CN102121421B - 高线性输出信号的电子油门踏板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高线性输出信号的电子油门踏板，属于机动车的油门控制装置，涉及机动车发动机气缸进油量的非接触式电于油门踏板。本发明对现有的一种非接触式电子油门踏板进行了改进：通过在发动机处于不同状态时，设定霍尔传感器中的磁钢方向，而将霍尔传感器的角度在怠速位置时设定为26°-40°。基于以上改进，本发明中的电子油门踏板总成解决了现有电子油门踏板传感器初始位置不易准确控制，响应电子油门踏板的电压输出信号的线性度较差，以及电子油门工作可靠性差的问题，从而提高发动机的油门控制精度，节省燃油，保护环境。

Description

高线性输出信号的电子油门踏板

技术领域

本发明涉及一种电子油门踏板总成，属于机动车的油门控制装置，涉及机动车发动机气缸进油量的非接触式电子油门踏板总成。

背景技术

众所周知，为控制机动车气缸的进油量，进而控制发动机的转速和功率，以最终实现对机动车车速的控制。故在机动车的驾驶室内都设置有油门踏板。传统的油门踏板大都是通过连杆或拉索来实现对油门的开度控制，其一系列动作均为机械运动。由于这种油门踏板的一系列动作都是机械运动，使得其传动精度和灵敏度都不高。而普通接触式电控油门又存在可靠性较低和使用寿命较短的问题。

中国专利CN101576013A公布了一种非接触式电子油门踏板，其踏板的背面上有双耳销座，双耳销座上有横向销孔。双耳销座一侧的踏板下面还设置有传感器，该传感器在使用状态下通过电缆与机动车上的ECU相连，其输出轴穿入双耳销座上的销孔内并与双耳销座间呈活动状配合。双耳销座下方有转动支架，转动支架上端与传感器的输出轴相连，其下端有滚轮。双耳支座之间的那段传感器输出轴上套有复位扭簧。当驾驶员脚踩踏板使传动支架随传感器的输出轴一起转动时，传感器的输出轴会将转动信号传给传感器，再由传感器产生电磁信号，该电磁信号通过电缆送给机动车上的ECU，由ECU来控制油门的开度大小。由ECU、数据总线和电子节气门等设备一起组成电控系统。与传统的机械式油门踏板相比，不仅大大提高了传动精度、灵敏度和可靠性，还延长了使用寿命，而且紧凑美观。但该油门踏板针对电子油门踏板输出信号的线性度较低，不能针对驾驶员的操作产生及时而且高精度的响应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非接触式电子油门踏板总成，其不仅传动精度、灵敏度和可靠性较高，符合人体的生理特征，并且针对电子油门踏板输出电压信号的线性度可大幅提升，可以从正负2%左右提升到正负0.5%左右，从而提高发动机的油门控制精度，节省燃油，保护环境，进而提高发动机的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：电子油门踏板总成，包括底板13和踏板1，底板13的一端与踏板1的一端用销轴14相铰接；踏板1的背面上有双耳销座，双耳销座上有横向销孔，其上穿有轴动传感器，该传感器输出信号通过线束与机动车上的ECU相连，其转轴7穿入双耳销座上的销孔内并与双耳销座间呈活动状配合，传感器本体与双耳销座固接；双耳销座下方有转动支架，转动支架上端与传感器的转轴联接，其下端有滚轮11；双耳销座的双耳之间的那段传感器转轴上套有复位扭簧，复位扭簧两端分别抵靠在踏板1的背面上和转动支架的一个侧面上；其中传感器的角度在初始的怠速位置时为26°-40°。

优选的是，所述传感器为霍尔非接触式旋转位置传感器，所述传感器的角度为磁钢方向和霍尔芯片方向之间夹角的绝对值。

优选的是，所述传感器的角度在初始的怠速位置时为40°。

优选的是，所述传感器的角度在初始的怠速位置时和在满油门位置时的角度值之和为定值。

优选的是，所述转动支架由两个相对的支臂板10、连接支臂板10的支臂铆钉12和加在支臂板10间的滚轮11组成；支臂板10设凸边与踏板1的背面配合起油门限位作用。其中，两只支臂板10设有固定传感器转轴的定位孔；所述传感器转轴由与传感器连接的转轴7和插在转轴7上的键以及其上的衬套组成。

优选的是，所述复位扭簧套在传感器转轴的衬套外，由内、外扭簧（8、9）组成。

优选的是，所述踏板1的踩踏面为右上圆角防刮擦的人性化形状。

优选的是，所述转动支架带有油门限位结构，并设置有固定传感器转轴的定位孔； 

为了使油门踏板总成耐用并美观，优选的是，所述销轴14和转动支架的两支臂板10及支臂铆钉12采用镀铬防锈。

与现有的无级变速器相比，本发明具有以下优点： 

1）          通过改变传感器在怠速位置时的初始角度，可以使针对电子油门踏板电压输出信号的响应的线性度大幅提升到正负0.5%左右。

2）          踏板踩踏面加防滑直条和右圆角防刮擦的人性化设计，增加驾驶人员操作的舒适度。

附图说明

图1为本发明的电子油门踏板总成的一优选实施例的结构示意图。

图2为沿图1中A-A线截取的截面图。

图3为图1所示的本发明的电子油门踏板总成的实施例中的传感器安装位置示意图。

图4为图1所示的本发明的电子油门踏板总成的实施例中的传感器角度示意图。

图5为图1所示的本发明的电子油门踏板总成处于怠速位置时的传感器角度示意图。

图6为本发明的电子油门踏板处于运行状态时的传感器角度示意图。

图7为本发明的电子油门踏板处于满油门位置时的传感器角度示意图。

图8为本发明的电子油门踏板总成的内部结构的几何关系示意图。

图9为传统的非接触式电子油门踏板中电压输出信号与踏板转角的关系图。

图10为传统的非接触式电子油门踏板中线性度的示意图。

图11为改进怠速位置的初始角度后的电压输出信号与踏板转角的关系图。

图12为改进怠速位置的初始角度后的线性度的示意图。 图中：1、踏板，2、传感器外壳，3、轭磁环，4、线路板总成，5、霍尔芯片，6、磁钢，7、转轴，8、内扭簧，9、外扭簧，10、支臂板，11、滚轮，12、支臂铆钉，13、底板，14、销轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1和图2所示，本发明的电子油门踏板总成具有底板13和踏板1，该底板和踏板均为近似长方形，它们的一端邻面上均加工有销座，销座上的对应处加工有横向销孔，二者间借助销轴14和这些销孔呈活动状铰接在一起。其中的销轴14上套有扭簧，扭簧两端分别固定在脚踏板1上和底板13上。这里的底板13距离销轴14的远端向斜上方翘起，并在翘起的面上设滚轮11滚动的凸台。底板13采用多异型面结构及表面喷塑。这里的踏板1的设计包括踩踏面和背面的设计。踏板1的踩踏面如图2所示，该踩踏面由基面和其上的防滑直纹组成，由塑料制成；其形状为近似长方形，长方形四个角分别为：一个大的右圆角和三个小圆角。踩踏面加防滑直纹和右圆角防刮擦的人性化设计，为增加驾驶人员操作舒适度及增大踏板安装空间。踏板1的背面设置有加强筋和双耳销座。

踏板1的中间背面加工有双耳销座，双耳销座上对应地加工有横向销孔。踏板1的中间背面另一侧固定有传感器，该传感器在使用状态下通过线束与机动车上的ECU相连，本实施例中该传感器为霍尔非接触式旋转位置传感器，其转轴通过无油轴承依次穿入双耳销座的销孔内并与销孔间呈可旋转状配合。这里的传感器转轴由与传感器连接的转轴7和插在转轴7上的键以及其上的衬套组成。双耳销座下方设置有转动支架，转动支架由支臂板10、滚轮11和支臂铆钉12组成，滚轮11装于一支臂铆钉12上，并以之为转轴，与另一只支臂铆钉12和两块支臂板10铆合在一起，形成转动支架；转动支架通过支臂板10端部的定位孔固定在传感器转轴上。其中传感器转轴中的键的部分区段与定位孔形状相配合。本实施例的转动支架的定位孔可为正六边形孔，相应地传感器转轴上的键的部分区段为六棱形轴杆。衬套套在转轴7和键外，衬套上套有复位扭簧，复位扭簧由内扭簧8和外扭簧9组成，内扭簧8套在衬套上，内扭簧8与外扭簧9间设置有塑料隔套，内、外扭簧8、9的两端分别抵靠在踏板1的背面和转动支架上。这样一来，一旦出现一个扭簧损坏，另一个扭簧仍可继续使用。这里，其中的销轴14和转动支架的两支臂板10及支臂铆钉12采用镀铬防锈；3只扭簧采用SUS304不锈钢材料；滚轮11采用聚甲醛材料。另外，支臂板10设有初始限位凸边、终位限位凸边，使转动支架具有油门限位功能。

如图3和图4所示，传感器安装在双耳销座上，可使用霍尔非接触传感器，其由轭磁环3、线路板总成4、霍尔芯片5以及磁钢6组成，外面套有传感器外壳2。

传感器信号输出所用信号线自接线座采用黑绿红白橙紫六色线束，并加波纹管保护，线束两端采用热塑管封头，接口端采用母端子胶合总成。

针对电子油门踏板输出信号而响应的线性度是用来衡量电子油门踏板性能的重要参数，其中线性度误差主要有两部分构成：1、磁场正弦的“线性区域”并不是一条理想直线；2、踏板转角和传感器转角之间属于“四连杆机构”，其大小关系并不严格成正比；而本发明选择的是不局限于“线性区域”内最理想的一段，利用正弦曲线与“四连杆机构”放大曲线综合，从而提升线性度。

电子油门踏板的以上各部件可分别构成两部分：

主动部件B：踏板1、传感器外壳2、线路板总成4和霍尔芯片5，几个零件之间无相对运动,构成上面的边B，长度为常量。

从动部件A：轭磁环3、磁钢6、转轴7、支臂板10、滚轮11、支臂铆钉12，几个零件一体构成上面的边A，长度为常量。

主动部件B绕销轴14相对底板13作转动；同时带动从动部件A一端绕踏板1与转轴7的轴孔配合形成的转动副作转动，从动部件A另一端的滚轮11在底板13上滚动。从而形成磁钢（磁场）6与霍尔芯片5间的相对运动，磁钢6方向与霍尔芯片5方向之间的夹角与踏板转角是一个复杂的反余弦函数关系。

其中的各种方向和角度的定义为：

磁钢6方向：磁钢长边所指的方向。

磁场方向：垂直与磁钢方向。

霍尔芯片5方向：霍尔芯片用于感应磁场的平面S的法向。

霍尔芯片5的角度：X轴绕坐标原点逆时针方向运动到与霍尔芯片5方向一致时所扫略形成的角度。

传感器的角度：磁钢6方向到与霍尔芯片5方向的夹角。

怠速位置:电子油门踏板装配完成的自然状态。

满油门位置:即踏板1转动到设定的输出信号为最大值时的位置。

传感器总转角：踏板从怠速位置到满油门位置的过程中磁钢6绕霍尔芯片5转动时磁钢6方向相对霍尔芯片5方向所形成的总转角；即α+β的和（本例中为定值）。

α角：怠速位置时磁钢6方向到与霍尔芯片5方向的夹角；亦即踏板从怠速位置运动到磁钢6方向与霍尔芯片5方向一致的这一过程中磁钢6方向相对于霍尔芯片5方向扫略形成的角度。

β角：满油门位置时磁钢6方向到与霍尔芯片5方向的夹角；亦即踏板从满油门位置运动到磁钢6方向与霍尔芯片5方向一致的这一过程中磁钢6方向相对于霍尔芯片5方向扫略形成的角度。

αt: 任意工作状态时磁钢6方向到与霍尔芯片5方向的夹角。

θt: 三角形边A与B所形成的内角。

▽θ和▽α：分别为θt和αt的变化量。 

参见图8，a(xa,ya)，b(xb,yb)，c(xc,yc)：分别为构造三角形的三个顶

点及在XOY坐标系下的坐标。

θ、ω和ψ：分别为构造三角形的三个内角。

γ：为踏板1与底板13之间的夹角。

γ _L、γ _U 和γ _t ：分别为油门踏板处于怠速位置、满油门位置和任意位置的γ值。（本例中γ _U －γ _L=17.5）。

A、B和C：分别为构造三角形的三个边长。

y=Dx+E：为构造直线。

磁感应值Φ：与磁场强度Bm、霍尔传感器有效感应面积S和传感器转角α（磁钢6方向与霍尔芯片5夹角）的正弦值成正比，Φ＝Bm*S*sin(α)，Bm和S为矢量。

ΦL、ΦU 和Φt ：分别为油门踏板处于怠速位置、满油门位置和任意位置的磁感应值。

VL、VU和Vt ：分别为油门踏板处于怠速位置、满油门位置和任意位置的电信号电压值，Vt与磁感应值的变化量▽Φ成正比（本例中VL＝0.75、VU＝3.85）。

VLb、VUb和Vtb ：分别为油门踏板处于怠速位置、满油门位置和任意位置电信号的标准电压值，且VLb ＝VL和VUb＝VU ；Vtb与γ的变化量 ▽γ成正比。(本例中VLb＝0.75、VUb＝3.85；)

              

       

电信号线性度LS (Linearity)：电子油门踏板全行程中，电信号电压值和对应电信号的标准电压值之差与输入电源电压（VCC）的比值的绝对值的最大值;即

              

b(xb,yb)，c(xc,yc)坐标求解，根据三角函数和点之间距离公式：

              

由余弦定理求解θt、αt、▽θ和▽α：

 

磁感应值ΦL、ΦU 和Φt ：

           

其他约束，线性度必须小于0.02时： 

LS≤0.02                                 ⑦

在上面的结构中，只是调整怠速位置时磁钢6方向到与霍尔芯片5方向的夹角α的大小来改善电子油门踏板的输出信号线性度，其他结构不变，故Bm、S、 A、B、a(xa,ya)和直线y=Dx+E始终不变，α+β＝常量。

联立上面①～⑥式可求出线性度L_S关于α和γ的函数LS=f(α,γ)

根据优化设计原理，用计算机编程方法，取适当步长▽γ（本例取▽γ＝0.1°）下，求解不同α值时线性度LS的值，直到LS达到最优解。计算结果α>β，且α和β均可确定。

参见图11，α值为最优值时，每变化一个步长▽γ对应的输出电压线性图

输出信号线性度提高后的意义：本方案使输出电信号线性度可达到LS=0.5%；线性度提高后一方面提高了发动机的油门控制精度，节省燃油，保护环境；提高了发动机的使用寿命。另一方面从技术上赶超国际同类先进技术，提高产品竞争力，能为公司和社会创造更多效益。

Claims (9)

1.电子油门踏板总成，包括底板（13）和踏板（1），底板（13）的一端与踏板（1）的一端用销轴（14）相铰接；踏板（1）的背面上有双耳销座，双耳销座上有横向销孔，其上穿有轴动传感器，所述传感器为霍尔非接触式旋转位置传感器，该霍尔非接触式旋转位置传感器包括霍尔芯片和磁钢，该传感器输出信号通过线束与机动车上的ECU相连，其中转轴（7）穿入双耳销座上的销孔内并与双耳销座间呈活动状配合，传感器本体与双耳销座固接；双耳销座下方有转动支架，转动支架上端与传感器的转轴联接，其下端有滚轮（11）；双耳销座的双耳之间的那段传感器转轴上套有复位扭簧，复位扭簧两端分别抵靠在踏板（1）的背面上和转动支架的一侧面上；其特征在于：传感器的角度在怠速位置时为26°-40°，其中，所述传感器的角度为磁钢方向和霍尔芯片方向之间夹角的绝对值，其中，磁钢方向是指磁钢长边所指的方向，霍尔芯片方向是指霍尔芯片用于感应磁场的平面的法向。

2. 如权利要求1所述的电子油门踏板总成，其特征在于：所述传感器的角度在怠速位置时为40°。

3.如权利要求1所述的电子油门踏板总成，其特征在于：所述传感器的角度在怠速位置时和在满油门位置时的角度值之和为定值。

4. 如权利要求1所述的电子油门踏板总成，其特征在于： 所述转动支架由两只相对的支臂板（10）、连接支臂板（10）的支臂铆钉（12）和加在支臂板（10）间的滚轮（11）组成；支臂板（10）设凸边与踏板（1）的背面配合起油门限位作用。

5.如权利要求1所述的电子油门踏板总成，其特征在于：所述转动支架带有油门限位结构，并设置有固定传感器转轴的定位孔。

6.如权利要求1-5中任一项所述的电子油门踏板总成，其特征在于：所述复位扭簧套在传感器转轴的衬套外，由内、外扭簧（8、9）组成。

7.如权利要求1-5中任一项所述的电子油门踏板总成，其特征在于：所述踏板（1）采用工程塑料制作，其踩踏面设有防滑直纹，其背面设置有加强筋。

8.如权利要求1-5中任一项所述的电子油门踏板总成，其特征在于：所述销轴（14）和转动支架的两支臂板（10）及支臂铆钉（12）采用镀铬防锈。

9.如权利要求1所述的电子油门踏板总成，其特征在于踏板（1）的踩踏面为右上圆角防刮擦的形状。

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