馬 軍，潘曉東，劉祥環(huán)，，肖育波，孫印程

(1.株洲齒輪有限責(zé)任公司， 湖南 株洲 412000；2.中南大學(xué) 機電工程學(xué)院， 長沙 410083)

隨著消費者對汽車乘坐安全性要求的提高，汽車駐車制動性能的提升日益受到重視，科研人員對汽車駐車制動系統(tǒng)也進行了深入的研究。何仁等[1]推導(dǎo)出了多軸汽車的駐車極限坡度計算公式，對其影響因素進行了分析，并在此基礎(chǔ)上，提出了多軸汽車的駐車制動性能分析方法。王應(yīng)國等[2]分析了汽車駐車制動用拉索總成的工作狀況和整車的基本要求，并設(shè)計了汽車制動用拉索總成的試驗臺架。王斌等[3]針對集成式電子駐車制動系統(tǒng)建立了系統(tǒng)內(nèi)部摩擦分析的仿真模型，并通過試驗驗證了模型在電子駐車制動系統(tǒng)應(yīng)用的可行性。郭力書等[4]在對電子駐車制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理進行分析的基礎(chǔ)上對電子駐車制動系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)進行了動力學(xué)分析，并設(shè)計了一套電子駐車制動系統(tǒng)。劉詩[5]通過ADAMS模擬了極限工況下變速器駐車機構(gòu)的運動趨勢，研究了駐車速度、坡道自鎖能力以及坡道P擋拔出力矩等。張磊等[6]分析了DCT在不同工況下的駐車特性，通過坡道試驗測試了駐車機構(gòu)棘爪咬合棘輪能力。

本文設(shè)計的P擋駐車機構(gòu)，是一種鎖止傳動軸的裝置。汽車?yán)檬謩x或者電子手剎駐車時，手剎的拉索處于緊繃狀態(tài)，如果車輛停在坡上，拉索出現(xiàn)拉伸變形或者斷裂，車輛就會溜坡，出現(xiàn)安全風(fēng)險。而變速箱中的P擋通過棘輪棘爪結(jié)構(gòu)鎖死傳動軸，其剛度和可靠性均強于手剎，因此應(yīng)用越來越廣泛。尤其在歐洲，變速箱中帶P擋鎖止裝置已經(jīng)成為法規(guī)要求。但要說明的是，變速箱P擋是傳統(tǒng)手剎的補充安全措施，不能代替手剎。

針對本單位自主研發(fā)的某電動汽車用減速箱的P擋裝置，在開發(fā)過程中遇到的坡道駐車解鎖困難的問題，展開研究和尋求解決方案，并進行相關(guān)試驗工作。

1 結(jié)構(gòu)分析和換擋板受力分析

本文研究的帶P擋功能的電動車減速箱總成如圖1所示。

圖1 株齒帶P檔功能的1T25FP減速箱

輸入軸最大輸入扭矩為300 N·m，最高轉(zhuǎn)速為12 000 r/min。

1.1 P擋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理分析

變速箱內(nèi)部P擋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2所示狀態(tài)為上坡駐車且沒拉緊手剎，P擋成功鎖止時系統(tǒng)的受力狀態(tài)。卡爪卡入棘輪的齒槽中，使棘輪無法旋轉(zhuǎn)，而棘輪通過花鍵與變速器輸出軸連接，變速器輸出軸也無法旋轉(zhuǎn)，從而使車輛驅(qū)動輪無法旋轉(zhuǎn)，車輛制動。

卡爪繞P擋2軸旋轉(zhuǎn)。復(fù)位彈簧使卡爪始終保持解鎖的趨勢。換擋板上面有2條弧線：一條半徑大，如圖3中的接觸圓弧線，該弧線是鎖止接觸線，換擋板旋轉(zhuǎn)到該弧線與卡爪接觸時，P擋成功鎖止；另一條弧線半徑小，該弧線是解鎖接觸線，換擋板旋轉(zhuǎn)到該弧線與卡爪接觸時，P擋成功解鎖。2條弧線通過1條斜線過渡，該斜線使卡爪逐漸地鎖止或者解鎖。

限位板與P擋1軸剛性連接，一起繞P擋1軸旋轉(zhuǎn)。限位塊則固定在殼體上，限制了限位板的總行程，變速箱外部的執(zhí)行機構(gòu)直接控制限位板的角度位置。限位板與換擋板之間有一個鎖止彈簧，換擋板往鎖止方向運轉(zhuǎn)(圖2中逆時針)的動力全來自與鎖止彈簧的壓力。當(dāng)換擋板往鎖止方向運動受到阻力，運動速度減慢或者停止運轉(zhuǎn)時，外部執(zhí)行機構(gòu)會驅(qū)動限位板繼續(xù)壓縮鎖止彈簧，彈簧變形量越來越大，作用在換擋板上的壓力也越來越大，直到限位板達(dá)到限位行程。

當(dāng)車輛停止，卡爪仍與棘輪頂齒接觸時，卡爪無法進入棘輪齒槽。換擋板與卡爪的接觸點或停留在斜線上，但限位板通過壓縮鎖止彈簧到達(dá)極限位置。當(dāng)駕駛員下電后，外部執(zhí)行機構(gòu)失去動力，限位板會保持當(dāng)前位置，從而保證鎖止彈簧的壓力，如果車輛出現(xiàn)溜車，棘輪開始旋轉(zhuǎn)時，卡爪會出現(xiàn)對準(zhǔn)棘輪齒槽的時機，換擋板會在彈簧力的作用下，推動卡爪進入齒槽，鎖止傳動軸。

1.2 坡道駐車時換擋板受力分析

本文以P擋系統(tǒng)在30%坡道駐車[7]且手剎不工作時的狀態(tài)為例，分析換擋板的受力情況。受力分析如圖3所示。當(dāng)手剎不工作時，車輛駐車產(chǎn)生壓力F1，F(xiàn)1會使卡爪產(chǎn)生脫出扭矩T1。換擋板會約束卡爪脫出，兩者接觸點上會產(chǎn)生壓力F2，相應(yīng)地，換擋板會受到反作用力F3，F(xiàn)3的作用方向是卡爪接觸圓弧的圓心與換擋板鎖止圓弧的圓心的連線。

如果F3過換擋板的回轉(zhuǎn)中心，則脫出扭矩為0；如果F3與換擋板回轉(zhuǎn)中心之間有力臂，即換擋板鎖止圓弧的圓心與P擋1軸圓心不同心，則F3會產(chǎn)生1個脫出扭矩T3。

彈簧鎖止壓力為F4，在駐車狀態(tài)，F(xiàn)4會阻止換擋板往鎖止方向運轉(zhuǎn)。

各作用力之間的關(guān)系如下：

T1=F1×D1=69.6 N·m

(1)

其中F1為卡爪制動車輛時受到的反作用力，當(dāng)車輛滿載情況下在30%坡道上駐車時，棘輪的制動扭矩為500 N·m，F(xiàn)1為7 733.95 N，D1為作用在F1對P擋2軸中心的力臂，本文研究案例的值為9 mm。

T2=T1-Tf1

(2)

Tf1=F1×cos(φ1)×μ1×R1=6.14 N·m

(3)

Tf1為卡爪繞P擋2軸旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的摩擦扭矩，本文取鋼與鋼之間帶潤滑的摩擦因數(shù)μ1為0.1，φ1為7°，R1為P擋2軸半徑，為8 mm。因此T2= 63.46 N·m。

F2=T2/D2= 846.19 N

(4)

F3=F2= 846.19 N

(5)

T3=F3×D3

(6)

D3與換擋板的設(shè)計有關(guān)，將在下一節(jié)中詳細(xì)論述。

T4=F4×D4

(7)

F4、D4與換擋板與限位板的夾角有關(guān)，本文以換擋板往鎖止方向達(dá)到極限位置為零點，換擋板順時針旋轉(zhuǎn)25°后，P擋達(dá)到脫出的臨界點，限位板保持不動，換擋板從零點逐漸順時針旋轉(zhuǎn)，直到解鎖臨界位置，鎖止彈簧壓縮量、壓力、鎖止扭矩的數(shù)據(jù)見表1。

T3=T4-Tf2

(8)

T3越大，P擋越容易脫出；Tf2為鎖止圓弧的摩擦扭矩，與表面摩擦因數(shù)和正壓力F3有關(guān)。摩擦因數(shù)越大，P擋脫出的阻力越大。

表1 換擋板自動脫出行程與鎖止彈簧的力學(xué)關(guān)系

2 換擋板鎖止圓弧設(shè)計分析

圖4顯示了P擋試驗車在平路、4°上坡、14°上坡時，P擋位置數(shù)據(jù)和換擋電機電流數(shù)據(jù)?？梢园l(fā)現(xiàn)很明顯的趨勢：坡道越大，換擋電機的電流越大，即功率消耗越大，說明P擋脫出的阻力越大。該換擋板樣件上的鎖止圓弧圓心與回轉(zhuǎn)中心重合，則車輛溜坡力產(chǎn)生的自動脫出扭矩為0。坡道越大，F(xiàn)3越大，摩擦阻力Tf2就會越大。當(dāng)坡度達(dá)到一定程度，或者摩擦因數(shù)大到一定程度后，P擋執(zhí)行機構(gòu)可能無法克服解鎖阻力。

圖4 不同坡度上坡P擋解鎖對比分析

為了改善該問題，可以設(shè)計一定的偏心距，產(chǎn)生一個自動脫出的力臂，如圖3中的D3，坡道越大，溜坡力產(chǎn)生的壓力F3越大，自動脫出扭矩T3也會越大，抵消了增加的摩擦阻力矩Tf2，解鎖會更輕松。但是設(shè)計該偏心距必須考慮鎖止彈簧的鎖止能力和Tf2的鎖止能力，如果偏心距太大，可能會出現(xiàn)無法自鎖的現(xiàn)象。

本文設(shè)計了3種鎖止圓弧曲線，如圖5所示。設(shè)計原則是保證鎖止圓弧的鎖止極限位置基本不變，從而保證卡爪與棘輪的結(jié)合深度不發(fā)生大的改變。

圖5中設(shè)計了3個圓心點，其中點A為與回轉(zhuǎn)中心同心，其試驗結(jié)果如圖4所示。點B和點C均有2 mm的偏移，偏移方向不一樣，其中x軸為兩圓心的連心線，y軸垂直于x軸。

鎖止圓弧的曲線如圖6所示。A方案圓弧半徑為48 mm，B方案圓弧半徑為47 mm， C方案圓弧半徑為48 mm。

圖5 3種不同的鎖止圓弧中心點

圖6 3種不同的鎖止圓弧曲線示意圖

基于式(6)可以計算得到A、B、C方案的脫出扭矩值。本文計算了換擋板處于鎖止?fàn)顟B(tài)中不同位置時的脫出扭矩T3，數(shù)據(jù)匯總于表2中。

表2 3種不同的鎖止圓弧方案的脫出扭矩對比

基于表2中的數(shù)據(jù)繪制對比曲線如圖7所示。由圖7可見：A方案沒有任何脫出扭矩效果，靠鎖止彈簧就能自鎖；B方案的脫出扭矩，隨著換擋板脫出角度的加大而加大，鎖止彈簧也會隨著脫出角度的加大而加大，但是靠鎖止彈簧無法克服脫出扭矩，當(dāng)坡度足夠大或者摩擦因數(shù)很小后，駐車時存在自動脫出的風(fēng)險；C方案隨著脫出角度的加大，脫出扭矩越來越小，而彈簧鎖止扭矩越來越大，兩者在20°時產(chǎn)生一個交點，超過20°后，鎖止彈簧就能克服溜坡力產(chǎn)生的脫出扭矩。25°點是鎖止圓弧的安全邊界，因此方案C為三者中的最優(yōu)方案。

圖7 3種不同的鎖止圓弧脫出扭矩與彈簧鎖止扭矩的關(guān)系

3 樣件試制和試驗驗證

減速箱樣箱如圖8所示。本文試制和對比了A方案和C方案的換擋板，并裝配進變速箱，在試驗車上進行試驗驗證。試驗場地為圖9所示標(biāo)準(zhǔn)坡道。

圖8 1T25FP減速箱樣箱

圖9 坡道駐車試驗場地

3.1 坡道解鎖性能對比

P擋解鎖時電流消耗的曲線是衡量解鎖阻力的有效手段。A方案在不同坡道上，上坡駐車解鎖效果如之前所述的圖4所示，下坡解鎖效果如圖10所示。C方案在不同坡道上、下坡的解鎖效果見圖11。對比圖10和圖11、12可以明顯看出：不同方案的啟動電流都比較一致，為10 A左右，這是因為電機啟動時為堵轉(zhuǎn)，堵轉(zhuǎn)電流只由啟動占空比決定。

圖10 A方案不同坡道下坡P擋解鎖效果

圖11 P擋15% 坡道1 000次解鎖數(shù)據(jù)

本文主要分析P擋位置開始運動后，運動過程中的電流消耗。A方案的解鎖電流明顯隨著坡道的增加而增加，24.9%坡道時超過了9 A(第2個峰值)。

為驗證A方案駐車解鎖的性能是否穩(wěn)定，本文基于15%坡道，對P擋進行了1 000次試驗。試驗步驟為：踩住剎車停車—掛P擋—慢慢松開剎車—完全松剎車后確認(rèn)P擋駐車是否成功且穩(wěn)定—重新踩住剎車—解除P擋[8]。試驗過程中不用手剎，所有沖擊和溜坡力由P擋承受，得到的試驗曲線如圖11所示。圖11中：上部區(qū)域為P擋位置信號；中部區(qū)域為解鎖電流信號；下部區(qū)域為電機轉(zhuǎn)速信號。

藍(lán)色線為1～200次的試驗數(shù)據(jù)，粉紅色線為201～400次試驗數(shù)據(jù)，黑色線為401～600次試驗數(shù)據(jù)，綠色線為601～800次試驗數(shù)據(jù)，黃色線為801～1 000次試驗數(shù)據(jù)。通過顏色的變化可以看出，隨著試驗次數(shù)的增加，解鎖電流逐漸變小，最后的801～1 000次(黃色線)試驗的數(shù)據(jù)，解鎖電流均比試驗初期大，解鎖電流從10 A以上降到了7 A左右。原因是隨著P擋系統(tǒng)的磨合，各接觸面變得光滑，摩擦因數(shù)變小，系統(tǒng)的摩擦損耗也變得更小。

P擋位置反映了解鎖的運動軌跡，圖11中位置軌跡不是很集中，說明解鎖性能不是很穩(wěn)定。

電機轉(zhuǎn)速反映了解鎖時傳動鏈的沖擊，由于解鎖前傳動鏈承受了坡道制動扭矩，傳動軸發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形，P擋解鎖后會釋放扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的勢能，因此會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)震蕩。

如圖12所示，C方案的解鎖電流受坡道的影響很小，30%坡道時解鎖電流與平路差別不大，而且P擋位置信號重合度非常好，說明P擋解鎖性能很穩(wěn)定，這也說明了C方案的鎖止圓弧產(chǎn)生了很好的解鎖助力效果，降低了解鎖失敗的風(fēng)險。

圖12 P擋C方案不同坡道上、下坡解鎖效果

3.2 駐車系統(tǒng)的可靠性試驗

C方案有效降低了P擋系統(tǒng)對執(zhí)行機構(gòu)解鎖力的要求，但駐車可靠性是否會降低呢？本文設(shè)計了不同坡道的可靠性試驗方案，如表3所示。

表3 3種不同的鎖止圓弧方案的脫出扭矩對比

試驗數(shù)據(jù)見圖13。掛P擋后，松開剎車和手剎，通過電機轉(zhuǎn)速可以看出，車輛小幅溜動消除間隙后電機停止轉(zhuǎn)動，說明駐車成功，而且之后車速為0，說明P擋駐車功能穩(wěn)定。

圖13 停車—駐車—溜車—確認(rèn)駐車—解除駐車循環(huán)數(shù)據(jù)

按照表3中的要求進行掛P擋可靠性試驗，在超過1萬次的試驗中，均沒有出現(xiàn)駐車過程中溜車的現(xiàn)象，說明駐車可靠性良好。

以30% 坡度為例分析坡道的解鎖數(shù)據(jù)。圖14和圖15分別為30%上坡100次試驗的解鎖數(shù)據(jù)和時間分布統(tǒng)計?？梢奝擋位置的重合性能非常好，P擋解鎖電流也比較小而且穩(wěn)定，解鎖時間主要集中在0.46 s附近，集中度也很好。

經(jīng)過表3的道路可靠性試驗后，試驗箱P擋的功能和性能均正常。試驗完成后，對減速箱進行了拆解并檢查P擋相關(guān)零部件的狀態(tài)，棘輪、卡爪、換擋板等關(guān)鍵零件均沒出現(xiàn)明顯的失效現(xiàn)象，只有表面出現(xiàn)了擦痕，屬正?，F(xiàn)象。具體情況詳見圖16～18。

圖14 30%上坡駐車可靠性試驗解鎖數(shù)據(jù)

圖15 30%上坡駐車可靠性試驗解鎖時間消耗統(tǒng)計

圖16 可靠性試驗后的棘輪齒槽嚙合面

圖17 可靠性試驗后的卡爪嚙合面 圖18 可靠性試驗后的換擋板和鎖止彈簧

4 結(jié)論

通過調(diào)整換擋板鎖止圓圓心和半徑，可以調(diào)整系統(tǒng)對外部執(zhí)行機構(gòu)解鎖扭矩的需求，本文的C方案可以在坡道駐車解鎖時產(chǎn)生溜坡力助力的效果，抵消因換擋板壓力變大而產(chǎn)生的摩擦阻力矩，達(dá)到很好的解鎖效果，同時也能保證駐車可靠性和解鎖耐久性能。

但是換擋板的解鎖助力力臂(本文圖3中的D3)也不能過大，否則會出現(xiàn)駐車鎖止失效。

P擋系統(tǒng)各接觸摩擦部位的摩擦因數(shù)是分析P擋系統(tǒng)自鎖功能和解鎖扭矩的重要因素，從本文圖11中可以看出，摩擦阻力會隨著使用次數(shù)的增加而發(fā)生變化，需要進行更深入的研究。