自動變速器駐車機構(gòu)設(shè)計方法研討分析

柴召朋，于忠貴，姚書濤，劉曉寧，趙彥輝

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自動變速器駐車機構(gòu)設(shè)計方法研討分析

柴召朋，于忠貴，姚書濤，劉曉寧，趙彥輝

（哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

文章自動變速箱中的駐車機構(gòu)在車速3.2到6.4Km范圍內(nèi)以下用于汽車實現(xiàn)駐車。典型駐車機構(gòu)由以下主要部件組成：駐車齒輪、定位軌板、檔位鋼片、駐車棘爪、駐車棘爪回位彈簧、驅(qū)動桿總成、駐車鎖止彈簧和限位鎖止柱銷。在駐車檔受到其他車輛撞擊或汽車停在30%的坡路上以及一定車速下實現(xiàn)駐車鎖止前提下，進(jìn)行自動變速器駐車機構(gòu)設(shè)計的一種方法。

自動變速器；駐車機構(gòu)；可靠鎖止

1 引言

隨著自動變速器的不斷普及，交通行車安全法規(guī)的進(jìn)一步加嚴(yán)，使得自動變速器技術(shù)不斷革新。自動變速器是通過液力執(zhí)行裝置元件來傳遞動力的，液壓元件本身存在分離不迅速不徹底的固有特性；因此會導(dǎo)致裝有自動變速器的車輛在空檔時，因液壓元件分離不徹底動力仍在傳遞，雖然整車有剎車制動機構(gòu)，但因動力仍在傳遞可能導(dǎo)致整車制動機構(gòu)失效的風(fēng)險依然存在，進(jìn)而導(dǎo)致車輛非駕駛者意圖的溜車現(xiàn)象，這將會引起行車安全事故，對生命財產(chǎn)安全造成威脅。因此自動變速器內(nèi)部會布置一套能夠中斷動力的鎖止機構(gòu)。該駐車機構(gòu)主要由布置在變速器輸出軸或差速器上的駐車齒輪、駐車齒輪、定位軌板、檔位鋼片、駐車棘爪、駐車棘爪回位彈簧、驅(qū)動桿總成、駐車鎖止彈簧和限位鎖止柱銷等零件構(gòu)成。駐車機構(gòu)通過駐車輪和駐車棘爪嚙合，來鎖死變速器的輸出軸。從而鎖住傳動軸而達(dá)到鎖住車輪的目的。

2 空間布置和設(shè)計原則分析

駐車棘爪繞安裝在殼體上的固定銷軸轉(zhuǎn)動，扭轉(zhuǎn)彈簧保證駐車棘爪在非P檔位置不與駐車齒輪嚙合。

螺旋壓縮彈簧，也稱驅(qū)動桿彈簧，在齒嚙合狀態(tài)下對其進(jìn)行設(shè)計 (在檔位在P檔位置時，該狀態(tài)是處于棘爪與齒共線而不是與齒槽)，驅(qū)動桿彈簧設(shè)計具有一定的承載能力，在要求的速度范圍內(nèi)，能足夠使汽車處在P檔位置。

當(dāng)移出P檔位置時鎖止彈簧和限位鎖止柱銷對驅(qū)動桿限位，彈簧的彈力正好足夠克服柱銷在其配合孔中的摩擦力。

檔位鋼片用來把定位軌板定位在每個齒槽位置，來確保閥體中的手動閥和方向盤上選檔器保持同步。

在汽車仍運動時掛入駐車檔或者已經(jīng)處于P檔受到其他車輛撞擊，駐車機構(gòu)主要受到瞬間沖擊載荷。

當(dāng)檔位摘除P檔位置，甚至在汽車停車在30%的上坡或下坡，駐車棘爪的接觸面角設(shè)計用于使駐車棘爪脫離嚙合的趨勢。

駐車機構(gòu)設(shè)計時考慮到再調(diào)整，當(dāng)檔位掛入P檔。在棘爪齒與駐車輪齒接觸而不是與齒槽接觸的情況下，一旦駐車輪旋轉(zhuǎn)到足夠安置一個齒的嚙合空間，應(yīng)該有一個作用在棘爪上的主動力確保他們嚙合，在車速低于上面提到的限制速度范圍內(nèi)。

前置后驅(qū)上的駐車機構(gòu)與前置前驅(qū)的在本質(zhì)上是一樣的。在多數(shù)前驅(qū)車上，駐車棘爪被安裝在變速箱頂部。這主要是由于在前置前驅(qū)車上這種安裝方式更易于聯(lián)結(jié)線路的布置。如果駐車棘爪被安裝在變速箱頂部，既然這樣，在設(shè)計該機構(gòu)時，注意必須把重力作用考慮進(jìn)去。在后輪驅(qū)動中，駐車棘爪通常安裝在變速箱底部，在這種布置方式上，棘爪的重力作用可以忽略。

3 駐車機構(gòu)零件具體設(shè)計方法

3.1 檔位鋼片計算方法

檔位鋼片用來把定位軌板鎖止在每個齒槽位置，來確保閥體中的手動閥和方向盤上選檔器保持同步。在設(shè)計中檔位鋼片彈力安全系數(shù)比驅(qū)動桿彈簧的高50%。

計算：

定位軌板鎖止點的鎖止扭矩：

Fh×R2=Pact.spring×R1

其中：

Fh=檔位鋼片的水平分力；

R2=水平彈簧力作用點到定位軌板回轉(zhuǎn)中心的距離；

Pact.spring= 驅(qū)動桿彈簧上的作用載荷（力）；

R1=驅(qū)動桿彈簧上的作用載荷作用點到定位軌板定位點的距離。

有50%安全系數(shù)：

Fh=（Pact.spring×R1/ R21）×1.5

安裝壓力和安裝偏移量可以根據(jù)我們所用的彈簧的計算公式計算出來。

總偏移量=安裝位置偏移量+彈簧伸長變形

在最大變形量，最大應(yīng)力應(yīng)低于彈簧材料最小屈服應(yīng)力。

彈簧設(shè)計：彈簧應(yīng)該依據(jù)可用空間來設(shè)計?，F(xiàn)存設(shè)計采用平直懸臂鋼片彈簧或壓縮彈簧和小杠桿的組合形式。

圖1 駐車鎖止棘爪機構(gòu)和驅(qū)動桿總成

3.2 駐車棘爪回位彈簧設(shè)計計算方法

駐車棘爪回位彈簧的回復(fù)力應(yīng)能克服因棘爪自重(2g加速度下)抵到駐車輪齒頂引起的扭矩。對進(jìn)行扭矩計算，駐車棘爪重力和駐車棘爪驅(qū)動桿總成作用在棘爪的作用力應(yīng)該被考慮進(jìn)來。

計算方法

棘爪重量：

圖2 駐車棘爪回位彈簧設(shè)計圖

棘爪重量，W1=棘爪面積×寬度×棘爪材料密度

驅(qū)動桿重量：

驅(qū)動桿重量由驅(qū)動桿總成每個零件體積與相應(yīng)密度的乘積而得，驅(qū)動桿總重量已知。驅(qū)動桿總重量用WR表示。

作用在棘爪上的支撐力RP的計算：

RA為驅(qū)動桿與定位軌板連接點處的反作用力。

然后，RP+RA=WR

計算由RA產(chǎn)生的扭矩，驅(qū)動桿總成每個零件重量×P點到A點的距離（AP）= RP×A點到P點的距離（rp）因此RP可知。

由于來自整車的瞬時的沖擊或振動載荷，由重力產(chǎn)生的加速度以2g計。

因此：

T=2[WP×k+ RP×rp]

其中：k=駐車棘爪重心到旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)半徑

T=棘爪回位彈簧所需扭矩

因此扭矩也計算出來。

彈簧設(shè)計：首先已知彈簧要達(dá)到的扭矩，彈簧參考《聯(lián)合彈簧設(shè)計手冊》進(jìn)行設(shè)計，或者任何相應(yīng)的參考資料，例如《SAE彈簧設(shè)計手冊》，AE-11，B并按照設(shè)計步驟進(jìn)行設(shè)計。

3.3 驅(qū)動桿彈簧設(shè)計計算方法

驅(qū)動桿彈簧安裝在驅(qū)動桿總成上并按照齒嚙合條件下進(jìn)行設(shè)計。作用在驅(qū)動桿彈簧上載荷按照棘爪與駐車輪嚙合進(jìn)行計算，在速度不高于限制車速范圍。在限制車速范圍內(nèi)，進(jìn)而對棘爪與駐車輪嚙合所要求的加速度進(jìn)行計算。因此驅(qū)動桿彈簧上的載荷已經(jīng)定了，彈簧按照這個載荷進(jìn)行設(shè)計。

計算：

彈簧上的載荷：

令Vt為嚙合時的整車的最大行駛速度，rt為車輪半徑。

根據(jù)車橋和駐車輪軸之間的主減速比來計算駐車輪角速度，假定d為主減速比：

駐車輪角速度，WP=Wt×d

齒形采用漸開線形式。

T1為分度圓的齒厚；

D1為分度圓直徑；

Φ1為壓力角；

分度圓半徑 r1= D1/2

假定大圓（齒頂圓）直徑為D2

齒頂圓= D2/2

因此：

假定t1為駐車輪移動距離I所需的時間：

駐車棘爪齒的長度= S

時間差值，t=t1-t2

駐車棘爪與駐車輪進(jìn)行嚙合，棘爪上的圓角應(yīng)該卡落在駐車輪倒角下面。在齒嚙合的條件下，駐車棘爪在時間t內(nèi)將產(chǎn)生s2的位移，且s2等于棘爪上的圓角和駐車輪倒角之合，至此完成有效嚙合。

其中：r=到駐車棘爪回轉(zhuǎn)中心的距離。

扭矩：T=I=Fr

因此棘爪上的正壓力可以計算出來。根據(jù)驅(qū)動桿的傾斜角，則作用在驅(qū)動桿彈簧上的豎直和水平分力也可以計算出來。

令Fh為水平分力。

因此，驅(qū)動桿彈簧只受水平分力Fh。

彈簧設(shè)計：壓縮彈簧的作用載荷已知，按照參考資料給出的設(shè)計步驟進(jìn)行彈簧設(shè)計。

當(dāng)移出P檔位置時鎖止彈簧和限位鎖止柱銷對驅(qū)動桿限位，用來防止驅(qū)動桿自然落下，當(dāng)在其他定位軌板檔位位置嘗試驅(qū)動駐車棘爪。該機構(gòu)用于當(dāng)駐車棘爪與駐車輪嚙合時進(jìn)行鎖止，例如用于前輪驅(qū)動變速箱上的。

彈簧設(shè)計：按照標(biāo)準(zhǔn)彈簧設(shè)計公式進(jìn)行設(shè)計。

圖3 彈簧設(shè)計圖

[1] 陳家瑞,汽車構(gòu)造[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2] 徐向陽,劉艷芳,姬芬竹,王書翰.自動變速器技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2011.

[3] 成大先,自動變速器技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

Design method of automatic transmission mechanism

Chai Zhaopeng, Yu Zhonggui, Yao Shutao, Liu Xiaoning, Zhao Yanhui

（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

In this paper, the parking mechanism of the automatic transmission should make the car park reliably under the speed within the scope of 3.2 to 6.4 Km. Typical parking mechanism is composed of the following main components: parking gear, detent, detent spring, parking pawl, parking pawl return spring, driving rod assembly, parking locking spring and locking pin. When a car would be locked, under conflicted by other vehicle in parking gear or parked in 30% of the inc -line, and a certain speed implementation, this article instruct a designing method of the parking mechanism for automatic transmission.

AT; Parking mechanisms; Reliable locking

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1671-7988(2018)22-129-03

U463.212

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1671-7988(2018)22-129-03

U463.212

柴召朋，就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司技術(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.046