（机械设计及理论专业论文）新型侧压式安全油门的设计与研究.pdf

摘要 摘要 | l i i ii ii fl ll ll l ri i i iiil 18 8 9 3 6 6 本课题主要对车辆中刹车和油门装置进行研究，针对现有车辆油门和刹车的操作方 式完全相同，驾车者需要在油门与刹车之间频繁的转换，易混淆而造成误踩、制动距离 长、脚部容易疲劳引发惨重的交通事故等问题，依据人机工程理论，结合油门装置和刹 车装置的特点，将两者的机械结构设计为一体化装置。本课题设计的新型侧压式安全油 门，脚放在踏板上向右偏转即可启动油门，直接踩下即可刹车，有效地避免或减少上述 问题。 首先，查阅国内外刹车油门合成装置相关资料，研究现有的刹车油门装置的结构、 人机环境及日常生活中误踩油门事故频繁发生所存在的原因等问题，为后面的研究提供 参考。 其次，从人机工程学的角度，利用c a t i a 三维软件，创新设计新型侧压式安全油 门机械结构。为避免人们误把刹车当油门，改以往油门踩踏式为偏转式，做到机更宜人； 与此同时，对机构规格尺寸、作业空间进行分析，做到人更适机。 接着，改造设计现有电子油门，实现可控巡航功能，使得油门踏板在某一位置保持 一段时间，汽车就进入巡航状态行驶。同时，还实现油门踏板和刹车踏板电气互锁功能， 增加了机构的安全性。 然后，针对此装置进行人体生物力学腿部肌肉和脚部肌肉的分析，将新型侧压式安 全油门与现有汽车的刹车油门踏板操作的舒适性进行对比。 最后，自制一些人体试验，验证新型侧压式安全油门的人机工程学特性与机构的功 能，借助c a t i a 、d e l m i a 软件的仿真模块，对结果进行仿真模拟。 总而言之，本文对油门和刹车装置及其人机工程学部分进行了深入研究，提出新型 侧压式安全油门机械结构设计方案，对方案进行人机工程分析，其次结合电控控制技术， 接着制造出样机并结合辅助设备改进样机。新型侧压式安全油门的设计在于改进了现有 汽车刹车油门机构的操纵方式，可以降低因错把油门当作刹车踩下而发生交通事故的几 率，并缩短从发现刹车情况到踩下刹车踏板的时间，提高操作安全性与舒适性。 关键词：刹车踏板、油门踏板、安全、人机工程学 a b s t r a c t a b s t r a c t t l l i ss u b j e c ts t u d i e dm a i n l ya c c e l e r a t o rm e c h a n i s ma n db r a k em e c h a n i s mi nv e h i c l e t h e o p e r a t i o no fa c c e l e r a t o ra n db r a k eo fe x i s t i n gv e h i c l ew a ss i m i l a ra n dm o t o r i s ts h i f t e d b e t w e e na c c e l e r a t o ra n db r a k ea b s o l u t e l yf r e q u e n t l y , w h i c hc a u s e ds t a r t i n gv a g u e l y 、l o n g b r a k i n gd i s t a n c e 、f a t i g u eo ff o o ta n ds oo n t h e s ep r o b l e m sr e s u l t e di nm a n yt r a f f i ca c c i d e n t s a c c o r d i n gt ot h em a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n gt h e o r y , d e s i g n e dn e ws t y l e so fa c c e l e r a t o ra n d b r a k e f o o tm a d et h em e c h a n i s mt u r nr i g h tw a se q u i v a l e n tt os t a r t i n ga c c e l e r a t o ra n dt u r n d o w nw a se q u i v a l e n tt os t a r t i n gb r a k e a tf i r s t r e a dt h ei n f o r m a t i o no nt h es y n t h e t i cd e v i c et h a tc o m b i n e da c c e l e r a t o ra n db r a k e s t u d i e dt h es t r u c t u r eo fe x i s t i n gm e c h a n i s ma n dt h em a n - m a c h i n ee n v i r o n m e n ta n ds oo n ， w h i c hp r o v i d e dr e f e r e n c e sf o rr e s e a r c h t h e n ，f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fm a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n gt h e o r y , d e s i g n e dt h en e ws t y l e o fs i d ep r e s s u r ed e v i c et h a tc o m b i n e da c c e l e r a t o ra n db r a k eb yc a t i as o f t w a r e t oa v o i d p e o p l er e g a r db r a k ea sa c c e l e r a t e ，s oa d o p t e dn e ws t y l eo fs i d ep r e s s u r ed e v i c ei n s t e a do ft h e o l ds t y l e s ，m a k i n gm e c h a n i s mb es u i tf o ri n d i v i d u a l a tt h es a m et i m e ，a n a l y z e dt h es i z ea n d w o r k s p a c eo fa g e n c i e s ，s oa st om a k ei n d i v i d u a lb es u i tf o rm e c h a n i s m a f t e rt h a t ，i m p r o v e dt h ee x i s t i n ge l e c t r o n i ca c c e l e r a t o r , c h a r g i n gw i t ht h ec r u i s ef u n c t i o n a n da c c e l e r a t o ra n db r a k el o c k e dw i t he a c ho t h e ri ne l e c t r i c i m p l e m e n t ，r a i s i n gt h es e c u r i t yo fm e c h a n i s m w h a t sm o r e ，a n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h i sd e v i c ea n db o d ym u s c l e s b a s e do n t h e s e ，c o n t r a s t e dt h en e ws t y l eo fs i d ep r e s s u r ed e v i c ew i t ho l ds t y l ei nc o m f o r t l a s tb u tn o tl e a s t ，m a d es o m eb o d ye x p e r i m e n tc a np r o v et h a tm a n - m a c h i n er e f l e x o l o g y c h a r a c t e r i s t i c sa n df u n c t i o no fn e ws t y l eo fd e v i c e t h er e s u l t sw a ss i m u l a t e db yc a t i a s o f t w a r ea n dd e l m i as o f t w a r ea n ds oo n a ni na 1 1 t h i sa r t i c l em a d ea nr e s e a r c ho na c c e l e r a t o ra n db r a k ea n dt h e i re r g o n o m i c a n a l y s i sp a r t a n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h i sd e v i c ea n db o d ym u s c l e sb a s e do n m a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n gt h e o r y t h e n ，ip r o d u c e dt h ep r o t o t y p eo fa b o v ed e v i c e t i l i sd e v i c e w a sd e s i g n e dt oi m p r o v et h ee x i s t i n gi n s t i t u t i o n s ，c a nr e d u c et r a f f i ca c c i d e n t sa n di m p r o v et h e o p e r a t i o n a ls a f e t ya n dc o m f o r t k e y w o r d s ：a c c e l e r a t o rp e d a l 、b r a k ep e d a l 、s a f e t y 、m a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n g u 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题来源1 1 2 课题意义2 1 3 国内外新型刹车油门合成装置研究现状2 1 3 1 国外新型刹车油门合成装置研究现状2 1 3 2 国内新型刹车油门合成装置研究现状3 1 4 课题现存问题5 1 4 1 刹车油门的重要性5 1 4 2 现存问题6 1 5 课题研究的内容和方法6 1 6 本章小结7 第二章新型侧压式安全油门的结构设计9 2 1 现有机车制动过程的分析9 2 1 1 机车的制动减速度9 2 1 2 机车的制动时间1 1 2 2 新型侧压式安全油门机构方案的提出1 2 2 2 1 机构设计方案一12 2 2 2 机构设计方案二1 3 2 2 3 机构设计方案三。1 3 2 2 4 机构设计方案四1 4 2 2 5 机构设计方案五1 4 2 3 新型侧压式安全油门机构方案的选择及其工作原理1 5 2 3 1 方案的选择1 5 2 3 2 方案五可行性分析15 2 3 - 3 方案五机构的工作原理1 6 2 3 4 方案五机构的优点1 8 2 4 方案五成品制作1 9 2 4 1 机构三维设计的渲染图1 9 2 4 2 方案五实物机构各部位功能详述1 9 2 5 本章小结2 2 第三章新型侧压式安全油门的电控设计2 3 3 1 现代电子油门踏板的简介2 3 3 2 新型侧压式安全油门电子控制单元工作原理2 4 目录 3 2 1 电子控制单元工作原理。2 4 3 2 2 电子控制单元硬件电路设计2 5 3 - 3 电子控制单元程序设计思路2 8 3 4 电控过程实现的新增功能工作原理2 9 3 5 利用电子控制单元控制此装置的优点3 0 3 6 电子控制单元电路板的制作3 0 3 7 卡丁车平台整体运行测试3 l 3 8 本章小结3 2 第四章新型侧压式安全油门的人机工程学分析3 3 4 1 人机工程学概述3 3 4 2 现代汽车刹车油门操作方式存在的人机工程学问题3 4 4 3 人体测量与人体模型的选取3 5 4 3 1 人体测量尺寸的选取3 5 4 3 2 人体模型的选取3 9 4 4 新型侧压式安全油门人机工程学分析4 1 4 4 1 踏板操纵方式的选择。4 1 4 4 2 机构操纵阻力选择4 3 4 4 3 踏板形状尺寸的选择4 3 4 4 4 踏板操纵力大小。4 4 4 4 5 机构材料的选择4 5 4 5 人机环境分析4 5 4 6 人体分析4 6 4 6 1 人体运动系统4 6 4 6 2 脚部受力分析5 0 4 7 新型侧压式安全油门安全性分析5 6 4 8 舒适性分析5 7 4 8 1 新型侧压式安全油门的调查问卷分析5 7 4 8 2 传统汽车刹车油门机构的调查问卷分析5 9 4 9 本章小结6 1 第五章基于d e l m i a 软件的人机运动仿真6 3 5 1d e l m i a 软件概述6 3 5 2 利用d e l m i a 软件进行人机运动仿真6 4 5 2 1 建立人体模型6 4 5 2 2 建立仿真机构6 5 5 2 3 人机仿真。6 7 5 3 分析报告输出6 9 5 4 本章小结7 1 h 目录 第六章人机测试实验7 3 6 1 人机测试实验的目的7 3 6 2 人机测试的实验仪器7 3 6 3 人机测试实验步骤设计7 4 6 4 人机测试实验结果7 6 6 4 1 人机测试实验结果一7 6 6 4 2 人机测试实验结果二7 8 6 4 - 3 人机测试实验结果三7 9 6 5 本章小结7 9 第七章总结与展望8 1 7 1 论文总结8 l 7 2 论文的创新之处8 2 7 3 论文的不足8 2 7 4 论文前景展望8 2 致谢8 5 参考文献。8 7 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文9 1 i i i 第一章绪论 第一章绪论 随着人民生活水平的提高，汽车已经走进了千家万户。汽车的保有量逐年增加，随 之也增加了很多学车的新手司机。新手司机刚刚拿到驾驶证，在初期开车阶段，经常会 发生错把油门当刹车误踩而造成的交通事故。不仅仅是新手司机会碰到此种情况，有丰 富驾驶经验的驾驶员也会因为遇到紧急情况，判断错误，误把油门当刹车踩下造成严重 的交通事故。由此，本课题想针对此现象解决这类问题。 1 1 课题来源 我国交通事故的原因中驾驶员违章占7 0 8 0 ，机械故障小于5 ，道路及相关设 施占1 ，行人违章占1 5 ，可见主要原因是驾驶员的违章操作。刹车油门误踩这种情 况也属于驾驶员违章操作的范畴。 目前，在自动挡汽车上，刹车油门装置的操作是用驾驶员右脚分别操作刹车踏板和 油门踏板，使汽车加速时踩下油门踏板即可，减速时踩下刹车踏板即可。刹车油门装置 作为汽车生产实际中的一个重要部分，其作用、方便性能直接影响司机的驾驶；刹车油 门装置作为汽车组成的一个必不可少的部分，其功能主要是操纵汽车使得汽车能够前进 或者停止。如果司机在驾车过程中遇到险情时，很容易误把油门当成刹车踩下去，造成 交通事故及生命财产的损失。我们每天打开网页，经常会看到错把油门当成刹车踩下造 成交通事故的发生( 如图1 1 所示) 。 图1 - 1 误操作报道 f i g 1 - 1m i s o p e r a t i o nr e p o r t 刹车油门装置在汽车行驶过程中起着至关重要的作用，如果能够改进甚至创新它的 装置结构，对我国以及世界汽车安全性能得提高意义非凡。在调研中发现，国内外很多 汽车研究学者也对现有刹车油门存在的问题提出了自己的想法和观点，有的也进行了机 构的设计与改进，但是目前没有一个装置真正运用到实际生产中，都停留在研发阶段。 国外很多研究也是如此，都停留在研发阶段。 江南大学硕士学位论文 1 2 课题意义 汽车整体系统中，刹车油门装置作为驾驶员操作的操纵装置，分别是让汽车停止运 动和加速前进。在很多情况下，驾驶员需要踩踏刹车踏板，进行制动减速。而疲劳、紧 张、精神不集中以及驾车经验不足等因素，很容易导致驾驶员误把油门当成刹车踩下去， 由此酿成无法挽回的交通事故，造成生命财产的巨大损失。即使未踩错，将脚从油门踏 板扭向刹车踏板再踩下去的这个操作，同样很费事，而且耽误操作时间；同时，脚在整 个移动和施力过程中会产生错误，增大危险系数。 在提高车辆本身的机械结构的安全性能以外，减少甚至避免驾车者的错误操作，才 能真正提高车辆的安全性。 生活中，一旦发生了交通事故，不仅造成经济财产的损失、交通运输的堵塞，而且 影响经济的正常运行。在交通事故中，一旦出现伤残甚至死亡，对于整个社会来说，不 但损失了劳动力，而且增加了社会的负担。对于事故的家庭来说，会因为赔偿或治疗而 一贫如洗，同时双方都需要承担巨大的精神负担，无数幸福美满的家庭可能因此而消失， 这些都是我们不愿看到的。 上海同济大学汽车学院从事汽车安全研究的副教授王宏雁博士，在总结近年来交通 安全事故特点时指出：“中国道路上的交通事故，主要诱因不是车辆的主被动安全性等 技术性原因，而主要是一些非技术因素引发的，如驾驶员的错误驾驶行为、行人等其他 交通参与者自身安全意识淡薄等人为原因。 人有许多潜意识的反应，这是人最自然的反应。遇到险情立即刹车，也是人的本能 反应，此时能否及时踩下刹车，避免误踩油门，就成为能否避免车祸的关键。如果让驾 驶员的脚一直处于刹车踏板上面，遇险能及时而正确的踩下刹车，在某种程度上，自然 可以避免很多事故，提高驾车的安全性。 新型侧压式安全油门设计的根本意义在于改进了现有的刹车油门装置，可以降低因 错把油门当作刹车踩下而发生交通事故的几率，并缩短从发现情况到踩下刹车踏板的时 间，提高操作安全性与舒适性。从而惊慌不必失措，遇险不出车祸。同时安装费用不高， 因此如果得到推广，必将利国利民。 本课题的研究意义在于简化了现有的刹车油门装置，此装置可大大的降低在紧急刹 车的情况下因错把油门当作刹车踩下而发生交通事故的几率。而且由于此装置在人机工 程方面的设计可以让更多的司机比较快的适应它的使用。 1 3 国内外新型刹车油门合成装置研究现状 1 3 1 国外新型刹车油门合成装置研究现状 据英国新科学家杂志报道，瑞典科学家古斯塔夫松将绅宝9 5 型轿车改装，将 刹车、油门集于一个踏板。这辆车只有一个预备刹车踏板，边上有一个脚掌大小的支架 与其相连。如果你想加速，就伸直你的腿将脚踏支架向下踏去；如果要刹车，把脚跟向 前项就是了。古斯塔夫松还设置了一个可调整的电磁铁以避免意外刹车。瑞典两大汽车 2 第一章绪论 生产商沃尔沃和绅宝均对单踏板系统的汽车安全性能感兴趣，但两家公司在进行测试后 均表示，没有马上开发生产这种汽车的计划。 通过查阅国外各种专利和数字文献数据库发现：已有一种汽车刹车和加速装置，刹 车和油门在一条直线上，脚放在加速装置和刹车中间的位置，当脚从加速装置移开脚后 跟轻触刹车，刹车即立刻产生作用的专利；已有关于油门刹车共用一个踏板的专利；已 有一种纵向设置的汽车的油门和刹车踏板，将刹车踏板安装在油门踏板的前面的下方， 并且踏板在纵向可以自由滑动的专利；已有较多关于油门和刹车组合踏板，脚尖向下踩 为油门，脚后跟向下踩为刹车的专利和文献。 国外比较典型刹车油门一体化机构的参考文献1 6 的结构简图列出，见下图： 图1 - 2 参考文献1 6 机构简图 f i g 1 - 2a c t u a t i n gl i m b so f r e f e r e n c e s1 6 1 3 2 国内新型刹车油门合成装置研究现状 目前，国内现有刹车油门装置如下图所示，拖拉机、汽车的油门和刹车的操作是分 离的两个系统，而且并列配置在驾驶员座位的前下方，由驾驶员用一只脚分别控制两个 操作踏板，如图1 3 所示，左边的踏板是刹车踏板，右边的踏板是油门踏板。汽车加速 时，驾驶员右脚踩下油门踏板拉动油门线使汽车加速；汽车制动时，驾驶员右脚从油门 踏板转移到刹车踏板并做下踩动作，使汽车制动。 图1 3 现有刹车油门装置 f i g 1 - 3c u r r e n tb r a k et h r o t t l ed e v i c e 经过前期查阅资料，我在中华人民共和国专利局的网页里面搜索到了国内几个比较 典型的刹车油门一体化的装置专利。 江南大学硕士学位论文 ( 1 ) 申请号：0 2 1 5 4 1 9 7 3 申请日： 2 0 0 2 1 2 3 1 名称：多功能侧滑式油门刹车组合踏板 公开( 公告) 号：c n l 4 2 4 2 0 7公开( 公告) 日： 2 0 0 3 0 6 1 8 摘要：一种多功能侧滑式油门刹车组合踏板，主要解决目前的机动车油门和刹车踏 板分离设置，从而带来操作繁琐和误动作引发事故隐患的问题，它将可滑动的油门控制 板设在刹车踏板上，油门控制板通过油门控制线与设在刹车踏板后面的滑轮相连，油门 控制板滑杆设在刹车踏板的后面，油门控制板与之相接并设于刹车踏板的右边，在油门 控制板滑杆基座的上方设有“自动巡航定位齿条，自动巡航控制杆与油门控制板相接， 其端部设有定位齿，本发明结构简单，操纵方便，可避免脚踩踏板的误动作带来的事故 风险【1 7 1 。 图1 - 4 专利c n l 4 2 4 2 0 7 机构简图 f i g 1 - 4b o d yd i a g r a mo f t h ep a t e n tc n l 4 2 4 2 0 7 ( 2 ) 申请号：2 0 0 5 2 0 1 1 1 5 5 4 5申请 日：2 0 0 5 0 6 1 7 名称：避免错踩油门当刹车的装置 公开( 公告) 号：c n 2 8 2 5 3 5 3公开( 公告) 日： 2 0 0 6 1 0 1 1 摘要：避免错踩油门当刹车的装置，它是在刹车踏板前立一根立杆，上面套一根杠 杆，杠杆阻力臂栓一根闸线穿过滑轮将闸线另一头锁在油门踏板力点上，这就是本实用 新型全部装置，它的要点是动力臂是直角弯形，第一节平行刹车踏板上边，第二节与踏 板斜度一致，在踏板右侧外边这样就将油门归集在刹车踏板一起了，右脚总是放在刹车 踏板上，加油时右脚向外开，用脚尖驱动杠杆弯臂，遇事脚往下踩，脚尖脱离油门，改 油门用横向力来区分刹车用纵向力，不容易混淆，由于脚总在刹车踏板上，所以刹车来 得方便、快捷、不容易踩错刹车 4 2 j 。 4 第一章绪论 图1 - 5 专利c n 2 8 2 5 3 5 3 机构简图 f i g 1 5b o d yd i a g r a mo f t h ep a t e n tc n 2 8 2 5 3 5 3 1 4 课题现存问题 1 4 1 刹车油门的重要性 随着汽车保有量的增多，交通事故率也节节攀升，使得人们对汽车安全性要求更高。 汽车的安全性不仅仅只是局限于a b s 、安全气囊等配置，而是一个需要从车身设计、材 料选择等方面综合考虑的系统。 根据来自安全文化网的数据：“中国仅拥有全世界1 9 的汽车，但交通死亡事故 却占了全球的1 5 ，成为交通事故多发国家 ；“中国平均每年发生交通事故3 2 3 万 起( 平均每天8 8 5 起) ，造成的直接经济损失达3 3 2 亿元，死亡4 7 2 万人( 平均每天 1 2 9 3 人) ，伤残9 8 9 万人( 平均每天2 7 1 0 人) ；“我国交通事故的原因中驾驶员 违章占7 0 8 0 ，机械故障小于5 ，道路及相关设施占l ，行人违章占1 5 ，可见 我国交通事故主要原因是驾驶员的违章操作。 在驾驶员驾车过程中，要使车辆前进则需要加油门。加速踏板俗称油门，是驾驶员 根据运行条件，以控制化油器节气门的开度，调节气缸的混合气进入量，从而改变发动 机的转速，使之适应运行条件的操纵件。加速踏板的操作，应以右脚跟放在驾驶室底板 上作为支点，脚掌轻踏踏板，踏下时，供油量增加，发动机转速加快；放松时则相反。 如果要使行驶的车辆停止，则要踩刹车。刹车又名减速器。踩住刹车，刹车杠受压， 再压住刹车鼓，刹车鼓又压下刹车橡皮胶，卡住轮盘，使车轮减速或停止运转。手动刹车是 在排挡旁，连于刹车杠。刹车的目的是减速，可以使速度降低也可以使车辆停止。刹车 作用的原理是把车子的动能转化为热能消耗掉。 油门和刹车作为汽车两个必不可少的装置，承担着加速与制动的重要职责，无论是 对于驾车者还是汽车本身，都有着不可代替的作用。所以，对油门和刹车的研究与改进， 从来就没有停止过。随着技术的进步与成熟，现在越来越多的汽车用上了电子油门、a b s 防抱死刹车系统等，这些先进的装置都在保障汽车的性能与安全。 江南大学硕士学位论文 在汽车发展的过程中，加速与制动操作方式一直没有改变过，都是踩两个踏板分别 控制加油与刹车。近年来由于错把油门踏板当成刹车踏板所发生的交通事故屡见不鲜。 就在2 0 0 9 年9 月1 号清晨7 时3 0 分，家住湖南省长沙市赤岗冲红花坡l 栋的彭菊香老 人坐在自家门前吃早餐时，被对面冲过来的一辆长丰猎豹汽车撞上，当场身亡。据了解， 驾车者拿到驾驶证还不足一年，尚在实习期，肇事者说：“一紧张，错把油门当刹车了! 刹车油门误踩交通事故的发生率逐年升高，每天上网搜索相关资料，都能查到新近发生 的类似交通事故。可见，刹车油门的安全性在人们的日常生活中变的尤为重要。 从1 7 6 6 年英国发明家瓦特( 1 7 3 6 1 8 1 9 ) 改进了蒸汽机，拉开了第一次工业革命的序 幕，到2 1 世界汽车在各个国家的飞速发展，几百年来，刹车油门操作系统从未被挑战 过。期间最大的突破是将原始的三踏板( 离合器踏板、刹车踏板、油门踏板) 操作改成 为两踏板操作( 刹车踏板、油门踏板) 。无论哪个踏板的操作方式都是向下踩踏，同时 在踏板之间进行转换来实现不同操作的变化，操作的舒适性也是因人而异。 对于现有汽车来说，油门和刹车的操作方式完全相同：加油门或者踩刹车，都是使 用右脚前掌下踩这个动作。正常行车时，驾车者需要在油门与刹车之间频繁的转换，由 于操作方式相同，驾车者在外界与自身各种因素的影响下，稍有不慎，极易混淆而造成 误踩，引发交通事故。所以，正确操作油门与刹车，是减少交通事故的必须。 1 4 2 现存问题 经过查阅相关资料和对本课题的开题准备，初步对国内外的刹车油门一体化装置有 了了解。经过一段时间对所查资料的学习，通过对资料上所给的装置结构的对比和分析， 发现目前汽车刹车和油门装置存在的问题是： l 、容易产生误踩。操作刹车和油门都是同样的下踩动作，在遇到紧急情况时，易 产生误踩现象。 2 、制动距离长。刹车时，需先抬起右脚，再扭转脚踝，偏向左方，扭转角度较大， 增加了反应时间，延长了制动距离。 3 、脚部容易疲劳。驾车时，驾驶员右脚在刹车踏板和油门踏板之间频繁转换，脚 部易疲劳。 在正常刹车的情况下，驾驶员的右脚需从油门踏板移动到刹车踏板，然后再踩下刹 车踏板来制动汽车，此操作不但费事，而且浪费时间。从人机工程学角度看，此操作也 是不合理的，不但脚部容易疲劳，而且频繁的转换，也增加了误踩的几率。在遇到紧急 情况时，即使是有很多年开车经验的驾车者，也会产生紧张情绪，容易下意识的误把油 门当做刹车踩下去。此时，不但不能把车停下来，反而把车速迅速提了上去，车子会飞 驰向前。假如当时车前有险情的话，势必发生交通事故。 1 5 课题研究的内容和方法 本课题将着重立足于新型侧压式安全油门的结构设计及人体受力分析两部分，通过 对这两部分的优化设计提高汽车的行车安全性，降低在紧急情况下因错把油门当刹车而 6 第一章绪论 造成的交通事故和人身伤亡，并且通过自制人体实验来验证机构的舒适度，已达到满足 人机工程学的要求。 研究内容主要可以分为以下五方面。 ( 1 ) 研究现有刹车油门系统的结构、日常生活中误踩油门事故频繁发生所存在的问 题，为提高驾驶员驾车的安全性，从人机工程学的角度创新设计新型的安全侧压式油门 机械结构，并实现刹车油门的互锁功能。 ( 2 ) 根据现有刹车油门机构，对设计的新机构中四连杆机构进行优化，使其满足人 机工程学的要求。 ( 3 ) 对刹车油门机理进行深入研究，建立针对此机构的人机工程学运动仿真，分析 操作此机构时人体骨骼肌受力的大小，确定受力的范围。 ( 4 ) 改造设计现有电子油门，实现可控巡航功能。 ( 5 ) 对结果进行仿真模拟或进行一些人体试验，验证机构的可行性。 借助c a t i a 、d e l m i a 等辅助软件，验证结果的合理性；自制机构的模型，验证 机构的可行性。 1 6 本章小结 本章主要介绍了现有刹车油门的研究背景，存在的问题，以及针对这些问题本课题 所采取的研究方法，为课题的下一阶段做好了充足的准备。 7 江南大学硕士学位论文 8 第二章新型侧压式安全油门的结构设计 第二章新型侧压式安全油门的结构设计 本课题的最初想法来源于日常生活。每天的电视新闻和网络新闻等各大媒体机构对 于交通安全的报道都有很多，其中对于因为错把油门当刹车的报道屡见不鲜。这类问题， 在社会上已经日渐突出，于是本课题提出了一种创新的想法：将刹车油门的机械结构设 计为一体化装置，使其能降低误将油门当成刹车而踩下的几率，避免交通事故的发生。 首先查阅了汽车方面相关的书籍和资料，然后对了比从古至今的刹车油门装置，发 现从有了第一辆汽车开始，刹车和油门就是由两个踏板来操作控制的。如果设想把刹车 油门用一个踏板来控制，这样就可以避免错踩踏板事件的发生。借助于这个思路，通过 查阅国内外的相关专利，发现了少数前人已经有过这种想法，但是都没有投入实际生产 当中。通过学习前人的思路和方法，发现前人的想法虽好，但是不是由于制作工艺上的 复杂，就是由于结构上的设计复杂，这样机械结构的安全按性能就会大大降低。借鉴了 前人的经验和不足，在导师指导下，本课题提出了一种新型侧压式安全油门的设计想法。 下面先介绍一下查阅资料后对现有机车制动过程的分析。 2 1 现有机车制动过程的分析 2 1 1 机车的制动减速度 车辆在停止前，都是以一定得速度行驶的，这是一个比较复杂的过程，这个过程与 制动减速度j 、地面制动力以、充分发挥的平均减速度m f d d 、制动时间t 等相关因 素有关，如果能缩短总制动时间t ，那么在紧急情况下，很可能会避免一场悲剧的发生 【2 8 】 o 首先，制动减速度歹与地面制动力瓦及车辆总质量有关，用下面这个公式表示【2 8 】： _ = 去b ( 2 1 ) o 。u 式中：g 一一汽车总重力； g 一一重力加速度； 8 一一汽车旋转质量换算系数。 对于某一辆具体的车辆来说，制动减速度与地面制动力是等效的，因此也常用制动 减速度作为评价制动效能的指标，制动减速度在一次制动过程中是变化的，如图2 1 所 示【2 引。当车辆制动到全部车轮抱死滑移时，回转质量换算系数万等于1 ，而此时地面制 动力【2 8 】： e = f = g 伊( 2 - 2 ) 式中：缈一一附着系数。 推导出最大减速度为： t = g 伊( 2 - 3 ) 9 江南大学硕士学位论文 通常，车辆检测时用平均减速度或最大减速度作为制动效能的评价指标，在我国的 安全法中则采取充分发挥的平均减速度m f d d ( m e a nf u l l yd e v e l o p m e n td e c e l e r a t i o n ) 【2 8 】 o 删= 丽v b 西- - v 丽e 2 ( m s ) ( 2 - 4 ) 2 5 9 2 ( s 。一s ) 式中： 圪一一0 8 ，车辆速度，k m h 。 圪一一o w o ，车辆速度，k m h ； v o 一一制动初速度；k m h 6 a 一一在速度和圪之间车辆驶过的距离( m ) ； 6 e 一一在速度v o 和圪之间车辆事故的距离( m ) 。 充分发挥的平均减速度m f d d 的表达式可通过物体运动过程功能平衡的原理推导 得到，当汽车由制动初速度经制动到圪的过程中【2 引，其动能变化为：去聊( 2 一圪2 ) ， 应等于地面制动力对汽车做的阻力功删配口引，t i p 1 m ( f 0 2 一圪2 ) = m j s 6 ( 2 5 ) 式中：m 一一汽车的总质量； ，一一制动过程的平均减速度。 上式可简化为： 2 一圪2 = 2 j s 6 ( 2 6 ) 同理，当车辆由制动初速度经制动减速达到圪的过程，有计算式【2 8 】： 圪2 一圪2 = 2 j s 。 ( 2 - 7 ) 为简化起见假设制动过程中车辆的平均减速度是相同的，则上面两式可合并得2 8 】： 圪2 一形2 = 2 j ( s 。一& ) ( 2 - 8 ) 式中：圪、圪的单位为k m h ，若以基本单位进行运算则应乘系数1 3 6 ，将上式整 理得【2 8 】： ； 1 ，圪2 一圪2 圪2 一圪2 产2 ( 3 6 ) 2 荫2 西氲；高 ( 2 9 ) 当制动过程比较稳定，制动减速度比较稳定也可以认为充分发挥的平均减速度是采 样时段的平均减速度即为【2 3 】： 罂( 肌s 2 ) ( 2 - 1 0 ) 3 6 t 。、 式中t b e 为汽车速度由圪降至圪所用时间2 羽。 1 0 第二章新型侧压式安全油门的结构设计 ，l rp f p 八， 一 一一 一一 奴f 咝爻2 fg蠢厂、 一 f ：1 ，zt ； 一 r 羔 一 一t r j-i_ ，2 一一 ，3 1 4j f i 图2 - 1 制动过程中制动减速度变化 f i g 2 1b r a k i n gd e c e l e r a t i o nc h a n g e sd u r i n gb r a k i n g 2 1 2 机车的制动时间 如图2 1 中所不时i 司： f 1 ：驾驶员反应时间，从接受制动信号到脚踩到制动踏板为止，一般需要o 7 1 0 s ， 该时间车辆按原车速继续行驶【2 引。 t ，：为制动器作用时间( 又称制动协调时间) ，一般为0 2 0 7 s 主要取决于驾驶 员踩制动踏板的速度和制动系的形式和结构，该期间制动减速度逐渐增大，直至达到最 大制动减速度【2 8 】。 t ，：为持续制动时间，该期f n 匍j 动减速度基本不变【2 引。 ，。：为制动释放时间，一般在0 2 - - 1 0 s 之间【2 引。 ：驾驶员感知、判断、决策时间。一般需要0 6 o 9 秒【2 8 j 。 f 1 。：脚移动到刹车踏板时间，反应好的驾驶员一般移动脚的时间在0 1 s 1 2 引。 t 2 ：制动器反应时间时间【2 9 】。 厶。：制动力增长时f 自 t 2 8 1 。 驾驶员受危急惊吓时反应时间大多会大于1 s ，甚至会产生把油门当刹车踩的错误， 脚移动到刹车踏板的时候约为0 1 秒，它与制动系统的性能无关，且这段时间汽车还是 保持原速度行驶【2 引。 新型油门刹车合成装置结构紧凑，可减少紧急状态踩刹车时，驾驶员感知、判断、 决策时间，。，可节省紧急状态下，脚从油门踏板移到刹车踏板的时间 。口引。以现行大多 数汽车刹车时，反应时间为l s ，脚移动到刹车踏板时间为0 1 s ，若 减少0 3 s ，。“节省 0 1 s ，则 总共节省了0 4 s ，计算制动距离如下： 江南大学硕士学位论文 表2 - 1 刹车各段距离数据表 t a b 2 一lt h ed i s t a n c et a b l eb r a k e 车辆时速全部制动距离反应制动距离节省制动距离 3 0 k m h1 4 5 m8 3 3 m3 3 3 m 5 0 k m h2 2 5 m1 3 8 9 m5 5 6 m 8 0 k m h3 2 m2 2 2 2 m8 8 9 m 1 0 0 k m h4 9 2 9 m2 7 7 8 m1 1 1 l m 1 2 0 k m h7 3 5 m3 3 3 3 m 1 3 3 3 m r 2 一”一= j 7 一”1 l ； g 量 l蕊li l b l i l il冈 ；1 1k t。i 1 月 囊kt ，厅i。蕾l 。，1 3 05 08 01 0 0l2 0 图2 - 2 刹车各段距离柱状图( 根据表1 数据所绘制) f i g 2 2t h eb r a k i n gd i s t a n c eh i s t o g r a m ( b a s e do nd a t ad r a w n i nt a b l e1 ) 2 2 新型侧压式安全油门机构方案的提出 针对第一章中现有刹车油门存在的问题，通过查阅资料和对前人设计专利的研究学 习，本课题设计出五种不同方案的刹车油门一体化装置。通过对比五个方案的优缺点以 及实现功能的可靠性，确定出最佳的机构设计方案。 本节中机构的三维设计是利用c a t i a 三维建模模块建立的。c a t