電控汽車防誤踩加速踏板裝置的設計

吳克紹　徐昭　徐濟宣

摘 要：文章提供了一種誤踩加速踏板的判定方法，進行了理論制動距離分析，介紹了一種自主設計的電控防誤踩加速踏板自動制動裝置。該裝置能較好地減少和避免因誤踩加速踏板而引發的交通事故。關鍵詞：電控;汽車防誤踩加速踏板;自動制動裝置中圖分類號：U463.52 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）08-127-03

Abstract： This paper provides a judgment method of mistakenly stepping on accelerator pedal， analyzes the theoretical braking distance， and introduces a self-designed electronic anti mistaking accelerator pedal automatic braking device. The device can reduce and avoid traffic accidents caused by stepping on accelerator pedal by mistake.Keywords： Electronic control; Automobile anti misoperation accelerator pedal; Automatic brake deviceCLC NO.： U463.52 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）08-127-03

1 前言

在行車過程中，遇到緊急情況時錯把加速踏板當作制動踏板而引發的交通事故時有發生，特別是初學駕車者發生此類情況的概率更高，而目前汽車的結構設計，無法防止此類誤操作所帶來的不良后果。

2 誤踩加速踏板的判定

事實上，一般正常行駛加速時踩踏加速踏板的速度不會太快，如果是遇到緊急情況將加速踏板誤作為制動踏板踩踏，則踩踏的速度比正常加速時要快得多，為此，可通過踩踏加速踏板的加速度來判定是否誤踩加速踏板。我們可以通過踩下加速踏板速度變化的斜率來確定其加速度的大小。而加速踏板速度變化的斜率與節氣門位置傳感器測得的電壓值之間具有函數關系。本設計采用直線式節氣門位置傳感器。

節氣門位置傳感器的輸出電壓V與節氣門的旋轉角度?A呈線性的函數關系V=kA（k為常數），通過推算可求得加速踏板加速度a：

由上式可知，所測電壓的二次微分值便是加速踏板的加速度值，在系統電子控制單元中對所測電壓值做相應分析處理，如果加速踏板的加速度值大于設定的域值則判定為誤踩加速踏板。

3 汽車正常行駛時的制動

如果判定是誤踩加速踏板操作，設計的裝置便需要對汽車實施強制制動，因此必須根據制動系統的工作原理找到制動指令控制的對象。一種重要的實現降速停車的手段就是使制動系統進入工作狀態。為此，我們必須先要了解制動系統的工作情況。對于一般轎車來說，其制動系統的組成主要包括制動踏板、制動主缸、制動輪缸、制動器和制動管路幾部分，制動系統的組成如圖 1所示。

1-前輪盤式制動器;2-制動主缸;3-真空助力器;4-制動踏板機構;

5-后輪鼓式制動器;6-制動組合閥;7-制動警告燈

制動過程：當駕駛員踩下制動踏板，作用在制動踏板上的力通過真空助力器放大后傳至制動主缸，這時制動主缸便會流出一部分液體到制動輪缸，使得制動器的摩擦片與車輪鋼圈發生摩擦。摩擦產生的作用在車輪和地面上的制動力矩，使地面產生一個與牽引力方向相反的制動力，使正常行駛的汽車減速以至停車。

4 理論制動距離分析

駕駛員的制動操作過程包括駕駛員察覺緊急情況，移動右腳放在制動踏板上;駕駛員踩下制動踏板，制動力經過真空助力器迅速增大;動力保持不變;駕駛員放松制動，制動力逐漸減小至零等四個過程。

如圖2所示，當駕駛員在駕駛過程中突然接到緊急制動信號后，由于需要一段時間作出反應，駕駛員并沒有立即采取制動措施，從圖 2所示的 a 點要經過τ1′時間做出反應;直到經過τ1″后駕駛員才能踩著制動踏板。

到達b點以后，制動力立刻增大，到達d點時達到其最大值。但是由于制動鼓與制動蹄之間設有間隙，所以要經過時間τ2′后，到達c點，才能真正產生制動效果，使汽車產生減速度。

從c點到e點，這段時間內制動器制動力在不停的增長，經歷的時間為τ2″。

從e點到f點需要經歷一段時間τ3，其間制動力大致保持穩定。

總的來說，制動的全過程包括四個階段，分別是駕駛員作出制動反應階段、制動器起作用階段、持續制動階段和放松制動器階段。

在這四個階段內分別用 S1、S2、S3 和 S4代表汽車的行駛距離 ，它們加起來為汽車從駕駛員接收到制動信號開始到汽車停下來，這一時間段內汽車所行駛過的距離S。

5 誤踩加速踏板輔助制動裝置設計

如圖3所示，在原有制動主缸結構上進行一些小的改動，即在原真空助力器和制動主缸之間增加一個液壓缸，并且作用于制動主缸的是該液壓缸中的執行活塞的推桿，該系統通過一套電控液壓系統來推動執行活塞。當需要采取制動操作時，電子控制單元發出電信號控制電磁閥的開通和閉合，使蓄能器中的高壓液體流向液壓缸，進而制動主缸活塞受到驅動液壓缸中的執行活塞對其施加的壓力，制動壓力變大。

本設計采用的緊急制動裝置一方面要避免對原汽車制動系統做過大改動，另一方面也要考慮到裝置的可靠性和反應時間，同時考慮到我國汽車的銷售市場環境以中低端汽車為主，因而也要兼顧到裝置的成本問題。綜上所述最終決定的方案是：利用大扭矩步進電機控制制動踏板的踩下與回位，步進電機和制動踏板間通過鋼絲繩連接。步進電機反應靈敏，無時間上的滯后性，適用于緊急制動的情形。另一方面，步進電機可以通過電子信號控制其轉向，并且轉速和轉角可以進行相關調整，所以可以利用步進電機這一工作特性達到踩下和復原制動踏板的目的。

采取利用鋼絲繩來連接步進電機輸出軸與制動踏板的方案，主要考慮的是盡量不改變駕駛員的駕駛習慣，其結構方案如圖4所示。

電子控制單元發出控制信號主要依靠的是單片機，電機驅動器收到單片機發來的信號后，驅動步進電機逆時針旋轉，通過鋼絲繩與制動踏板的連接，模擬踩下制動踏板的操作。步進電機逆時針旋轉的角度要取決于制動踏板從自然狀態到完全被踩下的總行程，查閱相關資料可知，制動踏板總行程s約為90mm，考慮到不同型號的步進電機，其輸出軸半徑 r不同，若將電機旋轉角度a設定為a=180s/πr。步進電機的旋轉終了位置和轉速與脈沖信號的頻率和脈沖數有關。當系統判斷駕駛員為誤踩加速踏板操作時，以單片機為核心的控制模塊就會向電機驅動器發出控制信號，從而驅動步進電機工作，進而達到緊急制動的目的。

6 結語

本設計提出了判定誤踩加速的關鍵因素即踩下加速踏板的加速度大小，由于加速踏板加速度無法直接獲得，故通過節氣門位置傳感器得到的電壓信號，通過電壓與加速踏板位移的關系再通過計算得到油門踏板加速度值。此外當判定誤踩加速踏板并進行緊急制動后，通過車速傳感器檢測到車速降為零時，系統取消緊急制動動作，汽車恢復正常行駛狀態。

參考文獻

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