孫印程 劉祥環(huán),2 劉德福

（1.中南大學，長沙 410083；2.株洲齒輪有限責任公司，株洲 412000）

主題詞：駐車機構 解鎖 力學模型 多體動力學仿真

1 前言

自動變速器駐車機構用于車輛靜止時將自動變速器中的傳動軸鎖止，即通過將傳動軸在旋轉方向上的鎖定來確保停車后不會出現(xiàn)車輛滑移、溜坡等危險情況，是自動擋車輛不可或缺的安全裝置[1-5]。目前，針對自動變速器駐車機構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]使用多體動力學方法對無級變速器駐車機構進行了仿真分析，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]利用多體動力學軟件RecurDyn對以自動變速器駐車機構為基礎建立的多體動力學模型進行了仿真分析，實現(xiàn)對P-R換擋性能的設計校核。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，提出駐車制動手柄與制動踏板的操作順序不當時會導致?lián)Q擋力較大，并通過試驗測定了換擋力大小。劉詩等[10]通過ADAMS軟件模擬了極限坡度下變速器駐車機構的運動情況，得到駐車速度與車輛慣性的關系，并進行駐車速度整車試驗，提出了車輛慣性劇變時的駐車速度為車輛臨界駐車速度的觀點。

然而，在自動變速器駐車機構的研發(fā)過程中有時會遇到車輛在坡道上解鎖困難的問題，前人的研究對該問題鮮有涉及。本文針對該問題，通過分析駐車機構關鍵零件的受力情況，分析駐車機構解鎖困難的原因，構建駐車機構的力學模型，從提高駐車機構解鎖可靠性的角度出發(fā)，對棘輪尺寸參數進行優(yōu)化，同時利用ADAMS軟件建立的多體動力學模型對優(yōu)化后的機構進行驗證。

2 駐車機構結構及工作原理

駐車機構的三維結構如圖1所示，其在自動變速器中的位置如圖2所示。駐車驅動電機輸出軸8與限位板6 剛性連接，驅動電機輸出軸8 由帶有蝸輪蝸桿減速機構的電機驅動，該蝸輪蝸桿機構具有反向自鎖性[11]，當電機下電后，驅動電機輸出軸8無旋轉自由度。

圖1 駐車機構結構

圖2 駐車機構在自動變速器中的位置

駐車時，駐車驅動電機上電后驅動電機輸出軸8帶動限位板6 順時針旋轉，限位板6 通過鎖止彈簧5 推動換擋板4 順時針轉動，換擋板4 擠壓棘爪2 上的滾輪3，使棘爪2繞棘爪旋轉軸10順時針轉動，并卡入棘輪1的齒槽中，限制棘輪1的轉動，由于棘輪1與變速器傳動軸11剛性連接，變速器傳動軸也無法旋轉，從而使驅動輪無法旋轉，實現(xiàn)車輛制動。解鎖時，駐車驅動電機上電后限位板6 推動換擋板5 逆時針轉動，棘爪2 在復位扭簧9及棘輪1對其施加的擠壓力作用下，逆時針轉動脫出棘輪1的齒槽，實現(xiàn)解鎖。

3 駐車機構力學建模分析

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

式中，TL=mgRsinδ為驅動輪半軸上的扭矩；R為驅動輪輪胎半徑；m為整車質量；g=9.8 m/s2為重力加速度；i為變速器傳動軸與驅動輪半軸之間的傳動比。

圖3 坡道駐車車輪半軸受力分析

駐車機構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，變速器傳動軸可以順利轉動。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，限位板推動換擋板順時針轉動后，棘爪仍保持靜止，則無法解鎖，此現(xiàn)象稱為駐車機構自鎖。坡道駐車時駐車機構棘爪受力分析如圖4所示。

圖4 棘爪受力分析

鎖止時，駐車機構零件位置的幾何關系如圖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，嚙合點為P。圖5中，O1P為嚙合點與棘輪中心的連線，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為鎖止時棘輪與棘爪的嚙合深度；L1為嚙合點與棘輪旋轉中心之間的距離；L2為棘輪齒工作齒面與棘爪旋轉中心之間的距離；L3為棘輪齒旋轉中心與棘爪旋轉中心的距離；L4為棘爪旋轉中心與嚙合點之間的距離；L5為O2與過嚙合點P的嚙合面法線之間的距離。

圖5 駐車機構零件間的相對位置

由正余弦定理可得：

聯(lián)立式（5）～式（7）可得：

鎖止狀態(tài)下，各部件間不存在相對運動，但存在相對運動趨勢，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為μ，考慮到棘爪與棘爪旋轉軸之間的潤滑條件良好，忽略二者之間的摩擦力。對棘輪進行受力分析可得：

對棘爪進行受力分析，由力矩平衡可得：

式中，TN=FNL5為FN對棘爪施加的力矩；Tg=φκ為復位扭簧對棘爪施加的扭矩；φ為棘爪繞棘爪軸的旋轉角度；κ為復位扭簧的剛度系數；Tf=μFNL2為棘輪與棘爪之間的摩擦力對棘爪產生的力矩；Th=FL為換擋板對棘爪施加的力矩；F為換擋板對棘爪的作用力；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為限位板對換擋板的作用力產生的力矩；F′=F為棘爪對換擋板的作用力；Ft=λl為鎖止彈簧對換擋板的作用力；λ為鎖止彈簧的剛度系數；l為鎖止狀態(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，若保持駐車機構鎖止的穩(wěn)定性，即棘爪不會推動換擋板逆時針轉動，則棘爪施加到換擋板上的力F′產生的力矩最大值應小于或等于鎖止彈簧對換擋板作用力Ft產生的力矩，即：

解鎖時，若要實現(xiàn)順利解鎖，則換擋板在限位板推動下逆時針轉動時，棘爪應在合力矩作用下繞棘爪旋轉中心逆時針轉動，脫出棘輪齒槽，則Th應為正值，可得：

聯(lián)立式（5）、式（12）、式（13）可得：

由于變速器內部空間的尺寸限制，部分駐車機構零件尺寸及位置關系已確定，查閱工具書[14]確定靜摩擦因數，計算參數如表1所示，試驗車輛信息如表2所示。

表1 計算參數

表2 試驗車輛信息

根據表1和表2中的數據可得：

駐車機構優(yōu)化前β=7.4°，試驗過程中會出現(xiàn)無法解鎖的情況?？紤]到β取較大值時，有利于解鎖，但也會導致零件之間的作用力過大，零件有斷裂失效的風險，根據計算結果，制作樣機時取β=13°，代入式（8）、式（10）中，得到α=8°，F(xiàn)=1 203.5 N。

4 駐車機構多體動力學仿真分析

為驗證理論計算的正確性，采用CAD 建模軟件Creo 4.0 和虛擬樣機軟件ADAMS 對駐車機構進行聯(lián)合仿真[15]。將在Creo 中建立的零件三維模型導入ADAMS，并對各部件賦予材料、質量、轉動慣量等屬性。為便于建立多體動力學模型，在不影響仿真分析的前提下對導入的三維數模進行簡化，并用ADAMS 中的線性彈簧阻尼器代替鎖止彈簧。根據駐車機構的運動原理，通過固定副、旋轉副創(chuàng)建約束，并施加載荷。為保證仿真分析的真實性，棘輪與棘爪之間定義為基于接觸碰撞的力約束關系，采用沖擊函數法（Impact）計算接觸力，通過庫侖法（Coulomb）計算摩擦力[16]。按照表3所示的參數設置接觸中的力的非線性指數、摩擦因數、力指數等。建立的駐車機構多體動力學模型如圖7所示。

表3 仿真參數

圖7 駐車機構多體動力學模型

設置驅動電機輸出軸在第0.1 s時逆時針旋轉到工作位置（29°），第2.0 s 時開始順時針旋轉進行解鎖，第2.1 s 解鎖完成。棘輪旋轉中心軸上的等效扭矩T從第0.1 s 開始加載，第1.0 s 時加載完成。駐車穩(wěn)定時棘爪與換擋板間的作用力F隨β的變化曲線及5 個特定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，棘爪卡入棘輪齒槽后作用力F為零，解鎖時換擋板轉動后，棘爪仍卡在棘輪齒槽內，駐車機構發(fā)生自鎖，與實際遇到的坡道駐車無法解鎖的情況一致；β≥18.5°時，棘爪卡入棘輪齒槽后無法維持穩(wěn)定駐車，F(xiàn)隨時間緩慢增大，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。仿真結果表明，當8°＜β＜18.5°時可實現(xiàn)駐車和解鎖，當β=13°時，F(xiàn)=1 150 N，與理論計算結果間相差不大，有一定的指導意義。

5 駐車機構解鎖性能試驗

為驗證駐車機構解鎖性能，試制裝有駐車機構的變速器樣機，如圖9所示，裝車后進行坡道駐車和解鎖試驗。

圖8 駐車機構動力學仿真結果

圖9 集成駐車機構的自動變速器樣機

5.1 試驗方法

為驗證優(yōu)化后的駐車機構是否滿足駐車及解鎖要求，試制β=13°時的駐車機構樣機，并裝車試驗。將試驗車停穩(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，確認數據采集正常，收集駐車驅動電機的工作信號。啟動P擋駐車測試，踩住制動踏板保持車輛停止，換擋旋鈕旋至P 擋位置，松開制動踏板和駐車制動手柄，確認車輛是否成功被駐車機構鎖住。解除P擋駐車測試：踩住制動踏板保持車輛停止，汽車擋位切換至N 擋，松開制動踏板和駐車制動手柄，確認車輛能否行駛。重復試驗1 500 次，驗證駐車機構的解鎖可靠性。

圖10 30%坡道駐車試驗

5.2 試驗結果

“鎖止-保持-解鎖”循環(huán)試驗測試結果如圖11 所示。駐車驅動電機配置角度傳感器，用于測量駐車驅動電機輸出軸的旋轉角度，傳感器模數轉換結果（AD值）反映了驅動電機輸出軸旋轉角度。第1 s時駐車驅動電機上電，檢測到傳感器AD值由250增大到600，此時駐車電機輸出軸旋轉到位，完成鎖止動作，駐車驅動電機下電。保持駐車狀態(tài)約2 s后，駐車驅動電機上電，驅動電機輸出軸反向旋轉，傳感器AD值由600減小到250，完成解鎖動作。駐車機構完成解鎖動作后，檢測到整車控制器（Vehicle Control Unit，VCU）車速波動，同時車輛在坡道上小幅后退，如圖12所示，說明駐車機構解鎖成功。

圖11 駐車驅動電機電流及AD值

圖12 VCU車速變化曲線

在1 500 次重復試驗中，沒有出現(xiàn)駐車機構無法解鎖的情況。

6 結束語

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