□ 王 娟

科力遠(yuǎn)混合動力技術(shù)有限公司 上海 201501

汽車工業(yè)正向著節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適等方向發(fā)展。由于混合動力汽車能實(shí)現(xiàn)純電動行駛和大部分制動能量回收，所以較傳統(tǒng)的汽車具有油耗低、排放低的特點(diǎn)?；旌蟿恿ψ鳛橐环N技術(shù)，在不遠(yuǎn)的將來將是燃料電池替換內(nèi)燃機(jī)的重要過渡技術(shù)，對燃料電池混合動力汽車（FCHEV）的開發(fā)將會起到重要作用。我司多年來從事混合動力變速箱的研發(fā)，正是順應(yīng)了汽車工業(yè)發(fā)展的要求。

駐車機(jī)構(gòu)是混合動力變速箱的關(guān)鍵安全裝置，為混合動力變速箱的安全性提供了保障。為此，必然對駐車機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度、耐用性、可靠性提出較高的要求。此外，駐車機(jī)構(gòu)還要滿足以下功能要求：①能實(shí)現(xiàn)在16.7°坡道上鎖止和打開；② 當(dāng)汽車停駛時，若棘爪落在棘輪齒頂，駐車機(jī)構(gòu)也能鎖止；③ 當(dāng)車速超過5 km/h，駐車機(jī)構(gòu)不能結(jié)合；④當(dāng)車速超過11 km/h，控制系統(tǒng)拒絕駐車操作。為了滿足上述功能要求，在方案設(shè)計(jì)階段，需要做一些必要的分析計(jì)算。駐車機(jī)構(gòu)按棘輪布置的位置可以分為兩類：①位于變速箱差速器或半軸上；②位于變速箱輸入軸上。如布置于差速器或半軸上，駐車機(jī)構(gòu)需要鎖止的扭矩通常較高，零件設(shè)計(jì)通常較厚實(shí)、笨重，不利于輕量化；布置于輸入軸上，可以實(shí)現(xiàn)零件質(zhì)量的輕量化，是駐車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

1 CHS混合動力變速箱駐車機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和原理

▲圖1 CHS混合動力變速箱駐車機(jī)構(gòu)

圖1為CHS混合動力變速箱駐車機(jī)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使用電機(jī)驅(qū)動螺母旋轉(zhuǎn)，與螺母配合的螺桿由于支座的作用水平移動，螺桿帶動其上的擋塊推動棘爪進(jìn)入棘輪槽。當(dāng)棘爪齒頂與棘輪齒頂接觸時，螺桿行至最終位置，擋塊被棘爪擋住不能和螺桿一起運(yùn)動，從而進(jìn)一步壓縮螺旋壓縮彈簧（螺旋壓縮彈簧有預(yù)載）。一旦車輛晃動，螺旋壓縮彈簧就能推動擋塊，從而將棘爪齒駐入棘輪槽。該機(jī)構(gòu)使用的是普通螺紋傳動，在螺桿行至兩端極限位置時，有鎖死的風(fēng)險，所以加裝了位置傳感器來檢測駐車機(jī)構(gòu)閉合和打開的位置，在螺桿到達(dá)極限位置前，使螺桿停止運(yùn)動。駐車閉合時，電機(jī)控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)驅(qū)動螺母帶動螺桿運(yùn)動，螺桿上的彈性圓柱銷推動位置傳感器驅(qū)動軸上的彈性圓柱銷轉(zhuǎn)動，再帶動位置傳感器驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，位置傳感器驅(qū)動軸再帶動位置傳感器轉(zhuǎn)動。位置傳感器轉(zhuǎn)動過程中將位置信號傳給電機(jī)控制器，由電機(jī)控制器控制電機(jī)啟動或停止扭矩輸出。駐車打開時，電機(jī)控制器控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動螺母帶動螺桿退回，位置傳感器在回位彈簧的作用下回到初始位置時，發(fā)出信號給電機(jī)控制器，控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。該機(jī)構(gòu)經(jīng)過實(shí)車檢驗(yàn)，能在平地和16.7°坡道上實(shí)現(xiàn)駐車基本功能。經(jīng)過30 000次耐久臺架試驗(yàn)，駐車機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行，且無異常磨損。實(shí)踐證明，該機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度、耐用性滿足要求。由于該機(jī)構(gòu)依靠控制器控制電機(jī)啟停，傳動系統(tǒng)的磨損和壓縮彈簧的自由長度變化等原因使每次機(jī)械結(jié)構(gòu)打開、鎖止時的位置并非完全一樣，這就給控制上帶來了困難。在實(shí)車上就有由于機(jī)械結(jié)構(gòu)問題和電機(jī)控制器精度誤差較大而引起螺紋被鎖死的情況，筆者正在更新控制程序和優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)。

2 CHS混合動力變速箱駐車機(jī)構(gòu)問題

該機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中，存在一些問題：① 位置傳感器的實(shí)際工作區(qū)間偏在理論工作區(qū)間的一邊；②駐車卡死；③棘爪齒卡在棘輪槽里不能彈出；④螺旋壓縮彈簧的理論計(jì)算壽命只有1萬次。

2.1 位置傳感器的實(shí)際工作區(qū)間偏在理論工作區(qū)間的一邊

臺架試驗(yàn)時，通過檢測傳感器的電壓，發(fā)現(xiàn)位置傳感器的實(shí)際工作區(qū)間不是覆蓋傳感器大部分理論工作區(qū)間，而是偏在一邊，有損壞傳感器的風(fēng)險。由于位置傳感器由位置傳感器驅(qū)動軸驅(qū)動，要想避免傳感器損壞，應(yīng)該優(yōu)化位置傳感器驅(qū)動軸，使位置傳感器驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)角覆蓋位置傳感器的大部分工作區(qū)域。從結(jié)構(gòu)上看，位置傳感器驅(qū)動軸與位置傳感器以一個削平的面連接，而位置傳感器驅(qū)動軸通過其上的彈性圓柱銷驅(qū)動。要想使位置傳感器驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)角覆蓋位置傳感器的大部分工作區(qū)域，必須計(jì)算好削面與銷孔中心的夾角β，圖2所示為位置傳感器位置信號輸出曲線圖，圖3所示為削面與銷孔中心的夾角。

▲圖2 位置信號輸出曲線圖

▲圖3 削面與銷孔中心的夾角

通過修改角度β，位置傳感器驅(qū)動軸轉(zhuǎn)角覆蓋了位置傳感器大部分工作區(qū)域，能滿足位置傳感器的使用要求。

2.2 駐車鎖死

試驗(yàn)人員反饋，整車試驗(yàn)時，駐車鎖死且無法解開。拆箱后發(fā)現(xiàn)，位置傳感器驅(qū)動軸上的彈性圓柱銷與螺桿上的彈性圓柱銷間有較大的間隙，如圖4所示。位置傳感器不能正確反映駐車位置，易造成駐車鎖死。可以通過調(diào)整位置傳感器回位彈簧參數(shù)，使其安裝時產(chǎn)生一定預(yù)載，來消除兩圓柱銷間的間隙，保證位置傳感器能準(zhǔn)確及時地反映駐車位置。由于位置傳感器回位彈簧一端安裝在位置傳感器驅(qū)動軸的彈性圓柱銷上，另一端擱在箱體上，需要確定好螺桿安裝的初始位置和彈簧的初始角度（圖5中γ角）。

在確定了螺桿安裝的初始位置后，調(diào)整γ角，使位置傳感器回位彈簧產(chǎn)生足夠的預(yù)載荷，消除了兩圓柱銷間的間隙，使位置傳感器能準(zhǔn)確及時地反映駐車位置。從而消除了由于位置傳感器不能正確反映駐車位置，而引起駐車鎖死的問題。

2.3 棘爪齒卡在棘輪槽里不能彈出

▲圖4 兩圓柱銷間有間隙

▲圖5 位置傳感器回位彈簧初始角度

臺架試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，棘爪齒卡在棘輪槽里不能彈出。用手撥動棘爪，棘爪可脫離棘輪槽。經(jīng)過復(fù)現(xiàn)故障發(fā)現(xiàn)，由于棘爪與駐車圓柱銷是間隙配合，棘爪在圓柱銷上的軸向運(yùn)動空間較大 （棘爪端面的定位卡簧與棘爪間有1 mm間隙），且箱體的棘爪支撐面比支座的棘爪支撐面低2 mm，使棘爪在轉(zhuǎn)動過程中受力不均，棘爪在駐車圓柱銷上有軸向竄動，由于該竄動引起棘爪不能彈回。

通過對棘爪軸向的安裝尺寸鏈計(jì)算，調(diào)整了棘爪上的卡簧槽位置；同時修改箱體的棘爪支撐面高度，使其與支座的棘爪支撐面等高，從而解決了由于棘爪與駐車圓柱銷軸向竄動引起的駐車失效。由此可見，有時，一個細(xì)節(jié)的疏忽可能會導(dǎo)致機(jī)構(gòu)失效。

2.4 螺旋壓縮彈簧的理論壽命只有1萬次

由于螺旋壓縮彈簧的安裝空間限制和載荷的需求，使彈簧的理論壽命只有1萬次，遠(yuǎn)達(dá)不到3萬次的壽命要求。為此，筆者做了3萬次的壓縮彈簧耐久試驗(yàn)，圖6所示為螺旋壓縮彈簧剛度與次數(shù)的關(guān)系。驗(yàn)證了壓縮彈簧的壽命達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由此可以看出，理論計(jì)算和實(shí)際操作有時存在相當(dāng)大的差距，需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整理論計(jì)算方法。

▲圖6 螺旋壓縮彈簧剛度與次數(shù)的關(guān)系

3 豐田普銳斯混合動力變速箱駐車機(jī)構(gòu)簡介及與CHS混合動力變速箱駐車機(jī)構(gòu)的比較

豐田普銳斯是領(lǐng)導(dǎo)新時代潮流的混合動力轎車典范，其核心部件是混合動力變速箱，圖7是豐田普銳斯混合動力變速箱駐車機(jī)構(gòu)。豐田普銳斯混合動力變速箱駐車機(jī)構(gòu)使用電機(jī)驅(qū)動，齒片結(jié)構(gòu)傳動，齒片結(jié)構(gòu)如圖8所示。齒片一端套在電機(jī)軸上，另一端套在駐車桿上，兩齒槽各對應(yīng)駐車位置和行車位置。駐車閉合時，電機(jī)驅(qū)動齒片旋轉(zhuǎn)至駐車位置，鎖定裝置將齒片固定在駐車位置上。齒片旋轉(zhuǎn)時推動駐車桿上移，駐車桿上的擋塊將棘爪卡入棘輪槽。駐車打開時，電機(jī)反轉(zhuǎn)驅(qū)動齒片反轉(zhuǎn)至行車位置，鎖定裝置將齒片固定在行車位置上。齒片旋轉(zhuǎn)時帶動駐車桿下移，棘爪在棘爪回位彈簧的作用下回到駐車閉合前的位置。

比較CHS和普銳斯混合動力變速箱駐車機(jī)構(gòu)可以看出，兩者結(jié)構(gòu)都不復(fù)雜，但普銳斯這種結(jié)構(gòu)形式的駐車機(jī)構(gòu)所占空間較大，在CHS箱體內(nèi)無法布置。CHS螺母螺桿傳動結(jié)構(gòu)占用空間小卻有鎖死的風(fēng)險，且長期使用，螺紋易磨損，影響箱體清潔度，而豐田普銳斯混合動力變速箱的駐車機(jī)構(gòu)無上述問題。

▲圖7 豐田普銳斯混合動力變速箱駐車機(jī)構(gòu)

▲圖8 齒片結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

駐車機(jī)構(gòu)是混合動力變速箱的關(guān)鍵安全裝置，為汽車的安全性提供了保障。所以，駐車機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有其獨(dú)特的重要性和必要性。筆者祥述了我司CHS混合動力變速箱的結(jié)構(gòu)和工作原理及試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題及解決方法，并與豐田普銳斯混合動力變速箱駐車機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)作了比較，得出了豐田普銳斯混合動力變速箱駐車機(jī)構(gòu)簡單可靠，但比CHS混合動力變速箱駐車機(jī)構(gòu)占用空間大的結(jié)論。

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