CN104442382A - 具有触觉反馈功能的汽车加速踏板装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有触觉反馈功能的汽车加速踏板机械装置，该装置包括：踏板支架，安装在该踏板支架上的、踏板转轴轴系、控制电机轴系、行星齿轮机构和控制推杆机构；其中，踏板支架与汽车车身固结；踏板转轴轴系由角位移传感器、踏板转轴、加速踏板、复位弹簧组成；控制电机轴系主要由控制电机及输出轴组成；行星齿轮机构主要由太阳轮、两个行星轮、行星支架和齿圈组成；控制推杆机构主要由推杆、支杆、顶杆、缓冲弹簧和摩擦片组成。本发明可以实现普通加速踏板和主动反馈式加速踏板两种模式的自由转换。使得驾驶员能够根据自身需要选择其工作模式。

Description

具有触觉反馈功能的汽车加速踏板装置

技术领域

本发明属于汽车驾驶辅助系统技术领域，特别涉及一种具有触觉反馈功能的汽车加速踏板机械装置。

背景技术

加速踏板是汽车燃料供给系统的一部分，驾驶员通过控制其踩踏量，来控制发动机进气量，从而控制发动机的转速。传统拉线式加速踏板直接通过加速拉线与发动机节气门机械连接。随着汽车电子技术的发展，现在汽车广泛使用电子加速踏板。与传统拉线式加速踏板相比，电子加速踏板增加了角位移传感器，而不再使用加速拉线。角位移传感器与加速踏板同轴机械连接，其信号经踏板控制系统采集处理后，发送至车辆CAN总线网络，发动机电子控制单元ECU通过CAN网络读取加速踏板位置，从而通过控制器控制节气门开度。可见传统拉线式加速踏板和电子加速踏板机械结构相似，只是改变了信号的传递方式：传统拉线式加速踏板采用机械信号的传递方式，而电子加速踏板采用电信号的传递方式。然而上述加速踏板其实仅仅起到了单向信息传递的作用，即驾驶员通过加速踏板将控制意图作用于汽车，而汽车却不能通过加速踏板将行车信息反向作用于驾驶员。驾驶员可以随意控制踩踏量，很容易采取没有必要的紧急加速或制动，超速或者低速行驶。这些驾驶行为不仅具有很高的危险性，而且还造成巨大的燃油浪费，降低了汽车的燃油经济性。

为了克服上述普通加速踏板的缺点，满足人们对汽车安全性和经济性的要求，主动式加速踏板系统应运而生，它属于驾驶辅助系统的一种。目前主要的驾驶辅助系统从人机交互方式上可分为三种：视觉、听觉和触觉交互。视觉与听觉辅助系统会分散驾驶员注意力，对行车安全不利。而且对驾驶员来说，视觉与听觉辅助的感受器与执行器是不一样的，这就需要更多的反应处理时间。主动式加速踏板是基于触觉反馈的一种驾驶辅助系统，驾驶员脚部既是感受器又是执行器，反应速度更快，而且不会占用视觉资源，即不会对行车安全造成不利影响。主动式加速踏板系统是在普通加速踏板的基础上增加可控力源和反馈控制机构，在汽车行驶过程中，车载传感器采集行车信息并传输给ECU，ECU处理信息并向可控力源发送控制指令，在驾驶员操作不当时通过加速踏板将反馈力或者振动作用于驾驶员脚部，提醒驾驶员注意自己不恰当的驾驶行为，或者发出危险信息警告，以此提高行车安全性和经济性。此外，驾驶员不要求其提供信息警告或不注重油耗时，可以通过车载电子控制系统关闭该踏板装置的主动反馈作用，使其仅处于普通加速踏板工作模式。该方案的不足之处在于增加的额外结构会使得加速踏板机构变得复杂，而且会增加发生故障的可能性。

发明内容

本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，设计一种具有触觉反馈功能的汽车加速踏板机械装置，本发明装置在结构上采用了行星齿轮机构传递动力，通过控制行星支架的自由度，可以实现普通加速踏板和主动反馈式加速踏板两种模式的自由转换。使得驾驶员能够根据自身需要选择其工作模式。

本发明提出的一种具有触觉反馈功能的汽车加速踏板机械装置，其特征在于，该装置包括：踏板支架，安装在该踏板支架上的、踏板转轴轴系、控制电机轴系、行星齿轮机构和控制推杆机构；其中，踏板支架与汽车车身固结，作为整个装置的骨架；踏板转轴轴系主要由角位移传感器、踏板转轴、加速踏板、复位弹簧组成，角位移传感器安装在踏板支架上，其输入轴与踏板转轴同轴机械固连；其作用是采集踏板转轴的实际转角，作为反馈控制的参数；复位弹簧套在踏板转轴上，两端分别固定在加速踏板和踏板支架上；控制电机轴系主要由控制电机及其自身输出轴组成，控制电机输出反馈力所需的动力，电机输出轴与行星齿轮机构耦合，传递反馈力；行星齿轮机构主要由太阳轮、两个行星轮、行星支架和齿圈组成，太阳轮固定在电机输出轴的一端；行星支架嵌套在电机输出轴上，与其同轴转动；齿圈则与踏板转轴固连在一起；控制推杆机构主要由推杆、支杆、顶杆、缓冲弹簧和摩擦片组成，支杆一端固定在踏板支架上，另一端与推杆和顶杆铰接，推杆的另一端是输入端，顶杆的另一端与缓冲弹簧固连，缓冲弹簧的另一端与摩擦片固连。

(摩擦片与行星支架之间设有径向间隙)。

本发明的具有触觉反馈功能的汽车加速踏板机械装置的特点及其能达到的效果如下：

本发明的具有触觉反馈功能的汽车加速踏板机械装置在结构上采用了行星齿轮机构传递动力，通过控制行星支架的自由度，反馈力由控制电机产生，并通过行星齿轮机构传递到踏板轴系上，最后通过加速踏板作用到驾驶员脚部，通过控制推杆来实现反馈力模式和无反馈力(普通踏板)模式的转换，即实现普通加速踏板和主动反馈式加速踏板两种模式的自由转换。使得驾驶员能够根据自身需要选择其工作模式。而且行星齿轮机构可以起到减速增距的作用。

本发明的具有触觉反馈功能的汽车加速踏板机械装置具有人机信息双向交互的优点：首先，该机构能实现普通加速踏板的功能，即驾驶员可以通过踩踏踏板实现对发动机节气门和车速的控制；其次，该机构可以通过反作用力的形式向驾驶员提供触觉反馈，实现人机信息双向交互，提供警告信息或者引导驾驶员合理驾驶；最后，该机构可以实现这两种模式的切换。即当驾驶员不要求其提供信息警告或不注重油耗时，可以关闭该机构的主动反馈作用，使其仅处于普通加速踏板工作模式。

它可以融入到汽车整车控制网络，作为一种驾驶辅助系统。它能够通过加速踏板主动地向驾驶员反馈行车信息，有效引导驾驶员改善驾驶行为，规避潜在驾驶危险，促进行车安全性和燃油经济性。

与基于视觉或听觉反馈方式的驾驶辅助系统相比，本发明的主动反馈式加速踏板装置整合到相应的驾驶辅助系统中后，不仅具有反应灵敏度高，响应速度快的优点，而且还不干扰分散驾驶员的视觉、听觉注意力，有利于安全舒适性驾驶。

本发明主要涉及触觉反馈功能的汽车加速踏装置板的机械结构，采用已有的车载电子控制系统，实现上述功能。

附图说明

图1为本发明的具有触觉反馈功能的汽车加速踏板机械装置结构示意简图；

图2为图1中的控制推杆机构结构放大图；

图3为本发明的具有触觉反馈功能的汽车加速踏板机械装置中的行星齿轮机构实施例结构剖示图。

在图中，1为行星齿轮齿圈；2为行星齿轮行星轮；3为行星齿轮行星支架；4为控制电机；5为摩擦片；6为缓冲弹簧；7为活塞；8为推杆；9为支杆；10为顶杆；11为行星齿轮太阳轮；12为复位弹簧；13为踏板转轴；14为角位移传感器；15为加速踏板；16为踏板支架。

具体实施方式

本发明提出的具有触觉反馈功能的汽车加速踏板机械装置结合附图及实施例详细说明如下：

本发明提出的一种具有触觉反馈功能的汽车加速踏板机械装置，其特征在于，该装置包括：踏板支架，安装在该踏板支架上的、踏板转轴轴系、控制电机轴系、行星齿轮机构和控制推杆机构；其中，踏板支架与汽车车身固结，作为整个装置的骨架；踏板转轴轴系主要由角位移传感器、踏板转轴、加速踏板、复位弹簧组成，角位移传感器安装在踏板支架上，其输入轴与踏板转轴同轴机械固连；其作用是采集踏板转轴的实际转角，作为反馈控制的参数；复位弹簧套在踏板转轴上，两端分别固定在加速踏板和踏板支架上；控制电机轴系主要由控制电机及其自身输出轴组成，控制电机输出反馈力所需的动力，电机输出轴与行星齿轮机构耦合，传递反馈力；行星齿轮机构主要由太阳轮、两个行星轮、行星支架和齿圈组成，太阳轮固定在电机输出轴的一端；行星支架嵌套在电机输出轴上，与其同轴转动；齿圈则与踏板转轴固连在一起；控制推杆机构主要由推杆、支杆、顶杆、缓冲弹簧和摩擦片组成，支杆一端固定在踏板支架上，另一端与推杆和顶杆铰接，推杆的另一端是输入端，顶杆的另一端与缓冲弹簧固连，缓冲弹簧的另一端与摩擦片固连。

本发明的具有触觉反馈功能的汽车加速踏板机械装置实施例，如图1所示，其主要组成包括行星齿轮齿圈1、行星齿轮行星轮2、行星齿轮行星支架3、控制电机4、摩擦片5、缓冲弹簧6、活塞7、推杆8、支杆9、顶杆10、行星齿轮太阳轮11、复位弹簧12、踏板转轴13、角位移传感器14、加速踏板15、踏板支架16。

上述各部件的具体连接关系为：

踏板支架16是整个主动反馈式汽车加速踏板装置的装配载体，固定在汽车驾驶舱内。

其中，主要由角位移传感器14、踏板转轴13、加速踏板15、复位弹簧12组成的踏板转轴轴系安装在踏板支架16上。角位移传感器14的输入轴与踏板转轴13同轴机械固连；角位移传感器14的壳体则通过螺纹连接固定在踏板支架16上；其作用是采集踏板转轴的实际转角，转角信息经信息采集系统处理后发送至车辆CAN总线网络，作为反馈控制的参数；复位弹簧12一端与加速踏板15固连，另一端与踏板支架16固连；加速踏板15通过键连接固结在踏板转轴13上，并且可以绕踏板转轴13转动。

主要由控制电机4及其自带的输出轴组成控制电机轴系。控制电机4通过自身的法兰固定在踏板支架16上，控制电机4的信号输入线通过CAN总线网络与整车电子控制单元ECU相连接，接收车载电子系统的指令信息；控制电机4输出反馈力所需的动力；

主要由太阳轮11、两个行星轮2、行星支架3和齿圈1组成行星齿轮机构(如图3所示)。控制电机输出轴与行星齿轮机构耦合，传递反馈力。其中，太阳轮11固定安装在电机输出轴4的一端；行星轮2安装在太阳轮11和齿圈1之间，行星支架3两端分别于行星轮2相连，并且嵌套在电机输出轴上；与其同轴转动；齿圈1则与踏板转轴13通过键固连在一起(图中未示出)。

主要由推杆8、支杆9、顶杆10、缓冲弹簧6、活塞7和摩擦片5组成控制推杆机构(如图2所示)；其中，支杆9一端固定在踏板支架16上，另一端与推杆8和顶杆10铰接，推杆8的另一端是输入端，顶杆10的另一端与缓冲弹簧6固连，缓冲弹簧6的另一端与摩擦片5固连。摩擦片5与行星支架3之间设有2mm-5mm的径向间隙，处于主动反馈模式时则相互接触，产生摩擦力以消除行星支架3的自由度；缓冲弹簧6和活塞7固连，并且被安装在一个套筒中，该套筒与汽车车体固连；活塞7的另一端与顶杆10的一端铰接。

本发明装置可以实现两种工作模式，分别说明如下：

一、普通加速踏板工作模式

该模式下，驾驶员通过车载电子控制系统发出指令，整车电子控制单元ECU控制执行器将控制推杆8拉离，推杆8通过铰接点带动顶杆10，顶杆10通过其另一端的铰接点带动活塞7上行，活塞7在圆形套筒中直线运动，带动缓冲弹簧6直线上行，缓冲弹簧6带动与其另一端固连的摩擦片5上行，使其不与行星支架3接触。以控制电机输出轴为动力传递系统的输入，则此时的动力传递系统有两个自由度：行星支架3的转动和齿圈1的转动。这种情况下，驾驶员踩踏加速踏板15(即限制了其中一个自由度)时，行星支架3的自由度仍然存在，也就是说此时电机4的作用力不能传递到踏板转轴13上，其结果是造成行星支架3的转动。这样，该踏板的工作原理就与普通加速踏板一致。即驾驶员根据行车工况，自主控制加速踏板15的踩踏量，通过加速踏板传递动力，使踏板转轴13转动对应角度；与踏板转轴13相连接的角位移传感器14采集到踏板转轴13转动的角度信号后将其传给发动机电子控制单元ECU，ECU发送控制指令，通过控制器控制节气门开度，从而控制发动机转速和行车速度；放松加速踏板15，在复位弹簧12作用下，各零部件复位。二、主动反馈工作模式

该模式下，驾驶员通过车载电子控制系统发出指令，整车电子控制单元ECU控制执行器将控制推杆8推进，推杆8通过铰接点带动顶杆10，顶杆10通过其另一端的铰接点推动活塞7下行，活塞7在圆形套筒中直线运动，带动缓冲弹簧6直线下行，缓冲弹簧6带动与其另一端固连的摩擦片5下行，使其与行星支架3的旋转摩擦盘接触，缓冲弹簧可以调节接触压力，缓冲冲击，延长零部件使用寿命。此时，在摩擦力作用下，行星支架与踏板支架16固连在一起。以控制电机4输出轴为动力传递系统的输入，则此时的动力传递系统只有一个自由度，即齿圈1的转动。控制电机4产生的反馈力可以传递到踏板转轴13上，进而通过加速踏板15作用到驾驶员脚部。此外，以太阳轮为主动轮，齿圈为从动轮，则行星齿轮机构的传动比为：

$i_{13}^H=-\frac{z_3}{z_1}$

其中，表示假设行星支架固定不动时主动轮1和从动轮3的传动比，这也是本发明在该工作模式下的真实状态；z₃表示从动轮的齿数，z₁表示主动轮的齿数。本发明的从动轮(齿圈)齿数大于主动轮(太阳轮)齿数，即该模式下传动比大于1。因此该模式还具有减速增矩的作用，这就使得对电机功率的要求降低，进而可以减小电机尺寸，便于安装而且可以降低成本。

该模式下的系统工作原理为：车载传感器、信息接收器等采集行车工况信息，并将这些信息通过CAN总线传输给整车电子控制单元ECU；整车电子控制单元ECU经分析判断，向主动反馈式加速踏板装置的控制电机发出命令信号；控制电机在整车电子控制单元ECU的命令信号下，由其输出轴对外输出与控制信号对应的转矩和转速；经过行星齿轮机构减速增距后传递至踏板转轴上，与踏板复位弹簧的作用力叠加后通过加速踏板输出只驾驶员脚部。驾驶员将会感应到加速踏板15的力和速度的大小及其变化，并在上述力和速度的引导下，采取适当措施，如合理控制加速踏板踩踏量、进行制动等，从而实现安全节能驾驶。

Claims (1)

1.一种具有触觉反馈功能的汽车加速踏板机械装置，其特征在于，该装置包括：踏板支架，安装在该踏板支架上的、踏板转轴轴系、控制电机轴系、行星齿轮机构和控制推杆机构；其中，踏板支架与汽车车身固结，作为整个装置的骨架；踏板转轴轴系主要由角位移传感器、踏板转轴、加速踏板、复位弹簧组成，角位移传感器安装在踏板支架上，其输入轴与踏板转轴同轴机械固连；其作用是采集踏板转轴的实际转角，作为反馈控制的参数；复位弹簧套在踏板转轴上，两端分别固定在加速踏板和踏板支架上；控制电机轴系主要由控制电机及其自身输出轴组成，控制电机输出反馈力所需的动力，电机输出轴与行星齿轮机构耦合，传递反馈力；行星齿轮机构主要由太阳轮、两个行星轮、行星支架和齿圈组成，太阳轮固定在电机输出轴的一端；行星支架嵌套在电机输出轴上，与其同轴转动；齿圈则与踏板转轴固连在一起；控制推杆机构主要由推杆、支杆、顶杆、缓冲弹簧和摩擦片组成，支杆一端固定在踏板支架上，另一端与推杆和顶杆铰接，推杆的另一端是输入端，顶杆的另一端与缓冲弹簧固连，缓冲弹簧的另一端与摩擦片固连。