一种汽车防误踩油门的钟摆式油刹装置

技术领域

本发明属于汽车控制应用领域，具体实现汽车控制的油门和刹车功能。

背景技术

在现在的汽车控制系统中，分油门、刹车、离合三个脚踏控制器，如图1所示，左脚控制离合，右脚控制刹车和油门。由于刹车和油门都是向下踩的，而且都是右脚控制，所以存在油门当刹车误踩的可能。在现实的交通事故中，确实存在油门误当刹车踩的情况，基本都会造成一定程度的经济损失，甚至是巨大的人员伤亡。

发明内容

本发明基于人的本能和操作习惯，结合钟摆的原理设计了一种钟摆式油门刹车装置，可以从根本上避免油门误当刹车踩。

当人在开车时，如遇突发情况总是会本能的去踩刹车踏板以制动车辆；而正常情况下人却会很放松的踩油门踏板以驱动车辆。

基于驾驶人的本能和操作习惯，设计了图2(侧视图)所示的钟摆式油刹装置。本发明所述的钟摆式油刹是基于钟摆的原理而设计的。为了更容易更简洁的说明本发明，请先参看图7所示的数字-名词对应表。

从图2最上边可以看出，由中线和滑槽两根箭头线将装置分为了3个区，从左至右分别是油门区、刹车区、踏板区。中线箭头对应的是角杠杆支点114，滑槽箭头对应的角杠杆末端131。

从图2最下边箭头线可以看出，角杠杆动臂118连接了控制台和驾驶室，将踏板123的角动量，由角杠杆动臂118传递到了角杠杆阻臂142。118和142合成一个直角杠杆，并且可以绕角杠杆支点114转动。

当角杠杆阻臂142处于中线位置时：油门滑动点103处于油槽最小值102；刹车滑动点139处于制滑最小值140。

当角杠杆阻臂142摆向左边时：油门滑动点103被角杠杆阻臂142推离油槽最小值102，角杠杆阻臂142摆向左边的角度越大，则油门滑动点103越靠近油槽最大值109；而刹车滑动点139因没有角杠杆阻臂142的作用力仍处于制滑最小值140。

当角杠杆阻臂142摆向右边时：油门滑动点103因没有角杠杆阻臂142的作用力处于油槽最小值102；此时刹车滑动点139因角杠杆阻臂142的作用力被推离制滑最小值140，角杠杆阻臂142摆向右边的角度越大，则刹车滑动点139越靠近制滑最大值133。

从以上的说明可以看出：钟摆式油刹的角杠杆阻臂142在中线时，油门滑动点103和刹车滑动点139都处于滑槽最小值，即油门滑动点103驱动的油门传感器和刹车滑动点139驱动的刹车传感器都处于最小的位置，相当于右脚脱离驾驶位；当角杠杆阻臂142摆向左边时，相当于右脚踩油门，左摆角度越大，相当于油门踩的越深；当角杠杆阻臂142摆向右边时，相当于右脚踩刹车，右摆角度越大，相当于刹车踩的越深。这就是钟摆式油刹的主要原理，从根本上解决了刹车、油门只能有其一动作的问题。

角杠杆阻臂142是直角杠杆上的一部分，这个直角型的杠杆可以绕角杠杆支点114转动，也就是直角杠杆的直角顶点转动。直角杠杆的驱动力源自与踏板123连接的角杠杆末端131。

角杠杆末端131与踏板123的连接是一个槽型滑动结构，即踏板滑槽121。由角杠杆末端131和踏板滑槽121构成。当踏板123绕其踏板圆支柱124向上转动时，踏板的角动力通过踏板滑槽121的下侧面120推动角杠杆末端131向上移动，角杠杆末端131带动角杠杆动臂118绕角杠杆支点114向上转动，则角杠杆阻臂142绕角杠杆支点114向左摆动。

当踏板123绕其踏板圆支柱124向下转动时，踏板的角动力通过踏板滑槽121的上侧面119推动角杠杆末端131向下移动，角杠杆末端131带动角杠杆动臂118绕角杠杆支点114向下转动，则角杠杆阻臂142绕角杠杆支点114向右摆动。

踏板123的上下运动通过角杠杆末端131的传动后，使角杠杆阻臂142以角杠杆支点114成为了一个钟摆。

不直接以踏板为钟摆控制的根本原因是：油门+刹车的总行程与踏板的总行程并不会完全相等，即便是相等也会存在操作通用性问题；角杠杆动臂118的作用就是用角杠杆支点114为支点，使直角杠杆形成一个杠杆运动，从而可以根据杠杆的原理，适配传感器的总行程与踏板的行程，以调节到通用的操作行程范围和力的大小。用杠杆实现的另一个好处是可以设计成分体式的钟摆以适应驾驶室和控制台的狭小空间。

继续图2，这是一个侧视图，也就是汽车驾驶室的油门、刹车部分设计为钟摆式油刹后，从驾驶室侧面看时，角杠杆阻臂142是以角杠杆支点114为顶点的钟摆。驾驶员的右脚是完全在踏板上的，其足跟在足跟踏板位126，足尖在踏板辅助130中。

在现在的驾驶习惯中，当踩油门或刹车时，驾驶员的足跟通常是可以触及驾驶室地胶的，也就是足跟成为了一个支点，而足尖向下踩踏板。把这个操作抽取出来就会发现，这本身就是一个钟摆运动：支点是足跟，摆杆是足掌，摆杆的末端就是足尖。

所以当在图2中，驾驶员的足尖在踏板辅助130中而足跟在足跟踏板位126时：足掌向下踩会使踏板123向下绕踏板圆支柱124转动，通过直角杠杆的作用使角杠杆阻臂142向右绕角杠杆支点114转动，角杠杆阻臂142推动刹车滑动点139使刹车传感器滑动，并且刹车传感器的滑动行程与踏板123向下转动的弧度成正比；足掌向上抬会使踏板123向上绕踏板圆支柱124转动，通过直角杠杆的作用使角杠杆阻臂142向左绕角杠杆支点114转动，角杠杆阻臂142推动油门滑动点103使刹车传感器滑动，并且刹车传感器的滑动行程与踏板123向上转动的弧度成正比。

踏板圆支柱124的作用：调节踏板与足掌运动的贴合度。当足尖处于踏板辅助130中也就是踏板圆支柱124的踏板前端128，而足跟处于足跟踏板位126也就是踏板圆支柱124的踏板后端125，驾驶员的足掌以脚踝为轴心的转动所形成的圆弧运动，与踏板123绕踏板圆支柱124转动所形成的圆弧运动，不一定会很好的贴合，因为不是所有驾驶员的脚都是一样大的。所以需要调整踏板圆支柱124向前或后移动，以找到适应所有驾驶员的通用位置。

踏板圆支柱124的另一个重要作用是：当驾驶员的足尖向上抬作用在踏板辅助130时，足跟会自然的向下踩踏板后端125，则踏板123的踏板前端128向上运动而踏板123的踏板后端125向下运动，当踏板123存在转动轴心时，踏板123很容易捕获足掌的这个操作，增加操作灵敏度。

当踏板圆支柱124调整的太靠前，会造成油门误踩的效果；当踏板圆支柱124太靠后，会造成足尖操作很费力的效果。所以，踏板圆支柱124的通用位置就是要满足即不会误踩油门，操作又要具有足够的灵敏度。

为了使钟摆式油刹装置正常工作，还必须存在图2中的以下零部件。

角杠杆阻臂142的复位弹簧，分油复弹簧112和制复弹簧116。

当角杠杆阻臂142向右摆动时，会通过制复弹簧针115挤压制复弹簧116，而制复弹簧116的制复弹簧尾117是固定的。所以当角杠杆阻臂142失去作用力时，制复弹簧116会通过制复弹簧针115使角杠杆阻臂142复位到中线上。

当角杠杆阻臂142向左摆动时，会通过油复弹簧针113挤压油复弹簧112，而油复弹簧112的油复弹簧尾111是固定的。所以当角杠杆阻臂142失去作用力时，油复弹簧112会通过油复弹簧针113使角杠杆阻臂142复位到中线上。

油门弹簧105。当角杠杆阻臂142向左转动推动油门滑动点103时，会一并推动油门弹簧针104，使油门弹簧105向下绕其支点油门圆支柱106转动，而油门弹簧尾107是固定的，所以油门弹簧105的转动是一个蓄力的过程。当角杠杆阻臂142失去向左的作用力时，油门滑动点103被放开，油门弹簧105的蓄力释放并推动油门滑动点103向右运动，使油门滑动点103回到油槽最小值102。

刹车弹簧137。当角杠杆阻臂142向右转动推动刹车滑动点139时，会一并推动刹车弹簧针138，使刹车弹簧137向下绕其支点刹车圆支柱136转动，而刹车弹簧尾135是固定的，所以刹车弹簧137的转动是一个蓄力的过程。当角杠杆阻臂142失去向右的作用力时，刹车滑动点139被放开，刹车弹簧137的蓄力释放并推动刹车滑动点139向左运动，使刹车滑动点139回到制滑最小值140。

油门传感器108，是油门滑动点103带动的一个滑动电阻器，滑动电阻器的滑动片被油门滑动点103带动，滑动电阻器的电阻体与油门滑动点103的运动轨迹一致。油门滑动点103的位移量就可以通过滑动片变成滑动变阻器的电阻变化量，从而可以将机械运动量变成电信号变化量。

刹车传感器134，是刹车滑动点139带动的一个滑动电阻器，滑动电阻器的滑动片被刹车滑动点139带动，滑动电阻器的电阻体与刹车滑动点139的运动轨迹一致。刹车滑动点139的位移量就可以通过滑动片变成滑动变阻器的电阻变化量，从而可以将机械运动量变成电信号变化量。

脚位开关127，驾驶员的脚是否在踏板123上的位置检测传感器。

以下将分别说明油门传感器、刹车传感器、脚位传感器的电器工作原理。

油门传感器和刹车传感器的工作原理是一样的，都是位移传感器，将机械位移量转化为电信号变化量。这里以滑动电阻器(电位器)为传感器进行说明，以便阐述钟摆式油刹装置的机械运动是如何与电信号同步的。

油门传感器电器原理图如图3(b)所示，与实物的对应关系如图3(a)。101、110分别是油门电位器壳体的上、下端，分别与油槽最小值102、油槽最大值109固定的；油门滑动点103的移动带动油门电位器滑动片移动。油门电位器的上端和滑动片都连接到了输出信号V_THR，而电位器的下端连接到了电器系统的地GND。当油门滑动点103向下移动带动滑动片向下移动时，电位器R_thr的阻值减小，流过R_thr的电流增加，即流过V_THR信号的电流增加。所以，电流增加的速率以及大小都正比于油门滑动点103的机械运动的速度与大小，也就是图2中踏板123向上转动的机械运动速率和弧度。

在图2中，当踏板123向上转动时，系统检测到V_THR的电流信号增加，加大油门，并且加大的速率和大小正比于驾驶员的操作；反之，减小油门，并且减小的速率和大小正比于驾驶员的操作。

刹车的电器原理是相同的，不再说明。但刹车的操作过程与当前技术是一样的，都是向下踩。

与当前驾驶员操作唯一不同的是：轰油门是足掌绕足踝向上转动的。这个描述听上去很别扭，但实际驾驶员一直在做：当在油门和刹车之间切换时，驾驶员必须有这个动作才切换的了；当减小油门或刹车的量时，这个是习惯操作。

脚位开关127是一个嵌入踏板圆支柱124的微动开关，如图4所示。微动开关是一个常开型的开关，开关的一端接入系统地GND，一端作为输出，图2中的开关动触点127就是微动开关的按键。当驾驶员的脚处于踏板时，开关S的输出信号V_SW与GND接通，输出为0V；反之输出为开路电压。系统检测V_SW的信号就可以判断驾驶员是否脚在踏板上，以此决定油门和刹车是否启动，或者是否是正常操作。

钟摆式油刹装置的驾驶操作是：当驾驶员的右脚处于踏板上时，具备启动油门和刹车的条件，但油门和刹车都处于最小量的位置；当右足掌绕脚踝向下转动踩踏板时，车辆制动，制动效果正比于踩下去多少；当右足掌绕脚踝向上转动时，车辆加速，加速效果正比于脚尖抬起来多少。对应的钟摆原理如图5所示。

从图5中可以知道：油门和刹车不可能同时作用；油门的最小位置在踏板中线右侧，刹车的最小位置在踏板中线的左侧；油门的最大位置在踏板右侧的最远位置，刹车的最大位置在踏板左侧的最远位置。另当脚离开踏板后，即便踏板有误动作，也会因为脚位开关的存在而没有加速或制动效果。

要正常操作钟摆式油刹装置驾驶车辆只需要两个条件：脚要在踏板上，由脚位开关检测；足掌可以绕足踝上下动，向上加油向下制动。

继续图5的钟摆式原理。当踏板处于刹车区时，不管在该区域如何乱摆，都只是加大制动或减小制动，并且是连续的，不会从一个值跳转到另一个值，相当于在不停的连续制动车辆。但是踏板必须得过了最小制动位置到中线上，才会离开制动区。继续向右摆很自然的进入了加速区，而且必须是从最小油门开始的。

也就是说，在减小制动的同时会向着中线靠近，如果停留在中线上就相当于即没有踩刹车也没有踩油门，而如果要加油则没有脚抬起来离开刹车，然后再去踩下油门的动作。反之，也没有脚抬起来离开油门然后再去踩下刹车的动作。

所以钟摆式油刹装置在刹车和油门之间切换的时间会比现有的刹车油门切换时间短，并且更自然。

现在回到图1中，刹车和油门分处于两个并行位置时，它们之间其实是有一个宽度的。也就是说，当驾驶员的右脚在刹车和油门之间切换时，会习惯性的抬脚去踩另外一个踏板。

所以，钟摆式油刹的踏板宽度目前要设计成：图1中刹车的最左侧到油门的最右侧。而钟摆式油刹的踏板长度应适合当前所有驾驶员足掌的通用长度，很明显这个长度并不等于最大足长60码。

从图2中的踏板设计可以看出，足尖和足跟即使不处于图2所示的严格位置，当足尖以踏板圆支柱124为支点向下踩时仍然可以制动，同样当足尖以踏板圆支柱124为支点向上抬时也可以加油。所以钟摆式油刹装置的踏板长度并不是当前所有驾驶员的最大脚。

钟摆式油刹装置的踏板正视图如图6所示。图中L表示油刹踏板的长度，W表示油刹踏板的宽度。标注信息后的数字依然与图2中的位置对应。

下面说明驾驶员以当前驾驶习惯操作油刹踏板时，本发明是如何规避风险，以及纠正操作习惯的原理。所有场景都假设驾驶员所驾驶的车辆的油门和刹车，已经安装了本油刹装置，并且没有经过专门的训练操作。仅仅是告诉驾驶员：脚在踏板上不用力表示刹车油门都没有踩；脚尖向上抬是加油；脚尖向下踩是刹车。

驾驶员不在位。由脚位传感器检测信息并传输到汽车控制系统：对地接通表示在位；对地开路表示不在位。

加油门。当驾驶员习惯性的向下踩踏板想加油时，不管怎么踩都不可能踩到油门，因为油门不在这个方向上。实际操作效果就是驾驶员会发现车辆是在制动而不是加油，即便是在坡道上也不会溜车。本能思维就是应该怎么加油，然后会想到被告知的信息要脚尖向上抬才是加油。

踩刹车。这个操作与以前的驾驶习惯一样，不会有误操作。

突发状况。当在车辆行驶途中，如遇突发情况，驾驶员通常会做如下操作。

踩刹车。不管是抬脚踩刹车还是在加油过程中直接踩刹车，只要踩的着都能制动车辆，因为油刹踏板的宽度就等于原来的油门踏板加刹车踏板加中间间隔的总宽度，并且向下踩只有刹车功能。在抬脚的过程中无非就两种情况，脚离开了踏板和没有离开踏板。

当足尖向上抬使脚离开踏板后，脚位传感器告知了控制系统，驾驶员不在位，怎么控制车辆由汽车控制系统决定；当足尖向上抬而脚没有离开踏板脚位传感器，则车辆会瞬间加速。

对于车辆的瞬间加速，人的本能反应：一是瓜了乱踩踏板，不知道怎么办；二是脚僵了不知道怎么办，车辆由驾驶员继续操作；要么就误差到油门猛加油。

对于以上的第一种情况和第三种情况，车辆都会可靠的制动，因为只要踩得着就是刹车；第二种情况当前的车辆控制技术也没有解决办法。

所以无论如何，只要驾驶员意识到了要去踩刹车制动车辆，并且有这个动作，都能踩到刹车将车辆制动停下来。

以上加速和制动的过程，对于人来讲其实对应的是：在放松状态下加油，人的意识放松，不会有误操作；在紧张情况下制动，即便是误操作，只要有制动的意识并且有制动的动作，都可以将车辆停下来，并且制动时间要比当前油门刹车分列排列的短，因为没有换脚时间。

附图说明

附图1汽车驾驶室中离合刹车油门的位置图

附图2钟摆式油刹装置结构图

附图3钟摆式油刹装置的油门传感器机械-电器对应原理

附图4踏板脚位开关的电路图

附图5钟摆式油刹装置的依据的钟摆原理

附图6钟摆式油刹装置在驾驶室的安装示意图

附图7图2所示数字-名词对应表

附图8钟摆式油刹装置实施例

具体实施方式

图7是驾驶室中安装钟摆式油刹装置的实施例。

在图7中：钟摆油刹用了一个方框表示；直角杠杆用了一个线段表示(直角杠杆的目的仅仅是实现杠杆匹配，所以可以是任何角度的杠杆，不一定是直角)；在顶视图中杠杆阻力臂和杠杆支点在钟摆油刹的下方，所以未画出；油刹踏板由踏板辅助、脚位开关、踏板本体组成；油门、刹车的连接线从钟摆油刹的传感器引出；脚位开关连接线从踏板支点的轴心中引出。由于本发明不涉及离合，以下叙述中将不会有离合参与，离合如图7左侧所示位置，依然在原来的位置。

当驾驶员的右脚没有放在踏板上时，脚位开关会告知汽车控制系统，驾驶员不在位。

当驾驶员的右脚放在踏板上后，踏板的两个复位弹簧会有一定的阻力，使得自然状态下踏板不会偏离中线。但是脚位开关已经检测到驾驶员在位，告知汽车控制系统具备启动车辆的条件。

驾驶员的右脚足尖处于辅助中，而足跟大致处于踏板支点后时，具备正常启动油门的条件。当汽车启动后，足尖向上用力而足跟向下用力时，油门加大；向下返回多少油门就减小多少。

注意的是此时的踏板杠杆作用特别明显，如果足跟的位置合适，则腿部的重量会自然落在踏板支点的后边，而足尖以踩在踏板支点上的脚踝为轴心也可以借助辅助很轻松的抬起踏板。这个只是操作习惯的时间问题。

当驾驶员需要制动减速时，同样以脚踝为轴心的脚尖很容易将腿部重量，通过足弓的作用转移到踏板支点前部，使驾驶员可以借助腿部重量轻松的踩刹车。足尖向下踩下去多少，则制动多少，足尖回撤多少则制动减少多少。

对于熟悉了钟摆式油刹装置的踏板操作的驾驶员，当需要在刹车和油门之间切换时，会花更少的时间且操作也更容易，因为没有从一个踏板松开后再去踩另一个踏板的动作，这会提升车辆的驾驶体验，同时也具有更好的操控性能和操控安全性。