自動變速器P擋駐車機(jī)構(gòu)原理、結(jié)構(gòu)與性能分析

孔田增，朱中文

（1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.廣汽三菱汽車有限公司，湖南 長沙 410000）

前言

自動變速器作為自動擋車型的典型標(biāo)志，其類型主要有以下4種：電控液力自動變速器（AT）、電控機(jī)械式自動變速器（AMT）、電控機(jī)械無級自動變速器（CVT）和雙離合變速器（DCT）。自動變速器的車型通常配有：P、R、N、D 四個(gè)擋位，分別實(shí)現(xiàn)：駐停、倒車、空擋和前進(jìn)。P擋一般在排擋操作臺的最前位置，在R擋的前面，通過操縱P擋將變速器輸出軸部分進(jìn)行機(jī)械鎖止來達(dá)到固定車輛目的特殊空擋，其核心功能就是停車后的剎車，防止車輛移動，實(shí)現(xiàn)汽車持久安全、可靠地在平直路面和坡道上停車。為了增加汽車駐停的效果，通常在汽車停穩(wěn)后掛P擋與機(jī)械式手剎或電子手剎配合使用。因此，P擋駐車鎖止機(jī)構(gòu)的工作的可靠性對于車輛安全性有著十分重要的影響[1]。

1 駐車機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與工作原理

駐車機(jī)構(gòu)是自動變速器關(guān)鍵裝置之一，手動變速器不存在相應(yīng)的機(jī)構(gòu)。自動變速器類型繁多，駐車機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)也不盡相同[2]。駐車方式主要有機(jī)械助力式和電動助力式鎖止機(jī)構(gòu)兩種類型。機(jī)械式主要是通過拉索控制P擋的鎖止與解除。采用拉索結(jié)構(gòu)，需考慮拉線曲率布置，對整車空間有要求，同時(shí)要有一定的操縱力，而且換擋器在中控臺也占用一定空間。電動式主要通過控制驅(qū)動電機(jī)正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)P擋的鎖止與解除，其特點(diǎn)是節(jié)省空間，無須拉索，方便連接，靈活的結(jié)構(gòu)布局，同時(shí)提升操縱性能，降低坡道P擋解除力。一般駐車機(jī)構(gòu)包括：鎖止齒輪、鎖銷棘爪、駐車執(zhí)行機(jī)構(gòu)和擋位傳感器組成，而駐車執(zhí)行機(jī)構(gòu)有機(jī)械驅(qū)動和電動（液）驅(qū)動類型。通過鎖住自動變速箱輸出齒輪，也就是鎖住了傳動部分，達(dá)到傳動系統(tǒng)與變速箱分離目的。圖1和圖2分別為電動式和機(jī)械式駐車機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。電動駐車機(jī)構(gòu)就是機(jī)械式駐車執(zhí)行機(jī)構(gòu)用電動機(jī)驅(qū)動來代替。

圖1 電動式駐車機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖2 機(jī)械式駐車機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

其工作過程為：駐車棘輪通過內(nèi)花鍵安裝在輸出軸上，通過鎖定駐車棘輪從而實(shí)現(xiàn)駐車鎖止功能。當(dāng)駕駛員駐出P擋時(shí)，外操縱機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成電信號給TCU，TCU輸出指令信號控制驅(qū)動電機(jī)1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，通過減速器2將動力傳遞給驅(qū)動軸總成3，使驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)，凸輪5安裝在驅(qū)動軸總成3上，帶動凸輪5的旋轉(zhuǎn)，凸輪5的遠(yuǎn)端壓在棘爪6上，當(dāng)棘輪8的凹槽與棘爪的齒相嚙合時(shí)，鎖止輸出軸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)P擋駐車。當(dāng)退出P擋時(shí)，外操縱機(jī)構(gòu)給信號TCU控制器，此時(shí)TCU輸出指令給驅(qū)動電機(jī)總成1，使其反轉(zhuǎn)，帶動驅(qū)動軸總成3反轉(zhuǎn)，使凸輪5轉(zhuǎn)至近端，棘爪6在回位扭簧7的作用力下與棘輪8脫開，解除P擋鎖止。

其工作過程為：當(dāng)駕駛員掛入P擋位置時(shí)帶動換擋桿1，換擋桿1的轉(zhuǎn)動帶動換擋轉(zhuǎn)軸2轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸2與轉(zhuǎn)塊4連接，轉(zhuǎn)塊4上有限位凹槽，與止動限位鎖配合，當(dāng)轉(zhuǎn)塊4拉動推（拉）鎖桿7的移動，在推（拉）鎖桿7上安裝了導(dǎo)向套管回位彈簧8和導(dǎo)向錐套管9，推（拉）鎖桿7 的移動將帶動導(dǎo)向錐套管9的移動，最后錐套管9壓在（脫開）鎖止棘爪12上，當(dāng)鎖止棘爪12的齒正好和鎖止齒輪13的齒槽相遇時(shí)，在壓力作用下棘爪齒與鎖止齒輪齒槽嚙合，實(shí)現(xiàn)駐車。若鎖止棘爪的齒不能伸入駐車鎖止齒輪齒槽內(nèi)時(shí)，而是卡在齒頂時(shí)，推（拉）鎖桿7上安裝的導(dǎo)向套管回位彈簧8被壓縮，導(dǎo)向錐套管9卡在鎖止齒輪13之間，而推（拉）鎖桿7繼續(xù)沿導(dǎo)向錐套管9移動，使駐車P擋能正常掛上駐車P擋，但并沒有正常駐停車輛，當(dāng)車輛出現(xiàn)“溜車”時(shí)，不管前溜還是后溜，駐車鎖止齒輪13隨著輸出軸轉(zhuǎn)動，當(dāng)鎖止棘爪12的齒再次和鎖止齒輪13的齒槽正好“相遇”時(shí)，最終駐車棘爪在壓力作用下將棘爪齒壓入鎖止齒輪13的齒槽內(nèi)，鎖止輸出軸的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)車輛駐停。與此同時(shí)，棘爪回位彈簧10受到壓縮。實(shí)際上回位彈簧10裝配時(shí)有一定的預(yù)壓縮量。當(dāng)退出P擋時(shí)，在棘爪回位彈簧10作用下，棘爪回位彈簧為預(yù)壓縮彈簧，棘爪12與鎖止齒輪13脫開，解除P擋鎖止。

兩種操縱方式和操縱力也有很大不同，如圖3所示，機(jī)械式駐出P擋所需要的力比旋鈕式的大，因此機(jī)械式需要一定的駐出力或解擋力，而電動式只需要旋轉(zhuǎn)旋鈕到相應(yīng)P擋位，通過電信號控制驅(qū)動電機(jī)代替機(jī)械拉鎖一整套機(jī)構(gòu)。雖然電動式駐車機(jī)構(gòu)操作簡便，但是電動機(jī)、電子元器件存在一定的工作安全可靠度問題，因此，也存在一定的弊端。

圖3 P擋位輸入力與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同

2 駐車機(jī)構(gòu)功能和法規(guī)與技術(shù)要求

2.1 對駐車機(jī)構(gòu)要求能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能

（1）汽車換擋操作的安全性。當(dāng)汽車處于某一擋位時(shí)，要可靠地實(shí)現(xiàn)擋位的保持[3]，不能自行脫擋。汽車需要行駛時(shí)，駐車機(jī)構(gòu)能夠使汽車順利摘出P擋，解除駐車制動。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)不能自動駐車。

（2）安全的駐車速度。保證汽車高速行駛時(shí)不會因?yàn)橛脩粽`操作而掛入P擋；同時(shí)要求汽車在以≤5 km/h的速度行駛時(shí)，該機(jī)構(gòu)能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)安全駐車，而且不會損壞變速器內(nèi)部零件，尤其是鎖止棘爪和齒輪，這意味著棘爪和齒輪要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。

（3）可靠的汽車的駐車性能，特別是在坡道上的駐車需求，并保證該機(jī)構(gòu)具有一定的使用壽命。即要求該結(jié)構(gòu)在車輛許用適用范圍內(nèi)輕松實(shí)現(xiàn)駐車，在車輛駐入P擋后，車輛的移動距離不超過30 mm；為了滿足汽車的使用需求，要求該換擋駐車機(jī)構(gòu)的在循環(huán)使用十萬次無任何異常和零件損壞。意味著對棘爪和棘輪之間合理的配合間隙、結(jié)構(gòu)尺寸和材料性能的要求。

（4）汽車換擋操作的舒適性和安全性要求。為了保證駕駛?cè)说牟倏v舒適性，在掛入或脫出某一擋位時(shí)，換擋力不能過大或換擋手感不清晰，即合適的換擋力，一般要求換擋軸末端的力矩在 0.8 N·m～3 N·m，意味著換擋力不能過大，過大引起操縱不適，甚至不能駐出P擋。換擋力也不能過小，不能隨便碰撞擋位而誤掛入P擋。

2.2 駐車機(jī)構(gòu)主要相關(guān)法規(guī)與技術(shù)要求

（1）GB 7258—2017《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》[4-5]：在空載狀態(tài)下，駐車制動裝置應(yīng)能保證車輛在坡度為 20%、輪胎與路面間的附著系數(shù)大≥0.7 的坡道上正、反兩個(gè)方向保持駐車。達(dá)到規(guī)定駐車效能時(shí)的手柄操縱力≤400 N。

（2）GB 7258—2017《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》 要求駐車制動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。

（3）GB 21670—2008《乘用車制動系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》：駐車制動系統(tǒng)應(yīng)能使?jié)M載車輛在坡度為20%的上、下坡道上保持靜止；達(dá)到規(guī)定駐車效能時(shí)控制力≤400 N；動態(tài)駐車時(shí)充分發(fā)出的平均減速度和停車前的瞬時(shí)減速度 ≥1.5 m/s2。

3 駐車機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)分析

當(dāng)車輛進(jìn)行P擋駐車時(shí)，根據(jù)鎖止機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析，棘爪與棘輪配合存在兩種狀態(tài)，如圖4和圖5所示。

圖4 棘爪壓在齒輪齒頂上未實(shí)現(xiàn)鎖止

圖5 棘爪壓在齒輪齒槽里實(shí)現(xiàn)鎖止

駕駛員在駐出P擋時(shí)，P擋擋位顯示也沒有問題，但是實(shí)際上棘爪壓在鎖止齒輪齒頂外圓上，如圖4狀態(tài)，此時(shí)，如果車輛靜止不動，P擋駐車鎖止機(jī)構(gòu)就是處于待嚙合狀態(tài)，如果車輛有些微溜車（不管前溜還是后溜，還是在平直路面上），在推（拉）導(dǎo)桿和導(dǎo)向套管回位彈簧力的作用下，棘爪將瞬間“鑲嵌”在離最近的Z1或Z2齒輪齒槽中，如圖5所示，鎖住變速器輸出軸的轉(zhuǎn)動，切斷動力傳遞系統(tǒng)，使車輛可靠安全停穩(wěn)。在棘爪與齒輪嚙合過程中會產(chǎn)生碰撞沖擊，這種沖擊載荷比較輕微，一般來說對車輛變速箱基本沒有傷害。但在行車過程中誤掛或者沖擊比較大時(shí)，是否有傷害，需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 駐車機(jī)構(gòu)力學(xué)性能分析

鎖止齒輪輸出軸裝配于自動變速箱主軸上，主減速器和差速器裝配于主減速箱內(nèi)。圖6所示車輛動力傳遞結(jié)構(gòu)示意圖：

圖6 動力傳遞結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)動力傳遞路線，當(dāng)駐出P擋時(shí)，鎖止齒輪和棘爪所受作用力的傳遞路線：車輪→半傳動軸→差速器→主減速器→輸出軸→鎖止齒輪→棘爪。

4.1 車輛駐停坡道時(shí)棘爪與棘輪不自鎖的條件

駐車機(jī)構(gòu)受力大小隨坡道角度的變化而變化。車輛停放平路時(shí)，駐車機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)受力越大。以上坡時(shí)棘輪與棘爪的受力為例，以鎖止棘爪孔為回轉(zhuǎn)中心，分析簡圖如圖7所示：

圖7 棘輪與棘爪接觸點(diǎn)受力

根據(jù)受力分析，車輛在最大坡度上保持安全可靠停車，且要順利解擋必須滿足如下條件：

式中：Fz=μFf

μ：棘爪與齒輪接觸面的摩擦系數(shù)；

Fz：棘輪對棘爪的正壓力；

L1：棘爪自動脫開力臂；

Ff：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；

Fkx：回位彈簧產(chǎn)生的彈力，即彈簧壓縮力；

L3：回位彈簧彈力中心到棘爪孔中心距離；

R：棘爪設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸；

θ：當(dāng)棘爪回轉(zhuǎn)時(shí)，回位彈簧彈力變化角度，此角度很小，可忽略影響。

滿足以上關(guān)系式即可解擋后棘輪與棘爪自動脫開，即棘輪和棘爪不會產(chǎn)生自鎖。為保證安全解鎖，棘爪回位壓縮彈簧能有效阻止棘爪擺動或意外駐車。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度，回位彈簧的剛度、壓縮量以及棘爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸L1、L2、L3和R直接影響駐車鎖止機(jī)構(gòu)能否順利解擋的問題，因此這些參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是駐車鎖止機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵所在。

4.2 車輛駐停坡道時(shí)最大坡度角的計(jì)算

駐車鎖止機(jī)構(gòu)運(yùn)動是很復(fù)雜的過程，影響駐車性能的參數(shù)很多。圖8所示為車輛停止在上坡道時(shí)的受力情況，坡道傾角為α，輪距L，后輪與車輛重心的距離為a，后輪與車輛重心的距離為b，車輛重心距地面高度hg，車輪半徑R。

圖8 坡道駐停時(shí)受力分析

（1）車輛受到坡道阻力Fi，其大小是汽車重力分力：

（2）車輛滾動阻力Ff：

其中，Gcosα為上坡時(shí)垂直于道路面的汽車重力分力，f為滾動阻力系數(shù)，m為汽車整體質(zhì)量。

（3）汽車輪胎地面附著力Fφ：

根據(jù)文獻(xiàn)6[6]中的公式14，后軸驅(qū)動汽車地面附著力Fφ為：

式中：φ為地面對輪胎附著系數(shù)；f為滾動阻力系數(shù)，L為輪距，其中參數(shù)a、hg根據(jù)GB T12538—2003《兩軸道路車輛重心位置的測定》標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算[7]。

因此，車輛在坡道上靜止的條件：Fφ≥Fi+Ff

即：

即求解三角函數(shù)方程求得駐停坡道上是最大坡度角α為：

5 結(jié)束語

目前，自動變速器駐車機(jī)構(gòu)如結(jié)構(gòu)尺寸、鎖止車速、移動距離、解擋力等方面的分析研究比較少，也缺少強(qiáng)制性相關(guān)法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。自動變速器駐車鎖止機(jī)構(gòu)是關(guān)系行車安全的關(guān)鍵系統(tǒng)，要求其設(shè)計(jì)簡單而可靠，但對其性能要求相當(dāng)高，而結(jié)構(gòu)形式多樣，各個(gè)零部件間關(guān)系也不是一成不變，從機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)角度分析，駐車機(jī)構(gòu)能否在惡劣工況下不發(fā)生自鎖，能順利駐車或解除，有諸多約束條件，如坡度角、輪胎與地面摩擦系數(shù)、彈簧剛度、棘爪結(jié)構(gòu)尺寸等。本文對駐車機(jī)構(gòu)及關(guān)鍵件的設(shè)計(jì)提供了一定的研究方法。