基于模型設計的汽車新型踏板可靠性控制研究

趙榮榮

摘? 要：為滿足重型車輛對動力系統的功能與安全性要求，文章基于現有的幾種加速踏板的機械結構進行分析，同時對機械結構以及信號的可靠性進行了改進提升，建立了基礎模型并快速完成樣件，并進一步對改進部分做了實驗驗證，結果表明該改進方案滿足可靠性要求。

關鍵詞：加速踏板;機械結構;改進

中圖分類號：U463? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）18-0137-02

Abstract： In order to meet the function and safety requirements of the power system of heavy vehicles， this paper analyzes the mechanical structure of several existing acceleration pedals， and improves the reliability of the mechanical structure and signal at the same time. The basic model is established and the sample is completed quickly， and the improved part is further verified by experiments. The results show that the improved scheme meets the reliability requirements.

Keywords： acceleration pedal; mechanical structure; improvement

1 新型踏板工作原理

1.1 踏板工作原理

現用踏板功能的實現是通過轉動將機械活動轉化成模擬信號與發動機進行信號傳遞的，接收到的踏板信號后控制節氣門的開度，從而控制整車速度。加速踏板的組成有機械結構、傳感器以及其他相關部分，大多數采用非接觸式霍爾傳感器，在加速踏板的旋轉軸上固定好兩塊磁鐵，形成一個穩定的磁場，可隨加速踏板一起運動，將非接觸式霍爾傳感器的芯片放置到磁場中，通過軸轉動實現模擬信號輸出。

1.2 踏板結構

現有的吊掛式踏板的結構大多是由踏板臂、踏板殼體、踏板蓋板組成，通過踏板臂的軸連接踏板臂和殼體蓋板實現踏板的轉動;踏板內部裝有彈簧，實現在踩踏后踏板臂自動反彈;在踏板使用過程中，軸與裝配孔之間互相摩擦，且軸孔在設計裝配時是過盈配合，所以摩擦磨損是不可避免的。在之前的設計中，軸分成了兩個部分，旋轉軸與蓋帽，這兩個部分通過螺釘固定，且與殼體和蓋板過盈配合，所以在生產和裝配中會不可避免有累計誤差，使裝配后的過盈范圍大于設計范圍，導致磨損量過大，最終軸孔松動，出現踏板信號不穩定等故障。

2 新型踏板機械結構設想

為了改善上述可能以及已經出現的問題，后續設想將旋轉軸、蓋帽和踏板臂做成一體式設計，這樣只要控制整個新的踏板臂的關鍵尺寸的控制，后續產線的裝配以及總成的質量檢查可以省略很多復雜程序，在很大程度上節省了其他隱性資源。

經過對其他踏板的分析對比，也有很多相似的一體式踏板臂的設計，有些集成式踏板臂在摩擦軸的局部使用了雙層注塑，增加了自潤滑塑料面，使踏板在旋轉時減少摩擦;有些集成式踏板臂使用耐磨塑料材料，與相匹配的殼體和蓋板使用兩種不同的材質，來減少相同材料的磨損。

借鑒以上設計，對之前設計進行了改進，將旋轉軸、踏板臂和蓋帽集成一體之后，使用與殼體和蓋板不同的材質，根據使用材質的性能以及熱脹冷縮的變化量計算軸與殼體、蓋板之間的預留間隙，確認整體軸的直徑;并借用之前踏板的人機點，設計踏板臂的整體建立三維模型。

3 建模與測試

3.1 建立測試模型

對踏板整體進行有限元分析來確認機械結構的強度和計算踏板的改進后踏板總成和踏板臂所受的應力、應變;在踏板踩點施加足夠大的力，檢驗踏板是否會在極限力值情況下出現斷裂或者失效。

根據主機廠的安裝方式以及測試標準，踏板底部用四個螺栓固定到平面，模擬整車踏板固定到駕駛室地板，踏板臂和踏板殼體通過軸孔連接到一起，對踏板的踩踏點施加垂直于踏板面的踩踏力以及對踏板兩個側面施加水平力。

3.2 仿真結果分析

3.2.1 正向受力分析

（1）通過有限元分析，對踏板踩踏點施加890N的力，在踏板臂所受的最大應力是42MPa，應力最大位置處在踏板臂中間位置，該處因輕量化做了結構優化，但該最大應力對零件的安全性沒有影響，此處可不做任何處理。第二應力集中點在旋轉軸處，主要是在踏板臂和旋轉軸的連接處，該應力對零件的安全性也沒有影響，可不做處理;根據分析得知最小應力不足1MPa，對于整個踏板臂來說，均不足1MPa。按照機械設計原則，太大的安全系數并不是最優設計，在保證足夠的安全系數，要使得零件的設計簡單化與輕量化，后續可以考慮修改所受盈利較小部分的減料。

（2）考慮到在車輛行駛和駕駛員使用過程中，偶爾會出現粗暴操作，需要模擬在粗暴操作時踏板臂的受力情況。對踏板臂踩踏點施加1554N的力，通過施加極限力來分析踏板臂的受力情況;本次踏板臂所受的最大應力是110MPa，應力最大位置處在踏板臂中間位置，尤其是在與旋轉軸連接處的加強筋位置所受應力最大，此處在長期承受最大應力會導致加強筋損壞，在此處可以增加加強筋厚度;在處理模型時，此處也并未做圓角處理，也可能是由于直角所產生的應力集中，可在后續加工過程中倒圓角處理。

3.2.2 正向受力位移分析

踏板整體的位移在施加890N和1154N力的最大位移如下表1所示。其中踏板最大位移量在踏板面的頂部。其最大位移量均在位移變化所要求的范圍之內，該最大位移量不會導致踏板臂的結構變形。

3.2.3 測向受力分析

對踏板臂兩側分別施加350N的力，在踏板臂所受的最大應力是100MPa，應力最大位置是踏板臂與旋轉軸連接處的加強筋處，在處理模型時，此處也并未做圓角處理，也可能是由于直角所產生的應力集中，可在后續加工過程中倒圓角處理。此處可能在長期承受最大應力會導致加強筋損壞，在此處可以增加加強筋厚度。

3.2.4 測向受力位移分析

對踏板臂兩側分別施加350N的力后踏板整體的位移分析，最大位移如表2所示。其中踏板最大位移量在踏板面的頂部。側向受力后位移稍有些大，軸孔之間徑向間隙在受力過程中會有偏轉，徑向間隙設置偏大會是旋轉軸承受較大扭矩，可能會使旋轉軸產生斷裂或磨損時效，此處會適當減小旋轉軸軸孔配合徑向間隙。

3.3 測試分析

根據上述分析，完成對踏板臂的結構優化后，開始做模具樣件做試驗驗證。對踏板整體性能來說，本次改進需要驗證踏板強度以及改進軸孔徑向間隙的樣件在耐久試驗之后的磨損情況。借鑒現有的行業標準和主機廠標準，確認做機械強度試驗和耐久性能試驗驗證，具體試驗方法詳見表3。

3.3.1 試驗過程及試驗臺架介紹

（1）機械強度試驗。機械強度試驗目的在與向踏板施加一個極限的載荷，判斷踏板總成是否會出現失效或者斷裂，檢驗踏板設計是否能保證乘客的安全和使用性能;將踏板用夾具固定在試驗臺架上，其踩踏面與試驗臺架頂桿相接觸，頂桿以一定的速度持續鄉下運動，通過施加于頂桿的力可以測到踏板踩踏處的受力，當頂桿力到極限受力后停止施力，后續返回踏板初始狀態，期間會持續記錄踏板的電信號。（2）耐久性能試驗。為保證汽車在使用壽命中油門踏板經過數百萬次踩踏都能正常工作，在一定的溫度、濕度條件下，驅動汽車油門踏板往復動作，以檢測踏板的耐久性能。耐久試驗臺架系統分為控制系統和測試系統兩部分：控制系統采用PLC，負責傳送程序與發送開關機指令，控制步進電機旋轉，通過角度編碼器檢測旋轉軸的轉向位置。測試系統通過接入踏板傳感器輸出踏板傳感器的電壓信號，對測試結果進行閾值比較判定產品是否合格，選用多通道同步數據采集卡。

3.3.2 試驗結果

（1）踏板總成在正向反向以及側面承受臺架機械載荷后，踏板的電信號正常，機械結構完整未發生斷裂以及破壞。（2）踏板總成在承受1000萬次耐久后，滿足各標準要求，電信號正常，信號公差在標準要求范圍內，踏板機械結構無卡死、不回位、踏不到底等機械故障。（3）踏板臂轉軸改進滿足行業和主機廠的標準。

4 結論

本次通過對分段式踏板的轉軸改進為一體式轉軸，對踏板一體式轉軸的踏板臂和踏板總成進行了有限元分析，確認了踏板臂和踏板總成所受的應力應變，對可能出現的失效進行了改進，然后做樣件進行了機械強度和耐久試驗的臺架測試，均符合行業標準以及整車廠標準。

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