朱恩強

(北京汽車動力總成有限公司，北京 101106)

自動變速器駐車機構(gòu)的研究

朱恩強

(北京汽車動力總成有限公司，北京 101106)

自動變速器的駐車機構(gòu)是整個自動變速箱乃至整車系統(tǒng)中關(guān)系到安全的關(guān)鍵機構(gòu)，對駐車機構(gòu)的設(shè)計要求簡單并且可靠，對駐車性能的要求也比較高，如對安全駐車車速、不能自動脫擋、防止意外駐車、P擋順利拔出等方面均有要求。以某無級變速器的駐車機構(gòu)為例，通過對駐車機構(gòu)關(guān)鍵零部件(如駐車爪、駐車輪、壓力塊、導桿彈簧和螺旋彈簧等)的受力分析，闡明了駐車機構(gòu)的設(shè)計參數(shù)與上述駐車性能之間的可量化的理論關(guān)系，為駐車機構(gòu)的參數(shù)設(shè)計提供理論依據(jù)。

自動變速器；駐車機構(gòu)；駐車性能；結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

0 引言

駐車機構(gòu)是自動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間限制地停駐在一定位置甚至斜坡上，是自動變速器中不可或缺的關(guān)鍵機構(gòu)[1]。

自動變速器駐車機構(gòu)要求能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：

(1)汽車以5 km/h以下車速行駛時，駐車機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)安全駐車。

(2)當汽車處于非駐車工況下，發(fā)生任何異常情況，駐車機構(gòu)不能自動駐車。

(3)當汽車實現(xiàn)駐車后，駐車機構(gòu)不能自動脫擋，從而導致駐車功能失效。

(4)當汽車需要行駛時，駐車機構(gòu)能夠使汽車順利摘出P擋[2]。

由于駐車機構(gòu)在自動變速器中的重要作用，駐車機構(gòu)的設(shè)計、分析、計算等具有重要意義。但從現(xiàn)有文獻及資料中發(fā)現(xiàn)，這方面的研究較為欠缺，自動變速器設(shè)計中各參數(shù)很大程度上也是以對標為主，對駐車機構(gòu)各零部件參數(shù)的設(shè)計缺少細致的分析計算。文中以無級變速器的駐車機構(gòu)為例，對駐車機構(gòu)各零部件結(jié)構(gòu)形式、相互之間的傳動關(guān)系、作用力等進行分析，從而得出各零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)對上述4條駐車功能的影響，以求為駐車機構(gòu)的設(shè)計提供可量化的理論依據(jù)。

1 駐車機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式分析

自動變速器的駐車機構(gòu)設(shè)計一般要求簡單可靠，文中討論的無級變速器的駐車機構(gòu)主要包括換擋搖臂、凸輪板、葉片彈簧、駐車導桿總成(駐車導桿、導桿彈簧、壓力塊等)、壓力導向塊、螺旋彈簧、駐車爪及駐車輪等。根據(jù)總布置的匹配和布置空間要求，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 駐車機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2 坡道駐車靜態(tài)分析

根據(jù)駐車機構(gòu)的工作原理，汽車坡道駐車時，對駐車機構(gòu)的分析需要從上坡和下坡兩種情況進行分析，因為在上坡和下坡情況下駐車爪和駐車輪的接觸面不同，從而各零部件受力的具體數(shù)值也不同，但分析方法是一致的，因此文中主要分析上坡情況下的坡道駐車，下坡情況可以用相同的方法分析。汽車上坡時駐車機構(gòu)的受力情況如圖2所示，以駐車輪中心與駐車爪回轉(zhuǎn)軸(Pivot Pin)的中心連線作為X軸，以駐車爪回轉(zhuǎn)軸中心為原點建立坐標系，對駐車機構(gòu)主要零部件進行分析。

圖2 上坡時駐車機構(gòu)各零部件的受力分析

駐車狀態(tài)下各零部件處于受力平衡狀態(tài)，則各零件受力分析如下文所示。

2.1 駐車輪

以駐車輪為研究對象進行受力分析，駐車輪受力為：

(1)輸出軸順時針的力矩Tshaft，該力矩試圖讓駐車輪順時針旋轉(zhuǎn)，即在坡道上，由于車身的重力產(chǎn)生的使汽車下滑的力矩；

(2)駐車爪對輸出軸的逆時針力矩TNW，該力矩阻止駐車輪順時針旋轉(zhuǎn)，從而起到駐車的作用。

駐車輪受力平衡，則：

Tshaft=TNW=FNW×C×i

(1)

其中：FNW為駐車輪對駐車爪在接觸面上的正壓力；C為FNW對駐車輪中心的力臂(通過數(shù)模模擬裝配后測量所得)；i為半軸齒輪到安裝駐車輪的軸(中間軸)的傳動比。

2.2 駐車爪

由圖2可知駐車爪受到的力矩為：駐車輪對駐車爪的順時針力矩TNW，壓力塊對駐車爪的逆時針力矩TNB。

駐車爪的受力為：駐車輪在接觸面的壓力FNW、壓力塊在接觸面的壓力FNB及駐車爪回轉(zhuǎn)軸(Pivot Pin)對駐車爪的支撐力FPP。

駐車爪受力平衡，則：

TNW=FNW×A=TNB=FNB×g

(2)

其中：A和g分別為FNW和FNB相對駐車爪旋轉(zhuǎn)中心的力臂長度。

2.3 駐車導桿總成

以駐車導桿總成為研究對象，由圖3可知，駐車導桿總成受力為：駐車爪和壓力導向塊對壓力塊的壓力FNB、駐車爪與壓力導向塊對壓力塊的摩擦力FFB、凸輪板對駐車導桿總成的作用力FPULLOUT3個部分組成，由圖中可以看出壓力塊兩側(cè)的受力對稱，所以在σ方向上兩側(cè)受力抵消，τ方向上受力是單側(cè)受力的兩倍則：

FFB=FNB×μ

(3)

壓力FNB與摩擦力FFB在τ方向上的分力：

FNBτ=FNB×sinφ

(4)

FFBτ=FFB×cosφ

(5)

其中：φ為壓力塊的錐面角度；μ為壓力塊與駐車爪和壓力導向塊之間的摩擦因數(shù)。

圖3 駐車導桿總成受力分析

2.4 駐車壓力塊

以壓力塊為研究對象，由圖4可知，壓力塊受力平衡，則：

2FFBτ-2FNBτ+FSpring=0

(6)

圖4 壓力塊受力分析

3 影響駐車性能的參數(shù)研究

3.1 駐車壓力塊錐面角度

駐車壓力塊的錐面角度在駐車機構(gòu)設(shè)計中是一個關(guān)鍵的參數(shù)，直接影響坡道駐車時的P擋拔出力和坡道駐車的可靠性。

3.1.1 駐車防止自動脫擋能力

根據(jù)駐車性能可靠性要求，當汽車駐車后，駐車機構(gòu)不能自動脫擋，而使駐車功能失效。根據(jù)上述對駐車機構(gòu)壓力塊的受力分析可知，坡道駐車工況下，為使壓力塊不自動脫出，根據(jù)式(6)可知應(yīng)滿足以下條件：

2FFBτ+FSpring≥2FNBτ

(7)

結(jié)合公式(5)—(7)可得：

林昏曉躊躇了一下，突然神秘兮兮地說：“那我給你取一個吧？我叫林昏曉，你呢，干脆當我妹妹算了，叫林夕曉?！?/p>

(8)

式(8)中：FSpring為安裝狀態(tài)下壓縮彈簧的力值，即彈簧的設(shè)計值；FNB可通過式(1)、式(2)聯(lián)立求解。

3.1.2 P擋摘出力

根據(jù)第2.3節(jié)中對駐車導桿總成的受力分析可知，摘出P擋所需的力值為：

FPULLOUT≥2FNB×(μcosφ-sinφ)

(9)

3.1.3 壓力塊錐面角度

根據(jù)第2.2、2.3節(jié)的分析可知，駐車壓力塊錐面角度的選擇應(yīng)兼顧駐車可靠性和P擋摘出力：不應(yīng)太大，導致駐車可靠性下降，存在自動脫擋的危險；也不應(yīng)太小，導致P擋摘出力過大而拔不出來。

3.2 回位彈簧的扭矩值

駐車機構(gòu)回位彈簧的作用是防止非駐車狀態(tài)下，因汽車的顛簸、加減速及駐車爪自身重力等原因使駐車爪與駐車輪意外嚙合，從而對汽車零部件造成損毀。

非駐車狀態(tài)下駐車爪受力為：螺旋彈簧的扭轉(zhuǎn)力矩TTSpring、重力產(chǎn)生的扭矩TW以及車輛加速產(chǎn)生的扭矩Ta。

駐車爪受力平衡，則：

TTSpring-TW-Ta=0

(10)

TW=mP×g×RG

(11)

Ta=mP×a×RG

(12)

其中：mP為駐車爪的質(zhì)量；a為變速箱的加速度；RG為駐車爪質(zhì)心距駐車爪回轉(zhuǎn)軸(Pivot Pin)中心的距離，即力臂。

由式(10)—(12)可知：已知回位彈簧的扭矩值可以得到變速箱的最大加速度從而得出車輛的最大加速度，也可以根據(jù)車輛的最大加速度來設(shè)計扭轉(zhuǎn)彈簧的扭矩參數(shù)。

3.3 安全駐車車速

在車速不大于5 km/h的工況下，要求能夠?qū)崿F(xiàn)安全的駐車功能。

實現(xiàn)這一功能的前提是：駐車爪從進入駐車輪兩齒之間的齒槽開始計算，到下一刻駐車輪與駐車爪接觸之前的時間t內(nèi)，壓力塊與駐車爪的接觸點應(yīng)該已經(jīng)進入自鎖區(qū)域，才能使駐車爪成功與駐車輪嚙合而不會脫擋。

根據(jù)這個思想，假設(shè)導桿彈簧在該過程中對壓力塊的作用力為FS，壓力塊與駐車爪之間的相互作用力為FN，駐車機構(gòu)從圖5(a)運行到圖5(b)的狀態(tài)所用時間為t，時間段t內(nèi)，駐車爪轉(zhuǎn)過角度WP，駐車輪轉(zhuǎn)過角度WL，駐車壓力塊運動位移為sB，則：

(13)

(14)

FN×RP+TW-TTSpring=JP×aP

(15)

(16)

FSpring-FNτ=mB×aB

(17)

其中：WL可以從圖5(a)、(b)測量得到；ωL為駐車輪的轉(zhuǎn)速，可以根據(jù)車速計算得到；aP為此過程中駐車爪旋轉(zhuǎn)的角加速度；RP為FN相對于駐車爪回轉(zhuǎn)中心的力臂；JP為駐車爪的轉(zhuǎn)動慣量；aB為駐車壓力塊在此過程中的加速度；mB為壓力塊的質(zhì)量；FSpring為導桿彈簧的推力。則根據(jù)以上公式及要求的安全駐車車速可以推導出整個過程中彈簧的壓縮量及彈簧力來作為彈簧參數(shù)的設(shè)計參考。

圖5 駐入過程示意圖

4 應(yīng)用實例

以該無級變速器為例，應(yīng)用上述方法對設(shè)計過程中遇到的問題進行分析和解決。

4.1 問題描述

根據(jù)駐車功能性要求，需對變速箱的駐車機構(gòu)坡道駐車、駐車系統(tǒng)平路沖擊強度進行評價。通過坡道駐車耐久試驗對駐車機構(gòu)的耐久強度、坡道P擋摘除力等性能參數(shù)進行評價。

問題：在坡道耐久試驗過程中出現(xiàn)了滿載30%坡道無法摘除P擋的問題(滿足條件的判定標準為100 N以下)，這個問題對于自動擋的車來說，在坡道上是很危險的。

4.2 問題分析

根據(jù)第4節(jié)對P擋摘除力的分析，通過式(9)可知，影響駐車力的主要因素為：駐車輪對駐車爪的正壓力FNB、壓力塊與駐車輪及壓力導向塊之間的摩擦因數(shù)μ以及壓力塊錐面角度φ。

根據(jù)式(1)—(2)的分析，F(xiàn)NB主要取決于整車的整備質(zhì)量以及駐車爪和駐車輪的尺寸參數(shù)等，整車整備質(zhì)量涉及因素多，駐車爪和駐車輪的更改會影響到模具的變更；μ的大小主要取決于壓力塊、駐車爪以及壓力導向塊的加工工藝和加工精度，由公式(9)可知，若想減小P擋摘除力，需要減小μ值，而提高加工精度，會增加零件的成本，且粗糙度μ的值探測度低，不好控制；壓力塊錐面的角度φ為機加工所得，更改方便，亦不會增加成本。

綜合以上因素，更改壓力塊角度φ，更改前φ=5°，μ=0.2，i=4.99，整備質(zhì)量為1 973 kg，輪胎滾動半徑為0.295 m，30%坡道上，可得Tshaft=mg×sin(arctan(30/100))×r=1 973×9.8×0.287×0.295=1 637 N·m。結(jié)合式(1)—(2)可得FNB=1 584.5 N。代入公式(9)得出FPULLOUT=2×FNB×(μcosφ-sinφ)=2×1 584.5×(0.2×cos5°-sin5°)=355 N，根據(jù)換擋手柄到換擋軸的杠桿比，換算后得到換擋手柄的P擋摘除力為103.8 N，超出了規(guī)定的范圍值(<100 N)。更改壓力塊錐面角度φ=6°，采用上述方法計算得P擋摘除力為90 N，滿足要求。更改完成后，進行駐車性能試驗驗證通過，問題解決。

5 結(jié)束語

對自動變速器駐車機構(gòu)各零部件的受力進行了分析，對駐車機構(gòu)中幾個主要零部件的受力進行分析，從而得出駐車機構(gòu)中主要的設(shè)計參數(shù)對駐車機構(gòu)性能，包括安全的駐車車速、防止意外駐車、防止自動脫擋、P擋摘出力等主要性能指標的影響，通過這些分析得到的結(jié)論，可以為駐車機構(gòu)主要零部件的參數(shù)設(shè)計提供理論依據(jù)和參考。文中雖然是以某個無級變速器為例進行研究，但研究方法可以推廣到目前大部分自動變速器駐車機構(gòu)的設(shè)計計算中去，甚至包括一些電子駐車機構(gòu)。

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ResearchontheParkingMechanisminAutomaticTransmission

ZHU Enqiang

(BAIC Powertrain Co.,Ltd.,Beijing 101106,China)

Parking mechanism is a key part in AT even in vehicle，technology requirement for parking mechanism is simple and reliable， such as parking speed should be safe, can not automatically escape, accidental parking should be avoided, P gear should be pulled out with a proper torque and so on are required. A parking mechanism of a CVT was taken as an example.Through analyzing load conditions of the parking mechanism key components (such as parking claws, wheel, pressure block, guide spring and coil spring etc.), the quantitative relationship between the design parameters of the parking mechanism and the parking performance was clarified.It provides theoretical basis for the design of the parking mechanism.

Automatic transmission;Parking mechanism;Parking performance;Structural parameter design

2017-08-02

朱恩強，男，碩士，專業(yè)方向為汽車設(shè)計、機械設(shè)計。E-mail：zhu_enqiang@126.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.12.005

U46

B

1674-1986(2017)12-019-04