自动变速器驻车机构设计方法研讨分析

李伟

广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院 广东 广州 511434

引言

因操作习惯、紧急情况处理、误操作和恶意换挡等情况引起的自动变速器驻车机构损坏时有发生。文章通过对自动变速器驻车机构的设计提供具体的理论方法，为零部件改善和优化设计提供借鉴和参考。

1 驻车机构工作原理

驻车机构如图1所示，图中棘爪在回位弹簧的作用下，处于非工作位置，即：变速器不处于P档，棘爪与驻车轮不啮合，驻车轮可以自由转动；当驾驶员有驻车意图时，需推动驾驶室内的换挡手柄，进而驱动驻车机构的滚杆，滚杆沿着滚杆支架中的轨道进行运动，驱动棘爪绕其轴线转动，棘爪上设计的驻车指与驻车轮啮合，限制驻车轮转动，实现驻车功能。

图1 驻车机构示意图

2 空间布置和设计原则分析

驻车棘爪绕安装在壳体上的固定销轴转动，回位弹簧保证驻车棘爪在非P挡位置不与驻车齿轮啮合。螺旋压缩弹簧，也称驱动杆弹簧，在齿啮合状态下对其进行设计(挡位在P挡位置时，该状态是处于棘爪与齿共线而不是与齿槽)，驱动杆弹簧设计具有一定的承载能力，在要求的速度范围内，能足够使汽车处在P挡位置。当移出P挡位置时，回位弹簧和限位锁止柱销对驱动杆限位，弹簧的弹力正好足够克服柱销在其配合孔中的摩擦力。当挡位摘除P挡位置，汽车驻车在30%左右的上坡或下坡，驻车棘爪的接触面角设计用于使驻车棘爪脱离啮合的趋势。在棘爪齿与驻车轮齿接触而不是与齿槽接触的情况下，一旦驻车轮旋转到足够安置一个齿的啮合空间，应该有一个作用在棘爪上的主动力确保他们啮合。前置后驱上的驻车机构与前置前驱的在本质上是一样的。在多数前驱车上，驻车棘爪被安装在变速箱顶部，因为在前置前驱车上这种安装方式更易于联结线路的布置。如果驻车棘爪被安装在变速箱顶部，在设计该机构时，必须考虑棘爪的重力作用。在后轮驱动中，驻车棘爪通常安装在变速箱底部，在这种布置方式上，棘爪的重力作用可以忽略。

3 驻车机构零件具体设计方法

3.1 驻车棘爪回位弹簧设计计算方法

驻车棘爪回位弹簧的回复力应能克服因棘爪自重(2g加速度下)抵到驻车轮齿顶引起的扭矩。对进行扭矩计算，驻车棘爪重力和驻车棘爪驱动杆总成作用在棘爪的作用力应该被考虑进来。图2棘爪重量，W1=棘爪面积×宽度×棘爪材料密度驱动杆重量。驱动杆重量由驱动杆总成每个零件体积与相应密度的乘积而得，驱动杆总重量已知，用WR表示。作用在棘爪上的支撑力RP的计算：RA为驱动杆与定位轨板连接点处的反作用力。然后，RP+RA=WR计算由RA产生的扭矩，驱动杆总成每个零件重量×P点到A点的距离（AP）=RP×A点到P点的距离（rp）因此RP可知。由于来自整车的瞬时的冲击或振动载荷，由重力产生的加速度以2g计。因此：T=2[WP×k+RP×rp]。

其中：k=驻车棘爪重心到旋转中心的旋转半径T=棘爪回位弹簧所需扭矩因此扭矩也计算出来。弹簧设计：首先已知弹簧要达到的扭矩，弹簧参考《联合弹簧设计手册》进行设计，或者任何相应的参考资料，例如《SAE弹簧设计手册》，AE-11，并按照设计步骤进行设计。

3.2 安全驻车的性能计算

在车速≤5km/h时，驻车机构要能实现安全驻车，此时车轮旋转角速度为

ωr = v / 3600r（1）式中，r为车轮半径，v为车速。

如图2所示，棘爪与棘轮齿顶相碰的工况。此时实现驻车，驻车棘爪旋转角度为Wjz，驻车棘轮旋转角度为Wjl。

图2 棘爪与棘轮齿相碰时驻车机构工作状态示意图

在啮合运动过程中，驻车棘爪受力关系为：Ftgrjz- Thw= Jω'jz(2)。

式中，Ftg为推杆作用到棘爪上的力，rjz为Ftg相对于棘爪回转轴的作用半径，Thw为回位弹簧作用与棘爪的力矩，J为棘爪的转动惯量，ω'jz为驻车棘爪角加速度，t为棘爪的运动时间。

3.3 最大摘挡力校核

驻车机构从P挡脱出力大小主要由球头与驻车棘爪之间的作用力决定。球头的受力图如图4所示。受力分析并结合变速器至换挡器杠杆原理，在30%坡度工况下，P挡脱出力的理论计算公式如下

图4 球头的受力图

式中，FTGS为换挡器上脱出力，Fc为驻车棘爪对球头的作用力，Ff为摩擦力，Ff=μFc，μ为两零件间的摩擦系数，θ为球头的设计几何角度。一般情况在30%坡度工况下，P挡脱出力需根据不同车型分别评价，一般乘用车应不大于80N。

4 结语

自动变速器驻车机构是关系安全的关键系统，要求其设计简单而可靠，但是对其性能要求相当高，而结构形式多样，各个零部件间关系也并不是一成不变，因此驻车机构的设计方案有诸多的约束条件。