1、油门踏板强度试验及计算1 概述 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。为了最大限度地保护乘员安全，在遭遇车祸或错误操作的情况下，要求油门踏板在一定的踩踏力下必须断裂，以使油门回到怠速位置；同时踏板又要保证一定的强度以满足其使用性能，这就要求踏板的断裂力在给定的区间内，对其结构设计提出了更高的要求。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
2、，减少试验风险，缩短开发周期。本文将结合踏板断裂试验，对其强度计算进行一些探讨。 2 试验方法简述 油门踏板断裂试验目的在于测量踏板断裂时在踩踏处所施加的载荷大小，以检验其是否处于设计区间之内，来保证乘员安全和使用性能。试验装置如图 1 所示，踏板总成由夹具固定于试验台上，其踩踏面与液压顶杆相接触，顶杆以一定的速度持续向下运动，通过施加于顶杆上的液压可以测得踏板踩踏处的受力，记录其大小直至踏板断裂。整个试验包括踏板工作方向在内共四个方向。 图 1 踏板断裂试验台及工况图3 有限元模型 利用有限元软件 HyperMesh 和 ABAQUS 可以对断裂试验进行模拟。实际情况中，踏板总成由踏板和踏板
3、座装配而成，由于对踏板座的受力情况并不关心，这里假设踏板座为刚性体，这样和踏板接触的部分均可以解析刚体代替，从而简化了两者的装配关系，大大减小了模型的规模。利用 HyperMesh 的 Abaqus Contact Manager 可以方便的利用简单几何曲线建立刚性接触面，并对接触关系进行管理，如图 2 所示。同时由于液压顶杆的移动速度非常缓慢，整个过程可以认为是准静态的，这样模型就可以简化为一个静力分析问题。 图 2 HyperMesh Contact Manager踏板的有限元模型如图 3 所示，由于踏板根部的削弱槽尺寸是保证断裂力处于规定范围内的关键参数，所以要求这部分的网格有足够的密度
4、来准确描述此处的应力分布，为判断踏板是否断裂提供依据。借助 HyperMesh 强大的网格控制功能，既保证了关键部位的网格密度，又控制了模型的整体规模。 图 3 踏板网格示图值得注意的是整个踏板采用尼龙加玻纤的塑料材料，其弹性区内的应力应变关系具有明显的非线性，且没有明显的屈服点，如图 4 所示。这里根据材料的弹性模量假设一个极小的初始屈服点，并采用塑性来模拟塑料的非线性应力应变关系，考虑到这个受力过程为单向加载，并没有卸载和硬化，故可以认为这种方法是可行的。图 4 踏板材料应力应变曲线4 结果分析 踏板断裂往往起始于削弱槽，该处同时受拉压和剪切应力的作用，所以这里采用结构的 Von Mise
5、s 应力作为衡量踏板是否断裂的指标，如图 5 所示，当削弱槽处应力大于材料断裂极限即认为踏板断裂，并反推得到此时的踩踏力，通过和试验数据对比得到其误差范围。 图 5 踏板应力云图4.1 正向载荷踏板在正向载荷作用下，由于下削弱槽比较薄，受挤压和剪切作用先发生破坏，如图 6 所示 A点，踩踏力发生突变表明有结构破坏；随着踩踏力继续增加上削弱槽达到强度极限踏板整体断裂，如图 6 所示 B 点。 断裂力试验值和仿真值对比如图所示，可以发现，对应下削弱槽产生破坏的断裂力误差较大，主要原因为这里采用材料标准拉伸试验的抗拉强度作为断裂判据，而下削弱槽主要受挤压和剪切力作用，其强度极限比材料的抗拉强度要大，
6、因此得到的计算结果趋于保守；而上削弱槽主要承受拉伸应力，故踏板产生整体断裂的预测值误差相对较小。 图 6 正向加载踏板断裂力4.2 反向载荷踏板在正向载荷作用下，下削弱槽由于拉伸作用先发生破坏如图 7 所示 A 点，随后应力在裂纹处扩展直至踏板整体断裂如图 7 所示 B 点。 对比显示，对应下削弱槽产生破坏的断裂力误差比正向加载时小，因为反向加载时下削弱槽受拉伸作用，采用材料的抗拉强度作为断裂判据比较准确，同时当下产生槽破坏后，拉应力在裂缝处集中加速踏板断裂，故踏板将上槽达到强度极限前发生整体断裂。 图 7 反向加载踏板断裂力4.3 侧向载荷踏板在侧向载荷的作用下，上下削弱槽都承受拉应力或者压
7、应力，踏板整体一次性断裂。由于上下削弱槽比较薄弱，以该处应力作为评价指标。如图 8 所示，结果对比显示不论左侧还是右侧载荷，仿真和试验都存在比较大的误差，其主要原因为在于 CAE 分析中的刚性边界假设，由于实际踏板座的侧向刚度较弱，在侧向载荷的作用下将产生较大的变形，和仿真时的平衡位置有比较大出入。同时结果还显示，由于左侧加载时削弱槽受压应力，其断裂力误差要比右侧加载时更大。 左向加载踏板断裂力 右向加载踏板断裂力图 8 侧向加载踏板断裂力5 结论本文借助 HyperWorks 和 ABAQUS 对踏板断裂试验进行模拟，通过计算机和试验数据的对比，对踏板的强度计算进行了探讨。 1) 踏板在正反两向加载时，上下削弱槽的应力状态不同，当应力状态和所用判断一致时，试验和仿真的误差较小 2) 踏板在侧向加载时，上下削弱槽应力状态相同，由于刚性边界假设，试验和仿真的误差较大。3) 根据各向加载断裂力预测值的误差情况，总结相应的修正系数，使断裂力的预测误差控制在较小的水平，将极大地提高试验的通过率和缩短产品开发周期。
