自動變速器P擋駐車機構原理、結構與性能分析

孔田增，朱中文

（1.蘭州石化職業技術學院，甘肅 蘭州 730000；2.廣汽三菱汽車有限公司，湖南 長沙 410000）

前言

自動變速器作為自動擋車型的典型標志，其類型主要有以下4種：電控液力自動變速器（AT）、電控機械式自動變速器（AMT）、電控機械無級自動變速器（CVT）和雙離合變速器（DCT）。自動變速器的車型通常配有：P、R、N、D 四個擋位，分別實現：駐停、倒車、空擋和前進。P擋一般在排擋操作臺的最前位置，在R擋的前面，通過操縱P擋將變速器輸出軸部分進行機械鎖止來達到固定車輛目的特殊空擋，其核心功能就是停車后的剎車，防止車輛移動，實現汽車持久安全、可靠地在平直路面和坡道上停車。為了增加汽車駐停的效果，通常在汽車停穩后掛P擋與機械式手剎或電子手剎配合使用。因此，P擋駐車鎖止機構的工作的可靠性對于車輛安全性有著十分重要的影響[1]。

1 駐車機構結構與工作原理

駐車機構是自動變速器關鍵裝置之一，手動變速器不存在相應的機構。自動變速器類型繁多，駐車機構的結構也不盡相同[2]。駐車方式主要有機械助力式和電動助力式鎖止機構兩種類型。機械式主要是通過拉索控制P擋的鎖止與解除。采用拉索結構，需考慮拉線曲率布置，對整車空間有要求，同時要有一定的操縱力，而且換擋器在中控臺也占用一定空間。電動式主要通過控制驅動電機正反轉來實現P擋的鎖止與解除，其特點是節省空間，無須拉索，方便連接，靈活的結構布局，同時提升操縱性能，降低坡道P擋解除力。一般駐車機構包括：鎖止齒輪、鎖銷棘爪、駐車執行機構和擋位傳感器組成，而駐車執行機構有機械驅動和電動（液）驅動類型。通過鎖住自動變速箱輸出齒輪，也就是鎖住了傳動部分，達到傳動系統與變速箱分離目的。圖1和圖2分別為電動式和機械式駐車機構的結構示意圖。電動駐車機構就是機械式駐車執行機構用電動機驅動來代替。

圖1 電動式駐車機構結構圖

圖2 機械式駐車機構結構圖

其工作過程為：駐車棘輪通過內花鍵安裝在輸出軸上，通過鎖定駐車棘輪從而實現駐車鎖止功能。當駕駛員駐出P擋時，外操縱機構轉化成電信號給TCU，TCU輸出指令信號控制驅動電機1順時針旋轉，通過減速器2將動力傳遞給驅動軸總成3，使驅動軸旋轉，凸輪5安裝在驅動軸總成3上，帶動凸輪5的旋轉，凸輪5的遠端壓在棘爪6上，當棘輪8的凹槽與棘爪的齒相嚙合時，鎖止輸出軸轉動，實現P擋駐車。當退出P擋時，外操縱機構給信號TCU控制器，此時TCU輸出指令給驅動電機總成1，使其反轉，帶動驅動軸總成3反轉，使凸輪5轉至近端，棘爪6在回位扭簧7的作用力下與棘輪8脫開，解除P擋鎖止。

其工作過程為：當駕駛員掛入P擋位置時帶動換擋桿1，換擋桿1的轉動帶動換擋轉軸2轉動，轉軸2與轉塊4連接，轉塊4上有限位凹槽，與止動限位鎖配合，當轉塊4拉動推（拉）鎖桿7的移動，在推（拉）鎖桿7上安裝了導向套管回位彈簧8和導向錐套管9，推（拉）鎖桿7 的移動將帶動導向錐套管9的移動，最后錐套管9壓在（脫開）鎖止棘爪12上，當鎖止棘爪12的齒正好和鎖止齒輪13的齒槽相遇時，在壓力作用下棘爪齒與鎖止齒輪齒槽嚙合，實現駐車。若鎖止棘爪的齒不能伸入駐車鎖止齒輪齒槽內時，而是卡在齒頂時，推（拉）鎖桿7上安裝的導向套管回位彈簧8被壓縮，導向錐套管9卡在鎖止齒輪13之間，而推（拉）鎖桿7繼續沿導向錐套管9移動，使駐車P擋能正常掛上駐車P擋，但并沒有正常駐停車輛，當車輛出現“溜車”時，不管前溜還是后溜，駐車鎖止齒輪13隨著輸出軸轉動，當鎖止棘爪12的齒再次和鎖止齒輪13的齒槽正好“相遇”時，最終駐車棘爪在壓力作用下將棘爪齒壓入鎖止齒輪13的齒槽內，鎖止輸出軸的轉動，實現車輛駐停。與此同時，棘爪回位彈簧10受到壓縮。實際上回位彈簧10裝配時有一定的預壓縮量。當退出P擋時，在棘爪回位彈簧10作用下，棘爪回位彈簧為預壓縮彈簧，棘爪12與鎖止齒輪13脫開，解除P擋鎖止。

兩種操縱方式和操縱力也有很大不同，如圖3所示，機械式駐出P擋所需要的力比旋鈕式的大，因此機械式需要一定的駐出力或解擋力，而電動式只需要旋轉旋鈕到相應P擋位，通過電信號控制驅動電機代替機械拉鎖一整套機構。雖然電動式駐車機構操作簡便，但是電動機、電子元器件存在一定的工作安全可靠度問題，因此，也存在一定的弊端。

圖3 P擋位輸入力與執行機構的不同

2 駐車機構功能和法規與技術要求

2.1 對駐車機構要求能夠實現以下功能

（1）汽車換擋操作的安全性。當汽車處于某一擋位時，要可靠地實現擋位的保持[3]，不能自行脫擋。汽車需要行駛時，駐車機構能夠使汽車順利摘出P擋，解除駐車制動。汽車處于非駐車工況下，發生任何異常情況，駐車機構不能自動駐車。

（2）安全的駐車速度。保證汽車高速行駛時不會因為用戶誤操作而掛入P擋；同時要求汽車在以≤5 km/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，尤其是鎖止棘爪和齒輪，這意味著棘爪和齒輪要有足夠的機械強度。

（3）可靠的汽車的駐車性能，特別是在坡道上的駐車需求，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適用范圍內輕松實現駐車，在車輛駐入P擋后，車輛的移動距離不超過30 mm；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十萬次無任何異常和零件損壞。意味著對棘爪和棘輪之間合理的配合間隙、結構尺寸和材料性能的要求。

（4）汽車換擋操作的舒適性和安全性要求。為了保證駕駛人的操縱舒適性，在掛入或脫出某一擋位時，換擋力不能過大或換擋手感不清晰，即合適的換擋力，一般要求換擋軸末端的力矩在 0.8 N·m～3 N·m，意味著換擋力不能過大，過大引起操縱不適，甚至不能駐出P擋。換擋力也不能過小，不能隨便碰撞擋位而誤掛入P擋。

2.2 駐車機構主要相關法規與技術要求

（1）GB 7258—2017《機動車運行安全技術條件》[4-5]：在空載狀態下，駐車制動裝置應能保證車輛在坡度為 20%、輪胎與路面間的附著系數大≥0.7 的坡道上正、反兩個方向保持駐車。達到規定駐車效能時的手柄操縱力≤400 N。

（2）GB 7258—2017《機動車運行安全技術條件》 要求駐車制動使用電子控制裝置時，鎖止裝置應為純機械裝置，發生斷電情況鎖止裝置仍應保持持續有效。

（3）GB 21670—2008《乘用車制動系統技術要求及試驗方法》：駐車制動系統應能使滿載車輛在坡度為20%的上、下坡道上保持靜止；達到規定駐車效能時控制力≤400 N；動態駐車時充分發出的平均減速度和停車前的瞬時減速度 ≥1.5 m/s2。

3 駐車機構工作狀態分析

當車輛進行P擋駐車時，根據鎖止機構結構分析，棘爪與棘輪配合存在兩種狀態，如圖4和圖5所示。

圖4 棘爪壓在齒輪齒頂上未實現鎖止

圖5 棘爪壓在齒輪齒槽里實現鎖止

駕駛員在駐出P擋時，P擋擋位顯示也沒有問題，但是實際上棘爪壓在鎖止齒輪齒頂外圓上，如圖4狀態，此時，如果車輛靜止不動，P擋駐車鎖止機構就是處于待嚙合狀態，如果車輛有些微溜車（不管前溜還是后溜，還是在平直路面上），在推（拉）導桿和導向套管回位彈簧力的作用下，棘爪將瞬間“鑲嵌”在離最近的Z1或Z2齒輪齒槽中，如圖5所示，鎖住變速器輸出軸的轉動，切斷動力傳遞系統，使車輛可靠安全停穩。在棘爪與齒輪嚙合過程中會產生碰撞沖擊，這種沖擊載荷比較輕微，一般來說對車輛變速箱基本沒有傷害。但在行車過程中誤掛或者沖擊比較大時，是否有傷害，需要進一步驗證。

4 駐車機構力學性能分析

鎖止齒輪輸出軸裝配于自動變速箱主軸上，主減速器和差速器裝配于主減速箱內。圖6所示車輛動力傳遞結構示意圖：

圖6 動力傳遞結構示意圖

根據動力傳遞路線，當駐出P擋時，鎖止齒輪和棘爪所受作用力的傳遞路線：車輪→半傳動軸→差速器→主減速器→輸出軸→鎖止齒輪→棘爪。

4.1 車輛駐停坡道時棘爪與棘輪不自鎖的條件

駐車機構受力大小隨坡道角度的變化而變化。車輛停放平路時，駐車機構幾乎不受力，隨著角度的增加，棘輪端對棘爪的壓力越大，駐車機構受力越大。以上坡時棘輪與棘爪的受力為例，以鎖止棘爪孔為回轉中心，分析簡圖如圖7所示：

圖7 棘輪與棘爪接觸點受力

根據受力分析，車輛在最大坡度上保持安全可靠停車，且要順利解擋必須滿足如下條件：

式中：Fz=μFf

μ：棘爪與齒輪接觸面的摩擦系數；

Fz：棘輪對棘爪的正壓力；

L1：棘爪自動脫開力臂；

Ff：棘爪受到正壓力產生的摩擦力，摩擦力阻礙棘爪自動脫開；

L2：阻礙棘爪自動脫開摩擦力臂；

Fkx：回位彈簧產生的彈力，即彈簧壓縮力；

L3：回位彈簧彈力中心到棘爪孔中心距離；

R：棘爪設計結構尺寸；

θ：當棘爪回轉時，回位彈簧彈力變化角度，此角度很小，可忽略影響。

滿足以上關系式即可解擋后棘輪與棘爪自動脫開，即棘輪和棘爪不會產生自鎖。為保證安全解鎖，棘爪回位壓縮彈簧能有效阻止棘爪擺動或意外駐車。從結構設計角度，回位彈簧的剛度、壓縮量以及棘爪的結構設計尺寸L1、L2、L3和R直接影響駐車鎖止機構能否順利解擋的問題，因此這些參數的優化設計是駐車鎖止機構的關鍵所在。

4.2 車輛駐停坡道時最大坡度角的計算

駐車鎖止機構運動是很復雜的過程，影響駐車性能的參數很多。圖8所示為車輛停止在上坡道時的受力情況，坡道傾角為α，輪距L，后輪與車輛重心的距離為a，后輪與車輛重心的距離為b，車輛重心距地面高度hg，車輪半徑R。

圖8 坡道駐停時受力分析

（1）車輛受到坡道阻力Fi，其大小是汽車重力分力：

（2）車輛滾動阻力Ff：

其中，Gcosα為上坡時垂直于道路面的汽車重力分力，f為滾動阻力系數，m為汽車整體質量。

（3）汽車輪胎地面附著力Fφ：

根據文獻6[6]中的公式14，后軸驅動汽車地面附著力Fφ為：

式中：φ為地面對輪胎附著系數；f為滾動阻力系數，L為輪距，其中參數a、hg根據GB T12538—2003《兩軸道路車輛重心位置的測定》標準計算[7]。

因此，車輛在坡道上靜止的條件：Fφ≥Fi+Ff

即：

即求解三角函數方程求得駐停坡道上是最大坡度角α為：

5 結束語

目前，自動變速器駐車機構如結構尺寸、鎖止車速、移動距離、解擋力等方面的分析研究比較少，也缺少強制性相關法規和行業標準的要求。自動變速器駐車鎖止機構是關系行車安全的關鍵系統，要求其設計簡單而可靠，但對其性能要求相當高，而結構形式多樣，各個零部件間關系也不是一成不變，從機構運動學角度分析，駐車機構能否在惡劣工況下不發生自鎖，能順利駐車或解除，有諸多約束條件，如坡度角、輪胎與地面摩擦系數、彈簧剛度、棘爪結構尺寸等。本文對駐車機構及關鍵件的設計提供了一定的研究方法。