汽車自動駐車機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)是汽車安全駐車必不可少的安全機(jī)構(gòu)，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(jī)構(gòu)需要實(shí)現(xiàn)以下功能：汽車低速行駛時，駐車機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)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(dāng)汽車處于行駛工況下，任何情況下，系統(tǒng)都不能自動駐車；當(dāng)汽車實(shí)現(xiàn)駐車后，駐車機(jī)構(gòu)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(qiáng)度越高，坡度不能超過車輪摩擦系數(shù)決定的最大坡度）；當(dāng)汽車需要行駛時，駐車機(jī)構(gòu)能使汽車順利脫鎖。

2 自動駐車機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

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

自動駐車機(jī)構(gòu)采用驅(qū)動電動機(jī)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(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

3 自動駐車機(jī)構(gòu)工作過程

3.1 上鎖

當(dāng)車速較低和車輛靜止時，駕駛?cè)瞬倏v駐車按鈕，駐車電動機(jī)啟動，帶動驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而對驅(qū)動扭簧施加扭矩，如果棘爪齒正對棘輪齒槽，驅(qū)動扭簧直接驅(qū)動凸輪旋轉(zhuǎn)進(jìn)而驅(qū)動棘爪卡入棘輪實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)駐車，凸輪也不能旋轉(zhuǎn)到駐車位置，此時，由于凸輪與驅(qū)動軸非剛性連接，電動機(jī)可繼續(xù)給驅(qū)動扭簧施加扭矩至電動機(jī)設(shè)計轉(zhuǎn)動位置并實(shí)現(xiàn)鎖止，從而保證驅(qū)動扭簧持續(xù)對凸輪施加扭矩，當(dāng)車輛前后竄動時，棘輪旋轉(zhuǎn)，當(dāng)棘爪齒對著棘輪齒槽時，施加在凸輪上的扭矩會驅(qū)動棘爪卡入棘輪實(shí)現(xiàn)鎖止。

圖2 齒頂齒狀態(tài)

3.2 脫鎖

當(dāng)駕駛?cè)瞬倏v駐車按鈕，駐車電動機(jī)啟動反轉(zhuǎn)，帶動驅(qū)動軸反向旋轉(zhuǎn)進(jìn)而釋放驅(qū)動扭簧扭矩并帶動凸輪旋轉(zhuǎn)，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(jī)構(gòu)性能分析

根據(jù)引言中所述功能，對圖1所示駐車機(jī)構(gòu)進(jìn)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(dāng)車速較高時（≥5 km/h）或車輛處于行駛過程中時，駐車電機(jī)不能啟動，如果誤操作駐車按鈕，需發(fā)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(jī)構(gòu)所需的地面制動力為G×sinθ，假設(shè)車輪半徑為R，橋速比為i，棘爪棘輪（與變速器輸出軸固聯(lián)）所需承受扭矩T為：

同時，為確保上鎖可靠，還需注意以下2點(diǎn)：

（1）為保證齒頂齒時的鎖止功能，必須要保證驅(qū)動電動機(jī)帶有自鎖功能，及轉(zhuǎn)動到設(shè)定角度后，電動機(jī)在外力作用下不能旋轉(zhuǎn)，才能確保自動駐車機(jī)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)。

（2）上鎖后，凸輪與棘爪接觸點(diǎn)作用力中心過凸輪軸心，實(shí)現(xiàn)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(guān)系：

式中，F(xiàn)2為棘輪棘爪正壓力，F(xiàn)1為棘輪棘爪摩擦力，f為棘輪棘爪件摩擦系數(shù)，R2為棘爪旋轉(zhuǎn)中心至F2力臂，R1為棘爪旋轉(zhuǎn)中心至F1力臂，T1為脫鎖力矩，T2為摩擦力矩。

當(dāng)脫鎖力矩T1大于摩擦力矩T2時（摩擦力矩還包括棘爪旋轉(zhuǎn)等，但數(shù)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(jié)

電控駐車機(jī)構(gòu)采用電動機(jī)驅(qū)動扭臂驅(qū)動扭簧進(jìn)而驅(qū)動駐車棘爪運(yùn)動，與固定在輸出軸上的棘輪嚙合實(shí)現(xiàn)駐車功能。電控駐車機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)一鍵駐車，有助于降低駕駛?cè)瞬僮鲝?qiáng)度；防止由于駕駛?cè)瞬僮鞑划?dāng)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(dǎo)致駐車棘爪不到位），方便整車布置，提升整車品質(zhì)。