毕业设计（论文）-油门刹车转换专题触发装置设计

XXXX第1章绪论1.1国内外汽车工业发展概况1.1.1汽车的诞生与发展。1769年蒸汽机汽车诞生。1862年法国B.D.罗杰斯提出一种四行程的内燃机循环理论。1876年德国青年工程师N.A.鄂图制成了第一台往复活塞式内燃机。之后欧洲各地迅速出现改进的内燃机，并且被装上汽车。现代汽车是以内燃机为动力作标志的。法国人称，1884年法国人爱德华-德马拉-德布特维尔制造出第一辆内燃机汽车。因此，1984年巴黎举行了内燃机汽车诞生百年庆典。1886年1月29日德国人卡尔-本茨申请德国皇家专利局专利证书第37435号一辆带煤气发动的三轮汽车。因此，1986年德国也举办了汽车百年诞辰庆典。同年，德国人戈特利布-戴姆勒制成了四轮内燃机汽车。汽车的发明是一个漫长的过程，许多人为之作出了不同的贡献。全世界纪念汽车诞生是以卡尔-本茨申请汽车专利为标志的，因此人们称卡尔-本茨为“汽车之父”。1893年，德国工程师R.迪塞尔发明了压燃式内燃机循环。柴油机的实用机型在1897年制成，因其笨重，柴油机轻量化进展较慢，因此大量用于汽车是20世纪中叶以后。1.1.2世界汽车工业的发展自卡尔-本茨制造出第一辆三轮汽车后，德国的汽车公司大量涌现。戴姆勒-奔驰汽车公司是世界上历史最悠久的汽车公司。其前身奔驰汽车厂成立于1886年，戴姆勒公司成立于1890年，两家公司于1926年合并为戴姆勒-奔驰汽车公司。世界主要汽车公司创立的年份如下。表1.1世界主要汽车创立年份汽车产业是19世纪后期在欧洲产生的，当时西欧是世界上唯一的生产地。进入20世纪后汽车生产传到美国，当时在底特律集中了一批工匠，行成了美国制造中心，很快美国取代欧洲成为世界汽车产业中心，产品销往全世界。一直到20世纪60年代美国生产的汽车占世界总量的70%——80%.20世纪50年代欧洲经济快速恢复发展，到20世纪70年代，欧洲（指当时称欧共体）汽车产量可以与美国抗衡。同时，日本汽车工业告诉发展，到20世纪80年代行成美国，西欧（主要是英，法，德。意四国），日本三足鼎立之势，世界汽车产业中心由一个中心变成三个中心，各自的实力基本相当，世界其他地方的汽车产业无不与这三大中心有关。1980年世界汽车的总产量，日本，北美和欧洲各占25%左右，其余25%是所有其他国家汽车产量的总和。到2003年，世界汽车年产量已经超过6000万辆，汽车保有量达到7.8亿辆。1.2汽车事故带来的危害汽车的普及不仅标志着科技的进步，还标志着人们的生活水平正在不断提高。然而这也给人们带来一系列的问题，如大气污染以及噪音等等。而最大的问题莫过于汽车事故所带来的人员伤亡。事故的发生次数也在随着汽车数量的增加而逐年增加，越来越多的人因为车祸而失去生命。据公安部网站公布，2010年，全国共接报道交通事故3906164起，同比上升35.9%。其中，涉及人员伤亡的道路交通事故219521起，造成65225人死亡、254075人受伤、直接财产损失9.3亿元。如何降低事故发生率是大家关注的焦点，为此出现了许多发明，如ABS、EBS、ASR、安全带、安全气囊等。这些措施挽救了很多人的生命。比如在美国，安全带每年可以挽救13000多个生命，如果每次都能做到正确使用则还可以避免7000多人遇难。不过尽管安全装置众多，但因车祸死亡的人数每年还是有增无减。而事故往往不是由于车辆本身出现问题导致的，很多情况下是由于驾驶员的错误操作或违规行为导致的，如酒后驾驶、疲劳驾驶、超速、闯红灯、逆行、行驶过程中接电话等等。1.3汽车安全性发展历程车身结构的设计，对于汽车安全性，到底有怎样的影响？本文就以汽车在百年历程中的安全性变革和车身结构的变化为例，解读车身设计的重要性。汽车的安全性不是以钢板的厚薄，或是车身的重量大小来评判，优良的车架结构才是汽车安全的最终保障。在汽车刚刚诞生的年代，由于内燃机技术的限制，汽车的时速并不比马车快上多少，汽车的车身结构，也脱胎于马车。1912年，福特T型车，车身采用非承载式结构，引擎，前后轴都和车底的大梁相连。驾驶者的坐姿跟当年的马车类似。T型车由于低廉的售价，获得了空前的成功，从某种意义上讲，他解放了马车，但是那个年代对于汽车的安全性概念几乎为零。T型车以现今的安全角度去看，是一辆风险系数极高的车。汽车的安全性开始得到重视是在上个世纪50年代以后，奔驰W111是第一个拥有碰撞吸能区设计的车型，第一次将车身划分为刚性区域和吸能变形区域，在碰撞发生时，刚性较弱的吸能区域首先变形吸收碰撞的能量，而乘员区域为刚性较强的区域，则不易发生变形。

图1.2福特T型车图1.3汽车史上第一次碰撞实验汽车史上的第一次碰撞试验，时间为1959年9月10日（图1.3）。测试车型正是奔驰W111，当年的碰撞测试以喷气引擎驱动汽车正面碰撞硬质壁障，已经具备了今天碰撞测试的雏形。由于碰撞测试的引入，汽车安全性方面的研发开始加速，安全带，可溃缩的转向机构，安全气囊相继出现。上世纪80年代计算机技术的迅速发展，也推动了汽车安全性的革新，模拟碰撞试验能让汽车的研发成本更低，更加安全和高效。

图1.4【计算机模拟碰撞示意】有限元分析软件，能有效的模拟车架在受力情况下的反应，这为汽车车架构造的设计提供了很大的便利和帮助。以往需要耗费大量时间和财力才能获得的数据，如今只需要几个小时就能获得精确的数据，大大缩短了研发的周期。随着计算机技术，焊接工艺，材料技术的提升，现代汽车的车身设计更加科学，合理的力学分析让车架能有效分解碰撞时的能量，右图为丰田的GOA安全车身。

汽车的车身设计近年来提升非常明显，图1.5为上世纪九十年代帕萨特和捷达在碰撞测试中的表现，可以看到车架的行变量是非常明显，即使采用了刚性与吸能区结合的车架设计，但当年的材料和制造工艺依然无法让人满意。图1.5帕萨特和捷达的碰撞测试2006款帕萨特（迈腾）在相同的碰撞测试中的表现，相对于上世纪90年代的车型，A柱在碰撞中几乎没有形变，从帕萨特的安全性提升上，能看到十年间汽车安全性的变革。迈腾合理的车架设计及高刚度钢材的使用还有先进的制造工艺，都是其安全性能提升的缘由，如图1.6。国外的测试表明迈腾的车身抗扭刚性达到了32400Nm/degree，这样的数据表明迈腾的车架刚性是非常优秀的。图1.6迈腾车架日系厂商非常重视车身架构的设计，马自达3H高强度车身架构不仅使用在马自达车型上，连福克斯这样的欧系车也从中获益。如今越来越多的车型使用先进的三层笼式车身结构，如图1.7所示，车架的主要受力结构采用三层钢板冲压，图1.7三层笼式车身结构三层钢板由外到内强度逐级提升，最里层（左侧箭头）材质为强度和厚度最高硼钢板。汽车安全性不仅是结构上的变化，材质上也在发生着变化，上图是奥迪A8的ASF全铝车身，铝合金比同等强度的钢材更轻，在不减弱车架强度的同时能有效减轻车身的重量，而车身重量越轻，不仅能让动态表现更好，更节油，在发生碰撞时产生的能量也越小，也就是说车子会更加安全。复合材质的一体式车架设计目前已经广泛使用到超级跑车上，这种结构的强度远远高于目前普通家用轿车的车身结构，但高昂的造价限制了其运用范围，相信以后会有更多的车型用上这项科技。汽车安全性的发展是汽车工业发展的一个旁证，本文通过对汽车车架发展历程的分析，也为了说明汽车的被动安全性的核心来自于优秀的车架设计，钢板厚薄论是非常不具备科学依据的。1.4油门刹车装置研究现状分析现有的机动车的油门和刹车是两个分离控制的系统，布置在同一侧且距离较近。当发生紧急情况时，驾驶员需要在极短的时间内做出判断并采取措施。此时驾驶员的精神处于高度紧张的状态，加上突然的惊吓，容易使驾驶员惊慌失措，可能会做出错误的判断误将油门踏板当成刹车踏板而猛踩踏板，本意在于刹车却反而使汽车加速飞驰而去，结果酿成严重的交通事故，造成严重的人员伤亡及财产损失。由于误将油门踏板当成刹车踏板将其猛踩而造成事故的情况并不少见，各大新闻网站对于此类情况的报道随处可见。当驾驶员酒后驾车或者处于疲劳驾驶时，其注意力并不集中，突发紧急状况时尤其容易做出错误判断，误将油门踏板当刹车踏板而将其猛踩。此外，对于驾驶经验不足的驾驶员，在突发紧急状况时，容易紧张，甚至是惊慌失措，一时失去判断力，极有可能误将油门踏板当成刹车踏板而将其猛踩。即使是驾驶经验丰富的驾驶员在长时间的驾驶后，驾驶员的注意力也容易涣散，做出错误的判断及错误的操作的可能性也是很大的。甚至可以说任何人在紧急情况下都有可能出现误踩踏板的情况，所以迫切需要一种装置，它能辨别出驾驶员的错误操作并将其纠正，即在驾驶员误将油门当成刹车而猛踩时此装置能识别出驾驶员的这一错误操作并自动将踩油门切换成踩刹车，使汽车制动。关于防止刹车误踩油门操作系统的国内外研究，基本集中在以下方面：1、机电装置通过分析汽车误踩油门现象的原因及纠错装置研究现状，针对汽车误踩油门的误操作现象进行了更深入的研究，采用油门踏板加速度的不同来辨认误踩油门的可靠信号，并在此基础上设计了一种防止误踩油门的机电装置。2、电子智能式分析目前已有的汽车油门防误踩装置的技术现状与不足，采用单片机控制技术，设计一种新型智能式油门防误踩系统。对驾驶者踩踏加速操作的目的进行精细的分析与判断，达到防止驾驶者误踩油门的目的。3、通过运用人机工程学原理进行机械设计，并结合机电控制单元的合理设计，新机构实现了定速巡航、油门和踏板电气互锁等功能，改进了机构设计，提高了驾车的安全性。4、利用正常踩油门和紧急情况下踩原理不同来判断此次油门踩下是否为误踩。同时设计机构要能实现正常情况下油门被踩下，紧急情况下能判断误踩，并防止油门不被踩下同时控制刹车踩下实现一个联动，或者说把误踩油门转化为踩刹车的力，以达到驾驶员真正的目的，使汽车达到制动的效果，减少事故发生。第2章.油门刹车转换装置的设计2.1油门刹车转换装置方案介绍我们将要设计和研究的油门刹车转换装置，它是一种应用于紧急情况下的驾驶员辅助装置。对与它的功能将有以下要求：能识别驾驶员在紧急情况下的错误操作、能够纠正驾驶员的这一错误操作。即能根据驾驶员的错误动作做出纠正的反应，一般情况下驾驶员没有错误操作时装置不起作用，而在驾驶员有错误操作时装置能做出反应，避免事故的发生。2.1.1油门刹车转换装置的触发（工作）条件本次课题要设计和研究的油门刹车转换装置，主要是为了避免在突发紧急情况时驾驶员出现将当做刹车误踩而发生的事故。即此装置是针对紧急情况下驾驶员的错误操作而设计的。因此，我们要对紧急情况和误踩进行一些假设。首先，在突发紧急情况下，驾驶员不会以踩油门作为处理紧急情况的方式。即我们认为紧急情况下驾驶员不应该出现踩油门的操作，而且又快又大力的猛踩油门的情况更不应该出现。其次对于误踩，首先我们能了解到油门与刹车的操作方式是不一样的，在紧急情况下尤其如此。踩油门时是轻踩慢踩，速度和力都比较小，任何情况都不应该出现将油门踏板一脚猛踩到底的情况。而在紧急情况下，驾驶员是在极短的时间内做出判断并采取动作的，这时踩刹车将是快速大力的猛踩。所以当出现油门踏板被快速而大力地猛踩的情况时时，我们认为，驾驶员猛踩油门这一动作为油门刹车中缓缓装置中的错误操作，即误踩了踏板，而驾驶员的本意是踩刹车。2.1.2油门刹车转换装置工作原理针对上述定义的紧急情况下驾驶员的错误操作，我们这一小组在指导老师欧老师的帮助下，提出了一个以一系列简单机械装置组合而成的简易机械系统，以驾驶员对油门踏板的特殊操作为触发条件，当油门踏板的操作出现不正常情况时，即被快速而大力地猛踩，装置能判断出这一错误操作，并做出一系列动作使汽车达到制动效果而避免车祸的发生。其工作原理如图2.1所示。*当油门踏板被快速大力地猛踩时，经过增速机构中的一对增速齿轮增速后，其转速输入到触发装置。触发装置是一个类似于离合器的装置，它有一个临界的输入转速。当输入的转速低于设定值时，触发装置中两端的轴处于分离状态，即输入端的转速及转矩不会传递到输出端；当输入的转速高于设定值时，触发装置两端的轴处于接合状态，输入轴的转速和转矩传递给输出轴。猛踩油门踏板时转速经增速齿轮放大后大于触发装置的设定值，触发装置中的输入轴与输出轴在机械原理下接合，而输出轴转动则会带动下压杆动作，下压杆会将刹车踏板压下。此外踩下油门踏板后能带动自锁装置中的棘爪，使其与棘轮啮合，利用棘轮单向转动的特性可以使装置自锁，防止刹车踏板自己弹起，使刹车踏板一直处于被踩下的状态，从而起到稳定的刹车作用。松开油门踏板后，油门踏板带动回复杆，将自锁装置中的棘爪顶起，使棘轮棘爪脱离啮合，自锁失去作用，刹车踏板回复到初始位置，整个油门刹车转换过程结束。2.2触发装置原理介绍图2.1油门刹车转换系统原理图示触发装置是一个根据输入转速不同而做出不同动作的装置，当输入速度低时，输入轴与输出轴处于分离状态，当输入转速高时，输入轴与输出轴处于接合状态。而离心力也是随着转速的变化而变化。所以触发装置可以以离心力作为触发条件。受到旋转离心力的启发，我们小组将油门刹车转换系统中的触发装置设计成一个离心式棘轮离合器。本论文所设计研究的触发装置并非传统的棘轮棘爪装置，而是一种带键槽的圆盘加滑块的棘轮装置，棘爪为特殊的滑块。我们将其称之为键槽机构，键槽圆盘连接的是输入轴，棘轮连接的是输出轴，在正常行驶下，即油门刹车系统未被触发时，输入轴传来的转速带动键槽圆盘转动，而圆盘中的滑块由于离心力不够大的原因，不会滑出到与棘轮啮合的位置，故无法触发；而当输入轴传来的转速已足以使圆盘中的滑块滑出键槽与棘轮啮合时，棘轮便会与圆盘一同转动，从而带动输出轴使下压杆将刹车踏板压下。如图2.2所示。图2.2棘轮与滑块弹簧连接着滑块底部与键槽圆盘的回转中心，滑块的受到的离心力的方向始终与弹簧力的方向在同一直线上，而且这两个力的方向也与滑块的运动方向始终在同一直线上。低的输入转速情况下，滑块受到的离心力较小，滑块无法滑出键槽，如图2.2中虚线所示，键槽圆盘与棘轮之间无法传递运动和转矩；高的输入转速下，滑块受到的离心力很大，滑块能顺利滑出键槽，与棘轮相啮合，如图2.2中粗实线所示，键槽圆盘能将转速与转矩传递给棘轮。于是便实现了触发装置的输入轴与输出轴根据输入转速的不同而处于分离及接合状态这一目标，即根据输入转速自动进行离合。第3章键槽机构各零件的设计触发装置为一个键槽式离心棘轮机构，其中包含三个零件，即棘轮、滑块、键槽圆盘。以下是这三个零件的结构及尺寸设计。3.1棘轮的结构及尺寸设计由于我们设计研究的油门刹车转换系统是针对紧急情况下误踩踏板的情况而设计的，故需要以紧急情况下误踩踏板的工作条件来设计这个系统。各国法规规定，制动的最大踏板力一般为500N(轿车)~700N(货车)。设计时，紧急制动（约占制动总数的5%~10%），踏板力的选取范围：轿车为200~300N，货车为350N~550N，采用伺服制动或动力制动装置时取其小值。美国推荐的踏步设计参数中，踏步板的长度最小值为75mm，而最大长度为300mm。由此，确定设计的条件参数：紧急制动时踏板力取300N，踏板长度（踏板力作用点与踏板回转中心的距离）取275mm，在本系统当中，增速齿轮的传动比i=0.25。键槽机构的输入转矩为：T=F··i（3.1）其中：——紧急制动时的踏板力——踏板长度i——增速齿轮传动比则T=300×275×0.25=20625N×mm初选棘轮的材料为45号钢。材料的许用弯曲应力[]=120MPa，其许用单位线压力[q]=400N/m。初选棘轮的齿数为Z=18确定棘轮的模数：(1)按棘轮轮齿的弯曲强度设计棘轮的模数对于内内啮合棘轮机构有（3.2）其中：T——棘轮转矩(N·mm)Z——棘轮的齿数——棘轮的迟宽系数——材料的许用弯曲应力(Mpa)由手册查得，对于锻钢，=1~2。取=1.8则(2)按棘轮齿面的挤压强度设计棘轮的模数对于内啮合棘轮机构(3.3)其中：T——棘轮转矩(N·mm)Z——棘轮的齿数——棘轮的迟宽系数——材料的许用单位线压力(Mpa)则综合(1)、(2)，并根据棘轮模数的标准系列选取m=5mm根据所选模数，设计棘轮的具体尺寸：棘轮齿根圆直径=mZ=5*18=90mm齿距P=πm=15.71mm齿高h=(0.8~1.8)m，取齿高h=0.8m=4mm齿顶圆直径=—2h=90—2*4=82mm齿顶弦厚a=3mm齿根圆角半径r=1mm齿面偏斜角=15°轮宽b=·m=1.8*5=9mm齿槽夹角=50°棘轮的齿形具体形状如图3.1所示图3.1棘轮齿形的尺寸及形状内棘轮的技工方式与内齿轮相似，为插齿加工。但内棘轮并非通孔，插齿是应留有越程槽，越程槽的宽度取3mm。从小组其他成员处得到的数据：与棘轮配合的轴段的长度为28mm，直径为20mm安装于此轴段的键的尺寸为b×h=6×6，L=25mm由轴段的尺寸确定棘轮与轴配合的内孔的尺寸：内孔深度比轴段的长度略长，取内孔深度为30mm内孔孔径与周径相等，取20mm根据轴径以及所选键的尺寸，确定内孔的截面尺寸对于尺寸为6X6的键，=2.8mm，则d+=22.8mm棘轮内孔的形状及尺寸如图3.2所示。图3.2棘轮内孔形状及尺寸棘轮机构的加工精度及技术要求：（1）对棘轮的要求尺距允许误差为0.05mm~0.10mm在180°内齿距的累积误差为0.10mm~0.20mm棘轮齿槽角的允许误差为+15’~+30’齿面倾角的允许误差为15’~30’（2）对棘爪的要求棘爪齿形角的允许误差为—15’~—30’棘爪长度L的允许误差为0.20mm~0.40mm棘爪工作面对回转轴线的平行度误差为0.03mm~0.05mm（3）对棘轮和棘爪的共同要求棘轮与棘爪的回转中心的允许误差为0.08mm~0.15mm棘轮与棘爪工作面的表面粗糙度为0.32m~2.5m选取棘轮的材料为45钢45钢的特性：钢强度中碳调质钢，具有一定的塑性和韧性、较高的强度，切削性能良好，采用调制处理可获得很好的综合机械性能，淬透性较差，水淬易产生裂纹，中、小型零件调质后可得到较好的韧性及较高的强度，大型零件（截面的尺寸超过80mm）以采用正或处理为宜，45钢的焊接性能较低，但仍可焊接，不过焊前应将焊件进行退火处理，以消除焊接应力。适用于制造较高强度的运动零件。通常在调质或正火状态下使用，可代替渗碳钢，用以制造表面耐磨的零件，此时不需经高频或火焰淬火。3.2滑块的形状及尺寸设计确定棘轮与滑块啮合的位置后，根据棘轮与滑块的啮合关系便能够确定滑块的尺寸与形状。根据棘轮尺寸确定棘轮的形状及尺寸确定滑块的尺寸：假定当棘轮与滑块啮合时，过棘轮齿槽顶点的半径与滑块的运动方向成=6°夹角。则滑块的工作面与滑块运动方向的夹角为=+=15°+6°=21°确定滑块工作面长度：棘轮工作面长度=h/cos=4/cos15°=4.14mm滑块工作面长度比棘轮工作面长度略长则滑块工作面长度取=6mm图3.3棘轮齿槽夹角滑块非工作面的长度=6mm滑块工作面与非工作面的夹角与棘轮的齿槽夹角相等即取滑块工作面与非工作面的夹角=50°滑块尖部的圆角半径=1.5mm滑块的宽度确定：啮合时过棘轮齿槽顶点的半径与滑块的运动方向成=6°夹角，取滑块宽度在宽度方向上关于滑块的运动方向对称，如图3.3所示，由余弦定理可计算出滑块的宽度：滑块具体轮廓确定：作图过程如图3.4所示。首先作两条相距9.40mm的直线、，在直线上取一点A作为设计起始点。过点A作线段AB，线段AB与成=21°角，其长度为=6mm；过点B做AB的垂线，与直线有一交点，以此交点为圆心，做一圆弧与AB相切且切点为点B，圆弧与相较于点C，过点C在上取一长为8mm的线段CD，过点D作水平线段与相交于点E；过点A做线段AF，线段AF与线段AB的夹角为50°，长度为=6mm；做一段圆弧与线段AF和直线都相切，且与线段AF的切点为点F，圆弧与直线的切点为点G。如此得到的滑块轮廓。图3.4滑块画法图示确定滑块的厚度：为确保滑块与棘轮啮合后具有良好的接触，滑块的厚度应比棘轮轮宽略大则取滑块的厚度=12mm由此滑块的外形完全确定，滑块的三维模型如图4.2所示。对于滑块上安装弹簧的结构，可以在滑块底部用铣刀铣出一个半圆形小槽，再沿厚度方向打一通孔，在孔中插入一根细铁棒，细铁棒的直径与孔径的大小相等，铁棒与通孔为过盈配合。这样弹簧的钩子可以钩在细铁棒上，实现弹簧与滑块的连接。选取滑块的材料为40Cr40Cr的特性：经调质处理后，具有良好的综合力学性能，低温冲击性及低的缺口敏感性，淬透韧度良好，油淬时可得到较高的疲劳强度，水淬时复杂形状的零件易产生裂纹，冷弯型塑性中等，正火或调质后切削加工性好，但焊接性能不佳，易产生裂纹，焊前应预热到100~150℃。一般在调质状态下使用，还可以氰化和高频淬处理。调质处理后用于制造中速中载零件，调质并高频淬火后用于制造表面高硬度、耐磨的零件。经淬火及中温回火处理后用于制造重载、中速冲击的零件。经淬火及低温回火处理后，用于制造重载、低冲击、耐磨的零件。氰化处理后用于制造尺寸较大、低温韧度较高的传动零件。3.3键槽圆盘的结构及尺寸设计键槽圆盘与输入轴相连接，在圆盘上加工出一键槽用来放置滑块和弹簧。同时在圆盘回转中心需要有一个能固定弹簧一端（另一端固定在滑块底部）的结构。以下是圆盘各结构的形状以及尺寸的设计过程。确定圆盘直径：圆盘的直径比棘轮的齿顶圆直径略小棘轮的齿顶圆直径=82mm则取圆盘的直径=80mm确定键槽尺寸：键槽分为两段，靠近回转中心的一段用来放置弹簧，远离会装中心的一段用来放置滑块，这两段槽的尺寸需要根据滑块以及连接滑块与回转中心的弹簧的尺寸来进行设计。键槽远离回转中心段的宽度与滑块的宽度相等则键槽宽度=9.40mm由设计弹簧的小组成员处得到弹簧的尺寸如图3.5所示，则取靠近回转中心的键槽宽度为5.0mm，其长度为18.4mm。图3.5弹簧键槽的深度与滑块的厚度相等，即键槽的深度取12mm。由此得到键槽的形状及尺寸如图3.6所示。图3.6各段槽的尺寸固定弹簧一端的结构：在靠近回转中心端横向做出一键槽放置圆杆，弹簧一端就固定在上面（图3.7)。图3.7弹簧固定位置图示从小组其他成员处得到的数据：与圆盘配合的轴段的长度为28mm，直径为25mm安装于此轴段的键的尺寸为b×h=8×7。由轴段的尺寸确定圆盘与轴配合的内孔的尺寸：内孔深度比轴段的长度略长，取内孔深度为30mm内孔孔径与周径相等，取25mm根据轴径以及所选键的尺寸，确定内孔的截面尺寸对于尺寸为8×7的键，=3.3mm，则d＋=28.3mm圆盘内孔的形状及尺寸如图3.8所示。图3.8圆盘内孔的形状及尺寸触发装置三维图如图3.8。图3.8棘轮滑块（触发装置）三维图示第4章机构运动分析4.1踏板的运动分析之前已经确定踏板的长度，即踏板力作用点距离踏板回转中心的距离，=275mm，而由手册查得，踏板的高度为=145mm，由此可以计算出踏板的角位移，如图4.1所示。图4.1踏板角位移由图4.1可知，sin=则踏板的角位移=arcsin=arcsin=31.82°=0.5554rad（4.1）在紧急情况下，脚猛踩踏板时，脚将踏板踩到底时脚对踏板的作用时间只有0.01秒，此过程的作用时间极短，故可将踏板的运动近似地视为定角加速度的匀加速运动。计算这一过程中踏板的角加速度：由匀加速可得作用时间内踏板的角位移=（4.2）其中，为此过程中踏板的角加速度，t为作用时间，t=0.01s由此可以计算出这一过程的角加速度=11108（4.3）计算过程的结尾时，踏板的角速度：过程结束时踏板的角速度=111.08（4.4）4.2触发装置输入轴的运动踏板的运动及转矩经过一对增速齿轮后传递到触发装置的输入轴，再由输入轴通过键连接传递给触发装置中的键槽圆盘。输入轴的角位移==2.2216rad输入轴的角加速度==44432输入轴在0.01S末的角速度=444.324.3触发装置的运动分析触发装置的运动主要是键槽圆盘的运动、滑块的运动以及棘轮的运动，其中滑块的运动是整个机构的关键。4.3.1键槽圆盘的运动圆盘通过键连接与输入轴相连接，因此圆盘的运动与输入轴的运动完全是同步的。则：圆盘的角位移==2.2216rad圆盘的角加速度==44432圆盘在0.01S末的角速度==444.324.3.2滑块的运动分析滑块的运动即使分析滑块的质心相对圆盘会装中心的位移S随时间T变化的规律，即函数S(t)的表达式。为了计算分析滑块的运动，需要知道滑块的质量及滑块质心的位置。这可以利用Pro/E的质量分析功能，只要建立滑块的三维模型，输入密度等参数，就能通过质量分析功能得到滑块的质量以及滑块质心的坐标。建立滑块的三维模型。滑块的三维模型比较简单，按3.2节的作图方法绘制出滑块的草绘图，然后以长度12mm进行拉伸便得到了滑块的三维模型。如图4.2所示。图4.2滑块的三维模型滑块的质量及质心坐标：依次点击主菜单/分析/模型/质量属性在弹出的质量属性对话框中输入滑块的密度滑块的材料为40Cr，属于合金钢，从手册上查得其密度为7.9而对话框中的密度单位为，则需要在对话框中密度填入运行之后得到的结果如图4.3和4.4所示。图4.3滑块的质量图4.4滑块的质心于是得到了滑块的质量m==12.05g滑块的质心坐标为（—0.087，6.000，7.105）近似认为滑块的质心坐标为（0，6，7.1），即质心坐标在厚度的一半及宽度的一半且在滑块运动方向上距离滑块底部7.1mm处。滑块的运动分析：滑块的初位移为即就够无运动时，滑块的质心性相对于圆盘回转中心的位移滑块的运动位移为机构开始运动之后，滑块的质心相对初试位置的位移滑块的总位移S为机构运动后滑块的质心相对于圆盘回转中心的位移图4.5滑块与弹簧位移关系图示S=+，其关系如图4.5所示。滑块受力分析如图4.6.图4.6滑块的位移关系对该滑块进行受力分析，如图所示：该滑块在任意瞬时，绝对加速度等于牵连加速度，相对加速度和科氏加速度的矢量和，即：滑块只受到弹力，重力和惯性力的作用，而重力很小可以忽略，又因为牵连加速度的切向加速度与科氏加速度的方向均沿水平方向，故不再考虑范围内；且相对加速度可以忽略，所以滑块的运动位移=t的范围为0t0.01S其中为滑块的加速度随时间变化的关系其中为滑块受到的离心惯性力随时间的变化规律为弹簧对滑块的拉力随时间的变化规律其中k为弹簧的刚度设常数，m为滑块的质量滑块的重力,其值远小于滑块的离心力以及弹簧的拉力，于是在对滑块的运动分析过程中忽略滑块重力的影响。则=为键槽圆盘的角速度随时间的变化规律则为键槽圆盘的角加速度为触发装置输入轴的角加速度，则滑块的在时对滑块的位移方程求导得：由此得到一个关于的二阶微分方程，可以利用MATLAB进行求解使用MATLAB解上诉微分方程的程序的命令为：dsolve(‘D2S=α^2*t^2*(S-S0)’,’S(0)=S0’,’DS(0)=0’,D2S(0)=0’)运行后结果为ans=S0*exp((α*t^2)/2)*hypergeom([1/4],[1/2],(-α*t^2))其中hypergeom([],[],)为一个超几何函数，并不能写出它的表式解微分方程的方法行不通，于是考虑使用泰勒公式将滑块的位移方程展开，求其近似地表达式。泰勒公式：继对滑块的位移方程求导：将在处用泰勒公式展开，则其中：为时的高阶无穷小则其中：为机构无运动时滑块质心相对键槽圆盘的初始位移，由滑块底部相对键槽圆盘的初始位移（即弹簧的初始长度18.4mm）加上滑块的质心与滑块底部的距离（7.1mm），则=25.5mm假设滑块能够没有阻碍地运动0.01s，则当时，滑块的位移为则，即如果键槽足够长，则在0.01s末滑块的质心相对圆盘回转中心能够达到位移为67.45mm。滑块与棘轮啮合时，滑块的质心相对圆盘回转中心的位移达到最大值，其位移为，即滑块在受到其他零件约束的约束的条件下所能达到的最大位移。啮合时滑块尖部与棘轮齿槽顶点重合，过棘轮齿槽定点的半径与滑块的运动方向成6°夹角。滑块的尖部与滑块的底部在滑块于东方向上的距离为16.73mm。如图4.6所示，其中棘轮齿根圆半径则滑块在键槽足够长的条件下在0.01s末能达到的位移为则有，即在0.01s内，滑块能顺利滑出键槽并与棘轮啮合。图4.7滑块的最大位移设滑块的尖部在t时刻刚好移动到棘轮的齿顶圆处，即此时滑块与棘轮刚刚开始啮合，与图4.6情况相似，滑块的质心相对圆盘回转中心的位移为其中棘轮齿顶圆半径则由可以计算出滑块与棘轮刚开始啮合的时间则滑块与棘轮刚开始啮合的时间为设能将滑块甩出键槽的圆盘最小角速度为，且圆盘达到此角速度时滑块的尖部刚好到达键槽的边缘，即此时滑块即将滑出键槽。此时滑块的位移为其中键槽圆盘的半径则弹簧的伸长量弹簧的刚度为则此时的弹簧力要使滑块能够滑出键槽的，键槽圆盘的最小角速度需要满足条件其中滑块的质量m=12.05g由此可计算出键槽圆盘的最小角速度踏板的最小角速度其中为曾速齿轮的传动比则，即要使滑块滑出键槽所需要踏板的最小角速度，其值远大于正常踩油门时踏板的角速度。故正常踩油门时，滑块无法滑出键槽，触发装置的输入轴与输出轴处于分离状态，不会引起刹车动作。4.3.3棘轮的运动分析由滑块的运动分析可知，在末，滑块的尖部与棘轮的齿顶圆开始接触，即滑块与棘轮开始啮合。此时圆盘的角位移圆盘的角速度棘轮与滑块在末发生碰撞，并啮合，啮合后棘轮的运动与圆盘的运动同步，即棘轮的角速度与圆盘的角速度相等，棘轮的角位移等于圆盘从到这段时间内的角位移。圆盘的角位移与触发装置输入轴的角位移相等，即由4.2节输入轴的运动分析可知则0.01s末圆盘的角位移则棘轮的角位移，此角位移即为触发装置输出轴的角位移，用于带动下压杆并将刹车踏板压下（如图2.1所示）。4.4触发装置的工作情况对触发装置而言，其出入量为输入轴的角位移、角速度、角加速度，其中角速度和角加速度为触发装置的触发条件。触发装置的输出量为棘轮的角位移，此角位移用于带动下压杆将刹车踏板压下。因此我们关心棘轮的角位移而并不关心棘轮的角速度与角加速度。第5章各零件的强度校核5.1棘轮的强度校核5.1.1棘轮的工作情况如图5.1所示，棘轮的载荷主要是在棘轮的工作面上，此载荷来自于滑块的工作面对棘轮工作面的挤压，因此可以将棘轮工作面的载荷视为一个作用于工作面的均布载荷。图5.1棘轮的受力将棘轮所受均布载荷等效为一个作用于棘轮工作面中心点的集中力F，则此集中力的作用点以及它对棘轮回转中心的力臂的几何关系如图5.2所示。于是有则力臂其中棘轮工作面的长度得到集中力F的力臂长度前面已经算得棘轮所受到的力矩则集中力图5.2棘轮受集中力的情况知道F的大小后就能得到均布载荷的大小。均布载荷的作用面积为棘轮的工作面面积，其大小为，其中b=9mm为棘轮的宽度。则均布载荷棘轮的材料为45号钢，由手册查得其许用面挤压应力，其抗拉强度，其屈服强度为。5.1.2按棘轮工作面受压进行校核工作面受压，则其主要的实效形式为工作面被压溃。工作面挤压应力材料的许用面挤压力则棘轮的工作面不会因为受压而被压溃，是安全的5.1.3按棘轮轮齿受弯进行校核棘轮的棘齿因工作面受到一个均布载荷的作用而发生弯曲变形，其受力情况可以等效为一个悬臂梁受均布载荷。如图5.3所示。图5.3棘齿等效的悬臂梁由材料力学知识可知，悬臂梁的最大应力出现在梁的根部，而且由于棘轮的在棘齿的根部有尺寸突变，会产生较大的应力集中现象，故棘齿的最大应力将出现在棘齿的根部。由于有应力集中现象的存在，根部的应力较为复杂，故使用有限元软件ANSYS对棘轮的棘齿进行静力分析，求其最大应力。在Pro/E中建立棘轮的三维模型，取其中一个齿，如图5.4所示，将文件保存为ANSYS所能识别的IGS格式。图5.4棘轮一个齿的三维模型首先进行对此次分析进行单位统一，即质量单位为g，长度单位为mm，时间单位为s，力的单位为，密度单位为，应力单位为Pa。以下是用ANSYS对棘轮进行静力分析的步骤：导入三维模型在ANSYS中运行Imput命令，将Pro/E建立的棘轮三维模型导入。定义单元格属性在单元类型库对话框中，选择Solid（结构实体）中的Brick8node45（8节点长方体）定义材料属性棘轮的材料为45钢，由手册查得45钢的弹性模量E=206Ga，它的泊松比，其密度。分别将上述三个量输入相应的对话框中。划分网格采用智能划分，即勾选MeshTool对话框中的SmartSize复选框，并将网格尺寸调为3.定义约束对图5.5所示对圆弧面施加全约束，及选择Displacement/OnAreas，拾取图示圆弧面，并选择ALLFOD选项。图5.5定义约束面定义载荷对棘轮工作面施加均布载荷，即选择Pressure/OnAreas，拾取棘轮的工作面，并在弹出的对话框中输入载荷的大小即求解读入计算结果查看棘轮棘齿的变形依次点击GeneralPostproc/PlotResults/DeformedShape，得到棘齿的变形图，如图5.6所示。虚线为变形之前的轮廓，实线为变形后的轮廓。图5.6棘齿的变形查看应力依次点击GeneralPostproc/PlotResults/ContourPlot/NodalSolu/NodalSolution/Stress/vonMisesStress得到棘齿的Mises应力云图，如图5.7所示。Mises应力为第四强度理论（畸变能密度理论）的等效应力。畸变能密度理论认为畸变能密度是引起屈服的主要因素，即认为材料无论出于什么应力状态，只要畸变能密度达到与材料性能有关的某一极限值，材料就会发生屈服。其等效应力，其中、、分别代表该点处的三个主应力，为数值最大的主应力，为数值最小的主应力，即。对于铸铁、石料、玻璃等脆性材料，通常以断裂的形式失效，宜采用第一强度理论和第二强度理论进行分析；碳钢、铜、铝等塑性材料，通常以屈服的形式失效，宜采用第三强度理论和第四强度理论进行分析。45钢属于塑性材料，则选用第四强度理论对棘轮棘齿进行应力分析，即查看棘齿的Mesis应力云图，以此确定棘齿的最大应力。图中的红色区域为应力值最大的部位，由图可知，棘齿的最大应力出现在棘齿的根部，这与之前的理论分析结果相符合，其最大值为，而材料的屈服强度则按棘齿受弯进行校核棘轮的强度足够，是安全的图5.7棘轮轮齿的应力云图5.2滑块的强度校核5.2.1滑块的工作条件滑块与棘轮啮合时滑块所受的载荷主要为滑块的工作面受到棘轮的挤压，可是为作用于滑块工作面上的一个均布载荷，及滑块的侧面受到键槽圆盘的挤压，也可是为作用于滑块侧面的一个均布载荷。如图5.8所示。其中，与滑块作用于棘轮工作面的载荷大小相等方向相反，即有图5.8滑块的主要载荷利用AutoCAD的标注功能，量取均布载荷对滑块回转键槽圆盘回转中心的力臂的范围为28.02mm~37.56mm，如图5.9所示。将均布载荷等效为一个集中力，则有得滑块侧面的面积为则图5.9滑块均布载荷作用范围滑块的材料为40Cr，由手册查得其许用面挤压应力，其抗拉强度，其屈服强度为。5.2.2按滑块工作面受挤压进行校核滑块工作面受到挤压，其可能的失效形式为工作面被压溃。计算滑块工作面的挤压应力滑块工作面的面积为滑块工作面的挤压应力为材料的许用面挤压应力则滑块工作面有足够的抗压强度，滑块工作面不会因受压而被压溃，按工作面受压进行校核滑块是安全的。5.2.3按滑块动作面受弯进行校核滑块的弯曲应力主要来自于工作面受压而产生的弯矩。研究工作面受压而产生的应力，可将滑块的受力等效为图5.10所示的一个悬臂梁受力。其最大应力在工作面下部的圆弧面处，即为等效悬臂梁的根部。此外滑块工作面下部的圆弧面也存在应力集中现象，因此该处的应力会进一步加大，也使得滑块的应力分布变得复杂。现采用ANSYS对滑块进行静力分析，求取滑块的应力分布情况。图5.10滑块受弯以下是采用ANSYS对滑块进行静力分析的步骤：建立三维模型在Pro/E中建立滑块的三维模型，如图3.5所示，将文件保存为ANSYS所能识别的IGS格式。导入三维模型在ANSYS中运行Imput命令，将Pro/E建立的棘轮三维模型导入。定义单元格属性在单元类型库对话框中，选择Solid（结构实体）中的Brick8node45（8节点长方体）定义材料属性滑块的材料为40Cr，由手册查得40Cr的弹性模量E=206Ga，它的泊松比，其密度。分别将上述三个量输入相应的对话框中。划分网格采用智能划分，即勾选MeshTool对话框中的SmartSize复选框，并将网格尺寸调为3。定义约束如图5.10所示对滑块的侧面施加全约束，及选择Displacement/OnAreas，拾取滑块的侧面，并选择ALLFOD选项。定义载荷对滑块工作面施加均布载荷，即选择Pressure/OnAreas，拾取滑块的工作面，并在弹出的对话框中输入载荷的大小即运行求解读入计算结果查看滑块的变形依次点击GeneralPostproc/PlotResults/DeformedShape，得到滑块的变形图，如图5.11所示。虚线为变形前的轮廓，实线为变形后的轮廓。图5.11滑块的变形查看滑块的应力分布40Cr属于塑性材料，适合采用用第四强度理论对滑块进行应力分析，以此确定滑块的最大应力。Mesis应力即为第四强度理论的等效应力，因此查看滑块的Mesis应力云图，以确定滑块的最大应力的大小以及最大应力的位置，并确定滑块的危险截面。依次点击GeneralPostproc/PlotResults/ContourPlot/NodalSolu/NodalSolution/Stress/vonMisesStress得到滑块的Mises应力云图，如图5.12所示。图中的红色区域为滑块应力值最大的部位，由图可知，滑块的最大应力出现在滑块工作面下部的圆弧面处，这与之前的理论分析结果相符合。由图可知，滑块最大应力的值为值为，而材料的屈服强度则按滑块受弯进行校核滑块的强度足够，是安全的图5.12滑块的应力分布5.2.4按滑块侧面受挤压进行校核滑块侧面受到挤压，其可能的失效形式为侧面被压溃。计算滑块侧面的挤压应力由5.2.1节已经计算出滑块侧面所受均布载荷的滑块侧面的面积为滑块侧面的挤压应力为材料的许用面挤压应力则滑块侧面有足够的抗压强度，滑块侧面不会因受压而被压溃，按侧面受压进行校核滑块是安全的。5.3键槽圆盘的强度校核5.3.1键槽圆盘的工作条件键槽圆盘的主要载荷来自于工作面受到滑块侧面的挤压，可视为受到一个均布载荷的作用，如图5.13所示。与滑块侧面受到的均布载荷大小相等方向相反，即。的作用面积与滑块侧面的面积相等。键槽圆盘的材料为45号钢，由手册查得其许用面压应力，其抗拉强度，其屈服强度为。图5.13键槽圆盘的载荷5.3.2按键槽圆盘工作面受压进行校核键槽圆盘工作面受到挤压，其可能的失效形式为工作面被压溃。计算键槽圆盘工作面的挤压应力键槽圆盘工作面所受均布载荷的键槽圆盘工作面受载荷的面积为键槽圆盘工作面的挤压应力为材料的许用面挤压应力则键槽圆盘工作面有足够的抗压强度，键槽圆盘工作面不会因受压而被压溃，按键槽圆盘工作面受压进行校核键槽圆盘是安全的。结论本文针对紧急情况下防止驾驶员误将油门踏板当成刹车踏板而猛踩这一现象提出了一个简易的解决方案，即防误踩油门刹车转换系统，通过此系统能达到感知驾驶员的错误操作并将其纠正的目的。本文着重对此油门刹车转换系统中触发装置的设计以及分析校核进行了较为详细的论述。设计出一个以键槽圆盘、滑块以及内棘轮组成的触发装置。通过此触发装置，系统能够辨别驾驶员是否发生误踩踏板的错误操作。在驾驶员发生误踩踏板的错误操作时，驾驶员误踩踏板的动作能使触发装置中的键槽圆盘以很高的角速度旋转，使滑块具有足够的离心惯性力