自動(dòng)變速器駐車機(jī)構(gòu)解鎖性能優(yōu)化研究＊

孫印程 劉祥環(huán),2 劉德福

（1.中南大學(xué)，長(zhǎng)沙 410083；2.株洲齒輪有限責(zé)任公司，株洲 412000）

主題詞：駐車機(jī)構(gòu) 解鎖 力學(xué)模型 多體動(dòng)力學(xué)仿真

1 前言

自動(dòng)變速器駐車機(jī)構(gòu)用于車輛靜止時(shí)將自動(dòng)變速器中的傳動(dòng)軸鎖止，即通過將傳動(dòng)軸在旋轉(zhuǎn)方向上的鎖定來確保停車后不會(huì)出現(xiàn)車輛滑移、溜坡等危險(xiǎn)情況，是自動(dòng)擋車輛不可或缺的安全裝置[1-5]。目前，針對(duì)自動(dòng)變速器駐車機(jī)構(gòu)的研究主要集中在汽車換擋力、駐車速度等方面[6]。J.Shane Sui[7]使用多體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)無級(jí)變速器駐車機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，研究了車輛在平路和坡道上解除駐車狀態(tài)所需要的換擋力。張玉文等[8]利用多體動(dòng)力學(xué)軟件RecurDyn對(duì)以自動(dòng)變速器駐車機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)建立的多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了仿真分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)P-R換擋性能的設(shè)計(jì)校核。張磊等[9]分析了雙離合變速器（Dual Clutch Transmission，DCT）在30%坡道上的駐車特性，提出駐車制動(dòng)手柄與制動(dòng)踏板的操作順序不當(dāng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致?lián)Q擋力較大，并通過試驗(yàn)測(cè)定了換擋力大小。劉詩等[10]通過ADAMS軟件模擬了極限坡度下變速器駐車機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，得到駐車速度與車輛慣性的關(guān)系，并進(jìn)行駐車速度整車試驗(yàn)，提出了車輛慣性劇變時(shí)的駐車速度為車輛臨界駐車速度的觀點(diǎn)。

然而，在自動(dòng)變速器駐車機(jī)構(gòu)的研發(fā)過程中有時(shí)會(huì)遇到車輛在坡道上解鎖困難的問題，前人的研究對(duì)該問題鮮有涉及。本文針對(duì)該問題，通過分析駐車機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零件的受力情況，分析駐車機(jī)構(gòu)解鎖困難的原因，構(gòu)建駐車機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型，從提高駐車機(jī)構(gòu)解鎖可靠性的角度出發(fā)，對(duì)棘輪尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)利用ADAMS軟件建立的多體動(dòng)力學(xué)模型對(duì)優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 駐車機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理

駐車機(jī)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，其在自動(dòng)變速器中的位置如圖2所示。駐車驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸8與限位板6 剛性連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸8 由帶有蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，該蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)具有反向自鎖性[11]，當(dāng)電機(jī)下電后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸8無旋轉(zhuǎn)自由度。

圖1 駐車機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

圖2 駐車機(jī)構(gòu)在自動(dòng)變速器中的位置

駐車時(shí)，駐車驅(qū)動(dòng)電機(jī)上電后驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸8帶動(dòng)限位板6 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，限位板6 通過鎖止彈簧5 推動(dòng)換擋板4 順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，換擋板4 擠壓棘爪2 上的滾輪3，使棘爪2繞棘爪旋轉(zhuǎn)軸10順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，并卡入棘輪1的齒槽中，限制棘輪1的轉(zhuǎn)動(dòng)，由于棘輪1與變速器傳動(dòng)軸11剛性連接，變速器傳動(dòng)軸也無法旋轉(zhuǎn)，從而使驅(qū)動(dòng)輪無法旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)車輛制動(dòng)。解鎖時(shí)，駐車驅(qū)動(dòng)電機(jī)上電后限位板6 推動(dòng)換擋板5 逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，棘爪2 在復(fù)位扭簧9及棘輪1對(duì)其施加的擠壓力作用下，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)脫出棘輪1的齒槽，實(shí)現(xiàn)解鎖。

3 駐車機(jī)構(gòu)力學(xué)建模分析

車輛在坡道上駐車時(shí)的受力分析如圖3所示，坡道傾角為δ。車輛靜止時(shí)，由車輛傳動(dòng)關(guān)系可以得到變速器傳動(dòng)軸上的等效扭矩T[12-13]：

式中，TL=mgRsinδ為驅(qū)動(dòng)輪半軸上的扭矩；R為驅(qū)動(dòng)輪輪胎半徑；m為整車質(zhì)量；g=9.8 m/s2為重力加速度；i為變速器傳動(dòng)軸與驅(qū)動(dòng)輪半軸之間的傳動(dòng)比。

圖3 坡道駐車車輪半軸受力分析

駐車機(jī)構(gòu)能夠正常解鎖的條件是：收到解鎖指令后，棘爪能夠順利脫出棘輪齒槽，變速器傳動(dòng)軸可以順利轉(zhuǎn)動(dòng)。由于棘輪棘爪接觸處存在摩擦力，若摩擦阻力矩大于解鎖力矩，限位板推動(dòng)換擋板順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)后，棘爪仍保持靜止，則無法解鎖，此現(xiàn)象稱為駐車機(jī)構(gòu)自鎖。坡道駐車時(shí)駐車機(jī)構(gòu)棘爪受力分析如圖4所示。

圖4 棘爪受力分析

鎖止時(shí)，駐車機(jī)構(gòu)零件位置的幾何關(guān)系如圖5 所示。棘輪棘爪的嚙合位置為棘爪的頂部與棘輪齒的工作齒面處，嚙合點(diǎn)為P。圖5中，O1P為嚙合點(diǎn)與棘輪中心的連線，α為棘輪齒的工作齒面與棘輪半徑O1Q的之間的夾角，β為棘爪位置線O2P與嚙合面法線之間的夾角，γ為棘爪位置線O2P與O1P之間的夾角，θ為棘輪齒的工作齒面與O1P的之間的夾角。由圖5可得：

式中，D為棘輪齒頂圓直徑；h為鎖止時(shí)棘輪與棘爪的嚙合深度；L1為嚙合點(diǎn)與棘輪旋轉(zhuǎn)中心之間的距離；L2為棘輪齒工作齒面與棘爪旋轉(zhuǎn)中心之間的距離；L3為棘輪齒旋轉(zhuǎn)中心與棘爪旋轉(zhuǎn)中心的距離；L4為棘爪旋轉(zhuǎn)中心與嚙合點(diǎn)之間的距離；L5為O2與過嚙合點(diǎn)P的嚙合面法線之間的距離。

圖5 駐車機(jī)構(gòu)零件間的相對(duì)位置

由正余弦定理可得：

聯(lián)立式（5）～式（7）可得：

鎖止?fàn)顟B(tài)下，各部件間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，故各接觸部件間存在靜摩擦力。取棘爪與棘輪齒面間的靜摩擦因數(shù)為μ，考慮到棘爪與棘爪旋轉(zhuǎn)軸之間的潤(rùn)滑條件良好，忽略二者之間的摩擦力。對(duì)棘輪進(jìn)行受力分析可得：

對(duì)棘爪進(jìn)行受力分析，由力矩平衡可得：

式中，TN=FNL5為FN對(duì)棘爪施加的力矩；Tg=φκ為復(fù)位扭簧對(duì)棘爪施加的扭矩；φ為棘爪繞棘爪軸的旋轉(zhuǎn)角度；κ為復(fù)位扭簧的剛度系數(shù)；Tf=μFNL2為棘輪與棘爪之間的摩擦力對(duì)棘爪產(chǎn)生的力矩；Th=FL為換擋板對(duì)棘爪施加的力矩；F為換擋板對(duì)棘爪的作用力；L為O2到力F作用線的垂直距離。

換擋板受力情況如圖6所示，O3為圓弧1的圓心，也是換擋板的旋轉(zhuǎn)中心，由力矩平衡可得：

圖6 換擋板受力分析

式中，Tx為限位板對(duì)換擋板的作用力產(chǎn)生的力矩；F′=F為棘爪對(duì)換擋板的作用力；Ft=λl為鎖止彈簧對(duì)換擋板的作用力；λ為鎖止彈簧的剛度系數(shù)；l為鎖止?fàn)顟B(tài)下鎖止彈簧的壓縮量；L6為圓弧2圓心到力Ft作用線的垂直距離；d為圓弧1圓心到力F'作用線的垂直距離。

鎖止后，若保持駐車機(jī)構(gòu)鎖止的穩(wěn)定性，即棘爪不會(huì)推動(dòng)換擋板逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，則棘爪施加到換擋板上的力F′產(chǎn)生的力矩最大值應(yīng)小于或等于鎖止彈簧對(duì)換擋板作用力Ft產(chǎn)生的力矩，即：

解鎖時(shí)，若要實(shí)現(xiàn)順利解鎖，則換擋板在限位板推動(dòng)下逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，棘爪應(yīng)在合力矩作用下繞棘爪旋轉(zhuǎn)中心逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，脫出棘輪齒槽，則Th應(yīng)為正值，可得：

聯(lián)立式（5）、式（12）、式（13）可得：

由于變速器內(nèi)部空間的尺寸限制，部分駐車機(jī)構(gòu)零件尺寸及位置關(guān)系已確定，查閱工具書[14]確定靜摩擦因數(shù)，計(jì)算參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)車輛信息如表2所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

表2 試驗(yàn)車輛信息

根據(jù)表1和表2中的數(shù)據(jù)可得：

駐車機(jī)構(gòu)優(yōu)化前β=7.4°，試驗(yàn)過程中會(huì)出現(xiàn)無法解鎖的情況。考慮到β取較大值時(shí)，有利于解鎖，但也會(huì)導(dǎo)致零件之間的作用力過大，零件有斷裂失效的風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，制作樣機(jī)時(shí)取β=13°，代入式（8）、式（10）中，得到α=8°，F(xiàn)=1 203.5 N。

4 駐車機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)仿真分析

為驗(yàn)證理論計(jì)算的正確性，采用CAD 建模軟件Creo 4.0 和虛擬樣機(jī)軟件ADAMS 對(duì)駐車機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合仿真[15]。將在Creo 中建立的零件三維模型導(dǎo)入ADAMS，并對(duì)各部件賦予材料、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等屬性。為便于建立多體動(dòng)力學(xué)模型，在不影響仿真分析的前提下對(duì)導(dǎo)入的三維數(shù)模進(jìn)行簡(jiǎn)化，并用ADAMS 中的線性彈簧阻尼器代替鎖止彈簧。根據(jù)駐車機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，通過固定副、旋轉(zhuǎn)副創(chuàng)建約束，并施加載荷。為保證仿真分析的真實(shí)性，棘輪與棘爪之間定義為基于接觸碰撞的力約束關(guān)系，采用沖擊函數(shù)法（Impact）計(jì)算接觸力，通過庫侖法（Coulomb）計(jì)算摩擦力[16]。按照表3所示的參數(shù)設(shè)置接觸中的力的非線性指數(shù)、摩擦因數(shù)、力指數(shù)等。建立的駐車機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)模型如圖7所示。

表3 仿真參數(shù)

圖7 駐車機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)模型

設(shè)置驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸在第0.1 s時(shí)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到工作位置（29°），第2.0 s 時(shí)開始順時(shí)針旋轉(zhuǎn)進(jìn)行解鎖，第2.1 s 解鎖完成。棘輪旋轉(zhuǎn)中心軸上的等效扭矩T從第0.1 s 開始加載，第1.0 s 時(shí)加載完成。駐車穩(wěn)定時(shí)棘爪與換擋板間的作用力F隨β的變化曲線及5 個(gè)特定β值條件下駐車和解鎖過程F的變化情況如圖8所示。

由圖8a可知：β≤8.0°時(shí)，棘爪卡入棘輪齒槽后作用力F為零，解鎖時(shí)換擋板轉(zhuǎn)動(dòng)后，棘爪仍卡在棘輪齒槽內(nèi)，駐車機(jī)構(gòu)發(fā)生自鎖，與實(shí)際遇到的坡道駐車無法解鎖的情況一致；β≥18.5°時(shí)，棘爪卡入棘輪齒槽后無法維持穩(wěn)定駐車，F(xiàn)隨時(shí)間緩慢增大，在發(fā)出解鎖指令前，棘爪就已在棘輪的擠壓下脫出棘輪齒槽。仿真結(jié)果表明，當(dāng)8°＜β＜18.5°時(shí)可實(shí)現(xiàn)駐車和解鎖，當(dāng)β=13°時(shí)，F(xiàn)=1 150 N，與理論計(jì)算結(jié)果間相差不大，有一定的指導(dǎo)意義。

5 駐車機(jī)構(gòu)解鎖性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證駐車機(jī)構(gòu)解鎖性能，試制裝有駐車機(jī)構(gòu)的變速器樣機(jī)，如圖9所示，裝車后進(jìn)行坡道駐車和解鎖試驗(yàn)。

圖8 駐車機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

圖9 集成駐車機(jī)構(gòu)的自動(dòng)變速器樣機(jī)

5.1 試驗(yàn)方法

為驗(yàn)證優(yōu)化后的駐車機(jī)構(gòu)是否滿足駐車及解鎖要求，試制β=13°時(shí)的駐車機(jī)構(gòu)樣機(jī)，并裝車試驗(yàn)。將試驗(yàn)車停穩(wěn)在30%坡道[17]上，如圖10 所示。保持系統(tǒng)上電，將CANPro分析儀與汽車OBD接口相連，確認(rèn)數(shù)據(jù)采集正常，收集駐車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作信號(hào)。啟動(dòng)P擋駐車測(cè)試，踩住制動(dòng)踏板保持車輛停止，換擋旋鈕旋至P 擋位置，松開制動(dòng)踏板和駐車制動(dòng)手柄，確認(rèn)車輛是否成功被駐車機(jī)構(gòu)鎖住。解除P擋駐車測(cè)試：踩住制動(dòng)踏板保持車輛停止，汽車擋位切換至N 擋，松開制動(dòng)踏板和駐車制動(dòng)手柄，確認(rèn)車輛能否行駛。重復(fù)試驗(yàn)1 500 次，驗(yàn)證駐車機(jī)構(gòu)的解鎖可靠性。

圖10 30%坡道駐車試驗(yàn)

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

“鎖止-保持-解鎖”循環(huán)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖11 所示。駐車驅(qū)動(dòng)電機(jī)配置角度傳感器，用于測(cè)量駐車驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度，傳感器模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果（AD值）反映了驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸旋轉(zhuǎn)角度。第1 s時(shí)駐車驅(qū)動(dòng)電機(jī)上電，檢測(cè)到傳感器AD值由250增大到600，此時(shí)駐車電機(jī)輸出軸旋轉(zhuǎn)到位，完成鎖止動(dòng)作，駐車驅(qū)動(dòng)電機(jī)下電。保持駐車狀態(tài)約2 s后，駐車驅(qū)動(dòng)電機(jī)上電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸反向旋轉(zhuǎn)，傳感器AD值由600減小到250，完成解鎖動(dòng)作。駐車機(jī)構(gòu)完成解鎖動(dòng)作后，檢測(cè)到整車控制器（Vehicle Control Unit，VCU）車速波動(dòng)，同時(shí)車輛在坡道上小幅后退，如圖12所示，說明駐車機(jī)構(gòu)解鎖成功。

圖11 駐車驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流及AD值

圖12 VCU車速變化曲線

在1 500 次重復(fù)試驗(yàn)中，沒有出現(xiàn)駐車機(jī)構(gòu)無法解鎖的情況。

6 結(jié)束語

本文建立了一種棘輪棘爪式自動(dòng)變速器駐車機(jī)構(gòu)的坡道駐車力學(xué)模型，得到了正常解鎖對(duì)棘輪尺寸參數(shù)的要求。采用ADAMS軟件建立了駐車機(jī)構(gòu)的多體動(dòng)力學(xué)模型，模擬30%坡道車輛駐車及解鎖過程。仿真結(jié)果與理論計(jì)算值誤差在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了理論力學(xué)模型的合理性。試制了駐車機(jī)構(gòu)的物理樣機(jī)，并進(jìn)行了整車坡道駐車解鎖試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后駐車機(jī)構(gòu)的坡道解鎖可靠性得到提高。