莫發(fā)堂，李懷習(xí)，文敏

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目前大多數(shù)自動變速器有P擋（駐車擋），其功能是車輛駐車后保持整車靜止不動[1]，即使受到一定的外力也會保持車輛靜止?fàn)顟B(tài)，實現(xiàn)這一功能的機構(gòu)一般包含棘輪、棘爪、操縱桿，而直接實現(xiàn)駐車功能的駐棘爪也被稱為駐車爪。由于P擋涉及整車和人身安全，所以要求駐車機構(gòu)各部件要通過嚴苛的耐久可靠性試驗。本文將介紹一例變速器駐車機構(gòu)在駐車濫用試驗時出現(xiàn)駐車失效的原因分析以及解決方法。

問題出現(xiàn)背景

為了保證駐車機構(gòu)具有嚴苛的可靠性，整車在量產(chǎn)前會進行一系列的駐車濫用試驗來驗證駐車機構(gòu)的可靠性。在進行1000次10km/h的車速下強行掛入P擋直至車輛停止的駐車濫用耐久試驗?zāi)┢冢l(fā)現(xiàn)有一個駐車失效，后續(xù)檢查變速器，發(fā)現(xiàn)變速器后殼體開裂，此處正是駐車爪限位塊位置，斷裂情況見圖1所示。

圖1 駐車爪限位塊斷裂

問題分析

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

圖2 駐車濫用情況

由于碰撞力計算較為復(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)，對于有n個剛體的系統(tǒng)，機械動力學(xué)計算模型見式1。并且，為了提升計算效率，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，建立碰撞計算模型

式中Fn——接觸面法向力（N）；

K——接觸剛度（N/mm）；

s——接觸點的法向穿透深度（mm）；

e——力的指數(shù)；

C——阻尼分量（N.s/mm）；

υ——相對法向碰撞速度（mm/s）。

由于駐車系統(tǒng)較復(fù)雜，結(jié)合費寧忠等[4]以等效慣量法建立的駐車機構(gòu)動力學(xué)模型，本文簡化了計算模型，忽略變速器到車輪端各軸的慣量影響，直接等效慣量計算，以前驅(qū)車為例計算見式（3）。

式中m——前軸軸荷（kg）；

υ——車速(m/s)；

J——棘輪等效轉(zhuǎn)動慣量；

ù——棘輪角速度（rad/s）；

i——棘輪到輪端傳動比；

r——輪胎滾動半徑（m）。試驗車輸入數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗車輸入數(shù)據(jù)

基于ADAMS多體動力學(xué)計算中偶有發(fā)散，采用不同的時間步長計算，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有ABAQUS動態(tài)計算算法準(zhǔn)確，但對撞擊后的駐車爪反彈速度影響不大，所以只用ADAMS提取駐車爪的反彈角速度。利用ABAQUS動態(tài)仿真模擬駐車濫用工況下駐車爪反彈速度和限位塊應(yīng)力的關(guān)系，adams多體動力學(xué)仿真駐車濫用時駐車爪反彈角速度分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 駐車速度與駐車爪反彈速度

當(dāng)駐車爪角速度100rad/s時，ABAQUS動態(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，將動態(tài)仿真分析結(jié)果整理如圖5所示。

圖5 駐車爪反彈速度與限位塊應(yīng)力關(guān)系

經(jīng)分析，當(dāng)車速在10～12km/h的速度強行掛P擋時，駐車爪最大反彈速度達到95rad/s，此時限位塊應(yīng)力238MPa，超過抗拉強度，并且最大應(yīng)力位置和駐車濫用試驗限位塊斷裂位置一致，和試驗工程師了解后，由于直觀用眼觀測試驗車時速表有較大誤差，駐車時速有超過10km/h的情況發(fā)生。

解決方法與驗證

根據(jù)公式1和公式2可推斷出優(yōu)化方案有：

1）優(yōu)化駐車爪形貌，可以降低駐車爪和棘輪碰撞時的法向速度，即減少駐車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 駐車爪結(jié)構(gòu)更改

當(dāng)駐車爪角速度100rad/s時，ABAQUS動態(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動態(tài)仿真分析優(yōu)化方案和原方案結(jié)果見表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)即使在車速60km/h的速度強行掛P擋時，駐車爪最大反彈速度達到50rad/s，此時限位塊應(yīng)力127.8MPa，小于材料屈服強度。后續(xù)經(jīng)過試驗，證明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)能完成1000次車速10km/h的駐車濫用試驗，并能通過3次60km/h持續(xù)時間4s的60km/h的超極端駐車濫用試驗。試驗后拆機圖片如圖9所示，限位塊完好，駐車爪工作區(qū)域有輕微磨損，但仍保持駐車功能。

圖9 優(yōu)化結(jié)構(gòu)試驗拆機

結(jié)語

本文通過對駐車濫用試驗的動態(tài)仿真分析，得出優(yōu)化駐車結(jié)構(gòu)的方案，并運用試驗驗證方案的可靠性，對駐車機構(gòu)的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。