基于新型摩擦系統(tǒng)的油門踏板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

劉瑞庭

（上海海拉電子有限公司，上海 201201）

1 項(xiàng)目背景及介紹

電子油門加速踏板有電位計(jì)式及非接觸式[1-2]，其上安裝有位移傳感器，當(dāng)駕駛員踩踏加速踏板時(shí)，ECU會采集踏板上位移傳感器的開度變化及加速度，根據(jù)內(nèi)置的算法來判斷駕駛員的駕駛意圖，然后向發(fā)動機(jī)節(jié)氣門的控制電機(jī)發(fā)送相應(yīng)的控制信號，從而控制發(fā)動機(jī)的動力輸出。油門踏板的操縱應(yīng)以右腳跟踏放在駕駛室地板上為支點(diǎn)，腳掌輕踏在加速踏板上，用踝關(guān)節(jié)的伸屈動作踏下或放松，然后通過感應(yīng)裝置產(chǎn)生一個信號傳遞給加油系統(tǒng)。在這個過程中，踏板的踩動和回彈需要一個遲滯力，使駕駛員易于掌控。為了在踩下踏板的過程中給操作者平穩(wěn)的感覺，通常都是采用彈簧加一組摩擦機(jī)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)一般是采用彈簧加幾組摩擦零件來實(shí)現(xiàn)，筆者分析和研究了很多油門踏板結(jié)構(gòu)，機(jī)構(gòu)均較為復(fù)雜，存在零件較多、穩(wěn)定性不太好的缺點(diǎn)。相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作一直在進(jìn)行[3-4]，本文提到的對踏板內(nèi)部緩沖機(jī)構(gòu)的改進(jìn)，即構(gòu)造新型摩擦系統(tǒng)，就是針對油門踏板的優(yōu)化方案。

2 基于新型摩擦系統(tǒng)的油門踏板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在介紹新型摩擦系統(tǒng)的油門踏板前，首先需要了解遲滯力、遲滯力的作用及目前市面上主流油門踏板的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2.1 遲滯力和遲滯力的作用

不管油門踏板采用哪種結(jié)構(gòu)，都需要有一定的遲滯力。什么是遲滯力？為什么要有遲滯力呢？圖1所示為油門踏板要求的理想的功能曲線示意圖，可以看出，踏板需要有一個遲滯力，以便給加油系統(tǒng)一個穩(wěn)定的信號，給操作者一種可控的施力感。從圖1可知，當(dāng)踩下踏板時(shí)，由于機(jī)構(gòu)中的摩擦力與運(yùn)動趨勢相反，踏板力沿圖示上面那條曲線運(yùn)行；當(dāng)松開踏板時(shí)，由于機(jī)構(gòu)中的摩擦力與運(yùn)動趨勢相同，踏板力沿圖示下面那條曲線運(yùn)行。也就是說，在踏板行程中的任意位置，油門踩下去的踏板力和松開油門的踏板力都是不一樣的，它們之間的差值叫遲滯力。對駕駛員來說，遲滯力的好處是，在踏板踩下去的某一位置，哪怕駕駛員的力有些微變化，踏板仍然能穩(wěn)定在這個位置，從而給駕駛員穩(wěn)定可操控的感覺。

圖1 踏板力曲線

2.2 目前市面上主流油門踏板的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，摩擦系統(tǒng)主要由以下6個零件構(gòu)成：踏板（Pedal）1、彈簧（Spring）2、彈簧碗（Carrier）3、摩擦元件（Friction Element）4、殼體（Housing）5、耐磨圈（Bearing）6。

圖2 傳統(tǒng)摩擦系統(tǒng)組成

通過這些零部件，實(shí)現(xiàn)遲滯力功能：首先彈簧2因?yàn)橛幸欢ǖ念A(yù)壓力（約100 N）作用在彈簧碗3上，彈簧碗3壓在踏板1和摩擦元件4上。因踏板1通過耐磨圈6與殼體5形成一個摩擦副，作用在踏板1上的力在運(yùn)動過程中產(chǎn)生一組遲滯力。而又因摩擦元件4與殼體5形成一個摩擦副，作用在摩擦元件4上的力在運(yùn)動過程中產(chǎn)生另外一組摩擦力。此兩組摩擦力形成了踏板的摩擦力，在功能曲線上體現(xiàn)為遲滯力。

這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：

（1）結(jié)構(gòu)中彈簧碗3是活動的，如果尺寸和表面質(zhì)量有差異，摩擦分力將會不一樣，甚至形成卡滯現(xiàn)象及噪聲。

（2）圖中摩擦元件4是一個關(guān)鍵零件，尺寸與表面要求很高，且須與殼體5上的摩擦面完全匹配，否則會導(dǎo)致回彈緩慢，并影響到耐久性，在-40 ℃以下時(shí)，甚至?xí)换貜棥?/p>

（3）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對各結(jié)構(gòu)元件的材質(zhì)、強(qiáng)度、尺寸精度和表面粗糙度等要求較高，但由于結(jié)構(gòu)件均為塑料制品，易變形，為達(dá)到圖紙要求，成本將會增加；再加上零件較多，穩(wěn)定性也會相應(yīng)下降。

2.3 基于新型摩擦系統(tǒng)的油門踏板結(jié)構(gòu)介紹和計(jì)算

圖3所示為基于新型摩擦系統(tǒng)的油門踏板結(jié)構(gòu)示意圖，其摩擦系統(tǒng)由以下4個零件構(gòu)成：踏板（Pedal）1、彈簧（Spring）2、殼體（Housing）3、耐磨圈（Bearing）4。

圖3 新型摩擦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖4所示，踏板頭部有用于彈簧定位的定位碗特征。如圖5所示，殼體上與耐磨圈接觸的地方具有類似于V型槽的特征。如圖6所示，V型槽的側(cè)面與耐磨圈接觸。

圖4 彈簧碗結(jié)構(gòu)

圖5 V型結(jié)構(gòu)

圖6 摩擦受力分析

通過這些零部件，實(shí)現(xiàn)遲滯力功能：首先彈簧2因?yàn)橛幸欢ǖ念A(yù)壓力（約100 N）作用在踏板1上，因踏板1通過耐磨圈4與殼體3的V型槽面形成一個摩擦副，作用在踏板1上的力在運(yùn)動過程中產(chǎn)生摩擦力，在功能曲線上體現(xiàn)為遲滯力。

結(jié)合圖3和圖6，踏板的受力分析如下（以下為簡化計(jì)算，后續(xù)采用FEA進(jìn)一步計(jì)算）：F2為彈簧的預(yù)壓力，N1、N2分別為殼體3的V型槽特征兩接觸面上的正壓力，F(xiàn)1為踏板的踩踏力，μ為V型槽特征兩接觸面與耐磨圈之間的摩擦系數(shù)。對彈簧力、V型槽特征兩接觸面上的正壓力進(jìn)行受力分析。

（其中3.86μF2r/R為單向摩擦力）

定義踏板的摩擦比B為雙向摩擦力（去程加回程）與F2L1/R的比值：

B=（2×3.86μF2r/R）/（F2L1/R）

根據(jù)我司經(jīng)驗(yàn)，摩擦比B一般為0.3～0.7比較合適，對應(yīng)N1應(yīng)在250 N左右。

對比新老設(shè)計(jì)，之前老的設(shè)計(jì)由踏板、彈簧、彈簧碗、摩擦元件、耐磨圈、殼體等零件組成，而新的設(shè)計(jì)由踏板、彈簧、耐磨圈、殼體組成。新結(jié)構(gòu)取消了摩擦元件和活動彈簧碗，摩擦系統(tǒng)的零部件數(shù)量由6個減少為4個，零件數(shù)的減少意味著產(chǎn)品成本的降低，從而提高了產(chǎn)品的競爭力，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了汽車零部件的輕量化。

另外，之前老的設(shè)計(jì)有兩個摩擦副，較難控制和分配摩擦力，新的設(shè)計(jì)只有一個摩擦副，可以更好地實(shí)現(xiàn)和控制摩擦比。

再有，由于零件數(shù)的減少，實(shí)現(xiàn)功能的尺寸鏈大大縮短，降低了因尺寸不良而造成功能失效的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也降低了品質(zhì)管控的成本。

3 FEA仿真分析

在前面的介紹中用公式簡單計(jì)算了V型結(jié)構(gòu)面上的正壓力，但是這種計(jì)算并沒有考慮到彈簧力與旋轉(zhuǎn)軸中心的位置關(guān)系，沒有考慮到踏板面上相對應(yīng)的踩踏力，也沒有考慮到踏板走向?qū)蓚€斜面的不對稱的影響。為了更好地提高設(shè)計(jì)的成熟度，有必要對模型進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析。

這里采用Catia ANL[5]模塊來做有限元結(jié)構(gòu)分析，Catia ANL的計(jì)算模塊提供了自動劃分網(wǎng)格的功能，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)修改網(wǎng)格大小，使得計(jì)算更易進(jìn)行、結(jié)果更加準(zhǔn)確。接觸屬性應(yīng)根據(jù)零件之間實(shí)際的接觸關(guān)系來設(shè)置，邊界條件則根據(jù)油門踏板的實(shí)際安裝狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置接觸屬性和約束條件時(shí)，還需要考慮設(shè)置之后模型中整個產(chǎn)品和各零部件的自由度，以免出現(xiàn)過大的位移或旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致計(jì)算出錯。以下是具體計(jì)算步驟。

3.1 簡化模型構(gòu)建和網(wǎng)格劃分

在計(jì)算分析之前，首先需要對設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行簡化。將模型上的工藝圓角、碎面去除，這些結(jié)構(gòu)不影響踏板臂的強(qiáng)度以及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，但可能會給計(jì)算過程帶來嚴(yán)重影響，甚至導(dǎo)致計(jì)算不能進(jìn)行。然后進(jìn)行前處理——劃分網(wǎng)格。圖7顯示了對簡化的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的結(jié)果。

圖7 CAE簡化模型

3.2 設(shè)置零件材料屬性和邊界條件

根據(jù)實(shí)際情形，添加材料屬性和相應(yīng)的邊界條件，如圖8所示（殼體固定，零部件添加接觸屬性，相應(yīng)面做約束）。

圖8 邊界約束

3.3 施加載荷并設(shè)置感應(yīng)傳感器（彈簧力100 N）

對零部件在踏板相對應(yīng)位置施加100 N的彈簧力，如圖9所示，并設(shè)置感應(yīng)傳感器。

圖9 加載力

3.4 導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果

錄得V型槽處的正壓力為226 N和286 N，如圖10所示，與簡易計(jì)算結(jié)果較為接近，此設(shè)計(jì)模型符合設(shè)計(jì)要求。

圖10 計(jì)算結(jié)果

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由上述分析可以看出，理論上此方案是可行的，然而實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證必不可少。為進(jìn)一步驗(yàn)證方案的可行性，按圖3所示新結(jié)構(gòu)制作了樣品。按照油門踏板檢測標(biāo)準(zhǔn)，對樣件進(jìn)行了初始狀態(tài)（常溫、高溫、低溫）、跑合狀態(tài)（常溫）、壽命實(shí)驗(yàn)后功能實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期效果（以下僅用其中一個踏板總成樣件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果做說明，如圖11～15所示）。

圖11 初始狀態(tài)功能測試結(jié)果（摩擦比B=0.5）

圖12 運(yùn)行500次之后功能測試結(jié)果（摩擦比B=0.43）

圖13 -40 ℃功能測試結(jié)果（摩擦比B=0.6）

圖14 80 ℃功能測試結(jié)果（摩擦比B=0.35）

圖15 耐久性實(shí)驗(yàn)后功能測試結(jié)果（摩擦比B=0.63）

樣件在初始狀態(tài)下，常溫測得摩擦比B=0.5。運(yùn)行500次之后，常溫下摩擦比B=0.43，500次跑合后，摩擦表面得到了一定程度的磨合，相應(yīng)的遲滯力會有所變化。樣件在初始狀態(tài)下，低溫時(shí)（-40 ℃）測得摩擦比B=0.6，低溫下，由于材料表面有細(xì)小的水結(jié)晶，零件之間的摩擦系數(shù)會增大，從而導(dǎo)致摩擦比增大，實(shí)驗(yàn)符合預(yù)期。樣件在初始狀態(tài)下，高溫時(shí)（80 ℃）摩擦比B=0.35，同樣，高溫下，零件之間的摩擦系數(shù)會減小，從而導(dǎo)致摩擦比率減小，實(shí)驗(yàn)符合預(yù)期。樣件經(jīng)過耐久性實(shí)驗(yàn)（2 000 000次）后，摩擦比B=0.63，可見產(chǎn)品在經(jīng)過200萬次循環(huán)之后仍然能保持良好的性能。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，新型摩擦系統(tǒng)完全符合油門踏板的功能要求。

5 結(jié)語

綜上所述，這種基于新型摩擦系統(tǒng)的油門踏板，根據(jù)經(jīng)典的摩擦機(jī)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)、整合，減少了零件數(shù)，降低了零件開發(fā)成本，減輕了重量，提高了穩(wěn)定性。而且由于零件數(shù)減少，實(shí)現(xiàn)功能的尺寸鏈大大縮短，降低了因尺寸不良而造成功能失效的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也降低了品質(zhì)管控的成本。另外，這種新的設(shè)計(jì)只有一個摩擦副，可以更好地實(shí)現(xiàn)和控制摩擦比。

由一系列實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可見，這種新型摩擦系統(tǒng)可以達(dá)到預(yù)期效果，滿足設(shè)計(jì)要求。此新結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)點(diǎn)，是新穎可行的；同時(shí)這個新設(shè)計(jì)僅改變了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，外形及與車輛的接口尺寸、信號傳感方式均未改變，因此不需要對整車進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。在與整車客戶研討后，將用于新產(chǎn)品的開發(fā)。此結(jié)構(gòu)同時(shí)適用于電位計(jì)式及非接觸式電子油門踏板；另外，此種摩擦結(jié)構(gòu)也可用于其他需要遲滯運(yùn)動的地方。后續(xù)還將根據(jù)批量生產(chǎn)狀況，并結(jié)合客戶的反饋意見進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。