力为350 N[5-6]。进行弯曲强度计算时取F=350 N，z=33,踏板踩到底的行程L=45 mm，材料选用45钢，调制处理，[σ]=650 MPa[7]。按弯曲强度计算[8],由公式：

(3)

式中：T为棘轮轴所受的扭矩；z为棘轮的齿数，取z=33;φ为齿宽系数，取φ=1；[σ]为棘轮齿轮材料的许用弯曲应力。则：

T=F×L=15 750 N·mm

(4)

由此可求得棘轮模数：m≈1 mm

棘轮的其他参数计算如下：

齿高：h=0.75 m=0.75 mm

齿顶厚：a=m=1 mm

齿顶圆直径：da=mz=33 mm

齿根圆直径：df=da+1.5m=34.5 mm

根据工作情况，齿槽圆角半径：r=1.5 mm，棘轮厚度：b=4 mm。

2.2传动装置、制动装置设计

由于刹车与油门是两套不同的控制系统，必须合理地设计辅助机构，使汽车在正常情况下行驶时，油门与刹车系统相互独立工作，互不干涉；当突遇紧急状况时，油门与刹车机构同时工作，即油门与刹车系统相互制约，共同作用。输入输出执行装置均采用齿轮齿条机构，误踩时，油门踏板上的齿轮齿条将力转化成离心盘的加速度，当达到20 m/s2时，棘轮通过输出轴的联动作用带动刹车踏板上的齿轮齿条运动，从而使刹车踏板踩下。正常行驶时，误踩信号判断感应器没有触发，棘轮棘爪分离，阻断动力的传递，输入轴带动离心盘做空转运动，油门踏板处于踩下状态，刹车踏板处于初始状态，属于正常加速行驶操作。当踩踏力解除后，在波纹管中复位弹簧的作用下，油门、刹车踏板复位。

2.3安全模式切换装置设计

当不需要使用此装置时，可以通过该装置切断动力的传递。因此只要将飞锤的位置固定，使棘轮棘爪不能啮合，装置就无法工作。为了减小设计空间，采用螺纹来调节开关的长度，在开关旋转的过程中，圆环做圆周运动，当轴端截面上圆环与飞锤挡块相切时，飞锤位置锁死，不能向外部运动，装置切换到关闭状态。当需要开启此装置时，反方向旋转开关即可。

3　结论

在不影响原有汽车使用结构和性能的基础上设计了一套机械式油门防误踩装置，通过对正常踩油门和误踩油门时油门踏板加速度的分析，计算出系统的判断阀值，并考虑到加速超车时的情况，有效避免系统错误判断。当然系统也存在问题，不同的车型，油门踏板行程s以及猛踩油门踏板时间t也就不同，最终系统的油门踏板加速度判断阀值就不同，需根据具体车型进行计算。

该装置不影响原有的使用结构和性能，轻便、安全、可靠；合理利用离合器的原理，灵活运用棘轮机构的特性，使装置结构简单、紧凑、实用，便于拆装，并且克服了只能够实现部分功能，既可以防止油门被误踩，又可以及时制动，同时还可以培养司机良好的驾驶习惯，避免“误把油门当刹车”惨剧的发生。

【1】邱亚楠.汽车防误踩油门的自动刹车系统的研究[D].杭州:中国计量学院，2012：1-2.

【2】任宇立.道路交通安全现状及交通事故分析方法初探[J].道路交通与安全，2010,10(2): 4-6.

【3】陈松，张娜.基于AT89S52单片机的误踩油门控制器的设计[J].西昌学院学报：自然科学版，2009，23(3)：73-75.

CHEN Song，ZHANG Na.Designed for Pressing Accelerator Pedal Mistakenly Based on AT89S52 MCU[J].Journal of Xichang College:Natural Science Edition,2009，23(3)：73-75.

【4】邓彪，简晓春.汽车误踩油门智能保护系统的设计[J].交通科学与工程，2014(2):67-71.

DENG Biao,JIAN Xiaochun.Design of an Intelligent Protection System for Cars Stepped on the Accelerator by Mistakes[J].Journal of Transport Science and Engineering,2014(2):67-71.

【5】陈雪梅,高利,魏中华.紧急避障时驾驶员制动操纵特性研究[J].北京工业大学学报,2007(6):604-607.

CHEN Xuemei,GAO Li,WEI Zhonghua.Driver’s Braking Behavior under Emergency[J].Journal of Beijing University of Technology,2007(6):604-607.

【6】郑宏宇,宗长富,高越，等.线控制动系统的踏板力模拟研究[J].系统仿真学报，2008(2) :1016-1019.

ZHENG Hongyu,ZONG Changfu,GAO Yue,et al.Research on Pedal Force Simulation for Brake-by-wire System[J].Journal of System Simulation,2008(2):1016-1019.

【7】濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].北京:高等教育出版社，2013：191-216.

【8】孙新杰.浅谈棘轮离合器设计[J].中国科技信息，2011 (15)：111-116.

Mechanical Safety Assistance Device for Accelerator Pedal of Automobile

CHEN Zhaojun1, LI Junzheng1,2,3, QIANG Min1, YANG Yue1,LI Man1,CAO Ruiling1

(1.College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha Hunan 410128,China; 2.Hunan Provincial Engineering Technology Research Center for Modern Agricultural Equipment, Changsha Hunan 410128,China;3.Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China, Changsha Hunan 410128,China)

In order to avoid the occurrence of the events that the accelerator pedal was stepped under emergency, a mechanical safety assistant system that anti mistakenly stepped on the accelerator was designed. According to the difference of acceleration of accelerator pedal between common operation and false step on accelerator under emergency, the system determined whether to carry out emergency brake with the safety assistance device or not, and reasonable structure was obtained by making use of the principle of clutch. It is ensured that the accelerator pedal can be braked under emergency and the driver is protected.

Automobile; Safety assistance; Ratchet; Centrifugal force

2016-04-05

湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目(SCX1517)

陈昭君(1993—)，女，大学本科，专业方向为车辆工程。E-mail:1906332058@qq.com。

李军政，E-mail：lijunzheng2008@163.com。

U463.51

A

1674-1986(2016)07-019-03