CHS混合動力變速箱駐車機構的結構與問題分析*

□ 王 娟

科力遠混合動力技術有限公司 上海 201501

汽車工業正向著節能、環保、安全、舒適等方向發展。由于混合動力汽車能實現純電動行駛和大部分制動能量回收，所以較傳統的汽車具有油耗低、排放低的特點。混合動力作為一種技術，在不遠的將來將是燃料電池替換內燃機的重要過渡技術，對燃料電池混合動力汽車（FCHEV）的開發將會起到重要作用。我司多年來從事混合動力變速箱的研發，正是順應了汽車工業發展的要求。

駐車機構是混合動力變速箱的關鍵安全裝置，為混合動力變速箱的安全性提供了保障。為此，必然對駐車機構的強度、耐用性、可靠性提出較高的要求。此外，駐車機構還要滿足以下功能要求：①能實現在16.7°坡道上鎖止和打開；② 當汽車停駛時，若棘爪落在棘輪齒頂，駐車機構也能鎖止；③ 當車速超過5 km/h，駐車機構不能結合；④當車速超過11 km/h，控制系統拒絕駐車操作。為了滿足上述功能要求，在方案設計階段，需要做一些必要的分析計算。駐車機構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，駐車機構需要鎖止的扭矩通常較高，零件設計通常較厚實、笨重，不利于輕量化；布置于輸入軸上，可以實現零件質量的輕量化，是駐車機構設計的發展方向。

1 CHS混合動力變速箱駐車機構結構和原理

▲圖1 CHS混合動力變速箱駐車機構

圖1為CHS混合動力變速箱駐車機構，該結構使用電機驅動螺母旋轉，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入棘輪槽。當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動，從而進一步壓縮螺旋壓縮彈簧（螺旋壓縮彈簧有預載）。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。該機構使用的是普通螺紋傳動，在螺桿行至兩端極限位置時，有鎖死的風險，所以加裝了位置傳感器來檢測駐車機構閉合和打開的位置，在螺桿到達極限位置前，使螺桿停止運動。駐車閉合時，電機控制器控制電機轉動，電機驅動螺母帶動螺桿運動，螺桿上的彈性圓柱銷推動位置傳感器驅動軸上的彈性圓柱銷轉動，再帶動位置傳感器驅動軸轉動，位置傳感器驅動軸再帶動位置傳感器轉動。位置傳感器轉動過程中將位置信號傳給電機控制器，由電機控制器控制電機啟動或停止扭矩輸出。駐車打開時，電機控制器控制電機反轉，驅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，發出信號給電機控制器，控制電機停止轉動。該機構經過實車檢驗，能在平地和16.7°坡道上實現駐車基本功能。經過30 000次耐久臺架試驗，駐車機構正常運行，且無異常磨損。實踐證明，該機構的強度、耐用性滿足要求。由于該機構依靠控制器控制電機啟停，傳動系統的磨損和壓縮彈簧的自由長度變化等原因使每次機械結構打開、鎖止時的位置并非完全一樣，這就給控制上帶來了困難。在實車上就有由于機械結構問題和電機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化機械結構。

2 CHS混合動力變速箱駐車機構問題

該機構在設計過程中，存在一些問題：① 位置傳感器的實際工作區間偏在理論工作區間的一邊；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算壽命只有1萬次。

2.1 位置傳感器的實際工作區間偏在理論工作區間的一邊

臺架試驗時，通過檢測傳感器的電壓，發現位置傳感器的實際工作區間不是覆蓋傳感器大部分理論工作區間，而是偏在一邊，有損壞傳感器的風險。由于位置傳感器由位置傳感器驅動軸驅動，要想避免傳感器損壞，應該優化位置傳感器驅動軸，使位置傳感器驅動軸的轉角覆蓋位置傳感器的大部分工作區域。從結構上看，位置傳感器驅動軸與位置傳感器以一個削平的面連接，而位置傳感器驅動軸通過其上的彈性圓柱銷驅動。要想使位置傳感器驅動軸的轉角覆蓋位置傳感器的大部分工作區域，必須計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，位置傳感器驅動軸轉角覆蓋了位置傳感器大部分工作區域，能滿足位置傳感器的使用要求。

2.2 駐車鎖死

試驗人員反饋，整車試驗時，駐車鎖死且無法解開。拆箱后發現，位置傳感器驅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。可以通過調整位置傳感器回位彈簧參數，使其安裝時產生一定預載，來消除兩圓柱銷間的間隙，保證位置傳感器能準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，調整γ角，使位置傳感器回位彈簧產生足夠的預載荷，消除了兩圓柱銷間的間隙，使位置傳感器能準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

臺架試驗時發現，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。經過復現故障發現，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算，調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，一個細節的疏忽可能會導致機構失效。

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，遠達不到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，圖6所示為螺旋壓縮彈簧剛度與次數的關系。驗證了壓縮彈簧的壽命達到設計要求。由此可以看出，理論計算和實際操作有時存在相當大的差距，需要根據實際情況調整理論計算方法。

▲圖6 螺旋壓縮彈簧剛度與次數的關系

3 豐田普銳斯混合動力變速箱駐車機構簡介及與CHS混合動力變速箱駐車機構的比較

豐田普銳斯是領導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構。豐田普銳斯混合動力變速箱駐車機構使用電機驅動，齒片結構傳動，齒片結構如圖8所示。齒片一端套在電機軸上，另一端套在駐車桿上，兩齒槽各對應駐車位置和行車位置。駐車閉合時，電機驅動齒片旋轉至駐車位置，鎖定裝置將齒片固定在駐車位置上。齒片旋轉時推動駐車桿上移，駐車桿上的擋塊將棘爪卡入棘輪槽。駐車打開時，電機反轉驅動齒片反轉至行車位置，鎖定裝置將齒片固定在行車位置上。齒片旋轉時帶動駐車桿下移，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構可以看出，兩者結構都不復雜，但普銳斯這種結構形式的駐車機構所占空間較大，在CHS箱體內無法布置。CHS螺母螺桿傳動結構占用空間小卻有鎖死的風險，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構無上述問題。

▲圖7 豐田普銳斯混合動力變速箱駐車機構

▲圖8 齒片結構

4 結論

駐車機構是混合動力變速箱的關鍵安全裝置，為汽車的安全性提供了保障。所以，駐車機構的設計有其獨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構和工作原理及試驗過程中出現的問題及解決方法，并與豐田普銳斯混合動力變速箱駐車機構的結構作了比較，得出了豐田普銳斯混合動力變速箱駐車機構簡單可靠，但比CHS混合動力變速箱駐車機構占用空間大的結論。

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