汽車自動駐車機構功能分析與研究

西安法士特汽車傳動有限公司研究院 許國界，葛敬廣

1 引言

駐車機構是汽車安全駐車必不可少的安全機構，用于防止停車后的車輛滑行，確保汽車無時間限制地停駐在斜坡上。駐車機構需要實現以下功能：汽車低速行駛時，駐車機構能夠實現安全駐車（車速由OEM廠家提出要求，車速越高，沖擊越大，一般不超過5 km/h）；當汽車處于行駛工況下，任何情況下，系統都不能自動駐車；當汽車實現駐車后，駐車機構不能自動脫鎖；允許汽車在一定坡度上無時間限制的安全停車（具體坡度要求由OEM廠家提出要求，坡度越大，要求駐車棘爪強度越高，坡度不能超過車輪摩擦系數決定的最大坡度）；當汽車需要行駛時，駐車機構能使汽車順利脫鎖。

2 自動駐車機構結構分析

以某款EV所配駐車機構為例，說明駐車機構結構。駐車機構由棘輪、棘爪、棘爪回位扭簧、凸輪、驅動扭簧、驅動軸、驅動電機總成等組成（圖1）。棘輪與減速機輸出軸固連在一起，驅動電動機總成與驅動軸連接，驅動軸與驅動扭簧連接，驅動扭簧與凸輪連接，驅動軸不能直接驅動凸輪旋轉，必須通過驅動扭簧間接驅動凸輪旋轉。棘爪受棘爪回位扭簧和凸輪作用。

自動駐車機構采用驅動電動機代替人力扳動駐車制動器，操縱簡單、輕便，并且便于整車布置。

圖1 某EV所配自動駐車機構結構

3 自動駐車機構工作過程

3.1 上鎖

當車速較低和車輛靜止時，駕駛人操縱駐車按鈕，駐車電動機啟動，帶動驅動軸旋轉，進而對驅動扭簧施加扭矩，如果棘爪齒正對棘輪齒槽，驅動扭簧直接驅動凸輪旋轉進而驅動棘爪卡入棘輪實現駐車。如果棘爪齒對著棘輪齒（齒頂齒，圖2），棘爪不能卡入棘輪實現駐車，凸輪也不能旋轉到駐車位置，此時，由于凸輪與驅動軸非剛性連接，電動機可繼續給驅動扭簧施加扭矩至電動機設計轉動位置并實現鎖止，從而保證驅動扭簧持續對凸輪施加扭矩，當車輛前后竄動時，棘輪旋轉，當棘爪齒對著棘輪齒槽時，施加在凸輪上的扭矩會驅動棘爪卡入棘輪實現鎖止。

圖2 齒頂齒狀態

3.2 脫鎖

當駕駛人操縱駐車按鈕，駐車電動機啟動反轉，帶動驅動軸反向旋轉進而釋放驅動扭簧扭矩并帶動凸輪旋轉，棘爪在棘爪回位扭簧作用及自身脫鎖力矩作用下脫離棘輪齒槽，駐車解除（圖3）。

4 自動駐車機構性能分析

根據引言中所述功能，對圖1所示駐車機構進行分析研究。

圖3 駐車解除

4.1 車速較高時不能駐車

（1）控制程序中需增加邏輯判斷，當車速較高時（≥5 km/h）或車輛處于行駛過程中時，駐車電機不能啟動，如果誤操作駐車按鈕，需發出報警。

（2） 駐車棘爪在脫鎖位置時，棘爪回位扭簧需保證棘爪不會因車輛顛簸而擺動。

4.2 安全駐車

車輛停靠在一定坡度上（圖4），駐車機構所需的地面制動力為G×sinθ，假設車輪半徑為R，橋速比為i，棘爪棘輪（與變速器輸出軸固聯）所需承受扭矩T為：

T=G×sinθ×R/i （1）。

同時，為確保上鎖可靠，還需注意以下2點：

（1）為保證齒頂齒時的鎖止功能，必須要保證驅動電動機帶有自鎖功能，及轉動到設定角度后，電動機在外力作用下不能旋轉，才能確保自動駐車機構功能實現。

（2）上鎖后，凸輪與棘爪接觸點作用力中心過凸輪軸心，實現凸輪自鎖，確保棘爪在脫鎖力矩下不解鎖。

圖4 車輛停靠在坡道上的受力分析

4.3 自動脫鎖

車輛停靠在一定坡度上時（圖5），棘爪提供的扭矩為T，為確保駐車解除后，棘爪能快速有效地退出棘輪齒槽，需要滿足如下關系：

式中，F2為棘輪棘爪正壓力，F1為棘輪棘爪摩擦力，f為棘輪棘爪件摩擦系數，R2為棘爪旋轉中心至F2力臂，R1為棘爪旋轉中心至F1力臂，T1為脫鎖力矩，T2為摩擦力矩。

當脫鎖力矩T1大于摩擦力矩T2時（摩擦力矩還包括棘爪旋轉等，但數值較小，一般忽略不計），棘爪能快速脫離棘輪槽。同時，棘爪脫離棘輪后，在慣性作用下會擺動，為保證安全解鎖，棘爪回位扭簧力能有效阻止棘爪擺動。

圖5 自動脫鎖受力分析

5 小結

電控駐車機構采用電動機驅動扭臂驅動扭簧進而驅動駐車棘爪運動，與固定在輸出軸上的棘輪嚙合實現駐車功能。電控駐車機構可實現一鍵駐車，有助于降低駕駛人操作強度；防止由于駕駛人操作不當引起駐車不可靠問題（駐車需要較大力量拉動駐車桿，力量不夠，可能導致駐車棘爪不到位），方便整車布置，提升整車品質。