自動(dòng)變速器駐車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

郭厚保 洪龍龍 戴焰彪

(麥格納動(dòng)力總成 格特拉克(江西)傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司，江西 南昌 330013)

引言

自動(dòng)變速箱通常有P、R、N、D四個(gè)功能擋位。駐車機(jī)構(gòu)即是大家俗稱的P擋裝置，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速器中用于鎖止整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)，防止汽車出現(xiàn)意外滑行的裝置，使汽車在平地或一定角度的斜坡上可無(wú)時(shí)間限制的停駐[1-2]。根據(jù)GB7258-2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》要求，駐車制動(dòng)使用電子控制裝置時(shí)，鎖止裝置應(yīng)為純機(jī)械裝置，發(fā)生斷電情況鎖止裝置仍應(yīng)保持持續(xù)有效。駐車機(jī)構(gòu)在自動(dòng)變速器中的作用至關(guān)重要，設(shè)計(jì)上需滿足以下要求[3-4]：(1)當(dāng)汽車實(shí)現(xiàn)駐車后，尤其在坡道上駐車時(shí)，駐車機(jī)構(gòu)不能自動(dòng)脫擋，從而導(dǎo)致駐車功能失效。(2)當(dāng)汽車處于正常行駛工況下，駐車機(jī)構(gòu)不能發(fā)生自動(dòng)駐車。(3)當(dāng)汽車低于臨界車速時(shí)(一般推薦值為5Km/h，也可同主機(jī)廠商定)，駐車機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)駐車功能；當(dāng)車速超過(guò)臨界值，即使外部操縱桿執(zhí)行了掛P擋動(dòng)作，駐車機(jī)構(gòu)也必須保證不能實(shí)現(xiàn)駐車功能。

本文以一套成熟的自動(dòng)變速器駐車機(jī)構(gòu)為例，對(duì)該機(jī)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)駐車鎖止的幾個(gè)重要零部件進(jìn)行受力分析，從而得出駐車機(jī)構(gòu)中主要的零件設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)駐車性能，包括溜車距離、自動(dòng)解鎖性能、自動(dòng)鎖止性能、臨界車速計(jì)算、電機(jī)鎖止力矩、電機(jī)解鎖力矩等主要性能的影響，為駐車機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一些理論依據(jù)。

1 駐車機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

駐車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)單可靠，文中討論的駐車機(jī)構(gòu)主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、雙聯(lián)齒輪、定位鋼球總成、扭簧、驅(qū)動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)齒輪、凸輪、駐車棘爪、安裝銷、導(dǎo)向銷及駐車棘輪等。當(dāng)駕駛員掛P擋時(shí)，外操縱機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)給TCU，從而使驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸總成旋轉(zhuǎn)。凸輪旋轉(zhuǎn)與駐車棘爪上斜面接觸，產(chǎn)生向下的壓力使得駐車棘爪進(jìn)入駐車棘輪齒槽內(nèi)。駐車棘輪通過(guò)內(nèi)花鍵安裝在輸出軸上，通過(guò)鎖定駐車棘輪從而實(shí)現(xiàn)駐車鎖止功能。當(dāng)駕駛員摘除P擋時(shí)，外操縱機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)給TCU，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸總成旋轉(zhuǎn)。凸輪施加在駐車棘爪上的壓力降消除，同時(shí)驅(qū)動(dòng)齒輪內(nèi)槽與安裝與駐車棘爪上的槽配合將駐車棘爪抬升，脫出駐車棘輪齒槽從而解除駐車功能。

注：1-驅(qū)動(dòng)電機(jī) 2-雙聯(lián)齒輪 3-定位座總成4-扭簧5-驅(qū)動(dòng)軸 6-驅(qū)動(dòng)齒輪7-驅(qū)動(dòng)凸輪 8-駐車棘爪 9-支撐銷 10-駐車棘輪 11-導(dǎo)向銷

2 溜車距離計(jì)算

當(dāng)駕駛員將操縱手柄推到P擋后，由于Park Lock的駐車棘輪和駐車棘爪有可能是齒對(duì)齒接觸，此時(shí)車輛并未鎖止。當(dāng)車輛發(fā)生溜車，車輪帶動(dòng)駐車棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒后駐車棘爪和駐車棘輪嚙合工作，鎖止車輛。將棘爪從一個(gè)齒到下一個(gè)齒面，駐車棘輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度記為α，這段角度車輛移動(dòng)的距離為L(zhǎng)，則有：

(1)

式中i為駐車棘輪安裝所在軸與車輪的的速比，下面各式i均相同。

圖2 駐車棘輪和駐車棘爪工作示意圖

3 自動(dòng)解鎖功能校核

當(dāng)汽車在坡度為β的斜坡上駐車時(shí)，假設(shè)所有整車通過(guò)駐車機(jī)構(gòu)鎖止。此時(shí)對(duì)駐車棘爪受力分析，F(xiàn)N為駐車棘輪對(duì)駐車棘爪的正壓力，駐車棘輪受到的駐車棘爪正壓力為FN′。大小與FN相等，方向與FN相反，計(jì)算駐車棘輪承載扭矩：

(2)

T0=FN′*R棘輪

(3)

(4)

圖3 汽車在斜坡上受力情況

當(dāng)汽車處于非駐車工況下，發(fā)生任何異常情況駐車機(jī)構(gòu)不能自動(dòng)駐車。即駐車棘輪對(duì)駐車棘爪的旋轉(zhuǎn)力矩能克服摩擦力、棘爪重力、支撐銷處旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦力的合力矩，將棘爪彈出來(lái)。此時(shí)對(duì)棘爪受力分析，F(xiàn)N為駐車棘輪對(duì)駐車棘爪的正壓力，LF為FN相對(duì)于駐車棘爪回轉(zhuǎn)中心的力臂。f1為駐車棘爪對(duì)駐車棘輪的摩擦力，摩擦系數(shù)為u1，lf1為棘爪受到的摩擦力相對(duì)于棘爪回轉(zhuǎn)中心的力臂。G為駐車棘爪重力，為避免路面顛簸或追尾等情況導(dǎo)致汽車本身振動(dòng)較大，一般按照2g加速度計(jì)算。力臂為L(zhǎng)G，M1為支撐銷處的摩擦力矩，則有：

FN*LF>f1*lf1+2G*LG+M1

(5)

其中f1=u1*FN，根據(jù)式(4)，則有：

(6)

圖4 棘爪受力情況

4 自動(dòng)鎖止功能校核

當(dāng)汽車處于駐車工況時(shí)，駐車機(jī)構(gòu)不能自動(dòng)脫擋。此時(shí)凸輪會(huì)對(duì)駐車棘爪產(chǎn)生一個(gè)向下的壓力防止駐車棘爪彈起，同時(shí)定位鋼球通過(guò)與驅(qū)動(dòng)齒輪上的斜面結(jié)構(gòu)配合產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩，防止凸輪回轉(zhuǎn)，造成駐車脫擋。選取下坡駐車工況進(jìn)行分析，如圖5進(jìn)行受力分析。FN為駐車棘輪對(duì)駐車棘爪的正壓力，LF為FN相對(duì)于駐車棘爪回轉(zhuǎn)中心的力臂。f1為駐車棘爪對(duì)駐車棘輪的摩擦力，lf1為棘爪受到的摩擦力相對(duì)于棘爪回轉(zhuǎn)中心的力臂。G為駐車棘爪重力，力臂為L(zhǎng)G，M2為定位鋼球與驅(qū)動(dòng)齒輪斜面配合產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩，F(xiàn)′為駐車棘爪對(duì)凸輪的正推力的反作用力，凸輪對(duì)駐車棘爪的正推力作用力臂為L(zhǎng)F′，f1為駐車棘爪與駐車棘輪的摩擦力，摩擦系數(shù)為u1，力臂為lf1。凸輪與棘爪的摩擦力為f2，摩擦系數(shù)為u2，力臂為lf2，則有：

圖5 駐車時(shí)棘爪受力情況

FN*LF-f1*lf1-G*LG=F′*LF′

(7)

(8)

無(wú)法自動(dòng)脫擋的條件為：

M2+f2*lf2-F′*L1>0f2=u2*F′

(9)

(10)

根據(jù)式(4)，則有：

(11)

5 臨界車速計(jì)算

所謂臨界車速，即駐車鎖止機(jī)構(gòu)能夠完成嚙合時(shí)的最高整車車速[5]。臨界車速的計(jì)算條件為：駕駛員已經(jīng)將汽車掛入P擋，但是由于駐車棘輪和駐車棘爪處于齒對(duì)齒接觸。電機(jī)繼續(xù)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)直到限位點(diǎn)，此時(shí)扭簧處于受壓縮狀態(tài)，凸輪持續(xù)給棘爪一個(gè)壓力。在駐車棘輪由于車輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)駐車棘輪齒槽寬與駐車棘爪齒厚弧長(zhǎng)差時(shí)間內(nèi)，駐車棘爪由于扭簧力的作用正好從起始斜面接觸轉(zhuǎn)化為與頂部弧面接觸，駐車棘爪也同駐車棘輪完成鎖止動(dòng)作。假定一個(gè)駐車棘輪齒槽寬與駐車棘爪齒厚弧長(zhǎng)差對(duì)應(yīng)的角度為δ，駐車棘爪轉(zhuǎn)過(guò)的角度為θ。t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，則有：

(12)

圖6 駐車進(jìn)擋時(shí)棘爪的受力情況

F3*L+G*LG-f3*l3-M4=J*ω

(13)

式中F3=F3′，f3=u3*F3，J為駐車棘爪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω為駐車棘爪的轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度。

F3=M3/l3′

(14)

(15)

(16)

6 驅(qū)動(dòng)電機(jī)鎖止力矩

駕駛員已經(jīng)將汽車掛入P擋，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)駐車棘爪轉(zhuǎn)動(dòng)，假定駐車棘輪和駐車棘爪處于齒對(duì)齒接觸。電機(jī)繼續(xù)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)直到限位點(diǎn)，此時(shí)扭簧處于受壓縮狀態(tài)，凸輪持續(xù)給棘爪一個(gè)壓力。當(dāng)駐車棘輪和駐車棘爪齒對(duì)齒接觸后，如圖6驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度為γ，扭簧的剛度系數(shù)為K，安裝初始?jí)嚎s扭矩為T(mén)0。則驅(qū)動(dòng)電機(jī)的鎖止力矩為：

(17)

式中i1為驅(qū)動(dòng)電機(jī)到驅(qū)動(dòng)齒輪的傳動(dòng)比。

圖7 驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度

7 驅(qū)動(dòng)電機(jī)解鎖力矩

當(dāng)需要啟動(dòng)汽車時(shí)，駕駛員必須要摘掉駐車擋，這就要求在正常情況下，駐車機(jī)構(gòu)駐入后能隨時(shí)摘出。對(duì)機(jī)構(gòu)的受力分析和上述自動(dòng)鎖止功能校核的圖5一致。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)解鎖力矩為：

(18)

根據(jù)式(4)和(8)，則有：

(19)

式中i1為驅(qū)動(dòng)電機(jī)到驅(qū)動(dòng)齒輪的傳動(dòng)比。