自动变速箱驻车分析计算(论文6)

吕泓 河南省信息中心

摘要:自动变速箱通常有PRND四个功能档位，P驻车档，R倒档，N空挡，D前进挡。P档驻车，是在变速箱传动系统中通过机械结构锁止从而强制停止任何动作（不包括发动机的动力部分），通常更多的是用于长时间等红灯期间和停车。主要解决了空挡溜车、坡上驻车等问题。本文基于设计条件，对设计进行分析计算，以此对设计进行初步校核并为仿真分析提供输入条件。

关键词: 自动变速箱，P档，驻车，计算，分析

Development of park system 

Abstract: Automatic transmissions are usually with four functional gears ‘PRND’, R reverse, N neutral, D forward gears, P parking.  P gear parking, Vehicles are forced to stop any actions by mechanically locked structure which is set in the gearbox. (not including the engine power). It is usually used during waiting for the red light turning to green and parking. It mainly solves the slipping on neutral gear, hill hold and other issues. The following content will describe the analysis and calculation based on the design requirements to have a preliminary review and provide input info for the simulation.

Key Words: Auto Transmission; P gear; Parking; calculation; analysis

1.引言

为了能让自动挡的车型像手动车型那样通过挡位来车辆的移动，因此在自动变速箱中我们设置了P挡。通常的P挡，主要是指通过锁止机构与锁止齿轮结合直接固定与车轮相连的变速箱输出轴，通过锁止半轴来锁止车轮，实现驻车。

2.P 档驻车设计条件

1.1组成

通常的P挡，主要由一个锁止机构 (如图锁销、回位弹簧、下压装置、棘爪弹簧、工作销以及工作销预紧弹簧等) 和一个锁止齿轮构成。

示意图

1.2P档-驻车档工作过程

变速箱输出轴和P档锁止齿轮是刚性连接的，最终指向驱动轮胎，前驱车就是前轮。驻车时，推动手柄至P档，手柄通过拉锁拉动换挡臂，换挡臂带动换挡轴转动驱使工作销前伸，工作销锥面推动锁销下压，直至锁销棘爪卡入锁止齿轮。通常要求在一定的车速下，棘爪才能卡入锁止齿轮。所以最好等车完全停止后在如P档，不然容易出现棘爪和齿轮打齿。

示意图

1.3设计目标

在目标车型中实现驻车基本功能。

通过最恶劣工况以及车辆信息，计算出最大的载荷。以现有的设计几何形状，默认零件刚度强度满足要求，作受力分析和计算。目的：初步校核功能设计，并为进一步的仿真分析提供可靠的输入信息（载荷分布，载荷大小等）

2.1驻车最大扭矩

总重：GVW＝1785Kg

载荷分布：50%/ 50% F/R

车轮滚动半径：R=308mm

主减速速比：4.3

地面摩擦系数：µ=0.8

最大爬坡度：30%

2.2.1在30%坡度驻车扭矩Torque On Park Gear On 30% Grade

F = GVW·sin(16.7º) = 1785×9.8065×sin(16.7º)  =  5030（N）

  驻车齿轮上的扭矩：Torque On Park Gear:

  T= F·R·1/i =5030×308×1/4.3 = 354655(Nmm)

2.2.2最大驻车扭矩 Maximum Possible Park Torque

地面最大摩擦力：Maximum Possible Road Frictional Force

f=µ·Nf =0.8×1785×0.5×9.8065=7002（N）

最大扭矩：Maximum Torque

Tmax= f·R·1/i =7002×308×1/4.3 = 493672(Nmm)

2.2驻车溜车行程校核

当驻车时，棘爪初始位置与齿轮齿顶卡死时，会在齿轮转到下一个齿槽时才挂入驻车档。这时存在最大溜车行程，最大溜车行程必须在安全范围内。由于车辆有前进和后退两个方向，所以存在两种情况。

2.2.1最大向前溜车行程Maximum Roll Rearward

最大转过角度Max Gear Rotation：α=40.8º

L= α/360 º·(1/i)·2πR 

= (40.8º/360 º)×(1/4.368) ×2×π×308

= 50mm

2.2.2最大向后溜车行程Maximum Roll Forward

最大转过角度Max Gear Rotation：α=41.7º

L= α/360 º·(1/i)·2πR 

= (41.7º/360 º)×(1/4.368) ×2×π×308

= 51mm

结论：前、后溜车行程< 150mm, 满足要求。

2.3驻车齿轮受力分析

在最恶劣工况的时（坡上驻车），分析驻车齿轮所承受的力的大小和方向。为棘爪受力计算以及后续仿真提供输入条件。

驻车最大扭矩：Tmax =493672 (Nmm)

驻车齿轮设计

2.3.2前进方向驻车力平衡

2.4驻车棘爪受力分析

在驻车状态，分析最恶劣工况下（坡上驻车）棘爪所受的力大小方向。为棘爪强度校核以及仿真提供输入条件。

2.4.1倒车方向驻车力平衡

Fb=13162N

Fc=3399N   Fax= 9234N   Fay= 3694N

2.4.2前进方向驻车力平衡

Fb= 13199N

Fc= 4047N  Fax= 8561N  Fay=3903N

2.5棘爪分离校核 

当操作要脱出驻车档时，即松开工作销时，棘爪不能卡滞，动力传递不被锁止。分析分离力矩方向，大小。

2.5.1倒档方向分离校核

µs=0.1     Fb=13162N

M= 155638Nmm

2.5.2前进方向分离校核

µs=0.1     Fb= 13199N

M=185077Nmm

结论：不用回位扭簧棘爪也可回位

Conclusion：Return Torsional Spring is not needed.

2.6驻车接合计算Pawl Spit Out

在驻车结合是，不应自动脱出。

µs=0.1

结论：棘爪所受合力方向为压簧拉伸方向，驻车棘爪结合时，助力弹簧不会被压缩

Pawl spit out is not possible with this geometry.

3.结论

通过分析认为坡上驻车时为最恶劣工况，再此工况下上述计算基于给定整车信息仅对驻车系统的3个基本功能1）溜车行程 2）挂档3）脱档 进行了分析计算。计算结果：

1)最大溜车行程51mm小于150mm的要求。

2)脱档分离时，分离力矩足够大，驻车棘爪不会卡滞。

3)挂档结合时，助力弹簧不会被压缩，工作销不弹出所以棘爪不会弹出。

该设计基本满足这3个基本功能的要求。

4.建议

因为该计算仅局限于静载状态下的驻车系统且默认零件刚度强度始终满足要求，并不包含驻车至车轮间结构和动态的响应情况。所以因进一部分析或者注意一下几点:

1)最大溜车行程需考虑进驻车至车轮之间结构的间隙（齿隙等）

2)零件因刚度或者环境影响而产生的形变对脱档力的影响。

3)误挂档状态下或外力的产生的冲击力（对零件及壳体）影响

4)累计误差对受力的影响

参考文献

[1] 成大先 主编 《机械设计手册》 化学工业出版社

[2] 陈心爽，袁耀良 《材料力学》

[3]《轻型汽车技术》2012年10 期