變速器駐車(chē)爪限位塊斷裂分析和解決方法

莫發(fā)堂，李懷習(xí)，文敏

1.柳州孔輝汽車(chē)科技有限公司 廣西柳州 545005 2.柳州上汽汽車(chē)變速器有限公司柳東分公司 廣西柳州 545005

目前大多數(shù)自動(dòng)變速器有P擋（駐車(chē)擋），其功能是車(chē)輛駐車(chē)后保持整車(chē)靜止不動(dòng)[1]，即使受到一定的外力也會(huì)保持車(chē)輛靜止?fàn)顟B(tài)，實(shí)現(xiàn)這一功能的機(jī)構(gòu)一般包含棘輪、棘爪、操縱桿，而直接實(shí)現(xiàn)駐車(chē)功能的駐棘爪也被稱(chēng)為駐車(chē)爪。由于P擋涉及整車(chē)和人身安全，所以要求駐車(chē)機(jī)構(gòu)各部件要通過(guò)嚴(yán)苛的耐久可靠性試驗(yàn)。本文將介紹一例變速器駐車(chē)機(jī)構(gòu)在駐車(chē)濫用試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)駐車(chē)失效的原因分析以及解決方法。

問(wèn)題出現(xiàn)背景

為了保證駐車(chē)機(jī)構(gòu)具有嚴(yán)苛的可靠性，整車(chē)在量產(chǎn)前會(huì)進(jìn)行一系列的駐車(chē)濫用試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證駐車(chē)機(jī)構(gòu)的可靠性。在進(jìn)行1000次10km/h的車(chē)速下強(qiáng)行掛入P擋直至車(chē)輛停止的駐車(chē)濫用耐久試驗(yàn)?zāi)┢冢l(fā)現(xiàn)有一個(gè)駐車(chē)失效，后續(xù)檢查變速器，發(fā)現(xiàn)變速器后殼體開(kāi)裂，此處正是駐車(chē)爪限位塊位置，斷裂情況見(jiàn)圖1所示。

圖1 駐車(chē)爪限位塊斷裂

問(wèn)題分析

駐車(chē)濫用工況下，由于掛入P擋時(shí)車(chē)輛存在一定的車(chē)速，此時(shí)，駐車(chē)爪工作面與棘輪工作面碰撞，產(chǎn)生較大沖擊力，但此時(shí)駐車(chē)爪并未與錐子形成自鎖，駐車(chē)爪以一定的速度脫出，從而敲擊駐車(chē)爪限位塊，關(guān)系如圖2所示。

圖2 駐車(chē)濫用情況

由于碰撞力計(jì)算較為復(fù)雜，本文引用ADAMS軟件建模，剛體j的直角坐標(biāo)和歐拉角作為廣義坐標(biāo)，對(duì)于有n個(gè)剛體的系統(tǒng)，機(jī)械動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型見(jiàn)式1。并且，為了提升計(jì)算效率，采用Gear的剛性積分算法以及稀疏矩陣技術(shù)求解[2，3]。

式中T——系統(tǒng)動(dòng)能；

q——廣義坐標(biāo)列陣；

Q——廣義力列陣；

r——完整約束的拉氏乘子列陣；

m——非完整約束的拉氏乘子列陣；

為了更直觀，建立碰撞計(jì)算模型

式中Fn——接觸面法向力（N）；

K——接觸剛度（N/mm）；

s——接觸點(diǎn)的法向穿透深度（mm）；

e——力的指數(shù)；

C——阻尼分量（N.s/mm）；

υ——相對(duì)法向碰撞速度（mm/s）。

由于駐車(chē)系統(tǒng)較復(fù)雜，結(jié)合費(fèi)寧忠等[4]以等效慣量法建立的駐車(chē)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，本文簡(jiǎn)化了計(jì)算模型，忽略變速器到車(chē)輪端各軸的慣量影響，直接等效慣量計(jì)算，以前驅(qū)車(chē)為例計(jì)算見(jiàn)式（3）。

式中m——前軸軸荷（kg）；

υ——車(chē)速(m/s)；

J——棘輪等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

ù——棘輪角速度（rad/s）；

i——棘輪到輪端傳動(dòng)比；

r——輪胎滾動(dòng)半徑（m）。試驗(yàn)車(chē)輸入數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)車(chē)輸入數(shù)據(jù)

基于ADAMS多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算中偶有發(fā)散，采用不同的時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算，可能得到不同的仿真分析曲線，即使采用柔性體建模[5]仿真，模型的接觸算法依然沒(méi)有ABAQUS動(dòng)態(tài)計(jì)算算法準(zhǔn)確，但對(duì)撞擊后的駐車(chē)爪反彈速度影響不大，所以只用ADAMS提取駐車(chē)爪的反彈角速度。利用ABAQUS動(dòng)態(tài)仿真模擬駐車(chē)濫用工況下駐車(chē)爪反彈速度和限位塊應(yīng)力的關(guān)系，adams多體動(dòng)力學(xué)仿真駐車(chē)濫用時(shí)駐車(chē)爪反彈角速度分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 駐車(chē)速度與駐車(chē)爪反彈速度

當(dāng)駐車(chē)爪角速度100rad/s時(shí)，ABAQUS動(dòng)態(tài)仿真限位塊最大應(yīng)力區(qū)域如圖4紅圈所示，其他角速度限位塊應(yīng)力云圖分布情況大同小異。

圖4 原結(jié)構(gòu)限位塊應(yīng)力云圖

為了直觀顯示，將動(dòng)態(tài)仿真分析結(jié)果整理如圖5所示。

圖5 駐車(chē)爪反彈速度與限位塊應(yīng)力關(guān)系

經(jīng)分析，當(dāng)車(chē)速在10～12km/h的速度強(qiáng)行掛P擋時(shí)，駐車(chē)爪最大反彈速度達(dá)到95rad/s，此時(shí)限位塊應(yīng)力238MPa，超過(guò)抗拉強(qiáng)度，并且最大應(yīng)力位置和駐車(chē)濫用試驗(yàn)限位塊斷裂位置一致，和試驗(yàn)工程師了解后，由于直觀用眼觀測(cè)試驗(yàn)車(chē)時(shí)速表有較大誤差，駐車(chē)時(shí)速有超過(guò)10km/h的情況發(fā)生。

解決方法與驗(yàn)證

根據(jù)公式1和公式2可推斷出優(yōu)化方案有：

1）優(yōu)化駐車(chē)爪形貌，可以降低駐車(chē)爪和棘輪碰撞時(shí)的法向速度，即減少駐車(chē)爪和限位塊的撞擊力。

2）優(yōu)化后殼體限位塊，提升限位塊本身的抗沖擊能力。

結(jié)合優(yōu)化方案，對(duì)結(jié)構(gòu)更改如圖6和圖7所示。

圖6 限位塊更改

圖7 駐車(chē)爪結(jié)構(gòu)更改

當(dāng)駐車(chē)爪角速度100rad/s時(shí)，ABAQUS動(dòng)態(tài)仿真限位塊最大應(yīng)力區(qū)域如圖8紅圈所示，其他角速度限位塊應(yīng)力云圖分布情況大同小異。

圖8 優(yōu)化結(jié)構(gòu)限位塊應(yīng)力云圖

ABAQUS動(dòng)態(tài)仿真分析優(yōu)化方案和原方案結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 原方案和優(yōu)化方案分析結(jié)果

經(jīng)分析，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)即使在車(chē)速60km/h的速度強(qiáng)行掛P擋時(shí)，駐車(chē)爪最大反彈速度達(dá)到50rad/s，此時(shí)限位塊應(yīng)力127.8MPa，小于材料屈服強(qiáng)度。后續(xù)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，證明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)能完成1000次車(chē)速10km/h的駐車(chē)濫用試驗(yàn)，并能通過(guò)3次60km/h持續(xù)時(shí)間4s的60km/h的超極端駐車(chē)濫用試驗(yàn)。試驗(yàn)后拆機(jī)圖片如圖9所示，限位塊完好，駐車(chē)爪工作區(qū)域有輕微磨損，但仍保持駐車(chē)功能。

圖9 優(yōu)化結(jié)構(gòu)試驗(yàn)拆機(jī)

結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)駐車(chē)濫用試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)仿真分析，得出優(yōu)化駐車(chē)結(jié)構(gòu)的方案，并運(yùn)用試驗(yàn)驗(yàn)證方案的可靠性，對(duì)駐車(chē)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。