干式DCT駐車(chē)機(jī)構(gòu)性能分析與試驗(yàn)

張磊 何建濤 馮飛 谷葉水

（1.格特拉克（江西）傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司，南昌 330013；2.格特拉克亞太傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)有限公司，上海 201203）

1 前言

駐車(chē)機(jī)構(gòu)是DCT主動(dòng)安全設(shè)計(jì)中防止車(chē)輛以較高的速度掛P擋或防止車(chē)輛在坡道滑行的一種安全裝置。DCT駐車(chē)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)乎乘客在極端工況下的生命安全，是DCT設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的主動(dòng)安全設(shè)計(jì)。因此，對(duì)駐車(chē)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析研究特別有意義。陳華等[1]研究了變速器駐車(chē)機(jī)構(gòu)從P擋換到R擋時(shí)的自動(dòng)彈出力。劉詩(shī)等[2]研究了某自動(dòng)變速器駐車(chē)機(jī)構(gòu)駐車(chē)速度、坡道自鎖能力以及坡道P擋拔出力矩等，但是未真實(shí)再現(xiàn)坡道拔出力矩真實(shí)值，臺(tái)架試驗(yàn)與整車(chē)試驗(yàn)值可能有不小的偏差。張玉文等[3]使用多體動(dòng)力學(xué)軟件Recur?Dyn建立了包含多缸體、多彈性體等非線性多體模型的變速器駐車(chē)機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)模型，分析了P擋與R擋互相切換時(shí)的換擋性能，但未考慮平路允許掛擋最高車(chē)速。王明成[4]在考慮整車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)要求的前提下，研究了雙離合器自動(dòng)變速器關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)、布置和性能，雖涉及駐車(chē)機(jī)構(gòu)研究，但是對(duì)其詳細(xì)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證過(guò)程研究較少。

2 駐車(chē)機(jī)構(gòu)

DCT駐車(chē)機(jī)構(gòu)一般采用機(jī)械式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，而不采用液壓式或氣動(dòng)式，主要原因是后者容易發(fā)生故障。駐車(chē)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，需滿足以下使用要求：

a.允許汽車(chē)在較小的車(chē)速時(shí)掛入P擋。推薦臨界掛入車(chē)速為2.4~5.6 km/h，即車(chē)速低于2.4 km/h時(shí)駐車(chē)機(jī)構(gòu)一定要能鎖住變速器，高于5.6 km/h時(shí)駐車(chē)機(jī)構(gòu)一定不能鎖住變速器。

b. 汽車(chē)正常行駛工況，尤其是高速行駛中，不允許掛上P擋。即車(chē)速較高時(shí)，即使外部操縱桿執(zhí)行了掛P擋操作，變速器駐車(chē)機(jī)構(gòu)中的扭簧等組件也必須保證棘爪不能鎖住棘輪，亦即無(wú)法掛入P擋。

c.當(dāng)汽車(chē)駐車(chē)后，尤其是在坡道上，駐車(chē)機(jī)構(gòu)不能脫擋。

2.1 駐車(chē)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

DCT駐車(chē)機(jī)構(gòu)作為汽車(chē)制動(dòng)可靠性主要部件之一，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 駐車(chē)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意

2.2 工作原理

駐車(chē)機(jī)構(gòu)主要用于控制汽車(chē)安全運(yùn)行，其主要工作原理如下：

a.R擋掛P擋：當(dāng)駕駛員在平路或坡道停車(chē)并意圖掛P擋時(shí)，駕駛員推動(dòng)換擋手柄，經(jīng)變速器外側(cè)的換擋機(jī)構(gòu)帶動(dòng)換擋桿旋轉(zhuǎn)，使得扭轉(zhuǎn)彈簧驅(qū)動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，迫使凸輪與棘爪在P擋位置配合。此時(shí)，柱塞與擋位盤(pán)鎖止在P擋，棘爪與棘輪嚙合，變速器輸出軸通過(guò)外花鍵與棘輪內(nèi)花鍵連接從而被鎖止。此操作可以控制汽車(chē)在安全行駛范圍內(nèi)掛進(jìn)P擋。

b.脫P(yáng)擋：即掛P擋逆過(guò)程。當(dāng)乘客需要切換P擋到R擋以驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛時(shí)，需要切換手柄，迫使扭轉(zhuǎn)彈簧帶動(dòng)換擋桿回位。此過(guò)程中，棘爪脫離棘輪，從動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)自由度釋放。

3 駐車(chē)機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)分析

3.1 ADAMS多體動(dòng)力學(xué)方程

采用第一類拉格朗日方程[5]：

式中，T為系統(tǒng)廣義坐標(biāo)表達(dá)的動(dòng)能；qj為廣義坐標(biāo)；Qj為在廣義坐標(biāo)qj方向的廣義力；Φ為歐拉角；最后一項(xiàng)涉及約束方程和拉格朗日乘子，表達(dá)了在廣義坐標(biāo)qj方向的約束反力，其中λi為拉格朗日乘子。

在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析之前，ADAMS軟件會(huì)自動(dòng)進(jìn)行初始條件分析，以便在初始系統(tǒng)模型中使各物體的坐標(biāo)與各種運(yùn)動(dòng)學(xué)約束之間達(dá)成協(xié)調(diào)，以保證系統(tǒng)滿足所有的約束條件。

3.2 建模

駐車(chē)機(jī)構(gòu)作為控制汽車(chē)駐車(chē)安全的核心零部件，其運(yùn)行過(guò)程與整車(chē)其它性能密切相關(guān)。采用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立詳細(xì)的駐車(chē)機(jī)構(gòu)模型及簡(jiǎn)化的整車(chē)模型。整車(chē)模型考慮整車(chē)滿載質(zhì)量、軸距、重心高度、輪胎、半軸及差速器等。變速器模型考慮離合器、輸入軸、輸出軸、擋位齒輪、主減速器齒輪等旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及扭轉(zhuǎn)剛度。模型主要參數(shù)及數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 駐車(chē)機(jī)構(gòu)模型主要參數(shù)

3.3 仿真分析

3.3.1 平路駐車(chē)仿真

采用ADAMS軟件，首先模擬整車(chē)在水平路面駐車(chē)機(jī)構(gòu)臨界掛入車(chē)速情況。圖3為模擬前進(jìn)方向和后退方向臨界掛入車(chē)速。可知，前進(jìn)方向和后退方向臨界掛入車(chē)速仿真值分別為3.3 km/h、3.2 km/h。

圖2 臨界掛入車(chē)速

3.3.2 坡道駐車(chē)仿真

對(duì)于該類型變速器的駐車(chē)機(jī)構(gòu)，在坡道上停車(chē)掛入P擋后，如果駐車(chē)制動(dòng)手柄與制動(dòng)踏板的操作順序不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致退出P擋的力較大。為了預(yù)測(cè)該拔出力矩，按照試驗(yàn)規(guī)范要求，在30%坡道駐車(chē)時(shí)模擬操作不當(dāng)時(shí)退出P擋所需的最大力矩，仿真結(jié)果如圖3所示?？芍?，車(chē)頭向下和向上P擋拔出力矩均為8.0 N·m。

圖3 P擋拔出力矩

4 駐車(chē)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)

按照試驗(yàn)規(guī)范要求，駐車(chē)試驗(yàn)需進(jìn)行平路臨界車(chē)速駐車(chē)試驗(yàn)及坡道駐車(chē)試驗(yàn)。

4.1 平路駐車(chē)試驗(yàn)

平路駐車(chē)試驗(yàn)需執(zhí)行企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試在某試驗(yàn)場(chǎng)平直路面進(jìn)行，如圖4所示。平路臨界掛入速度試驗(yàn)操作過(guò)程如下：

a. 將車(chē)輛加速至10~15 km/h；

b.松開(kāi)加速踏板并將換擋操縱桿撥至P擋位置；

c.車(chē)速緩慢下降，直至駐車(chē)機(jī)構(gòu)將變速器鎖死。

圖4 平直路面駐車(chē)試驗(yàn)

采用間接法測(cè)量車(chē)速，即通過(guò)采集差速器的轉(zhuǎn)速，根據(jù)輪胎半徑推算車(chē)速，圖5標(biāo)記了臨界掛入速度讀取點(diǎn)。按照試驗(yàn)規(guī)范，前進(jìn)方向與后退方向分別測(cè)試10組數(shù)據(jù)，前進(jìn)方向掛入速度分別為3.10 km/h、3.05 km/h、3.12 km/h、3.22 km/h、3.22 km/h、3.22 km/h、3.22 km/h、3.22 km/h、3.10 km/h、3.10 km/h，后退方向掛入速度分別為3.22 km/h、3.35 km/h、3.22 km/h、3.35 km/h、3.24 km/h、3.36 km/h、3.22 km/h、3.35 km/h、3.25 km/h、3.22 km/h。

4.2 30%坡道駐車(chē)試驗(yàn)

P擋拔出力矩試驗(yàn)在位于國(guó)內(nèi)某試驗(yàn)場(chǎng)的30%坡度上進(jìn)行，步驟如下：

a.將車(chē)開(kāi)到30%坡上，踩住制動(dòng)踏板將車(chē)停穩(wěn)在坡道上；

b.將換擋桿撥至P擋后松開(kāi)制動(dòng)踏板；

c.駐車(chē)機(jī)構(gòu)將鎖住變速器從而使車(chē)停止在坡道上；

d.待車(chē)輛停穩(wěn)后踩住制動(dòng)踏板并將換擋桿撥離P擋位置。

圖5 駐車(chē)機(jī)構(gòu)臨界掛入速度點(diǎn)時(shí)半軸轉(zhuǎn)速

圖6為30%坡道試驗(yàn)場(chǎng)地。試驗(yàn)時(shí)，車(chē)頭向上與車(chē)頭向下分別進(jìn)行150次測(cè)試。用于測(cè)試換擋扭矩所布置的傳感器應(yīng)變片貼在變速器換擋搖臂上，傳感器使用前需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行敏感度標(biāo)定。

圖6 30%坡道試驗(yàn)場(chǎng)地

P擋拔出力矩通過(guò)變速器搖臂上應(yīng)變片來(lái)測(cè)量，圖7為截取某個(gè)循環(huán)工況下車(chē)頭向下和車(chē)頭向上時(shí)換擋搖臂位置力矩測(cè)試結(jié)果。

圖7 拔出力矩測(cè)試值

由圖7可知，試驗(yàn)屬于惡劣工況試驗(yàn)，故試驗(yàn)過(guò)程中也對(duì)半軸扭矩進(jìn)行檢測(cè)，以免對(duì)變速器、差速器等核心零件造成損壞。測(cè)試過(guò)程中，車(chē)頭向上方向的半軸動(dòng)態(tài)扭矩值在2 309~3 298 N·m之間變化，車(chē)頭向下方向半軸動(dòng)態(tài)扭矩值處于3 210~4 301 N·m之間，如圖8所示。

圖8 半軸動(dòng)態(tài)扭矩

為滿足客戶滿意度，換算到換擋桿球頭上的拔出力矩平均值均應(yīng)小于10 N·m。P擋到N擋拔出力矩測(cè)試值如圖9所示?？芍?，測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 P擋到N擋拔出力矩測(cè)試值

5 仿真與試驗(yàn)對(duì)比

為了驗(yàn)證多體計(jì)算模型的可靠性，將CAE仿真結(jié)果與整車(chē)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

5.1 平路駐車(chē)與試驗(yàn)對(duì)比

由于平路駐車(chē)試驗(yàn)受駕駛員影響很小，故前后方向的臨界掛入車(chē)速值較一致，沒(méi)有很大的波動(dòng)。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果誤差控制在8%以內(nèi)，絕大部分次數(shù)控制在5%以內(nèi)，說(shuō)明仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

5.2 坡道駐車(chē)與試驗(yàn)對(duì)比

坡道上拔出力矩試驗(yàn)受駕駛員隨機(jī)操作的影響較大，比如踩制動(dòng)踏板時(shí)機(jī)選擇不同會(huì)導(dǎo)致棘爪、棘輪配合間隙不同，駕駛員P擋切換到N擋時(shí)間也不相同，這些因素都會(huì)導(dǎo)致拔出力矩波動(dòng)。因此，該組試驗(yàn)結(jié)果離散性較大。故將仿真結(jié)果和測(cè)試數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行對(duì)比。車(chē)頭向下時(shí)，拔出力矩仿真值為8.0 N·m，測(cè)試均值為7.1 N·m，兩者誤差約為11.3%；車(chē)頭向上時(shí)，拔出力矩仿真值為8.0 N·m，測(cè)試均值為7.2 N·m，兩者誤差約為10%。測(cè)試值與仿真值均滿足客戶提出的“拔出力矩平均值小于10 N·m”的要求。

表2 平路駐車(chē)車(chē)速仿真與試驗(yàn)對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)建立多體動(dòng)力學(xué)模型，仿真分析了某款車(chē)輛在滿載工況下在平路上的駐車(chē)機(jī)構(gòu)臨界掛入車(chē)速和30%坡度上P擋拔出力矩，并將仿真結(jié)果與整車(chē)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。平路上臨界速度仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，證明平路上仿真模型的合理性與實(shí)用性。30%坡度上仿真模型與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比有較大的誤差，主要原因是測(cè)試受人為因素影響較大，需進(jìn)一步改進(jìn)人為因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)離散性問(wèn)題。仿真結(jié)果滿足客戶設(shè)定的拔出力矩要求，模型可以用于換擋機(jī)構(gòu)零件設(shè)計(jì)分析。

[1]陳華，陳辛波，傅靈玲，等.自動(dòng)變速器駐車(chē)機(jī)構(gòu)性能分析與研究[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)，2014,41（4）:24-26.

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