自動變速器換擋駐車機構的設計及驗證

徐友良

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自動變速器換擋駐車機構的設計及驗證

徐友良

（南京邦奇自動變速箱有限公司，江蘇 南京 210038）

換擋駐車機構是自動變速器乃至整車的重要組件，對駐車可靠性和使用壽命要求較高，但又要求結構簡單和操作簡便，因此換擋駐車機構設計時需要平衡上述各者之間的關系。文章研究了該機構的功能需求和結構設計的關系，并對關鍵零件的設計要點及機構的試驗方法進行了介紹。旨在對自動變速器換擋駐車機構的設計開發提供幫助。

自動變速器；換擋駐車機構；設計關系；試驗

前言

隨著人們對汽車駕駛舒適性要求的不斷提高，越來越多的汽車配置駕駛簡單和操作方便的自動變速器。相比較手動變速器選換擋操縱系統，自動變速器也有一套換擋操縱機構來控制汽車的前進和后退、以及動力臨時中斷[1]；由于自動變速器的動力傳遞需要液壓系統工作，使得汽車在駐車時，無法通過齒輪來保證汽車可靠且長時間的停駐在一定位置甚至坡道上，因此自動變速器的換擋機構要求同時具備駐車鎖止功能[2]，來保證汽車的安全。由于自動變速器內部結構不同，導致其換擋駐車機構的結構也不盡相同，本文介紹了一種無級自動變速器的換擋駐車機構。

1 換擋駐車機構的性能要求

自動變速器的換擋駐車機構的性能要求有以下幾個方面：

1.1汽車換擋操作的安全性。該機構要保證汽車的擋位清晰，當汽車處于某一擋位時，要可靠的實現擋位的保持，不能自行脫出，即跳擋。

1.2 安全的停車速度。保證汽車高速行駛時不會因為用戶誤操作而掛入駐車擋；同時要求汽車在以≤4km/h的速度行駛時，該機構能夠在短時間內實現安全駐車，而且不會損壞變速器內部零件。

1.3可靠的汽車的駐車性能，特別是在坡道上的駐車需求[3]，并保證該機構具有一定的使用壽命。即要求該結構在車輛許用使用范圍內輕松實現駐車需求，在車輛掛入P擋后，車輛的滾動距離不超過3cm；為了滿足汽車的使用需求，要求該換擋駐車機構的在循環使用100,000次無任何異常和零件損壞。

1.4 汽車換擋操作的舒適性要求。為了保證駕駛人的操縱舒適性，在掛入或脫出某一檔位時，操縱力不能過大或換擋手感不清晰[4]，即合適的換擋力，一般要求換擋軸末端的力矩在0.8N.m~3N.m。

綜上所述，換擋駐車機構的性能越可靠，需要的換擋力就會越大，對零件的設計壽命也會有影響，所以換擋駐車機構設計時需要平衡上述各者之間的關系。

2 換擋駐車機構的結構和工作原理

本文描述自動變速器總成上的換擋駐車機構，其主要換擋機構、擋位鎖止機構和駐車機構三大部分組成。換擋駐車機構的結構示意圖如圖1所示。

1 從動錐輪；2 駐車拉桿支架；3 駐車拉桿彈簧；4駐車凸輪；5 駐車拉桿；6 換擋軸；7 葉片彈簧；8 換擋搖臂；9支座；10 雞冠凸輪；11 換擋閥；12 液壓閥；13擋位傳感器；14 定位銷；15回位彈簧；16 駐車棘爪。

在汽車變速操縱系統中，自動變速器總成的換擋搖臂通過換擋拉索與駕駛室的操縱桿聯接，駕駛人通過移動駕駛室內的操縱桿來轉動換擋軸；雞冠凸輪和換擋軸固定在一起，分別對應著P-R-N-D-L五個變速器工作位置，從而實現擋位P、R、N、D和L之間的切換；雞冠凸輪和換擋閥聯接，雞冠凸輪的轉動帶動換擋閥的滑動，控制著液壓閥中的液壓控制系統，從而實現汽車的前進、后退和動力中斷；和換擋閥聯接在一起的擋位傳感器，通過整車線束在儀表盤中顯示擋位信號；葉片彈簧一端固定，另一端壓在雞冠凸輪的齒上，對擋位進行鎖止，防止跳擋并提供合適的換擋力；當掛入P擋時，雞冠凸輪會拉動駐車拉桿在駐車拉桿支架中滑動并壓縮駐車拉桿彈簧，拉桿彈簧會推動駐車凸輪，駐車凸輪頂起駐車棘爪卡入從動錐輪上的駐車齒，由于從動錐輪通過齒輪機構與車輪剛性連接，從而實現汽車的駐車功能；當拉出P擋時，雞冠凸輪推回駐車拉桿，釋放拉桿彈簧，駐車棘爪在回位彈簧的作用下彈出從動錐輪上的駐車齒，從而實現汽車的駐車脫開。

3 換擋駐車機構的設計

換擋駐車機構的詳細設計過程主要是通過迭代設計的方式來滿足所有需求。該機構的設計首先確定、雞冠凸輪的形狀和駐車棘爪的位置以及旋轉中心位置。換擋軸的位置選擇應盡可能的位于變速器內側的前部，且便于換擋拉索的安裝，這樣也減少換擋拉索的彎曲量，從而盡可能的減少換擋力；另外，換擋軸應充分靠近換擋閥，這樣以便于雞冠凸輪的角度設計。在雞冠凸輪的形狀設計上，主要設計的是各個檔位的位置角度：該角度不能太小，這樣會導致雞冠凸輪上的各個檔位之間的干涉；該角度也不能太大，因為大的角度會導致換擋桿的行程過大，這樣會無法使用角度傳感器，通常角度傳感器的使用角度是一定的，另外需要換擋拉索提供更大的行程來滿足換擋軸旋轉。自動變速器的駐車棘爪通常作用在與動力輸出硬連接機構上，這樣即使變速器內部的機構脫開也能夠有效對車輛進行鎖止。對于無級變速器來說，通常采用將駐車機構設計在從動錐輪上，這樣做的優點是：相比在主減速器上需要更低的鎖止扭矩；容易控制換擋閥；更大的布置空間。

換擋駐車機構的功能需求（綠色）和零件結構（藍色）之間的聯接關系如圖2所示。紅色箭頭表示駐車彈簧尺寸、換擋力和駐車機構在位置選擇上的要求之間的關系。

下面對換擋駐車機構設計中的設計要點進行介紹。

3.1 駐車齒輪

駐車齒輪的主要功能參數有齒數、齒的外徑、齒的角度和齒寬。齒數和齒的外徑主要決定于車輛駐車時需用的最大滾動距離，同時，齒的外徑還受制于從動錐輪的設計。齒的角度和寬度主要決定于駐車時許用的車輛速度和車輛在坡道上解鎖的舒適性等要求。

3.2 駐車棘爪

駐車棘爪的主要功能參數有操縱長度、齒的角度和寬度。駐車棘爪的操縱長度首先受制于設計空間；其次受制于駐車拉桿及駐車凸輪的運動距離，必須保證能夠有效的和駐車齒輪嚙合。駐車棘爪的齒的角度和寬度是和駐車齒輪的對應參數相匹配的，也主要決定于駐車時許用的車輛速度和車輛在坡道上解鎖的舒適性等要求。

3.3 駐車操作機構

駐車作用機構包括駐車凸輪、駐車拉桿彈簧、駐車拉桿和駐車拉桿支架，其主要功能參數有拉桿彈簧的尺寸、駐車凸輪的尺寸、駐車拉桿的長度。這些尺寸參數與擋位鎖止機構和換擋機構有著密切聯系，駐車操作機構（藍色）和其要求（綠色）的設計關系如圖3所示。駐車拉桿彈簧的尺寸和駐車凸輪的作用面角度取決于駐車時許用的車輛速度和操作鎖止力要求；駐車凸輪和欄桿的長度取決于鎖止操作機構的行程，同時也是換擋閥的行程；另外駐車凸輪的長度也受制于拉桿彈簧的尺寸，因為拉桿彈簧壓縮力需要通過駐車凸輪來轉換為推力。

3.4 換擋機構

換檔機構由雞冠凸輪和換擋閥組成，其通過雞冠凸輪上鉚接的定位銷來連接。雞冠凸輪的作用長度取決于換擋軸和換擋閥的位置。雞冠凸輪的尺寸公差對換擋閥位置的精度有著重要的影響，設計時要重點關注雞冠凸輪在換擋軸上的位置，包括軸向和圓周位置，定位銷的位置，以及換擋閥上槽的對稱度和直線度以及與銷的間隙。

3.5 擋位鎖止機構

擋位鎖止機構包括主要由雞冠凸輪和葉片彈簧，其通過固定在葉片彈簧上的滾輪來連接。該機構主要功能參數有葉片彈簧的厚度和長度，雞冠凸輪上的齒的參數。擋位鎖止機構的設計首先要確定換擋軸的角度位置；接下來要保證鎖止機構在各個擋位上能夠有效鎖止，不能跳擋，這時主要對葉片彈簧和雞冠凸輪上的齒參數設計；最后，要滿足換擋力的要求，對葉片彈簧和雞冠凸輪上的齒進行優化，提高換擋舒適性。

3.6 回位彈簧

回位彈簧的主要設計參數有彈簧材料、線徑、圈數和外徑。其主要作用是在駐車機構不作用時，保證駐車棘爪遠離駐車齒輪，讓駐車齒輪可以自由轉動；在解除駐車機構時，能夠將駐車棘爪推離駐車齒輪，實現車輛運動；要有足夠的耐久性能，同時要考慮裝配的方便性。另外要注意的是在車輛掛入P擋時，駐車拉桿總成會將駐車棘爪推入駐車齒輪中，而此時回位彈簧會有反作用力將駐車棘爪推離駐車齒輪，從而影響駐車速度。

4 換擋駐車機構的試驗方法

為了驗證換擋駐車機構的設計的舒適性、可靠性和耐久性，在變速器產品完成試制時，需要對該機構進行針對性的試驗，關鍵的試驗項目有：

4.1 換擋力及耐久性測試

換擋力測試的目的是測量改變換擋機構位置所需要的力，使用電子扭矩扳手直接作用在換擋軸上，測量R、N、P、D和L擋位之間變換時的作用力矩。耐久性測試是考察換擋駐車機構在整個變速器生命周期內是否能夠滿足使用需求。通過試驗臺架模擬自動變速器換擋操作，其中P-R-N-D- L-D-N-R-P為一個循環，需要進行10萬個循環；同時要保持變速器內部油溫為正常使用時的溫度。在耐久性開始前進行一次換擋力測試，耐久性測試結束后再進行一次換擋力測試，比較前后換擋力的變化。如果前后換擋力衰減不超過5%，且所有零件無任何異常損壞，則說明換擋駐車機構滿足要求。

4.2 駐車試驗

駐車試驗是為了驗證駐車機構的可靠性。將變速器裝到整車上，車輛必須是滿載；車輛通過CANape 與電腦連接，用于采集車輛擋位信息、車速、車輛加速度和變速器油溫。試驗過程和方法：駕駛車輛使變速器油溫達到正常使用溫度；將車輛置于30%的坡道上分別進行向上和向下的駐車和解除駐車操作5次；將車輛掛上D擋加速到10km/h，釋放油門，在車速降至8到9km/h之間時掛入P擋，讓車輛自由行駛直至停止，再重復這種操作3次；將車輛掛上R擋加速到10km/h，釋放油門，在車速降至8到9km/h之間時掛入P擋，讓車輛自由行駛直至停止，再重復這種操作1次；以上兩個測試為一測試循環，重復這個測試循環20次，即保證前進擋進行80次駐車和倒檔進行40次駐車；最后再將車輛置于30%的坡道上分別進行向上和向下的駐車和解除駐車操作5次。如果在這些測試中沒有問題，車輛始終能夠有效鎖止和解鎖，則驗證了駐車機構的鎖定/解鎖功能是正常的。

5 總結

本文首先介紹了自動變速器換擋駐車機構的功能要求和結構工作原理；其次總結了換擋駐車機構的功能需求和結構的設計關系，并對該機構的關鍵零件設計要點進行介紹；最后介紹了換擋駐車機構的可靠性和耐久性試驗方法。本文所介紹的設計要點和試驗方法對自動變速器換擋駐車機構的設計和開發具有一定的指導和借鑒意義。

[1] 王望予.汽車設計（第4版）[M].北京:機械工業出版社,2004.

[2] Harald Naunheimer 等著.汽車變速器理論基礎,選擇,設計與應用.宋進桂等譯.北京:機械工業出版社,2014.

[3] E.Galvagno,M.Velardocchia,A.Vigliani,etc.Analysis and Simulation of a Torque Assist Automated Manual Transmission.Mechanical Systems and Signal Processing,2011,(25):1866-1877.

[4] 陳華,陳辛波,傅靈玲,等.FI動變速器駐車機構性能分析與研究[J].拖拉機與農用運輸車,2014,41(4):24-26.

Design and Validation for the Shifting and Parking Mechanism of Automatic Transmission

Xu Youliang

( Nanjing Punch Powertrain Co., Ltd., Jiangsu Nanjing 210038 )

The shifting and parking mechanism is an important component of automatic transmission and even the whole vehicle. It requires high reliability and service life, but it requires simple structure and easy operation. Therefore, the relationship between the above parties should be balanced when the shifting and parking mechanism is designed. This paper defines the relationship between the functional requirements and structural design of the mechanism, and the key points of the key parts and the testing methods of the mechanism are introduced. Aiming at providing help for the design and development of the shifting and parking mechanism of the automatic transmission.

automatic transmission; shifting and parking mechanism; design relationship; testing

B

1671-7988(2018)16-180-03

U463.5

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1671-7988(2018)16-180-03

CLC NO.: U463.5

徐友良（1984-），男，工程碩士，工程師，主要從事汽車底盤設計、機械設計。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.063