自動變速器駐車機構的力學性能分析及研究

王加有

（科力遠混合動力技術有限公司 變速器開發部，廣東佛山 528000）

0 引言

駐車機構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[1-2]。為了確保駐車機構在整個變速箱生命周期安全可靠地工作，有必要對駐車機構的性能及可靠性進行分析研究。目前，對于駐車機構的研究多以對標為主，現有的文獻資料較少。本文通過對駐車機構的幾項關鍵性能進行分析，結合理論計算，闡述駐車機構各項性能的影響因素及可關鍵參數的設定，對駐車機構的設計及優化具有一定的借鑒意義。

1 駐車機構的結構及原理

由于自動變速器的種類、整車設計要求的不同，導致駐車機構具有較多的結構形式。根據動力驅動的方式不同，可以分為機械式、電動式和液壓式等3類。圖1所示為某自動變速器中的液壓式駐車機構。盡管駐車機構的結構形式不同，但其工作原理基本一致，通常將棘輪固定在變速器的動力輸出軸上，通過傳遞機構將棘爪推入棘輪槽中，從而中斷變速器的動力輸出[3-4]。且傳遞機構中帶有自鎖結構，鎖定換擋位置，保證每個擋位的安全切換。

圖1 液壓式駐車機構

2 駐車機構性能要求分析

駐車機構的安全可靠性能對于汽車的安全性至關重要，為了避免行車故障。駐車機構的關鍵性能應滿足以下要求[5-6]：1）安全駐車性能。駐車機構必須能夠實現車輛的安全駐車要求。當車速＞5 km/h時，即使出現駐車誤操作或異常情況，駐車機構的棘爪在與棘輪嚙合時均不能被推入棘輪槽中，駐車不能成功。當車速小于5 km/h時，駐車機構的棘爪在與棘輪嚙合時能順利被推入棘輪槽中，實現安全駐車，且駐車過程中車輛的允許移動距離不能超過150 mm。2）駐車自鎖性能。車輛完成駐車后，駐車機構內部必須能夠實現自鎖，即使在極限坡道及外力碰撞等情況下均不允許自動解鎖，從而使車輛保持靜止。且當車輛需要解除駐車時，在換擋力的作用下，駐車自鎖能夠順利解除。3）安全解鎖性能。駐車機構必須能夠實現車輛的安全解鎖要求。當汽車需要行駛時，駐車機構的解鎖過程必須順暢無卡頓，且棘爪在棘輪的反作用力下能夠順利從棘輪槽中彈出，保證車輛正常行駛。4）防止異常駐車性能。車輛在未進行駐車操作時，駐車機構不能出現異常駐車情況。即使在通過顛簸路段、車速較高、車輛劇烈抖動時，也不能出現棘爪與棘輪異常接觸，造成異常駐車情況。

3 駐車機構力學性能分析

3.1 安全駐車過程受力分析

由于在駐車過程中，棘輪與棘爪位置隨機結合，存在棘爪齒與棘輪齒相對的情況，所以車輛存在完成駐車操作后仍未被瞬間鎖定的現象。當車輛在坡道停駐或受到沖擊時，棘輪仍會產生一定轉速，如棘爪不能及時進入棘輪槽鎖定車輛，則車輛可能因滑動產生較高車速，導致棘爪將無法被推入棘輪槽，造成駐車失敗，因此安全駐車的車速不能過高。駐車速度越高，對駐車機構的沖擊就越大，駐車機構的損壞風險也就越高，導致車輛的安全系數降低。圖2所示為駐車過程中的關鍵位置，對駐車過程進行運動學分析。

圖2 棘爪進入棘輪槽的運動過程

設棘爪由頂齒位置進入棘輪轉動的角度為θjl，棘輪轉動的角度為θjz。如圖3所示，以棘爪為分析對象，對棘爪在運動過程中的受力分析。

圖3 駐車棘爪運動受力分析

棘爪在進入棘輪槽的過程中主要受到回位彈簧轉矩Tt、棘爪重力Gj、推桿彈簧力Fkj，根據棘爪受力平衡，棘爪所需的轉動加速度αjz為

式中：R為車輪輪胎半徑；i為車輛主減速器傳動比。

轉換為對應的車輛移動距離Lcar為

式中，dm為車輪輪胎直徑。

由式（1）～式（6）分析可得，當車速小于5 km/h且滿足駐車后移動距離不大于150 mm，即可實現安全駐車。

3.2 駐車自鎖過程受力分析

在駐車操作完成后，棘爪在進入棘輪槽的過程中，當出現棘爪齒直接進入棘輪槽或棘爪齒與棘輪齒相對的情況時，駐車推桿的作動彈簧將被壓縮，對駐車搖臂產生較大的反作用力，如駐車機構自身不能實現自鎖，駐車狀態將被解除，從而導致本次駐車失敗。如駐車機構可以實現自鎖，則推桿作動彈簧產生的反作用力不能將駐車狀態解除，從而將能量存儲起來，當棘輪向前或向后移動時，再次將棘爪推入棘輪槽，從而實現駐車。因此為了保證車輛的安全駐車，駐車機構自鎖性能必須滿足在任何狀態下駐車狀態均不能自行解除。如圖4所示，以駐車搖臂為分析對象，對駐車機構的自鎖工況進行受力分析。

圖4 駐車機構自鎖受力分析

駐車搖臂受到作動彈簧的反作用力Ft，板簧的作用力Fb，則駐車搖臂受到的轉矩Ts為：

式中：Fn為板簧法向分力；Ln為駐車搖臂旋轉中心到板簧法向分力Fn的距離；Lt為駐車搖臂旋轉中心到作動彈簧反作用力Ft的距離；Lb為駐車搖臂旋轉中心到板簧作用力Fb的距離；γ為板簧作用力Fb與法向切力Fn的夾角。

由式（7）～式（8）分析可知，當駐車搖臂受到的轉矩Ts大于0時，駐車搖臂的位置將不能被推開，即可實現位置自鎖，從而保證駐車機構處于自鎖狀態。同理，在非駐車狀態時，駐車機構同樣需要滿足自鎖性能，從而避免駐車搖臂在沒有換擋力的作用下各擋位脫擋的風險。

3.3 安全解鎖過程受力分析

在駐車過程中，由于棘爪與棘輪未完全嚙合，駐車時只需克服作動彈簧的反作用力和系統的摩擦力，通常所需的駐車力較小。而在駐車解鎖的過程中，由于棘輪與棘爪已完全嚙合，尤其是坡道工況，棘輪將承受整車的負載并反作用在棘爪上，從而導致駐車解鎖力較大。如駐車解鎖機構驅動力是機械式，最大解鎖力高達80 N，嚴重影響車輛的駕駛體驗。因此在保證駐車正常解鎖的情況下，駐車機構的解鎖力設計時不宜過大。如圖5所示，以解鎖過程中的關鍵位置為例，對駐車解鎖過程中的駐車搖臂進行受力分析。

圖5 駐車解鎖過程受力分析

駐車搖臂在解鎖過程中，主要受到棘爪和導軌對作動塊的合力F，板簧的作用力Fb，則所需的解鎖力Fy為

式中：Ly為駐車搖臂旋轉中心到解鎖力Fy的距離；Lh為駐車搖臂旋轉中心到合力F的距離。

當駐車搖臂在換擋力的作用下解除駐車自鎖狀態后，棘爪應能夠在無外力的作用下從棘輪槽中彈出，自此整個駐車解鎖過程順利完成，棘輪約束得到釋放，變速器動力實現正常輸出。如圖6所示，以棘爪為研究對象，對棘爪進行受力分析。

圖6 駐車棘爪自動彈出受力分析

棘爪受到棘輪反作用的壓力Fwp，以及棘輪棘爪之間的摩擦力fwp，則棘爪的彈出能力系數β為：

式中：Lwp為棘爪旋轉中心到作用力Fwp的距離；Lf為棘爪旋轉中心到摩擦力fwp的距離；μ為棘輪與棘爪之間的摩擦因數。

由式（9）～式（11）分析可知，當要滿足駐車棘爪能從駐車棘輪的齒槽中自動脫出，則棘爪的彈出能力系數β＞1時，棘爪即可在無外力的作用下從棘輪齒槽中自動脫出。

3.4 防止異常駐車過程受力分析

車輛在顛簸路段行駛時，尤其車速較高時，車輛產生劇烈的抖動將會間接傳遞至棘爪位置，使棘爪產生較大的加速度，遠大于棘爪正常駐車時的加速度，棘爪就存在與棘輪異常嚙合的風險，若因此導致異常駐車將非常危險。為了避免這種情況的發生，棘爪的回位彈簧要有足夠的安裝轉矩。如圖7所示，以非駐車狀態為例，對棘爪受力分析進行分析。

圖7 駐車棘爪受力分析

棘爪主要受到自身重力Gj，駐車推桿反作用力Fkj，回位彈簧轉矩Tt，由棘爪受力平衡可得

式中，k為回位彈簧安全系數。

由式（12）分析可知，當回位彈簧的安全系數k≥1時，即可保證棘爪位置固定，考慮顛簸路況的振動加速度較大，通常在駐車機構設計時，回位彈簧的安全系數取5倍值。

4 結語

駐車機構的性能及可靠性對于車輛的安全性有著重要的影響。本文以某一款自動變速器中的液壓式駐車機構為研究對象，對駐車機構的關鍵性能歸納總結，并通過對駐車機構在安全駐車、自鎖、安全解鎖、防止異常駐車等4項關鍵性能的力學特性為研究對象，通過相應理論計算，提出駐車機構各項性能的影響因素及可量化評價指標，為駐車機構的可靠性能評估提供理論參考。本文雖然以液壓式駐車機構為研究，但研究方法同樣適用于機械式駐車機構和電動式駐車機構。