1、 南 京 理 工 大 学 毕业设计说明书 (论文 ) 作 者 : 王丹青 学 号： 0801560123 学 院 : 机械工程学院 专 业 : 车辆工程 题 目 : 某汽车油门踏板结构设计 指导者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 评阅者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 2012 年 5 月 李守成 研究员 讲师 皮大伟 毕业设计说明书（论文）中文摘要 油门踏板主要作用是控制发动机节气门的开度，从而控制车速。为提高驾驶性能，并满足更高的排放水平要求，新一代的电控发动机管理系统中需要电子油门踏板直接提供电信号。就目前的发动机技术而言，要达到欧排放都必须采用电控技术。为了打破国外产品的垄断地
2、位，尽快研制出性能稳定的国产电子油门踏板，需要对油门踏板的结构和材料进行改进。油门连杆由传统材料变更为PA66+GF30（含 30%短切玻璃线为增强的 PA66 塑料材料），其经济性得到改善，而随着材料的变更所带来的材料力学性能的下降 ，这直接影响了油门连杆的可靠性。因此，本文对某 型号油门连杆在 预定载荷和工况下进行有限元分析， 能够在产品设计早期对踏板的结构强度进行预测，减少试验风险，缩短开发周期，这对于油门踏板的开发具有很重要的现实意义。 关键词 轻量化 ； 油门踏板；有限元分析； ABAQUS;CAE 毕业设计说明书（论文）外文摘要 Title Structure design of
3、a automobile accelerator pedal Abstract The main role of accelerator pedal is to control the opening degree of the engine throttle ,thereby controlling the speed .For the improvement of the maneuverability and the fulfillment of the higher requirement of the emission levels， the new generation manag
4、ement system of the electronic controlled engine need the electrical signals provided by the electronic pedal directly .As the development of the engine technology currently, electronic control technique must be used to meet the European III emission standard .Improvement of accelerator pedals struc
5、ture and material are needed to the designing of the homemade pedals to break monopoly. The traditional material of accelerator pedal rod changes to PA66+GF30 (containing 30% short glass line for enhanced PA66 plastic material), its economy is improved, and with the material changes the decrease of
6、the mechanical properties of the material directly affects the reliability of the accelerator pedal rod. There-for, this article on a certain type of accelerator rod does a FEA in a predetermined load and working condition, and it can predict the pedal structure strength in the early product design
7、to reduce the risk and shorten the development cycle. It has very important practical significance for the development of the accelerator pedal. Keywords Lightweight; accelerator pedal; FEA;ABAQUS;CAE 本科毕业设计说明书（论文） 第 页 共 页 目 次 1 引言 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 汽车轻量化技术 . 1 1.3 研究的目的和意义 . 4 1.4 研究的主要内容 . 5 2
8、油门踏板概述 . 6 2.1 油门踏板介绍 . 6 2.2 油门踏板的发展 . 7 3 建模软件和有限元软件介绍 . 8 3.1 CATIA 软件 . 8 3.2 CATIA V5 版本的特点 . 9 3.3 有限元技术及软件介绍 . 10 4 油门踏板机构的设计 . 14 4.1 对标车简介 . 14 4.2 油门踏板结构设计 . 16 5 强度分析与校核 . 22 5.1 强度分析 . 22 5.2 强度校核 . 38 结 论 . 40 致 谢 . 42 参 考 文 献 . 43 本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 43 页 1 引言 1.1 课题背景 当今社会，汽车己成为日常生活
9、中不可缺少的一种工具，在发达国家，汽车的普及已到了很高的程度。以美国为例，每个家庭平均拥有各种汽车 2 3 辆。我国的汽车人均拥有量远远低于发达国家水平，正是由于中国巨大的市场和汽车工业对国民经济的巨人推动作用，汽车工业已被国家确定为国民经济的支柱产业，是国 家扶持和重点发展的产业之一。国内汽车工业通过合资引进国际先进技术，缩短了与国外发达国家的差距，并 正 从引进技术逐步向自主开发过渡。经过几十年的风雨历程 ，中国汽车工业已形成一个比较完整的工业体系。但是在整车开发，整车 性能测试等领域，国内水平与国际汽车工业的先进水平相比，尚有很大差距。 随着汽车快速的普及，越来越多的汽车进入普通大众的日
10、常消费中，汽车也逐渐追求更加舒适、安全、环保的性能，这样与之对应的是，汽车上出现越来越多的装备，像空调、安全气囊等设备都成为普通车的必备，这样带来的后果是汽车的整车总重量也相应的增 加。为了实现汽车减重的目地，研究人员在成本和现有技术条件允许的范围内，围绕汽车的整个设计和制造周期，通过多种途径，包括改善现有材料和工艺，使用新材料、新结构等去实现车型的轻量化设计。 在轻量化设计的大趋势下，为实现成本及工艺上的优化，针对以上问题，本课题主要研究内容是以某乘用车为对标车，以设计成本和结构更为优化的 油门踏板结构 ，并利用有限元仿真的方法，对 油门踏板 机构静态 应力特性 展开分析和研究。 1.2 汽
11、车轻量化 技术 1.2.1 轻量化概述 汽车轻量化 主要指导思想：在 确保稳定提升性能的基础上，节能化设计各总成零部 件，持续优化车型 。 汽车 的 轻量化 ，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能 地降低汽车的整 车 质量，从而提高汽车的 动力性 ，减少燃料消耗，降低 排气污染 。实验证明，若汽车整车重量降低 10%，燃油效率可提高 6% 8%；汽车整备质量每减少 100 公斤，百公里油耗可降低 0.3 0.6 升；汽车重量降低 1%，油耗可降低 0.7%。当前，由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 43 页 汽车
12、轻量化的主要途径是： 汽车主流规格车型持续优化，规格主参数尺寸保留的前提下，提升整车结构强度，降 低耗材用量； 采用轻质材料。如铝、镁、 陶瓷 、塑料、 玻璃纤维 或 碳纤维复合材料 等； 采用计算机进行结构设计。如采 用有限元分析、局部加强设计等； 采用承载式车身，减薄车身板料厚度等。 其中，当前的主要汽车轻量化措施主要是采用轻质材料。 1.2.2 国内外开发技术现状 自上世纪 70 年代开始， 随着全世界范围石油危机的爆发，也随着汽车设计、制造工艺技术及汽车材料技术的发展，人们开始逐渐重视汽车轻量化技术的研究，并逐步应用在汽车产品上，汽车的总重开始出现逐年减少的趋势。据统计，美国中型汽车的
13、平均整车总重量，从上世纪 80 年代初的大约 1520kg 逐步下降到 90 年代末的大约1230kg。到上世纪末本世纪初期，百公里油耗仅仅 3L 的 汽车开始出现在了汽车生产制造强国，而且汽车总重量都控制在 800kg 左右。如德国大众在 1998 年推出的路波3L TDI，汽车总质量只有 800kg。奥迪公司推出的全铝轿车 Audi A2，汽车总质量只有 895-990kg。商用车系列产品中，汽车轻量化技术也开始得到了大量的应用，比如意大利依维柯商用车， 2004 年其驾驶室的质量已降为 960kg。 我国汽车轻量化技术发展起步虽然较晚，但是近年来，也取得了不少成果，尤其是在国家“九五”和
14、“十五”期间，一批批汽车新材料项目大大促进了我国汽车轻量化技术的进步和发展。“九五” 期间，铸件生产成套工艺技术和铝合金材料技术的开发研究项目，开发出了多种可以使用在汽车上的铸造合金和高性能轴瓦材料；半固态成型、快速凝固成型等先进成型技术的研究与应用也取得了突破；耐热铝合金、铝基复合材料等新型汽车用材料的研究也取得了较大的进展。铝合金铸造生产线也开始出现在一汽等几大汽车生产厂家；国内的大学及研究所也开始进行相关的研究，如湖南大学开始开展汽车大型铝合金结构件整体铸造成形技术和关键设备的研究；铝合金板材的成形性研究也在重庆汽车研究所、西南大学、东北大学和一汽开始开展。“十五”期问，镁合金材料的应
15、用与开发被列为我国材料领域的重点项目，国内的大型汽车生产厂家如一汽、东风及长安等建立了压铸镁合金生产线；重庆汽研所则在镁合金材料零件的性能测试、疲劳试验及计算机仿真等方面开展了大量的研究工作；国内高校如上海交大、湖南大学及重庆大学等就镁合金材料的强韧化、阻燃性和抗高温蠕变性等本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 43 页 开展了较深入的研究。 在轻量化材料研究取得累累硕果的同时，国内在汽车轻量化的零件结构形状优化设计等方面也取得了大的进步，改变了原来的单纯依靠经验进行零件轻量化设计开发，逐步发展到利用有限元技术等新的设计方一法上。如湖南大学与上汽通用五菱 合作开发的薄板冲压工艺与模具设计
16、理论的课题，取得了较高的研究与应用成果，获得了国家科技进步一等奖；北航利用有限元技术和现代设计方法，对客车结构进行了优化设计与分析，实现了客车轻量化设计。 1.2.3 塑料在轻量化技术中的应用 塑料在汽车行业的应用前景同样看好。目前世界上不少轿车的塑料用量已经超过120 千克 /辆，个别车型还要高，德国奔驰高级轿车的塑料使用量已经达到 150 千克 /辆。国内一些轿车的塑料用量也已经达到 90 千克 /辆。可以预见，随着汽车轻量化进程的加速，塑料在汽车中的应用将更加广泛。汽车轻量化使塑料作为原 材料在汽车零部件领域被广泛采用，从内装件到外装件以及结构件，塑料制件的身影随处可见。目前，发达国家已
17、将汽车用塑料量的多少，作为衡量汽车设计和制造水平的一个重要标志从现代汽车使用的材料看，无论是外装饰件、内装饰件，还是功能与结构件，到处都可以看到塑料制件的身影。 汽车轻量化 “ 相中 ” 塑料汽车工业的发展与塑料工业的发展密不可分。近年来汽车轻量化成为降低汽车排放、提高燃烧效率的有效措施，也是汽车材料发展的主要方向，它使塑料在汽车中的用量迅速上升。目前发达国家已将汽车用塑料量的多少作为衡量汽车设计和制造水平的一个重 要标志。 统计显示，汽车一般部件重量每减轻 1%，可节油 1%；运动部件每减轻 1%，可节油 2%。国外汽车自身质量同过去相比，已减轻 20% 26%。预计在未来的 10 年内，轿
18、车自身的重量还将继续减轻 20%。而塑料等轻量化材料的开发与应用，在汽车的轻量化过程中发挥着重大作用。 汽车材料应用塑料的最大优势是减轻车体的重量。一般塑料的比重在 0.9 1.5，纤维增强复合材料的比重也不会超过 2.0，而金属材料的比重， A3 钢为 7.6，黄铜为8.4，铝为 2.7。这就使得塑料材料成为汽车轻量化的首选用材。从现代汽车使用的材料看 ，无论是外装饰件、内装饰件，还是功能与结构件，到处都可以看到塑料制件的影子。外装饰件的应用特点是 “ 以塑代钢 ” ，减轻汽车自重，主要部件有保险杠、挡泥板、车轮罩、导流板等；内装饰件的主要部件有仪表板、车门内板、副仪表板、杂本科毕业设计说明
19、书（论文） 第 4 页 共 43 页 物箱盖、坐椅、后护板等；功能与结构件主要有油箱、散热器水室、空气过滤器罩、风扇叶片等。 汽车轻量化，使包括聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、热固性复合材料、 ABS、尼龙和聚乙烯等在内的塑材市场得以迅速放大。近两年，车用塑料的最大品种 -聚丙烯，每年以 2.2% 2.8%的速度加快增长。预计到 2020 年 ，发达国家汽车平均用塑料量将达到 500 千克 /辆以上。 目前国外汽车的内饰件已基本实现塑料化，塑料在汽车中的应用范围正在由内装件向外装件、车身和结构件扩展。今后的重点发展方向是开发结构件、外装件用的增强塑料复合材料、高性能树脂材料与塑料，并对材料的可回收性
20、予以高度关注。统计显示，全世界平均每辆汽车的塑料用量在 2000 年就已达 105 千克，约占汽车总重量的 8% 12%。而发达国家汽车的单车塑料平均使用量为 120 千克，占汽车总重量的12% 20%。如奥迪 A2 型轿车，塑料件总重量已达 220 千克，占总用材的 24.6%。目前，发达国家车用塑料已占塑料总消耗量的 7% 8%，预计不久将达到 10% 11%。 对于中国来说，塑料在汽车行业的应用尚处于初级阶段。目前，塑料等非金属材料在国产车上的应用状况还比不上进口车。在欧洲，车用塑料的重量占汽车自重的20%，平均每辆德国车使用塑料近 300 千克，占汽车总重量的 22%。与国外相比，国产
21、车的非金属材料用量仍然偏少。国产车的单车塑料平均使用量为 78 千克，塑料用量仅占汽车自重的 5% 10%。 1.3 研究的目的和意义 目前国内技术水平比较落后，产 品问题较多，要做出好的产品还需要时间，因此，近两年内，国内汽车 电子油门踏板还将以国外产品为主。为了打破国外产品的垄断地位，尽快研制出性能稳定的国产电子油门踏板，需要对油门踏板的材料和结构提出更高的要求，这就要求对油门踏板的强度进行精确地模拟和预测。 随着电子控制系统的普及，电子油门已经成为了汽车的标准配件之一。相比传统拉线油门，电子油门通过 ECU 控制节气门开度，在车辆的燃油经济性和主动安全控制上有着无法替代的优势。因此，这对
22、于油门踏板的 强度、刚度、耐久性都有严格的要求，以便能精确地控制进气量，并延长 踏板的使用寿命。工程师在缺乏设计依据的情况下，往往需 要经历设计，试验，修改，再试验的反复过程来完成产品开发，导致开本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 43 页 发周期过长。借助有限元计算，能够在产品设计早期对踏板的结构强度进行预测，减少试验风险，缩短开发周期 。 本课题的意义在于，在轻量化设计的概念指导下，在油门踏板机构结构设计及零件材料选择上较传统油门踏板机构有了较大改善优化，并利用有限元分析软件 ABAQUS对乘用车油门踏板失效现象进行 分析研究，揭示油门踏板真实的应力 应变分布规律，研究油门踏板对加
23、速中应力分布的影响，为以后对油门踏板机构局部应力集中情况的理论研究提供参考数据，对实际工程具有一定的指导意义 。 1.4 研究 的主要内容 本课题受企业委托，以长城炫丽为对标车，设计油门踏板机构结构形式，完成其空间布置及在不同工况下的 CAE 分析报告。 本文从轻量化的各个实施途径出发，涵盖 油门踏板 总体尺寸优化、零件形状优化、材料类型及零件规格型号优化选等轻量化工艺中多学科优化技术的应用等方面，对油门踏板进行了轻量化设计，并在此基础上，结合有限元技术，对不同工况油门踏板机构的应力分布情况进行了综合分析。 研究的主要内容 ： 1. 根据油门踏板空间位置，布置油门踏板机构。 2. 设计油门踏板
24、，对结构进行轻量化处理，并满足相应国家标准，利用 CATIA软件进行 油门踏板 的三维几何建模，提交 油门 踏板机构装配图。 3. 运用有限元技术对油门踏板在不同工况下的应力 应变 分布情况进行综合分析，并提交相应的 CAE 分析报告。 本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 43 页 2 油门踏板概述 2.1 油门踏板介绍 油门踏板又称加速踏 板，主要作用是控制发动机节气门的开度，从而控制车速。另外在自动挡 汽车中加速踏板不仅用于控制发动机节气门，还用于将驾驶员意图传递给变速器控制器。 油门踏板和节气门直接相连，改变油门踏板可以改变发动机节气门开度，从而改变进气量。因此驾驶员通过加速踏板
25、可以控制发动机的运转。在传统节气门 的发动机中，节气门开度仅仅由油门踏板控制。而在电子节气门的发动机中，发动机 ECU（电子控制单元）可以根据油门踏板开度和其他一些信号来综合控制节气门开度。也就是说，在目前的电子节气门中，节气门开度并不仅仅由油门踏板开度决定， ECU 还会考虑其他因素进行一些修正，以优化发动机运行工况。 在自动 挡 轿车中 油门 踏板还有另一个作用，就是把驾驶员的控制意图传递给自动变速器的控制器。液力变矩器式自动变速器是有档位的，只是换挡不由驾驶员操作，而是由变速器控制器根据加速踏板开度、车速等决定。因此 油门 踏板起到了把驾驶员意图传递给 控制器的作用。比如，驾驶员猛踩 油门 踏板，控制器会判断驾驶员想急加速，会控制自动变速器升档，甚至还可以控制自动变速器先降挡再升挡（模拟降挡加速）。 图 2.1 油门踏板示意图
