CN101474963A - 机电一体化汽车油门手动控制装置 - Google Patents

Abstract

一种机电一体化的汽车油门手动控制装置，油门控制板安装在方向盘的外缘，由驾驶员的握力决定油门的大小。由于在启动马达、刹车踏板和离合器踏板等部位都安装了相应的检测点、采用了微电脑智能控制，因此可以有效地提高汽车的安全运行系数。更为特殊的是：本发明还设计了在特紧急情况下的刚性停车装置，从而更加提高了行车的安全系数。

Description

机电一体化汽车油门手动控制装置

技术领域

本文涉及一种汽车油门的控制装置，具体地说就是涉及一种汽车油门的手动控制装置。

背景技术

若干年前在新闻中看到这样一则报道：一位新手由于在紧急情况刹车时误踏了油门踏板从而造成车毁人亡的悲剧，当时就设想能不能把油门的控制方式改造一下呢？

后来又看到一则报道说，某位外国人在驾车时由于油门发生故障无法减速，踏下刹车踏板，结果把刹车片磨坏了也没能停下来，最后直到油料耗尽才停下来，幸亏没有发生车祸。于是又设想能不能有一种强制停车装置呢？

坐城郊公共汽车的时候，经常看到司机一边打手机一边开车，而且车速丝毫不减。于是就设想能不能有一种在这种情况下自动减速装置呢？

……

随着汽车工业的迅速发展，汽车的载重量不断加大、速度不断提高、驾驶舒适度越来越好；同时，由于微电子工业的高速发展，在汽车领域里的应用也越来越多，这就更加提高了汽车的各项性能指标，譬如刹车防抱死系统、电喷系统、自动定位系统等等。但是，与此同时汽车肇事案件也逐年呈现上升的趋势。

然而，从第一台汽车诞生到现在，汽车的油门控制方式却一点也没有改变。这种方式是否就完美无缺了呢？是否还有更好的控制方式呢？

正是基于以上各种考虑，我们搞了这个手动控制油门的装置。该装置是根据驾驶员在疲劳、精神不集中情况下其手的握紧程度自然放松的特定反应而设计，因而可以大大地降低事故发生率。

本装置采用了机电一体化的设计，而且充分考虑到加工工艺和安装工艺，简单实用，适于批量生产。

发明内容

本发明把传统的脚踏式汽车油门控制方式改换成手握式控制方式，从而可以彻底解决误踏油门而造成的悲剧。为了达到这一目的，我们采用了微电脑自动控制，并在编程时充分考虑了各种特殊情况，足以保证行车时的安全。我们还设计了特特紧急情况下的特特紧急刹车装置，进一步地提高了行车的安全系数。

本发明相对来说结构简单、加工工艺简单、使用操作简单，因此，不但适宜工业化生产，也必然有广阔的市场。

附图说明

图1是方向盘的外观图

图2是转向机的剖面图

图3是方向盘的剖面图

图4是离合器和刹车检测示意图

图5是电气控制原理图

图6是特特紧急制动装置示意图

图7、8是控制流程图

图中：

1-油门控制板  2-弹簧片  3-方向盘  4-小活塞  5-方向盘的支撑杆6-滑槽  7-定位块  8-方向盘安装孔  9-方向盘安装螺帽  10-转向机蜗杆轴  11-小活塞  12-弹簧  13-密封盖  14-制动检测点安装板  15-制动踏板16-制动杆  17(J1)-制动第一检测点  18-行程开关  19(J2)-制动第二检测点  20-行程开关  21(J3)-第三检测点  22-行程开关 23-复位弹簧  24-定位销子  25-电磁吸拉开关  26-制动钢板  27-弹簧  28-连接杆  29-制动钢板锁紧爪  30-启动马达的吸拉线圈检测点  31(J4)-离合器检测点  32-行程开关  40-微电脑  41-电流放大器  42-小型步进电机  43-标准信号发生器  44-差动变压器  45-信号放大器46-电磁线圈驱动器  47-停车手柄电磁吸拉线圈(或者是汽油机的电钥匙接点)48-启动马达的断电控制线圈

具体实施方式

本发明的技术方案是这样实现的：一种手动控制油门装置，主要由改装后的、带有手动控制板的方向盘、进行液压传动的主、被动活塞、差动变压器、对制动踏板和离合踏板工作状态进行检测的行程开关、微型计算机以及小型步进电机等构成。这里的步进电机是用来执行微电脑发出的指令带动油门操纵杆进行油门控制的。

本发明可以绝对避免司机在紧急情况下误踏油门的悲惨事件。同时，由于采用了微电脑控制步进电机，这样在编程时就可以充分考虑到各种意外情况，因而也就可以大大减少司机的其他误操作可能带来的不良后果。

同时，也正是因为采用了微电脑控制，本发明又设计了刚性制动装置。该装置能在遇到特特紧急情况，驾驶员采取了特特紧急制动的时候迅速制动行驶中的车辆。

由图可知，方向盘3的外缘有六个控制板(1)，每个控制板分别带动一个小活塞(4)在空心的方向盘支撑杆(5)里活动；为防止控制板(1)旋转，还分别在(1)的两端设置了定位块(7)和定位滑槽(6)。平时在弹簧片(2)的作用下，控制板(1)总是在处在最远端。司机对控制板加压——亦即握紧方向盘时，小活塞向方向盘中心运动，该运动通过液压油传递给安装在方向机下边的活塞(11)迫使其向外运动，这样，便压迫差动变压器(44)的铁心向内运动。差动变压器铁心的运动使得变压器的输出电压升高，微电脑检测到经过放大的这一电压值，换算后输出相应的指令，该指令经过步进电机驱动器(41)放大后驱动小型步进电机(42)，步进电机的旋转量通过螺杆螺套变换成直线运动，从而带动汽车发动机的油门或者风门开大或者关小。

为了更简洁地介绍本发明的工作机理，我们先从理论上来探讨几个问题。

1)微电脑的控制精度。现在八位的微电脑已经很成熟并很普及，所以，我们就使用八位微电脑来控制油门。我们知道，八位微电脑的分辨能力是256级，也就是说，脚油门的活动范围假设是100mm的话，那么，微电脑就能把每mm再细化分解成两级。这是脚油门无论如何也达不到的精度，这也就是说，微电脑完全可以胜任此任务。

2)反应速度。现在的高级轿车有一个很吸引人的卖点，这就是加速快——广告词特别强调这一点。通过微机检测再换算出驾驶员的控制变化，从理论上来说基本不会拖延时间。但是，微电脑发出指令控制步进电机旋转再通过螺杆螺套把旋转量变换成直线位移量恐怕就会影响到汽车的提速性能了。从这一点来讲，本发明不完全适用于那些以提速快为卖点的高级轿车(但是，采用制动钢板制动的措施还是可用的)。

3)驾驶习惯的问题。用手来控制油门当然不习惯，但是，试想刚刚学习驾车的人，怎么就会习惯用脚来控制油门呢？所以这一点本身不是问题。问题在于，几乎百分之百的驾驶员都有一个共同的、下意识的习惯动作：遇到紧急情况制动时，都要握紧方向盘。可是这样一来就会加大油门，而这又是决不允许的。本发明采取了对离合器踏板和刹车踏板的相应位置进行检测的办法，当微电脑检测到驾驶员踏下离合器或刹车踏板时便自动将发动机转速减小到怠速，从而很好地解决了这一问题。

4)汽车在发动时(特别是在冬天)，驾驶员一般都要踏下离合器踏板，同时加大油门。然而由于前述的第三个原因，这样就会出现加不上油的情况。所以我们在控制流程里设定，微电脑接收到离合器中断指令，首先检测启动马达是否工作，如果是启动马达在工作，那就接受加油的指令，否则就拒绝。这样一来，又可以歪打正着地解决了个别驾驶员在冷车启动后猛轰油门的错误习惯，从而延长了发动机的使用寿命。

5)为了防止个别驾驶员采取利用文件夹之类的夹紧装置夹紧手动油门控制板，我们在微电脑的程序中设计了专门的检测程序，在任何一段相应的时间里，如果油门控制板没有丝毫变量，微电脑就认为是违法操作，就会迅速减小油门甚至干脆停车。我们知道，一个驾驶员从其清醒到昏昏欲睡的这个过程至少要数分钟，那么，我们给微电脑设定的计时时间就为2分钟，在这段时间里，如果驾驶员违法操作，微电脑就采取相应的措施，足以保证行车的安全。

6)为了进一步确保安全，考虑到某些带病行驶的车辆(这里主要是针对那些诸如离合器分离不清等状况的车辆)，本发明还特意设计了发动机紧急停车装置。该装置也是由微电脑自动控制——就是在微电脑发现驾驶员采取紧急制动措施的时候，在完全放松油门(风门)拉杆的同时，命令电磁铁拉紧停车手柄(柴油发动机)或者关断电钥(汽油机)。

7)由于是采用了微电脑控制，本发明还大胆地设想了一种特特紧急刹车装置——在两个主动轮和两个导向轮轮胎的弹簧钢板的下方分别安装了八块能够自由坠落的钢板——我们姑且称之为制动钢板，每块制动钢板的一端连接在汽车弹簧钢板的一端，并能够围绕该中心轴自由旋转。平时，钢板的自由落地端被固定在与汽车弹簧钢板密切接触位置，一旦驾驶员采取了特特紧急制动措施的时候，八块钢板就会同时落下，而每块钢板都是以与地面成45°角的状态与地面接触。分析可知，这时无论是前进还是后退，汽车都会迅速停下来。

下面我们以实际操作来系统地介绍本发明的具体实施方式

驾驶员打开电钥匙，微电脑上电，马上进行初始化。如果驾驶员开始启动发动机，则微电脑检测到启动马达的吸拉线圈为高电平，立即进入启动程序，这时收到加油指令的话，便输出经过换算的驱动指令，小型步进电机旋转加大油门。与此同时，微电脑开始计时，如果在设定的时间内驾驶员松开点火开关，微电脑立即进入主程序。如果到了设定的时间，驾驶员没有松开点火开关，微电脑就会命令电磁吸拉线圈47切断点火开关的电源，并且一直要等到设定的时间后才给接通，这就保证了电瓶的使用寿命(但是这里有个问题，就是如果驾驶员关闭电钥匙，还不到规定的时间再次打开的话，微电脑就不知道了。要想解决这个问题，最好是给微电脑单独供电)。发动机启动后，微电脑进入主程序，如果驾驶员还没有松开离合器踏板的话，微电脑就进入离合器中断程序，而我们在这一中断程序里设定的是，这个时候无论驾驶员怎么加油门都不予理睬。这样就可以防止冬天时驾驶员在发动机尚未充分预热的情况下加载。当然，更好的方法是检测发动机的温度，不过，本发明就不予探讨了。

汽车经过预热，驾驶员挂挡慢慢抬起离合器踏板，当处于半离合状态时，微电脑检测到这一信号，即根据驾驶员的操作(手动控制板的握紧程度)开始给步进电机输出旋转指令。

汽车起步后，微电脑一直检测差动变压器的输出电压，一旦发现有所变化立即换算并发出驱动指令。但是，由于实际上驾驶员想匀速行驶也不可能保证差动变压器的输出电压绝对不变；还有一点就是，如前所述八位微电脑的精确度可以达到7rpm，这对于汽车来说根本就是不需要的。所以，我们在程序中设定，油门变化量不达到30rpm时不予理会。

正常行驶过程中，司机应该两手同时握紧方向盘。如果想打电话的话，就必然要松开一只手，这时也就必然减少了对活塞(11)的压力，于是，活塞(11)在弹簧(12)的作用下上升，差动变压器的铁心也就会往外运动，当然差动变压器的输出电压也就要减小。微电脑检测到这一变化就会发出指令减慢发动机的转速。

如果遇到一段很小的坎坷路面，一般情况下，司机就会仅仅踏下离合器，这时可能会有两种情况：一是问题不大，司机轻微地踏下以使离合器处于半离合状态，这种时候司机都能准确控制油门；再有一种情况就是比较紧急，但是又不必刹车，这种情况下司机可能就会下意识地握紧方向盘，而这种情况下司机肯定是把离合器踏到底，微电脑检测到这一信号就不理睬加油的指令了。如果遇到更紧急的情况，也就是司机同时踏下离合器和刹车踏板的时候，微电脑自动进入第二中断(刹车中断)程序，除了不理睬加油指令外，还要检测刹车踏板踏下的情况——这时又可能有两种情况：一种情况是司机早有预见，或者本来就准备停车，所以刹车踏板从开始踏下到踏到底的时间较长，那末微电脑就仅仅不予理睬加油指令就行了；再有一种情况就是很紧急，司机几乎是在瞬间把刹车踏板踏到底的，我们假设这段时间为1秒钟，微电脑检测驾驶员制动的时间如果小于等于1秒，就不仅不理睬加油指令同时更启动强行停机措施——通过电磁吸拉线圈47拉紧柴油机的停车手柄、或者关断汽油机的点火线圈的电源。而如果遇到特特紧急的情况时，驾驶员必定竭尽全力去踏下制动踏板，这时，就会克服弹簧(23)的弹力，从而使踏板接触到测点(21)，于是微电脑就命令锁紧紧急制动钢板的八个电磁吸拉线圈25同时工作，制动钢板同时落下，这样就会迅速停下来。虽然这种制动方法会破坏路面，但是毕竟人的生命是宝贵的。当然，弹簧(23)的弹力应该根据驾驶者的具体情况予以调整，这样虽然会带来一些麻烦，但也可以相对减少一些借车的麻烦。

驾驶员在减挡和增挡时的操作必须遵照两步分离法(这一点就不赘述了)，这也就克服了个别驾驶员“违法”操作从而延长了发动机的寿命。

当司机疲劳驾驶时，手的握力就会渐渐放松(但是脚的踏力却不但不会减小倒还可能增大)，微电脑当然就要命令发动机减速了，这样，就会回到怠速状态，而最终就会因为在限定的时间里油门没有变化，从而命令停止发动机运转。

我们还想到一种情况：就是有可能个别司机会采取非法手段，例如使用文件夹之类的东西把控制板和方向盘强行靠在一起。为了防止这种情况发生，我们在程序里设计了记时程序——如果微电脑在两分钟之内没有收到油门变化的指令就认为是非法操作，就采取减小油门的措施，并迅速将油门减小到怠速状态最终命令发动机停车。司机即便是疲劳驾驶想采取这种方法偷懒的话，也不可能在三分钟之内完全昏睡过去，这就迫使他解除。同时当然也就避免了可能发生的事故。

本说明书附有控制流程图，但是，没有附带程序。这很正常，因为，使用的微电脑不同，编写的程序肯定不相同。而且，即便是用同样的微电脑，也可以利用不同的程序达到相同的控制效果。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明基础上还可以作出其它不同形式的变化或变动。这里无需、也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种机电一体化汽车油门手动控制装置，由手动控制板、差动变压器、微电脑以及步进电机等构成。其特征在于，还包括特制的转向机，相应的检测点和螺杆螺套等。

2.按照权利要求1所述的机电一体化汽车油门手动控制装置，其特征在于，方向盘有六根匀布的空心支撑杆；每根支撑杆的外端内部都有一个滑动配合的(主动)小活塞。方向盘的外缘匀布着六块手动油门控制板，该控制板本身呈双圆弧状，既可增加强度又与方向盘相配合；该控制板的中部与方向盘支撑杆里的主动小活塞刚性连接，在两端适当位置设置有定位滑块以保证该控制板不致以活塞为轴心产生旋转；控制板平时在弹簧片的作用下，总是处在最外端。

3.按照权利要求1所述的机电一体化汽车油门手动控制装置，其特征在于：方向盘除了与转向机的蜗杆采取锥度加键刚性配合外，还有油道相通。

4.按照权利要求1所述的机电一体化汽车油门手动控制装置，其特征在于：转向机蜗杆的下端安装有一个(被动)小活塞，该小活塞与转向机蜗杆内的油道也是滑动配合，平时在弹簧的作用下，该小活塞总处于最里端。

5.按照权利要求1所述的机电一体化汽车油门手动控制装置，其特征在于：转向机的下方安装有差动变压器，该差动变压器的铁心平时总是处在最外端；转向机蜗杆下端的小活塞处在最里端的时候刚好与安装在汽车车身上的差动变压器的活动铁心相接触。

6.按照权利要求1所述的机电一体化汽车油门手动控制装置，其特征在于：差动变压器的输出电压随着手动油门控制板的活动而变化——控制板向方向盘中心运动即带动主动小活塞向内运动，主动小活塞的运动通过压油传递给蜗杆下端的被动小活塞，迫使其向外运动，于是便迫使差动变压器的铁心向内运动，这样一来差动变压器的输出电压便升高；反之同理。

7.按照权利要求1所述的机电一体化汽车油门手动控制装置，其特征在于：微电脑随时监测差动变压器输出电压的变化，并根据设定的程序换算成相应的数据以控制步进电机的旋转量；步进电机的旋转量通过螺杆螺套带动汽车油门而不是直接带动，这样虽然在反应速度上稍差一点，但是可以利用螺杆螺套的自锁性大大减小步进电机的维持电流。

8.按照权利要求1所述的机电一体化汽车油门手动控制装置，其特征在于：微电脑根据设定的程序随时监测汽车离合器和制动踏板的状态，一旦检测到任何一个踏板踏下时，便自动降低发动机的转速；而且还可以根据刹车踏板踏下的速度，从而确定是不是紧急制动，如果是紧急制动的话，就会迅速迫使汽车发动机停车。

9.按照权利要求1所述的机电一体化汽车油门手动控制装置，其特征在于：微电脑根据所设定的程序监控油门的变化间隔时间，如果在设定的时间里没有变化，就认为是驾驶员违法操作，于是就命令发动机减速、进入怠速，如果此后在限定的时间内仍然没有变化，微电脑就会命令发动机熄火。

10.按照权利要求书1所述的机电一体化汽车油门手动控制装置，其特征在于：在汽车弹簧钢板的下方安装有制动钢板，驾驶员遇到特特紧急情况时，可以及时放下紧急制动钢板，紧急制动钢板以45°角与地面接触，可以迅速迫使汽车停下来。

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