汽車變速箱P擋駐車機構設計分析

鄭利洲

摘 要：汽車自動變速箱中P擋駐車機構作為一項重要配置，在車輛長時間停放，特別是坡道停放的安全上起到了特別重要的作用。對于搭載自動變速箱的汽車，P擋機構的可靠性對車輛的安全性能有著非常重要的意義。文章主要從P擋駐車機構設計的角度，對結構設計上的幾個關鍵點作簡要闡述。

關鍵詞：P擋駐車機構;設計;解檔力;棘齒效應;臨界駐車車速

中圖分類號：U463? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）15-89-03

Abstract： As an important configuration， the parking mechanism with P gear in the automatic gearbox plays an important role in the long time parking of vehicles， especially the safety of parking on ramps. For cars equipped with automatic gearbox， the reliability of the P gear mechanism is very important to the safety of vehicles. This paper mainly from the point of view of P gear parking structure design， on the structure design of several key points are briefly described.

Keywords： Parking gear P; Design; Solution file force; The ratchet effect; Critical parking speed

CLC NO.： U463? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-89-03

1 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)汽車變速箱行業(yè)從手動擋逐步向自動擋方向發(fā)展，比如AT、DCT等形式。自動變速箱相比手動箱，增加了P擋駐車機構。另外國內(nèi)發(fā)展較快的新能源汽車單檔變速箱也設置了這一配置。汽車自動變速箱中P擋駐車機構作為一項重要配置，在車輛長時間停放，特別是坡道停放的安全上起到了特別重要的作用。對于搭載自動變速箱的汽車，P擋機構的可靠性對車輛的安全性能有著非常重要的意義。本文主要從P擋機構設計的角度，對結構設計上的幾個關鍵點作簡要闡述。

P擋駐車機構滿足安全可靠要求，需要實現(xiàn)以下幾個關鍵點：

（1）當汽車停止掛入P擋時，駐車機構能順利的完成鎖止動作，并可靠鎖止車輛。即便坡道也不能自動脫檔，引起駐車功能失效。

（2）當汽車準備啟動退出P擋時，駐車機構能順利解除鎖止。即便坡道上，合適的解檔力也能完成解檔動作。如采用電子P擋，要考慮足夠的扭矩安全系數(shù)。

（3）當車速大于某一限定值時，如駕駛員誤掛入P擋，駐車機構不能鎖止變速箱，且機構不發(fā)生損壞。

（4）行車過程中任何工況下，比如車輛振動、急加速、急減速等情況，不能引起駐車機構意外鎖止。

（5）當車輛完成駐車后，很多情況下松開剎車，車輛會有一定向前或向后的溜車距離，保證駐車安全，溜車距離不能過大。

國內(nèi)自動變速箱的設計起步較晚，相比歐美日等國家技術上有明顯差距。相應的，在P擋駐車機構設計方面，幾乎找不到較全面的設計資料，大多數(shù)情況都以對標參照設計為主。本文以某款已量產(chǎn)機型為背景，簡要分析P擋駐車機構的設計。

2 設計關鍵點

2.1 設計輸入

駐車機構設計需要滿足強度、可靠性要求。由于機構強度與整車質量直接相關，進行設計時需要了解整車的相關參數(shù)。P擋設計的主要參數(shù)包含以下內(nèi)容：

2.2 駐車機構結構

駐車機構結構主要根據(jù)變速箱內(nèi)部空間布置不同可設計成不用的結構形式。本文以下圖1結構為例簡要介紹駐車機構。一般駐車機構主要由棘輪、棘爪、回位彈簧、錐銷推桿組件、壓力導塊、旋轉齒板等組成。當進行入P擋操作時，錐銷推桿進入壓力倒塊與棘爪之間，下壓棘爪使棘輪棘爪齒嚙合，完成鎖止動作。如入P擋時，棘輪與棘爪是齒對齒狀態(tài)，則錐銷推桿彈簧被壓縮，棘爪保持與棘輪嚙合的趨勢，車輛稍微溜車即完成鎖止。當退出P擋時，錐銷推桿抽出，棘輪與棘爪脫開，解除P擋鎖止。

1—棘輪 2—棘爪 3—回位彈簧 4—錐銷推桿組件

5—壓力導塊 6—旋轉齒板

2.3 滿足坡道解鎖要求

駐車機構受力大小隨坡道角度的變化而變化。車輛停放平路時，駐車機構幾乎不受力，隨著角度的增加，棘輪端對棘爪的壓力越大，駐車機構受力越大。以上坡時棘輪與棘爪的受力為例，分析簡圖如圖2：

F1——棘輪對棘爪的正壓力;

L1——棘爪自動脫開力臂;

F2——棘爪受到正壓力產(chǎn)生的摩擦力，摩擦力阻礙棘爪自動脫開;

L2——阻礙棘爪自動脫開摩擦力臂;

盡管實際應用中棘爪還會受到回位扭簧的力矩，自身重力力矩等的影響，但相比棘爪端受力產(chǎn)生的脫開力矩，此部分受力較小，本計算過程忽略其影響。

滿足以上關系式可以滿足解檔后自動脫開的要求。但自動脫開的力矩大會出現(xiàn)解檔力過大的問題。因此要滿足順利解檔要求，特別是坡道上解檔力不能過大。一方面，棘爪與棘輪嚙合時的角度值需設計在合理范圍內(nèi);另一方面，便于錐銷從棘爪脫出，掛擋后錐銷的自鎖面錐角a值也需設計合理。a角過大，起不到自鎖作用，容易坡道脫檔;過小脫檔力過大，難解檔。如圖3所示：

因此，既要確保解檔后能順利脫開，又要防止解檔力過大，引起換擋不便。需要設計合理的棘爪受力角度，還要設計合理的錐銷自鎖角度。駐車機構上坡與下坡的運動學關系基本相同，只是棘爪工作齒面不同，受力方向相反，分析方法可參照上坡方向，不另外闡述。

2.4 避免出現(xiàn)意外駐車

一般情況下，汽車正常行駛時棘爪不會卡入棘輪。但特殊情況下，如路面嚴重顛簸，地面出現(xiàn)較大坑等，由于較大加速度，回位彈簧扭力不夠，棘爪意外卡入棘輪，出現(xiàn)瞬時行駛中駐車的情況。以免造成事故，回位扭力彈簧需要設計足夠的富余量。以棘爪為研究對象，受力簡圖如圖4：

2.5 設計安全的駐車車速

車輛在正常行駛過程中一般不會掛入P擋，但意外情況下有誤操作的情況，特別是高速行駛過程中。一旦高速行車掛入P擋，可能會發(fā)生較嚴重事故。那么需要駐車機構在結構上避免這種情況發(fā)生。車輛高于某一臨界車速時，即使有掛P擋動作，由于棘輪的轉動，棘爪無法直接掛入棘輪齒槽，棘爪與棘輪連續(xù)的相互撞擊，發(fā)生棘齒效應。也就是說，車輛高于臨界車速時發(fā)生棘齒效應，低于臨界車速時可以掛擋。設計合理的臨界車速可以保證機構安全駐車。分析駐車機構的臨界車速思路如圖5：

車輛在某一臨界車速下對應的棘輪轉速為ω，完成這一過程的時間為t，棘爪剛好卡入棘輪轉過的角度為β，棘輪轉過的角度為θ，此過程錐銷的行程為s（如圖6），錐銷質量為m，棘爪轉動慣量J，有如下關系式：

利用零件之間的受力關系式，可計算需要的錐銷彈簧彈力，彈簧力大小決定臨界車速的大小，彈力越大，臨界車速越大。調(diào)整錐銷彈簧力可將臨界車速設計在合理范圍內(nèi)。

3 結語

本文根據(jù)我工作中對應的某款變速箱P擋駐車機構為背景，初步闡述了駐車機構設計過程中需要重視幾個關鍵要點，如坡道解檔、安全駐車車速、解檔力、防意外駐車等，通過以上理論計算，可完成較初步的機構設計。另外結合計算機仿真軟件進行分析，可將設計進行優(yōu)化，而且得到更準確的數(shù)據(jù)，比如臨界駐車車速仿真，結構強度仿真等。最終通過對樣件進行臺架試驗、實車試驗后，設計出安全、可靠的P擋駐車系統(tǒng)，從而滿足整車P擋駐車需要。

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