基于新型摩擦系统的油门踏板结构设计仿真分析和实验验证

摘 要：

创新设计了一种应用于电子油门踏板的新型摩擦系统，在减少零件数目、降低零件成本的同时能保持相应的迟滞力，满足法规要求。仿真及相应环境下的寿命实验证明了该新型摩擦系统设计的可行性和可靠性，该摩擦系统的结构设计也适用于其他踏板设计。

#1 项目背景及介绍 #

电子油门加速踏板有电位计式及非接触式[1-2]，其上安装有位移传感器，当驾驶员踩踏加速踏板时，ECU会采集踏板上位移传感器的开度变化及加速度，根据内置的算法来判断驾驶员的驾驶意图，然后向发动机节气门的控制电机发送相应的控制信号，从而控制发动机的动力输出。油门踏板的操纵应以右脚跟踏放在驾驶室地板上为支点，脚掌轻踏在加速踏板上，用踝关节的伸屈动作踏下或放松，然后通过感应装置产生一个信号传递给加油系统。在这个过程中，踏板的踩动和回弹需要一个迟滞力，使驾驶员易于掌控。为了在踩下踏板的过程中给操作者平稳的感觉，通常都是采用弹簧加一组摩擦机构。此机构一般是采用弹簧加几组摩擦零件来实现，笔者分析和研究了很多油门踏板结构，机构均较为复杂，存在零件较多、稳定性不太好的缺点。相应的机械结构优化工作一直在进行[3-4]，本文提到的对踏板内部缓冲机构的改进，即构造新型摩擦系统，就是针对油门踏板的优化方案。

#2 基于新型摩擦系统的

油门踏板的结构设计 #

在介绍新型摩擦系统的油门踏板前，首先需要了解迟滞力、迟滞力的作用及目前市面上主流油门踏板的传统结构。

2.1

迟滞力和迟滞力的作用

不管油门踏板采用哪种结构，都需要有一定的迟滞力。什么是迟滞力？为什么要有迟滞力呢？图1所示为油门踏板要求的理想的功能曲线示意图，可以看出，踏板需要有一个迟滞力，以便给加油系统一个稳定的信号，给操作者一种可控的施力感。从图1可知，当踩下踏板时，由于机构中的摩擦力与运动趋势相反，踏板力沿图示上面那条曲线运行；当松开踏板时，由于机构中的摩擦力与运动趋势相同，踏板力沿图示下面那条曲线运行。也就是说，在踏板行程中的任意位置，油门踩下去的踏板力和松开油门的踏板力都是不一样的，它们之间的差值叫迟滞力。对驾驶员来说，迟滞力的好处是，在踏板踩下去的某一位置，哪怕驾驶员的力有些微变化，踏板仍然能稳定在这个位置，从而给驾驶员稳定可操控的感觉。

2.2

目前市面上主流油门踏板的传统结构

如图2所示，摩擦系统主要由以下6个零件构成：踏板（Pedal）1、弹簧（Spring）2、弹簧碗（Carrier）3、摩擦元件（Friction Element）4、壳体（Housing）5、耐磨圈（Bearing）6。

通过这些零部件，实现迟滞力功能：首先弹簧2因为有一定的预压力（约100 N）作用在弹簧碗3上，弹簧碗3压在踏板1和摩擦片4上。因踏板1通过耐磨圈6与壳体5形成一个摩擦副，作用在踏板1上的力在运动过程中产生一组迟滞力。而又因摩擦片4与壳体5形成一个摩擦副，作用在摩擦片4上的力在运动过程中产生另外一组摩擦力。此两组摩擦力形成了踏板的摩擦力，在功能曲线上体现为迟滞力。

这种传统结构的缺点是：

（1）结构中弹簧碗3是活动的，如果尺寸和表面质量有差异，摩擦分力将会不一样，甚至形成卡滞现象及噪声。

（2）图中摩擦片4是一个关键零件，尺寸与表面要求很高，且须与壳体5上的摩擦面完全匹配，否则会导致回弹缓慢，并影响到耐久性，在-40 ℃以下时，甚至会不回弹。

（3）结构复杂，对各结构元件的材质、强度、尺寸精度和表面粗糙度等要求较高，但由于结构件均为塑料制品，易变形，为达到图纸要求，成本将会增加；再加上零件较多，稳定性也会相应下降。

2.3

基于新型摩擦系统的油门踏板

结构介绍和计算

图3所示为基于新型摩擦系统的油门踏板结构示意图，其摩擦系统由以下4个零件构成：踏板（Pedal）1、弹簧（Spring）2、壳体（Housing）3、耐磨圈（Bearing）4。

如图4所示，踏板头部有用于弹簧定位的定位碗特征。如图5所示，壳体上与耐磨圈接触的地方具有类似于V型槽的特征。如图6所示，V型槽的侧面与耐磨圈接触。

通过这些零部件，实现迟滞力功能：首先弹簧2因为有一定的预压力（约100 N）作用在踏板1上，因踏板1通过耐磨圈4与壳体3的V型槽面形成一个摩擦副，作用在踏板1上的力在运动过程中产生摩擦力，在功能曲线上体现为迟滞力。

结合图3和图6所示，踏板的受力分析如下（以下为简化计算，后续采用FEA进一步计算）：F2为弹簧的预压力，N1、N2分别为壳体3的V型槽特征两接触面上的正压力，F1为踏板的踩踏力，μ为V型槽特征两接触面与耐磨圈之间的摩擦系数。对弹簧力、V型槽特征两接触面上的正压力进行受力分析。

N1=N2

α=75°（此值可调整）

N1=F2/2cos α=1.93F2

∑Ma=0（A点）

F1×R=F2×L1+μ（N1+N2）×r

F1=F2×L1/R+3.86μF2×r/R（其中3.86μF2×r/R为单向摩擦力）

定义踏板的摩擦比B为双向摩擦力（去程加回程）与F2×L1/R的比值：

B=（2×3.86μF2×r/R）/（F2×L1/R）

根据我司经验，摩擦比一般为0.3～0.7比较合适，对应N1应在250 N左右。

对比新老设计，之前老的设计由踏板、弹簧、弹簧碗、摩擦元件、耐磨圈、壳体等零件组成，而新的设计由踏板、弹簧、耐磨圈、壳体组成。新结构取消了摩擦片和活动弹簧碗，摩擦系统的零部件数量由6个减少为4个，零件数的减少意味着产品成本的降低，从而提高了产品的竞争力，同时也实现了汽车零部件的轻量化。

另外，之前老的设计有两个摩擦副，较难控制和分配摩擦力，新的设计只有一个摩擦副，可以更好地实现和控制摩擦比率。

再有，由于零件数的减少，实现功能的尺寸链大大缩短，降低了因尺寸不良而造成功能失效的风险，同时也降低了品质管控的成本。

#3 FEA仿真分析 #

在前面的介绍中用公式简单计算了V型结构面上的正压力，但是这种计算并没有考虑到弹簧力与旋转轴中心的位置关系，没有考虑到踏板面上相对应的踩踏力，也没有考虑到踏板走向对两个斜面的不对称的影响。为了更好地提高设计的成熟度，有必要对模型进行有限元结构分析。

这里采用Catia ANL[5]模块来做有限元结构分析，Catia ANL的计算模块提供了自动划分网格的功能，可以根据经验修改网格大小，使得计算更易进行、结果更加准确。接触属性应根据零件之间实际的接触关系来设置，边界条件则根据油门踏板的实际安装状态进行设置。设置接触属性和约束条件时，还需要考虑设置之后模型中整个产品和各零部件的自由度，以免出现过大的位移或旋转，使得计算出错。以下是具体计算步骤：

3.1

简化模型构建和网格划分

在计算分析之前，首先需要对设计的模型进行简化。将模型上的工艺圆角、碎面去除，这些结构不影响踏板臂的强度以及计算结果的准确性，但可能会给计算过程带来严重影响，甚至导致计算不能进行。然后进行前处理——划分网格。图7显示了对简化的模型进行网格划分后的结果。

3.2

设置零件材料属性和边界条件

根据实际情形，添加材料属性和相应的边界条件，如图8所示（壳体固定，零部件添加接触属性，相应面做约束）。

3.3

施加载荷并设置感应传感器（弹簧力100 N）

对零部件在踏板相对应位置施加100 N的弹簧力，如图9所示，并设置感应传感器。

3.4

导出计算结果

录得V型槽处的正压力为226 N和286 N，如图10所示，与简易计算结果较为接近，此设计模型符合设计要求。

#4 实验验证 #

由上述分析可以看出，理论上此方案是可行的，然而实验验证必不可少。为进一步验证方案的可行性，按图3所示新结构制作了样品。按照油门踏板检测标准，对样件进行了初始状态（常温、高温、低温）、跑合状态（常温）、寿命实验后功能实验，达到了预期效果（以下仅用其中一个踏板总成样件的实验结果做说明，如图11～15所示）。

样件在初始状态下，常温测得摩擦比B=0.5。运行500次之后，常温下摩擦比B=0.43，500次跑合后，摩擦表面得到了一定程度的磨合，相应的迟滞力会有所变化。样件初始状态下，低温时（-40 ℃）测得摩擦比B=0.6，低温下，由于材料表面有细小的水结晶，零件之间的摩擦系数会增大，从而导致摩擦比率增大，实验符合预期。样件在初始状态下，高温时（80 ℃）摩擦比率B=0.35，同样，高温下，零件之间的摩擦系数会减小，从而导致摩擦比率减小，实验符合预期。样件经过耐久性实验（2 000 000次）后，摩擦比率B=0.63，可见产品在经过200万次循环之后仍然能保持良好的性能。

从实验结果看，新型摩擦系统完全符合油门踏板的功能要求。

#5 结语 #

综上所述，这种基于新型摩擦系统的油门踏板，根据经典的摩擦机构进行了重新设计、整合，减少了零件数，降低了零件开发成本，减轻了重量，提高了稳定性。而且由于零件数减少，实现功能的尺寸链大大缩短，降低了因尺寸不良而造成功能失效的风险，同时也降低了品质管控的成本。另外，这种新的设计只有一个摩擦副，可以更好地实现和控制摩擦比率。

由一系列实验的结果可见，这种新型摩擦系统可以达到预期效果，满足设计要求。此新结构具有许多优点，是新颖可行的；同时这个新设计仅改变了内部结构，外形及与车辆的接口尺寸、信号传感方式均未改变，因此不需要对整车进行设计变更。在与整车客户研讨后，将用于新产品的开发。此结构同时适用于电位计式及非接触式电子油门踏板；另外，此种摩擦结构也可用于其他需要迟滞运动的地方。后续还将根据批量生产状况，并结合客户的反馈意见进行进一步优化。

审核编辑 ：李倩