自動(dòng)變速器駐車機(jī)構(gòu)的力學(xué)性能分析及研究

王加有

（科力遠(yuǎn)混合動(dòng)力技術(shù)有限公司 變速器開發(fā)部，廣東佛山 528000）

0 引言

駐車機(jī)構(gòu)是自動(dòng)變速器中防止車輛滑行的一種安全裝置，用于使汽車可靠而無時(shí)間限制地停駐在一定位置甚至斜坡上[1-2]。為了確保駐車機(jī)構(gòu)在整個(gè)變速箱生命周期安全可靠地工作，有必要對(duì)駐車機(jī)構(gòu)的性能及可靠性進(jìn)行分析研究。目前，對(duì)于駐車機(jī)構(gòu)的研究多以對(duì)標(biāo)為主，現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料較少。本文通過對(duì)駐車機(jī)構(gòu)的幾項(xiàng)關(guān)鍵性能進(jìn)行分析，結(jié)合理論計(jì)算，闡述駐車機(jī)構(gòu)各項(xiàng)性能的影響因素及可關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定，對(duì)駐車機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化具有一定的借鑒意義。

1 駐車機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及原理

由于自動(dòng)變速器的種類、整車設(shè)計(jì)要求的不同，導(dǎo)致駐車機(jī)構(gòu)具有較多的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的方式不同，可以分為機(jī)械式、電動(dòng)式和液壓式等3類。圖1所示為某自動(dòng)變速器中的液壓式駐車機(jī)構(gòu)。盡管駐車機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式不同，但其工作原理基本一致，通常將棘輪固定在變速器的動(dòng)力輸出軸上，通過傳遞機(jī)構(gòu)將棘爪推入棘輪槽中，從而中斷變速器的動(dòng)力輸出[3-4]。且傳遞機(jī)構(gòu)中帶有自鎖結(jié)構(gòu)，鎖定換擋位置，保證每個(gè)擋位的安全切換。

圖1 液壓式駐車機(jī)構(gòu)

2 駐車機(jī)構(gòu)性能要求分析

駐車機(jī)構(gòu)的安全可靠性能對(duì)于汽車的安全性至關(guān)重要，為了避免行車故障。駐車機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵性能應(yīng)滿足以下要求[5-6]：1）安全駐車性能。駐車機(jī)構(gòu)必須能夠?qū)崿F(xiàn)車輛的安全駐車要求。當(dāng)車速＞5 km/h時(shí)，即使出現(xiàn)駐車誤操作或異常情況，駐車機(jī)構(gòu)的棘爪在與棘輪嚙合時(shí)均不能被推入棘輪槽中，駐車不能成功。當(dāng)車速小于5 km/h時(shí)，駐車機(jī)構(gòu)的棘爪在與棘輪嚙合時(shí)能順利被推入棘輪槽中，實(shí)現(xiàn)安全駐車，且駐車過程中車輛的允許移動(dòng)距離不能超過150 mm。2）駐車自鎖性能。車輛完成駐車后，駐車機(jī)構(gòu)內(nèi)部必須能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖，即使在極限坡道及外力碰撞等情況下均不允許自動(dòng)解鎖，從而使車輛保持靜止。且當(dāng)車輛需要解除駐車時(shí)，在換擋力的作用下，駐車自鎖能夠順利解除。3）安全解鎖性能。駐車機(jī)構(gòu)必須能夠?qū)崿F(xiàn)車輛的安全解鎖要求。當(dāng)汽車需要行駛時(shí)，駐車機(jī)構(gòu)的解鎖過程必須順暢無卡頓，且棘爪在棘輪的反作用力下能夠順利從棘輪槽中彈出，保證車輛正常行駛。4）防止異常駐車性能。車輛在未進(jìn)行駐車操作時(shí)，駐車機(jī)構(gòu)不能出現(xiàn)異常駐車情況。即使在通過顛簸路段、車速較高、車輛劇烈抖動(dòng)時(shí)，也不能出現(xiàn)棘爪與棘輪異常接觸，造成異常駐車情況。

3 駐車機(jī)構(gòu)力學(xué)性能分析

3.1 安全駐車過程受力分析

由于在駐車過程中，棘輪與棘爪位置隨機(jī)結(jié)合，存在棘爪齒與棘輪齒相對(duì)的情況，所以車輛存在完成駐車操作后仍未被瞬間鎖定的現(xiàn)象。當(dāng)車輛在坡道停駐或受到?jīng)_擊時(shí)，棘輪仍會(huì)產(chǎn)生一定轉(zhuǎn)速，如棘爪不能及時(shí)進(jìn)入棘輪槽鎖定車輛，則車輛可能因滑動(dòng)產(chǎn)生較高車速，導(dǎo)致棘爪將無法被推入棘輪槽，造成駐車失敗，因此安全駐車的車速不能過高。駐車速度越高，對(duì)駐車機(jī)構(gòu)的沖擊就越大，駐車機(jī)構(gòu)的損壞風(fēng)險(xiǎn)也就越高，導(dǎo)致車輛的安全系數(shù)降低。圖2所示為駐車過程中的關(guān)鍵位置，對(duì)駐車過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

圖2 棘爪進(jìn)入棘輪槽的運(yùn)動(dòng)過程

設(shè)棘爪由頂齒位置進(jìn)入棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為θjl，棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為θjz。如圖3所示，以棘爪為分析對(duì)象，對(duì)棘爪在運(yùn)動(dòng)過程中的受力分析。

圖3 駐車棘爪運(yùn)動(dòng)受力分析

棘爪在進(jìn)入棘輪槽的過程中主要受到回位彈簧轉(zhuǎn)矩Tt、棘爪重力Gj、推桿彈簧力Fkj，根據(jù)棘爪受力平衡，棘爪所需的轉(zhuǎn)動(dòng)加速度αjz為

式中：R為車輪輪胎半徑；i為車輛主減速器傳動(dòng)比。

轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的車輛移動(dòng)距離Lcar為

式中，dm為車輪輪胎直徑。

由式（1）～式（6）分析可得，當(dāng)車速小于5 km/h且滿足駐車后移動(dòng)距離不大于150 mm，即可實(shí)現(xiàn)安全駐車。

3.2 駐車自鎖過程受力分析

在駐車操作完成后，棘爪在進(jìn)入棘輪槽的過程中，當(dāng)出現(xiàn)棘爪齒直接進(jìn)入棘輪槽或棘爪齒與棘輪齒相對(duì)的情況時(shí)，駐車推桿的作動(dòng)彈簧將被壓縮，對(duì)駐車搖臂產(chǎn)生較大的反作用力，如駐車機(jī)構(gòu)自身不能實(shí)現(xiàn)自鎖，駐車狀態(tài)將被解除，從而導(dǎo)致本次駐車失敗。如駐車機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)自鎖，則推桿作動(dòng)彈簧產(chǎn)生的反作用力不能將駐車狀態(tài)解除，從而將能量存儲(chǔ)起來，當(dāng)棘輪向前或向后移動(dòng)時(shí)，再次將棘爪推入棘輪槽，從而實(shí)現(xiàn)駐車。因此為了保證車輛的安全駐車，駐車機(jī)構(gòu)自鎖性能必須滿足在任何狀態(tài)下駐車狀態(tài)均不能自行解除。如圖4所示，以駐車搖臂為分析對(duì)象，對(duì)駐車機(jī)構(gòu)的自鎖工況進(jìn)行受力分析。

圖4 駐車機(jī)構(gòu)自鎖受力分析

駐車搖臂受到作動(dòng)彈簧的反作用力Ft，板簧的作用力Fb，則駐車搖臂受到的轉(zhuǎn)矩Ts為：

式中：Fn為板簧法向分力；Ln為駐車搖臂旋轉(zhuǎn)中心到板簧法向分力Fn的距離；Lt為駐車搖臂旋轉(zhuǎn)中心到作動(dòng)彈簧反作用力Ft的距離；Lb為駐車搖臂旋轉(zhuǎn)中心到板簧作用力Fb的距離；γ為板簧作用力Fb與法向切力Fn的夾角。

由式（7）～式（8）分析可知，當(dāng)駐車搖臂受到的轉(zhuǎn)矩Ts大于0時(shí)，駐車搖臂的位置將不能被推開，即可實(shí)現(xiàn)位置自鎖，從而保證駐車機(jī)構(gòu)處于自鎖狀態(tài)。同理，在非駐車狀態(tài)時(shí)，駐車機(jī)構(gòu)同樣需要滿足自鎖性能，從而避免駐車搖臂在沒有換擋力的作用下各擋位脫擋的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 安全解鎖過程受力分析

在駐車過程中，由于棘爪與棘輪未完全嚙合，駐車時(shí)只需克服作動(dòng)彈簧的反作用力和系統(tǒng)的摩擦力，通常所需的駐車力較小。而在駐車解鎖的過程中，由于棘輪與棘爪已完全嚙合，尤其是坡道工況，棘輪將承受整車的負(fù)載并反作用在棘爪上，從而導(dǎo)致駐車解鎖力較大。如駐車解鎖機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力是機(jī)械式，最大解鎖力高達(dá)80 N，嚴(yán)重影響車輛的駕駛體驗(yàn)。因此在保證駐車正常解鎖的情況下，駐車機(jī)構(gòu)的解鎖力設(shè)計(jì)時(shí)不宜過大。如圖5所示，以解鎖過程中的關(guān)鍵位置為例，對(duì)駐車解鎖過程中的駐車搖臂進(jìn)行受力分析。

圖5 駐車解鎖過程受力分析

駐車搖臂在解鎖過程中，主要受到棘爪和導(dǎo)軌對(duì)作動(dòng)塊的合力F，板簧的作用力Fb，則所需的解鎖力Fy為

式中：Ly為駐車搖臂旋轉(zhuǎn)中心到解鎖力Fy的距離；Lh為駐車搖臂旋轉(zhuǎn)中心到合力F的距離。

當(dāng)駐車搖臂在換擋力的作用下解除駐車自鎖狀態(tài)后，棘爪應(yīng)能夠在無外力的作用下從棘輪槽中彈出，自此整個(gè)駐車解鎖過程順利完成，棘輪約束得到釋放，變速器動(dòng)力實(shí)現(xiàn)正常輸出。如圖6所示，以棘爪為研究對(duì)象，對(duì)棘爪進(jìn)行受力分析。

圖6 駐車棘爪自動(dòng)彈出受力分析

棘爪受到棘輪反作用的壓力Fwp，以及棘輪棘爪之間的摩擦力fwp，則棘爪的彈出能力系數(shù)β為：

式中：Lwp為棘爪旋轉(zhuǎn)中心到作用力Fwp的距離；Lf為棘爪旋轉(zhuǎn)中心到摩擦力fwp的距離；μ為棘輪與棘爪之間的摩擦因數(shù)。

由式（9）～式（11）分析可知，當(dāng)要滿足駐車棘爪能從駐車棘輪的齒槽中自動(dòng)脫出，則棘爪的彈出能力系數(shù)β＞1時(shí)，棘爪即可在無外力的作用下從棘輪齒槽中自動(dòng)脫出。

3.4 防止異常駐車過程受力分析

車輛在顛簸路段行駛時(shí)，尤其車速較高時(shí)，車輛產(chǎn)生劇烈的抖動(dòng)將會(huì)間接傳遞至棘爪位置，使棘爪產(chǎn)生較大的加速度，遠(yuǎn)大于棘爪正常駐車時(shí)的加速度，棘爪就存在與棘輪異常嚙合的風(fēng)險(xiǎn)，若因此導(dǎo)致異常駐車將非常危險(xiǎn)。為了避免這種情況的發(fā)生，棘爪的回位彈簧要有足夠的安裝轉(zhuǎn)矩。如圖7所示，以非駐車狀態(tài)為例，對(duì)棘爪受力分析進(jìn)行分析。

圖7 駐車棘爪受力分析

棘爪主要受到自身重力Gj，駐車推桿反作用力Fkj，回位彈簧轉(zhuǎn)矩Tt，由棘爪受力平衡可得

式中，k為回位彈簧安全系數(shù)。

由式（12）分析可知，當(dāng)回位彈簧的安全系數(shù)k≥1時(shí)，即可保證棘爪位置固定，考慮顛簸路況的振動(dòng)加速度較大，通常在駐車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，回位彈簧的安全系數(shù)取5倍值。

4 結(jié)語

駐車機(jī)構(gòu)的性能及可靠性對(duì)于車輛的安全性有著重要的影響。本文以某一款自動(dòng)變速器中的液壓式駐車機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)駐車機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵性能歸納總結(jié)，并通過對(duì)駐車機(jī)構(gòu)在安全駐車、自鎖、安全解鎖、防止異常駐車等4項(xiàng)關(guān)鍵性能的力學(xué)特性為研究對(duì)象，通過相應(yīng)理論計(jì)算，提出駐車機(jī)構(gòu)各項(xiàng)性能的影響因素及可量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，為駐車機(jī)構(gòu)的可靠性能評(píng)估提供理論參考。本文雖然以液壓式駐車機(jī)構(gòu)為研究，但研究方法同樣適用于機(jī)械式駐車機(jī)構(gòu)和電動(dòng)式駐車機(jī)構(gòu)。