自動(dòng)變速器駐車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研討分析

李偉

廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院 廣東 廣州 511434

引言

因操作習(xí)慣、緊急情況處理、誤操作和惡意換擋等情況引起的自動(dòng)變速器駐車機(jī)構(gòu)損壞時(shí)有發(fā)生。文章通過對(duì)自動(dòng)變速器駐車機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供具體的理論方法，為零部件改善和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

1 駐車機(jī)構(gòu)工作原理

駐車機(jī)構(gòu)如圖1所示，圖中棘爪在回位彈簧的作用下，處于非工作位置，即：變速器不處于P檔，棘爪與駐車輪不嚙合，駐車輪可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)駕駛員有駐車意圖時(shí)，需推動(dòng)駕駛室內(nèi)的換擋手柄，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)駐車機(jī)構(gòu)的滾桿，滾桿沿著滾桿支架中的軌道進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)棘爪繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，棘爪上設(shè)計(jì)的駐車指與駐車輪嚙合，限制駐車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)駐車功能。

圖1 駐車機(jī)構(gòu)示意圖

2 空間布置和設(shè)計(jì)原則分析

駐車棘爪繞安裝在殼體上的固定銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，回位彈簧保證駐車棘爪在非P擋位置不與駐車齒輪嚙合。螺旋壓縮彈簧，也稱驅(qū)動(dòng)桿彈簧，在齒嚙合狀態(tài)下對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)(擋位在P擋位置時(shí)，該狀態(tài)是處于棘爪與齒共線而不是與齒槽)，驅(qū)動(dòng)桿彈簧設(shè)計(jì)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擋位置。當(dāng)移出P擋位置時(shí)，回位彈簧和限位鎖止柱銷對(duì)驅(qū)動(dòng)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。當(dāng)擋位摘除P擋位置，汽車駐車在30%左右的上坡或下坡，駐車棘爪的接觸面角設(shè)計(jì)用于使駐車棘爪脫離嚙合的趨勢(shì)。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(gè)齒的嚙合空間，應(yīng)該有一個(gè)作用在棘爪上的主動(dòng)力確保他們嚙合。前置后驅(qū)上的駐車機(jī)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，因?yàn)樵谇爸们膀?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，在設(shè)計(jì)該機(jī)構(gòu)時(shí)，必須考慮棘爪的重力作用。在后輪驅(qū)動(dòng)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(jī)構(gòu)零件具體設(shè)計(jì)方法

3.1 駐車棘爪回位彈簧設(shè)計(jì)計(jì)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(duì)進(jìn)行扭矩計(jì)算，駐車棘爪重力和駐車棘爪驅(qū)動(dòng)桿總成作用在棘爪的作用力應(yīng)該被考慮進(jìn)來。圖2棘爪重量，W1=棘爪面積×寬度×棘爪材料密度驅(qū)動(dòng)桿重量。驅(qū)動(dòng)桿重量由驅(qū)動(dòng)桿總成每個(gè)零件體積與相應(yīng)密度的乘積而得，驅(qū)動(dòng)桿總重量已知，用WR表示。作用在棘爪上的支撐力RP的計(jì)算：RA為驅(qū)動(dòng)桿與定位軌板連接點(diǎn)處的反作用力。然后，RP+RA=WR計(jì)算由RA產(chǎn)生的扭矩，驅(qū)動(dòng)桿總成每個(gè)零件重量×P點(diǎn)到A點(diǎn)的距離（AP）=RP×A點(diǎn)到P點(diǎn)的距離（rp）因此RP可知。由于來自整車的瞬時(shí)的沖擊或振動(dòng)載荷，由重力產(chǎn)生的加速度以2g計(jì)。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(jì)算出來。彈簧設(shè)計(jì)：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(jì)手冊(cè)》進(jìn)行設(shè)計(jì)，或者任何相應(yīng)的參考資料，例如《SAE彈簧設(shè)計(jì)手冊(cè)》，AE-11，并按照設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2 安全駐車的性能計(jì)算

在車速≤5km/h時(shí)，駐車機(jī)構(gòu)要能實(shí)現(xiàn)安全駐車，此時(shí)車輪旋轉(zhuǎn)角速度為

ωr = v / 3600r（1）式中，r為車輪半徑，v為車速。

如圖2所示，棘爪與棘輪齒頂相碰的工況。此時(shí)實(shí)現(xiàn)駐車，駐車棘爪旋轉(zhuǎn)角度為Wjz，駐車棘輪旋轉(zhuǎn)角度為Wjl。

圖2 棘爪與棘輪齒相碰時(shí)駐車機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)示意圖

在嚙合運(yùn)動(dòng)過程中，駐車棘爪受力關(guān)系為：Ftgrjz- Thw= Jω'jz(2)。

式中，F(xiàn)tg為推桿作用到棘爪上的力，rjz為Ftg相對(duì)于棘爪回轉(zhuǎn)軸的作用半徑，Thw為回位彈簧作用與棘爪的力矩，J為棘爪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω'jz為駐車棘爪角加速度，t為棘爪的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

3.3 最大摘擋力校核

駐車機(jī)構(gòu)從P擋脫出力大小主要由球頭與駐車棘爪之間的作用力決定。球頭的受力圖如圖4所示。受力分析并結(jié)合變速器至換擋器杠桿原理，在30%坡度工況下，P擋脫出力的理論計(jì)算公式如下

圖4 球頭的受力圖

式中，F(xiàn)TGS為換擋器上脫出力，F(xiàn)c為駐車棘爪對(duì)球頭的作用力，F(xiàn)f為摩擦力，F(xiàn)f=μFc，μ為兩零件間的摩擦系數(shù)，θ為球頭的設(shè)計(jì)幾何角度。一般情況在30%坡度工況下，P擋脫出力需根據(jù)不同車型分別評(píng)價(jià)，一般乘用車應(yīng)不大于80N。

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)變速器駐車機(jī)構(gòu)是關(guān)系安全的關(guān)鍵系統(tǒng)，要求其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而可靠，但是對(duì)其性能要求相當(dāng)高，而結(jié)構(gòu)形式多樣，各個(gè)零部件間關(guān)系也并不是一成不變，因此駐車機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案有諸多的約束條件。