非接触式电子油门踏板角度传感器结构的创新设计

李国芹，郝巧红，孙士尉

（1.河北工程技术高等专科学校 电力工程系，河北省沧州市浮阳南大道6号 061001；2.河北工程技术高等专科学校 电气自动化系，河北省沧州市浮阳南大道6号 061001）

电子油门控制系统主要由油门踏板、踏板位移传感器、ECU（电控单元）、数据总线、伺服电动机和节气门执行机构组成［1］。位移传感器是电子油门踏板的关键部件，其安装在油门踏板底部，随时监测油门踏板的位置。当驾驶员踩下踏板时，踏板面绕踏板底座轴转动，踏板面上的踩踏力作用在连杆上，使连杆带动传动其上销轴旋转，传感器的轴与连杆传动销轴同回转中心，从而实现踏板面带动传感器的轴转动。角度传感器将传感器的轴旋转角度递增变化转换为电压信号，将此信息送往ECU，ECU对该信息进行运算处理，计算出一个控制信号，通过线路送到伺服电动机，伺服电动机驱动节气门执行机构，控制节气门的开度，间接控制车辆速度。目前市场上常见到的位移传感器在功能上不能同时实现正反两个方向的旋转，在结构上主要有两种：一种是与电子油门踏板机械结构结合为一体的整体式角度传感器，这种角度传感器机械结构部分存在较大的装配精度误差，磨损量大，输出精度低；另一种是分体式角度传感器，这种传感器结构尺寸大，造成体积较大，导致安装灵活性受差，并且输出精度低，为了克服了上述技术缺陷，笔者设计了一种新型实用的非接触式电子油门踏板角度传感器，此传感器的信号输出精度远远超过当前的水平，并且只需要一个转动副就可以实现功能，充分消除了因为踏板主体结构的装配误差而造成的输出电信号不稳定以及精度低的现象，并且结构尺寸小，在电子油门踏板上的安装灵活，便于电子油门踏板的整体结构布置，使电子油门踏板在驾驶室的安装更具有灵活性，适用不同的使用空间，通用性强。

1 新型角度传感器的结构原理

1.1 结构组成

新型的非接触式电子油门踏板角度传感器是相对独立于电子油门踏板机械结构的一部分，它主要由插针、壳体、扭转弹簧、O型密封圈、磁铁、传感器轴、侧盖、PCB板、芯片、中间板组成。装配图如图1所示，壳体沿轴向设有贯通的传感器轴容置腔，传感器轴能在传感器轴容置腔内转动，一个侧盖（7）封闭传感器轴的一端并与壳体（2）相固定，壳体和插针采用一次注塑成型，壳体与侧盖的密封采用工程塑料焊接；轴的另一端设有内凹的连接孔，与电子油门踏板联接。传感器轴朝向侧盖一端设有磁铁，一芯片固定在印刷电路板上，芯片的上表面与磁铁的外端面平行相对设置，中间板，设置在磁铁和芯片之间，一端面抵于印刷电路板，另一端面抵于传感器轴的端部。传感器轴为阶梯轴，靠近侧盖一端的传感器轴直径大于另一端，另一端至侧盖一端依次设有第一阶、第二阶、第三阶，O型密封圈套在传感器轴的第一阶，与壳体对应位置设计了密封槽，第二阶轴端面上沿轴向设有两个插孔，对应的壳体内侧壁上设有固定槽。扭转弹簧套在第二阶轴上，弹簧的一端插入其中一个插孔内，另一端嵌置在固定槽内。第三阶的轴端面上沿轴向设有一限位块，传感器轴容置腔朝向侧盖一端的侧壁底部设有限位长槽，限位块能转动地嵌合在所述限位长槽内。

图1 装配图

1.2 工作原理

非接触式角度传感器安装在电子油门踏板底部的凸耳上，由传感器壳体来定位，通过连杆上的销轴将凸耳和传感器轴联接，踩踏电子油门踏板导致连杆围绕自身销轴旋转，带动装配在壳体中的传感器轴转动，装配在传感器轴端上的磁铁也一同随轴转动，这样就产生一个旋转的磁场，焊接在PCB板上的芯片在旋转磁场的感应下，产生变化的电信号，从而实现了电子油门踏板位置的变化转换成传感器轴的旋转角度变化，角度传感器又将传感器轴角度变化转换为电信号变化的功能。将此电信号送往ECU，ECU对该信息进行运算处理，计算出一个控制信号，通过线路送到伺服电动机，伺服电动机驱动节气门执行机构，控制节气门的开度，间接控制车辆速度。

2 新型传感器的结构设计的创新点

图2 结构图

（1）通过在传感器轴和印刷电路板之间设置中间板，保证了设置在传感器轴上的磁铁和印刷电路板上的芯片之间的轴向距离稳定和二者端面的平行；并通过壳体的底部设置的圆柱状定位和棱柱状定位销，使与之配合的印刷电路板准确定位，保证了芯片相对于磁铁的径向位置准确，从而保证了磁铁和芯片的相对位置精度。并且新型传感器只需要一个转动副就可以实现信号功能转换，这种新型结构设计充分消除了整体式角度传感器因为机械结构较大的装配精度误差，磨损量大，造成的输出电信号不稳定以及精度低的现象。新型传感器电信号输出精度高，输出信号线性度小于0.5%。

（2）新型产品在壳体2的两个定位安装部之间设计了电器元件容纳室202，如图2所示，使内部电器元件的布置空间大，当需要附加的其它电信号时，该电器元件容纳室为附加电器元件预留有足够的空间，便于电子油门踏板电信号输出功能的进一步开发、拓展、改型，从而扩大应用范围。

（3）在传感器轴的第二阶轴端面上设置了两个插孔，如图3所示，供选择安装左旋弹簧，还是右旋弹簧，以实现正向和反向两个方不同旋转方向的需求，无需改变传感器的其它结构，克服了当前角度传感器，不能通过改变扭转弹簧的安装位置，来实现两个相反的旋转方向的使用功能。根据车辆不同的配置要求，当需要改变角度传感器的旋转方向时，只能更换整套传感器部件，增加了传感器的制造成本，限制了其适用范围。

（4）传感器轴第三阶轴端面上设计了限位块，如图3所示，在传感器轴容置腔侧壁底部设置的限位长槽，来保证传感器轴的回转角度，这种结构设计限位角度大，扩大了角度传感器的应用范围。

（5）传感器轴与电子油门踏板机械部分的联接，在传感器轴上分别设计了扁孔（604）和圆孔（605）两种联接方式，这样与电子油门踏板机械部分的联接更加方便灵活。

（6）为了防水保护，在壳体上设计了密封槽和O型密封圈密封；壳体和插针采用一次注塑成型，保证密封；壳体与侧盖的密封采用工程塑料焊接，熔焊过盈量控制在0.4～0.6 mm之间。

（7）新型产品结构尺寸小，在电子油门踏板上的安装灵活，便于电子油门踏板的整体结构布置，使电子油门踏板在驾驶室的安装更具有灵活性，可适用不同的使用空间，通用性强。

图3 传感器轴结构图

3 新型传感器的输出特性

3.1 测试要求

所有的测试数据是在环境温度为20℃±5℃，供电电压为4.5 V～5.5 V，传感器的输出方式为比例电压输出，油门踏板的初始位置为0°，最大转角为60°。

3.2 新型传感器的输出特性

当脚踩油门踏板带动传感器轴旋转角度发生变化时，测出传感器输出电压值如表1所示，绘制出的特性曲线如图4所示。

表1 不同角度下传感器的输出幅值

图4 特性曲线图

从传感器的输出特性曲线可以看出：传感器的输出信号稳定、线性度好、测量范围宽，输出电压与传感器轴的旋转角度基本成线性关系。

4 结论

设计的新型传感器与电子油门踏板机械结构部分配合安装方便，结构紧凑，尺寸小，外形美观，位置布置灵活；内部电器元件的布置空间大，可以便于电子油门踏板多种电信号的实现，能够进一步挖掘电子油门踏板的潜在功能；结构设计合理，定位、装配精度高，传感器的输出信号稳定且精度高，输出信号线性度好，测量范围宽；此传感器还可以适用于其它相适应的技术领域，适用范围广。

［1］ 周昌林.发动机电子油门控制［J］.汽车维修，2002，（5）：1－10.

［2］ 王珂，刘春生，李骏，等.非接触式油门踏板传感器的设计［J］.吉林工业大学自然科学学报，1999，01（29）：70－74.

［3］ 刘荣先，秦永法.非接触式双信号节气门位置传感器研究，内蒙古农业大学学报，2012，11（33）：178－181.

［4］ 曲喜新.电子元件材料手册［M］.北京：电子工业出版社，1989.