鄭利洲

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司 汽車(chē)工程研究院，廣州511434）

0 引 言

近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)越來(lái)越重視環(huán)境污染問(wèn)題，使得新能源汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，各大汽車(chē)公司在新能源汽車(chē)的研發(fā)方面都投入了巨大的人力財(cái)力。相較于純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程問(wèn)題和傳統(tǒng)動(dòng)力汽車(chē)尾氣排放問(wèn)題，混合動(dòng)力汽車(chē)能較好兼顧兩者優(yōu)勢(shì)，提高續(xù)航里程，還能有效降低整車(chē)油耗、減少尾氣排放。

以普銳斯、沃蘭達(dá)車(chē)型為代表的專(zhuān)用變速箱較早已應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車(chē)上，國(guó)內(nèi)各大汽車(chē)廠家近幾年都有相關(guān)的研發(fā)?；靹?dòng)變速箱是一種集成了油電兩用變速箱的結(jié)構(gòu)形式，功能上具有自動(dòng)變速箱的特點(diǎn)。與自動(dòng)變速箱的結(jié)構(gòu)一樣，同樣配置了P擋駐車(chē)機(jī)構(gòu)。本文針對(duì)P擋駐車(chē)機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)、試驗(yàn)過(guò)程中遇到的一些設(shè)計(jì)缺陷，進(jìn)行問(wèn)題分析并提出相應(yīng)的改善措施。

1 駐車(chē)機(jī)構(gòu)常見(jiàn)失效形式

常見(jiàn)的P擋駐車(chē)機(jī)構(gòu)一般由棘輪、棘爪、凸輪塊、回位彈簧、導(dǎo)塊幾個(gè)關(guān)鍵部分組成。由于個(gè)體空間位置不同，設(shè)計(jì)上可能會(huì)存在差異，但原理基本相同。圖1所示為常見(jiàn)的幾種P擋駐車(chē)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式。掛P擋時(shí)，凸輪塊移動(dòng)（或轉(zhuǎn)動(dòng)）下壓棘爪與棘輪嚙合。如棘輪棘爪處于齒對(duì)齒狀態(tài)時(shí)，凸輪塊旁邊圓柱彈簧（或扭簧）被壓縮，使棘輪棘爪始終處于嚙合狀態(tài)。只需有少量位移便自動(dòng)卡入齒槽。解P擋時(shí)，凸輪塊后移（或反轉(zhuǎn)），回位彈簧彈力使棘爪回位，棘輪棘爪自動(dòng)脫開(kāi)，完成解擋。

P擋駐車(chē)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿足幾個(gè)目標(biāo)要求：1）可靠的駐車(chē)功能；2）合適的解擋力；3）滿足安全的駐車(chē)速度；4）防止意外駐車(chē)；5）駐車(chē)后安全的溜車(chē)距離等。滿足這幾項(xiàng)設(shè)計(jì)目標(biāo)基本可保證駐車(chē)機(jī)構(gòu)安全可靠。以下結(jié)合某款變速箱在研發(fā)過(guò)程中P擋駐車(chē)機(jī)構(gòu)常見(jiàn)的失效形式進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述。

圖1 幾種常見(jiàn)駐車(chē)機(jī)構(gòu)

1.1 坡道解擋失效

1.1.1 失效形式

車(chē)輛進(jìn)行坡道駐車(chē)試驗(yàn)時(shí)，掛P擋車(chē)輛駐停；解P擋后車(chē)輛不會(huì)溜車(chē)，但擋位已顯示為N擋。

1.1.2 原因分析因?yàn)閾跷灰扬@示為“N”擋，說(shuō)明駐車(chē)機(jī)構(gòu)凸輪塊有位移，且已完成解P擋動(dòng)作，但棘爪與棘輪仍處于嚙合狀態(tài)，棘輪無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖2所示為車(chē)輛在坡道的受力情況。

發(fā)生此現(xiàn)象時(shí)，凸輪塊有位移，但棘爪沒(méi)隨凸輪塊回位，可判斷凸輪塊已與棘爪分離，只需分析棘輪棘爪的受力情況，如圖3所示。

棘輪在坡道上的轉(zhuǎn)矩T=G·sin α·R/i。式中：G為整車(chē)質(zhì)量；α為坡道角度；R為輪胎半徑；i為棘輪到輪胎的減速比。

圖2 坡道車(chē)輛受力

圖3 坡道駐車(chē)棘輪棘爪的受力分析

由上述分析可知，坡道解擋失效主要原因是駐車(chē)機(jī)構(gòu)執(zhí)行了解擋動(dòng)作，凸輪塊發(fā)生了位移，但棘爪沒(méi)有隨凸輪聯(lián)動(dòng)。從而可推測(cè)是由于坡道駐車(chē)，棘爪的脫出力矩小于摩擦力矩。棘爪齒嚙合角度設(shè)計(jì)不滿足能脫開(kāi)的關(guān)系式，坡道上棘爪不能自動(dòng)脫離，從而發(fā)生解擋失效。

1.1.3 改善措施

調(diào)整棘爪嚙合角度，使棘爪在坡道上駐車(chē)解擋能自動(dòng)分離。

1.2 駐車(chē)凸輪推桿斷裂

1.2.1 失效形式

P擋駐車(chē)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿足作動(dòng)耐久試驗(yàn)要求，根據(jù)不同坡道大小規(guī)定了相應(yīng)的駐車(chē)次數(shù)要求。本次試驗(yàn)進(jìn)行到2.2萬(wàn)次時(shí)，發(fā)生了駐車(chē)凸輪推桿斷裂問(wèn)題。斷裂實(shí)物如圖4所示。

1.2.2 原因分析

坡道駐車(chē)耐久試驗(yàn)過(guò)程中，棘輪棘爪基本處于齒對(duì)齒狀態(tài)，此時(shí)駐車(chē)凸輪壓縮圓柱彈簧。由于坡道溜車(chē)，棘輪會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，棘爪持續(xù)受凸輪的壓力會(huì)卡入到棘輪齒槽中。此過(guò)程彈簧力瞬間釋放，凸輪會(huì)沖擊推桿頭部，如圖5所示。

圖4 駐車(chē)凸輪推桿斷裂圖

圖5 推桿頭部受沖擊過(guò)程

已知彈簧壓縮量、凸輪質(zhì)量等參數(shù)，在ADAMS/view中建模并輸入?yún)?shù)到仿真模型。根據(jù)仿真分析，壓縮彈簧釋放瞬間推動(dòng)凸輪沖擊推桿頭部，使推桿受到?jīng)_擊應(yīng)力大小為351 MPa（如圖6）。

圖6 推桿頭部受力仿真

推桿材料選用的是一種適合冷成型的材質(zhì)SWRCH35K，此種材料的抗拉強(qiáng)度σb≥530 MPa，屈服強(qiáng)度σs≥314 MPa，硬度≤187 HB。相比仿真結(jié)果，沖擊應(yīng)力超過(guò)了材料屈服強(qiáng)度。在試驗(yàn)反復(fù)的沖擊下，推桿發(fā)生了疲勞斷裂。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，盡管推桿不是駐車(chē)機(jī)構(gòu)中的直接受力件，但仍需要考慮足夠的強(qiáng)度來(lái)滿足駐車(chē)耐久性的要求。

1.2.3 改善措施

從批量化生產(chǎn)的角度考慮，推桿零件原加工工藝為冷成型→局部高頻→裝配鉚接。由于最后需要對(duì)推桿頭部進(jìn)行鉚接，所以需要推桿仍具有一定塑性變形的能力。為了適當(dāng)提高推桿強(qiáng)度，在冷成型后增加熱處理調(diào)質(zhì)工藝，控制零件調(diào)質(zhì)硬度在285～320 HV范圍。另一方面，提高強(qiáng)度最直接的方式是增加推桿的直徑。將推桿截面為5 mm×5 mm的方形更改為直徑為φ6 mm的圓形。從熱處理和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面的優(yōu)化，大大改善了推桿強(qiáng)度，重新加工樣件試驗(yàn)再無(wú)斷裂情況。

1.3 導(dǎo)塊松動(dòng)

車(chē)輛在正常行駛過(guò)程中一般不會(huì)掛入P擋，但意外情況下有誤操作的可能，特別是在高速行駛過(guò)程中，一旦高速行車(chē)掛入P擋，可能會(huì)發(fā)生較嚴(yán)重事故。那么就需要駐車(chē)機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上避免這種情況發(fā)生。當(dāng)車(chē)輛高于某一臨界車(chē)速時(shí)，即使有掛P擋動(dòng)作，由于棘輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，棘爪無(wú)法直接掛入棘輪齒槽，棘爪與棘輪連續(xù)的相互撞擊，發(fā)生棘齒效應(yīng)。為了滿足駐車(chē)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠，設(shè)計(jì)方案必須保證即使有少量的誤操作也不至于造成機(jī)構(gòu)的損壞。

1.3.1 失效形式

整車(chē)試驗(yàn)按前進(jìn)、后退各10次交替進(jìn)行誤操作試驗(yàn)，在進(jìn)行第34次試驗(yàn)時(shí)無(wú)法駐車(chē)。檢查發(fā)現(xiàn)駐車(chē)導(dǎo)塊螺栓松動(dòng)明顯（如圖7）。

1.3.2 原因分析

如圖8所示，誤操作試驗(yàn)中，棘輪與棘爪反復(fù)撞擊，沖擊力會(huì)通過(guò)凸輪傳遞給導(dǎo)塊，導(dǎo)塊依靠螺栓鎖緊在殼體上。完全依靠螺栓鎖緊導(dǎo)塊的摩擦力抵抗沖擊力。

將整車(chē)質(zhì)量、駐車(chē)機(jī)構(gòu)等建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析發(fā)現(xiàn)，誤操作試驗(yàn)時(shí)，棘輪的沖擊力較大（如圖9、圖10）。按8.8級(jí)螺栓M8 計(jì)算，鎖緊軸向力約為20 kN，鎖緊產(chǎn)生的摩擦力約為4 kN，無(wú)法克服如此大的沖擊力。通過(guò)多次的誤操作試驗(yàn)，鎖緊螺栓發(fā)生松動(dòng)現(xiàn)象，甚至駐車(chē)失敗。

1.3.3 改善措施

圖7 導(dǎo)塊螺栓松動(dòng)

圖8 各零件的受力

圖9 向前駐車(chē)

圖10 向后駐車(chē)

要解決此試驗(yàn)駐車(chē)失敗的問(wèn)題，僅僅做局部加強(qiáng)，比如增加螺栓公稱(chēng)直徑，增大鎖緊力矩等，效果不明顯。關(guān)鍵是要解決導(dǎo)塊固定方式的缺陷，不能以螺栓的鎖緊力來(lái)克服棘輪的沖擊力。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)變速箱中導(dǎo)塊的固定方式均考慮了棘輪的沖擊影響。在導(dǎo)塊受到?jīng)_擊方向上與殼體接觸，棘輪產(chǎn)生較大的沖擊時(shí)，這部分力可轉(zhuǎn)移到殼體上，螺栓的鎖緊力僅是起到輔助作用，不承擔(dān)主要沖擊力。通過(guò)對(duì)導(dǎo)塊的固定結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化，再次進(jìn)行誤操作試驗(yàn)，檢查駐車(chē)機(jī)構(gòu)并未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)塊螺栓松動(dòng)的問(wèn)題。

2 結(jié) 語(yǔ)

P擋駐車(chē)機(jī)構(gòu)是一個(gè)較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)構(gòu)，盡管有些廠家將其設(shè)計(jì)成模塊化的總成零件，但實(shí)際很難應(yīng)用在不同結(jié)構(gòu)和車(chē)型上。不同的變速箱駐車(chē)機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上差異很大，在結(jié)構(gòu)上難免會(huì)出現(xiàn)一些設(shè)計(jì)缺陷。以上是針對(duì)某款變速箱在開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的容易失效結(jié)構(gòu)進(jìn)行的總結(jié)，供同行一起探討，希望在以后的設(shè)計(jì)中能加以避免。