基于UG的汽車安全輔助剎車系統設計與分析

楊躍，李軍政,2,3，陳昭君，強敏，曹瑞玲，李滿

(1.湖南農業大學工學院，湖南長沙 410128；2.南方糧油作物協同創新中心，湖南長沙 410128；3.湖南省現代農業裝備工程技術研究中心，湖南長沙 410128)

基于UG的汽車安全輔助剎車系統設計與分析

楊躍1，李軍政1,2,3，陳昭君1，強敏1，曹瑞玲1，李滿1

(1.湖南農業大學工學院，湖南長沙 410128；2.南方糧油作物協同創新中心，湖南長沙 410128；3.湖南省現代農業裝備工程技術研究中心，湖南長沙 410128)

為防止汽車駕駛員在汽車行駛中由于緊急情況的出現使得駕駛員對加速踏板采取錯誤操作，結合剎車與油門踏板位置，利用離心式棘輪離合器原理，設計出一種汽車安全輔助剎車系統。運用Unigraphics NX8軟件，在裝配模式下采用自頂向下設計方法對該裝置各零部件進行三維實體建模，然后運用其結構分析模塊，確定不同條件下此裝置的受力情況，之后進行結構強度分析，對此裝置模型添加不同約束條件，分析強度變化，驗證汽車安全輔助剎車系統的有效可靠性。

汽車安全；輔助剎車系統；參數化建模；仿真分析

0 引言

我國家用汽車越來越普及，隨之而來的交通事故也變得越來越多。據統計：由于駕駛員在緊急情況下把油門當剎車誤踩所造成的事故比例高達12.6%[1]。因此，非常有必要設計一款汽車安全輔助剎車系統以避免此類事故的發生。目前針對這類事故也做了一部分研究，主要分為兩類：機械式和電子式。前者是在副駕駛制動機構的基礎上改進[2];后者主要是設計電子式真空助力器[3]。但這兩類技術在拆裝和維護方面很不方便。文中設計的機械離心式防誤踩安全輔助裝置可以解決上述問題，同時利用目前最常用的機械設計、分析和制造軟件UG對所設計系統的各零部件進行三維實體建模并仿真分析，使得設計變得準確而快捷，大幅度提高了工作效率。

1 整體設計原理

整體裝置由三大部分組成：輸入軸、棘輪離合器、輸出軸，如圖1所示。

此裝置安裝時通過可調節螺栓確定與汽車的最佳固定角度，兩齒輪齒條相連的踏板固定夾分別與油門踏板與剎車踏板桿固定。當安全開關開啟時，在緊急情況下誤踩油門踏板，與油門踏板固定夾相連的齒條快速向下運動，帶動與齒條相連齒輪快速旋轉，從而帶動輸入軸旋轉。輸入軸快速旋轉，使輸入軸末端平臺產生離心力，在離心力作用下，輸入軸末端平臺上的滑塊克服彈簧力向外滑動，滑塊上的連桿機構帶動棘爪圍繞其固定桿旋轉，當棘爪旋轉到充分張開而與棘輪嚙合，從而帶動與棘輪相連接的輸出軸旋轉，輸出軸旋轉帶動其上齒輪旋轉，從而使踏板桿向下運動產生制動，汽車減速直至停止。松開踏板，齒條在回位彈簧助力下恢復原始狀態，離心塊在復位彈簧彈力作用下恢復初始狀態，棘爪與棘輪分離，工作行程結束。當安全開關關閉時，開關末端圓環平移套住滑塊移動桿末端，從而鎖死滑塊向外滑動，棘爪無法張開，棘輪與棘爪不能嚙合，輸出軸對齒條無驅動，輸入軸與輸出軸各自分離，互不影響，裝置不起作用。

2 三維實體建模

依據已經設計好的CAD圖紙，在UG軟件裝配模式下，采用自頂向下設計方法，利用WAVE幾何鏈接等進行參數化建模。創建方法一般是先利用“拉伸”、“回轉”等工具創建零件的大體形狀，然后在零件上添加“凸臺”、“孔”、“筋”、“槽”等特征[4]。具體設計參數如表1所示。

表1 設計參數 mm

首先，建立輸入軸三維模型圖，如圖2所示。

其次，采用WAVE幾何鏈接引用輸入軸左端面，在此端面上建立棘輪離合器，如圖3所示。

然后，對輸出軸進行建模，如圖4所示。

最后創建齒輪齒條以及基座外殼完成總裝配，如圖5所示。

3 有限元模型與仿真分析

3.1 有限元模型

結構分析就是對裝配主模型進行受力分析。在模型上添加約束條件、加載力矩，根據受力應變的情況進行主模型的修改[5]。文中主要是對輸入軸和棘輪離合器進行分析，以輸入軸與棘輪工作時為例。

首先，分析輸入軸與棘輪受力情況，理想化模型，添加材料。材料屬性如表2所示。

表2 裝置材料屬性

然后劃分3D四面體網格，輸入軸有限元模型共有節點數5 780、單元數3 142，棘輪有限元模型共有節點數19 072、單元9 841，網格劃分結果如圖6所示。

3.2 載荷與約束確定

(1)對模型添加約束條件。通過分析定位與受力情況可知，輸入軸與棘輪的自由度為繞軸心旋轉。因此，在輸入軸與棘輪的兩端面添加約束，而圍繞軸中心旋轉不受限制。

(2)對模型添加載荷。裝置運行時，主要受到載荷為齒條傳給常嚙合齒輪的驅動轉矩，另一載荷為左端面離心盤上棘輪離合器嚙合時帶動輸出軸旋轉所產生的轉矩，兩轉矩方向相反，使軸產生扭轉變形，計算時將復雜的受力狀況簡化成 4 種典型的工況，分別分析不同靜態載荷作用下的受力與變形響應。為保證裝置受力分析時不會產生剛性位移并且能夠便于計算分析，確定齒輪齒條對中心軸的加載方式和約束條件如表3所示。

表3 裝置加載方式與約束條件

3.3 計算結果與分析

(1)最大制動力工況

緊急情況下誤踩油門的最大制動力為90 N[6]，通過計算可得出輸入軸在棘輪無制動與棘輪制動時的應力分析云圖，如圖7所示。

圖7(a)、(c)中，輸入軸在兩端受到的應力最大，最大應力位于棘輪與輸入軸連接處；圖7(b)、(d)中，棘輪在與棘爪接觸處受到的應力最大，棘輪棘爪接觸處位移變形量最大，實際變形量低于最小許用變形量，滿足剛度要求。

(2)最大速度工況

人在緊急情況下誤踩油門所需反應時間最短為0.6 s[7]，通過計算可得最大速度時輸入軸在無棘輪制動與有棘輪制動時的應力分析云圖，如圖8所示。

圖8(a)、(c)中，輸入軸在中間所受應力最小，最大應力處在兩端；圖8(b)、(d)中，棘輪棘爪接觸處所受應力最大，沿兩邊逐次遞減，實際最大應力低于設計要求最小應力。

分析4種工況，最終得出結論：在扭轉力矩作用下，輸入軸中間應變最小，左端與棘輪離合器連接處應變最大，為0.119 5 mm；輸入軸最小許用撓度為0.27 mm，實際撓度小于最小許用撓度，符合設計要求。

4 結論

通過對汽車安全輔助剎車系統進行三維建模與有限元仿真分析，最終結果表明該裝置在4種不同工況下都滿足強度和剛度要求，設計合理。文中研究為汽車安全輔助剎車系統優化設計與可靠性驗證提供理論依據和參考。

【1】任宇立.道路交通安全現狀及交通事故分析方法初探[J].道路交通與安全,2010,10(2):4-6.

【2】姜遠順.真空助力器輔助裝置:201110333073.9[P].2012-06-20.

【3】張德兆,李克強.汽車集成式電子真空助力器系統設計[J].汽車公路學報,2011(1):115-121.

【4】麓山文化.UG NX9中文版機械設計從入門到精通[M].北京:機械工業出版社，2014.

【5】文少波.基于UG建模的機械式變速器設計[J].機械設計與制造，2009(9)：43-45.

【6】賈佳鵬.防勿踩油門的設計構想[J].汽車電器，2006(8)：9-10.【7】許洪國.汽車運用工程[M].4版.北京:人民交通出版社，2009.

Design and Analysis of Automobile Safety Auxiliary Braking System Based on UG

YANG Yue1, LI Junzheng1,2,3, CHEN Zhaojun1, QIANG Min1, CAO Ruiling1, LI Man1
(1.College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha Hunan 410128, China;2.Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China, Changsha Hunan 410128, China; 3.Hunan Provincial Engineering Technology Research Center for Modern Agricultural Equipment, Changsha Hunan 410128, China)

To prevent erroneous operation on accelerator pedal by car driver due to emergency situations in driving process, combining with the brake and accelerator pedal position, using centrifugal clutch ratchet principle, an automobile safety auxiliary brake system was designed. By using Unigraphics NX8 software in assembly mode with the top-down design method, three dimensional entity models were built for all parts of the device, then the structure analysis module was used to determine the force situation of this device under different conditions, and structural strength analysis was carried out. After adding different constraint conditions on the device, intensity change was analyzed. The effective reliability of the automotive safety auxiliary braking system was verified.

Automobile safety; Auxiliary braking system; Parametric modeling; Simulation analysis

2016-03-21

湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目(SCX1517)

楊躍(1993—)，男，專業方向為汽車服務工程。E-mail：731968945@qq.com。

李軍政，E-mail：lijunzheng2008@163.com。

TH12;TH133.4

A

1674-1986(2016)06-025-04