楊仕林 丁問司

（華南理工大學(xué)，廣州 510640）

主題詞：雙離合自動變速器 駐車機(jī)構(gòu) 駐車性能 參數(shù)優(yōu)化

1 前言

駐車制動系統(tǒng)可分為車輪制動系統(tǒng)與變速器制動系統(tǒng)[1]，變速器制動系統(tǒng)主要依靠駐車機(jī)構(gòu)實現(xiàn)制動，即變速器掛入P擋后，駐車機(jī)構(gòu)對變速器輸出軸或差速器軸進(jìn)行鎖止，以產(chǎn)生制動力[2]。

在雙離合自動變速器（Dual Clutch Transmission，DCT）主動安全設(shè)計中，駐車機(jī)構(gòu)是防止車輛以較高速度掛入P擋或防止車輛沿坡道滑行的重要安全裝置[3]。實際使用中受駕駛習(xí)慣或誤操作等因素影響，駕駛員不會待車輛完全停止后再掛入P擋。較高車速下的駐車鎖止會導(dǎo)致變速器因劇烈沖擊而損壞，并危及乘員安全。駐車機(jī)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)保證車速高于5 km/h時駐車機(jī)構(gòu)不發(fā)生鎖止，確保極端工況下乘員的安全性。

駐車機(jī)構(gòu)是自動變速器內(nèi)唯一的制動安全部件，但國內(nèi)對自動變速器駐車機(jī)構(gòu)的研究鮮有報道。張玉文等[4]使用多體動力學(xué)軟件RecurDyn對駐車機(jī)構(gòu)P擋與R擋間切換的換擋性能影響因素進(jìn)行了仿真分析和試驗驗證。劉詩等[5]對某自動變速器在坡道上的自鎖力與拔出力進(jìn)行分析并完成了臺架試驗。林小鳳等[6]通過ADAMS和HyperWorks仿真研究了駐車車速與棘輪棘爪間峰值沖擊載荷的關(guān)系。費寧忠等[7]以等效慣量法建立了駐車機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型并計算得到臨界駐車速度，而仿真結(jié)果與整車試驗結(jié)果存在較大差距。本文在搭建經(jīng)試驗驗證的較高精度駐車機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，開展對臨界駐車速度、駐車時間、最大駐車加速度（駐車過程中駐車加速度絕對值的最大值）3個駐車性能重要影響因素的分析，為駐車機(jī)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化提供參考。

2 駐車機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理

某雙離合自動變速器駐車機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作過程為：駕駛員操作換擋桿掛入P擋時，換擋拉索帶動駐車控制軸1轉(zhuǎn)動，駐車定位規(guī)板6隨之轉(zhuǎn)動，定位銷總成7沿定位規(guī)板形線從R擋卡槽移動到P擋卡槽，定位規(guī)板的轉(zhuǎn)動帶動駐車推桿8移動，并通過駐車壓簧9推動駐車錐銷2與V形塊4接觸，在V形塊的導(dǎo)向作用下，駐車錐銷2將棘爪10壓入棘輪5的兩齒之間實現(xiàn)棘輪鎖止，棘輪與駐車軸間以花鍵連接，棘輪鎖止時駐車軸無法轉(zhuǎn)動，通過駐車軸與差速器常嚙合齒輪的作用可實現(xiàn)差速器的鎖止，完成駐車功能。當(dāng)駕駛員需重新起動車輛時，退出P擋后，駐車定位規(guī)板6隨駐車控制軸1轉(zhuǎn)動，定位銷總成7從P擋卡槽移動到非P擋卡槽位置，駐車推桿8使駐車錐銷2與駐車棘爪10脫離接觸，駐車棘爪10在回位扭簧3的作用下復(fù)位脫離棘輪5，駐車功能隨之取消。

圖1 某雙離合自動變速器駐車機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

3 臨界駐車速度

假設(shè)駐車鎖止過程中，棘輪勻速轉(zhuǎn)動角度為θl，轉(zhuǎn)動時間為tl，棘輪轉(zhuǎn)動角速度為ωl，則有：

棘輪安裝在駐車軸上，設(shè)駐車軸與半軸的傳動比為i，輪胎與地面間無滑動時有：

式中，v為車速；r為輪胎半徑。

在駐車鎖止過程中，駐車棘爪相對于棘爪軸的轉(zhuǎn)動角加速度為ε，轉(zhuǎn)動時間為tz，轉(zhuǎn)動角度為θz，假設(shè)棘爪運動過程為勻加速度轉(zhuǎn)動，則有：

棘爪轉(zhuǎn)動角加速度為：

式中，T1為錐銷作用在棘爪上的力矩；Tg為棘爪重力產(chǎn)生的力矩；T2為回位彈簧作用在棘爪上的力矩；J為棘爪相對于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。

當(dāng)tl≥tz時，棘爪完全卡入棘輪齒槽，棘輪被鎖止，進(jìn)而鎖止差速器和整車；當(dāng)tl=tz時，車速即為臨界駐車速度v′，即駐車棘爪與駐車棘輪恰好嚙合且棘爪不再彈出時刻的車速，聯(lián)立式（1）～式（4）可得：

T1、T2、J、θz、θl、i與駐車機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相關(guān)，T1還與錐銷錐角及壓簧相關(guān)，T2還與回位扭簧剛度及其預(yù)緊力相關(guān)。臨界駐車速度的調(diào)整可通過對各彈簧參數(shù)及駐車機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)節(jié)實現(xiàn)。

4 駐車機(jī)構(gòu)ADAMS動力學(xué)仿真模型

駐車機(jī)構(gòu)是多自由度非線性復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)，利用動力學(xué)仿真軟件ADAMS[8]可準(zhǔn)確搭建其動力學(xué)模型。ADAMS以剛體質(zhì)心直角坐標(biāo)(x,y,z)和剛體歐拉角(ψ,θ,φ)為廣義坐標(biāo)，即對由n個剛體組成的系統(tǒng)，存在，多剛體動力學(xué)方程[9]為：

式中，T為系統(tǒng)動能；q為廣義坐標(biāo)列陣；q˙為系統(tǒng)的廣義速度列陣；Q為廣義力列陣；ρ、μ分別為完整約束和非完整約束的拉氏乘子列陣；Φq為完整約束雅克比矩陣；θq為非完整約束矩陣。

ADAMS計算程序應(yīng)用吉爾剛性積分算法及稀疏矩陣技術(shù)[10]，計算效率得以提高。

傳統(tǒng)的車輛系統(tǒng)模型建立時常將整車與變速器等效為一個旋轉(zhuǎn)部件的慣量盤，忽略了整車結(jié)構(gòu)以及變速器內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部件對仿真結(jié)果的影響。為構(gòu)建更加精確的駐車機(jī)構(gòu)模型，本文將直接參與駐車功能的部件分成整車模塊、變速器模塊、駐車模塊3個部分。其中整車模塊主要由前橋、后橋、車輪、車體等組成，整車參數(shù)如表1所示，車體以質(zhì)量塊表示，并依據(jù)整車載荷分布及質(zhì)心高度進(jìn)行質(zhì)量塊的位置布置。變速器模塊考慮變速器內(nèi)部所有轉(zhuǎn)動的部件及其轉(zhuǎn)動慣量。駐車模塊包含駐車操作桿、定位規(guī)板、定位銷總成、V形塊、推桿、錐銷、棘輪、棘爪等，主要參數(shù)如表2所示。在ADAMS系統(tǒng)中建立的駐車機(jī)構(gòu)多剛體模型如圖2所示。仿真計算時采用穩(wěn)定的SI2準(zhǔn)則的GSTIFF求解器?？紤]到模型瞬態(tài)行為，將初始仿真步長設(shè)置為最大步長的0.05倍，積分器的最大積分次數(shù)設(shè)置為12階，仿真時間為10 s，仿真步長為0.001 s。

表1 某車型整車計算參數(shù)

表2 某車型駐車機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)

圖2 基于ADAMS的駐車機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型

5 仿真結(jié)果及試驗驗證

為研究某款搭載雙離合變速器的SUV駐車機(jī)構(gòu)的性能，在測試車輛上安裝移動體測速傳感器以精確測量駐車過程的車速、加速度、漂移角和操縱穩(wěn)定性，如圖3所示。傳感器速度精度為0.1 km/h，加速度量程為±4g（g為重力加速度），精度為1%，其采樣頻率達(dá)10 Hz。駐車系統(tǒng)試驗流程為：車輛在平直路面上以D擋前進(jìn)，車速調(diào)整至5 km/h時，掛入P擋，記錄車輛從掛入P擋到停止時間段內(nèi)的速度、加速度曲線。

圖3 臨界駐車試驗設(shè)備

臨界駐車速度的仿真計算與試驗測試的對比如圖4a所示，車速低于臨界車速時將迅速下降，并經(jīng)多次震蕩后減弱到零。圖4b所示的車輛加速度歷程顯示了駐車過程中的沖擊。車輛加速度在車速低于臨界駐車速度后持續(xù)震蕩，逐漸衰減至零。試驗與仿真結(jié)果的對比如表3所示，其中臨界駐車速度、駐車時間、最大駐車加速度的最大誤差不超過3.7%，且仿真結(jié)果與試驗結(jié)果變化趨勢一致，表明本文的駐車機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型具有較高的準(zhǔn)確性。

圖4 仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)

表3 試驗與仿真結(jié)果對比

6 駐車性能關(guān)鍵影響因素

換擋手柄推入P擋的速度是駐車性能的影響因素之一，影響換擋過程中汽車的減速度，從而影響完全掛入P擋時刻的車速，進(jìn)而影響駐車時間。臨界駐車速度與最大駐車加速度出現(xiàn)在棘爪齒卡入棘輪槽的瞬態(tài)過程中，P擋掛入速度對該過程影響很小，不是駐車性能的關(guān)鍵影響因素。

本文針對臨界駐車速度、駐車時間及最大駐車加速度等駐車性能指標(biāo)，使用控制變量法對壓簧預(yù)緊力、壓簧剛度、回位扭簧預(yù)緊力矩、回位扭簧剛度、錐銷錐角等駐車性能關(guān)鍵影響參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，仿真參數(shù)以前文中經(jīng)驗證的動力學(xué)模型參數(shù)為基準(zhǔn)，將控制變量的值分別調(diào)整為基準(zhǔn)的0.9倍、1.0倍、1.1倍，其他參數(shù)保持不變。

6.1 壓簧預(yù)緊力

壓簧預(yù)緊力對駐車性能的影響如圖5所示，3種壓簧預(yù)緊力下的仿真結(jié)果如表4所示。由圖5可知，隨著壓簧預(yù)緊力的增大，臨界駐車速度提高，駐車時間縮短。

圖5 壓簧預(yù)緊力影響分析

當(dāng)壓簧預(yù)緊力增加時，其作用于棘爪的力增大，使棘爪轉(zhuǎn)動角加速度增大，在棘輪棘爪齒隙不變的情況下，轉(zhuǎn)過相同角度用時更少，使臨界駐車速度提高。同時，因壓簧預(yù)緊力增加，棘輪棘爪表面作用力增大，棘輪轉(zhuǎn)速下降較快。臨界駐車速度的提高，使得減速到對應(yīng)臨界駐車速度的駐車時間縮短。因此，增大壓簧預(yù)緊力可有效提高臨界駐車速度，縮短駐車時間。然而，不同壓簧預(yù)緊力對最大駐車加速度的影響不明顯。

6.2 壓簧剛度

壓簧剛度對駐車性能的影響如圖6所示，3種壓簧剛度下的仿真結(jié)果如表5所示。分析可知：隨著壓簧剛度的增加，臨界駐車速度提高，駐車時間縮短。在同等壓縮量條件下，壓簧剛度的增加實際上增加了壓緊力，因此，壓簧剛度對臨界駐車速度和駐車時間的影響與壓簧預(yù)緊力的影響一致。

然而，增加壓簧剛度后棘輪棘爪連接剛度也隨之增強(qiáng)，駐車加速度亦隨之增大，使駐車過程對乘員的沖擊增強(qiáng)，對車輛的行駛平順性不利。因此，壓簧設(shè)計時需適當(dāng)降低剛度，以降低駐車沖擊，同時應(yīng)增加壓簧預(yù)緊力，以滿足臨界駐車速度和駐車時間的要求。

圖6 壓簧剛度影響分析

表5 壓簧剛度仿真結(jié)果對比

6.3 回位扭簧預(yù)緊力矩

回位扭簧預(yù)緊力矩對駐車性能的影響如圖7所示，3種回位扭簧預(yù)緊力矩下的仿真結(jié)果如表6所示。由圖7和表6可知，隨著回位扭簧預(yù)緊力矩增大，駐車速度降低，駐車時間延長，而最大駐車加速度對預(yù)緊力矩不敏感。

回位扭簧預(yù)緊力矩與壓簧預(yù)緊力作用相反，原因在于回位彈簧施加反向力矩，隨著回位扭簧預(yù)緊力矩增加，作用于棘爪上的力削弱，則棘爪轉(zhuǎn)動角加速度減小，導(dǎo)致臨界駐車速度減小，減速到對應(yīng)臨界駐車速度所需時間增加。因此，增大回位扭簧預(yù)緊力矩將減小臨界駐車速度，延長駐車時間，而對最大駐車加速度的影響有限。

圖7 回位扭簧預(yù)緊力矩影響分析

表6 回位扭簧預(yù)緊力矩的仿真結(jié)果對比

6.4 回位扭簧剛度

回位扭簧剛度對駐車性能的影響如圖8所示，3種回位扭簧剛度下的仿真結(jié)果如表7所示。分析可知：隨著回位扭簧剛度的增大，駐車速度降低，駐車時間延長，最大駐車加速度增大?；匚慌せ蓜偠仍龃笙喈?dāng)于增加了其在相同扭轉(zhuǎn)量條件下的預(yù)緊力矩，因此回位扭簧剛度對臨界駐車速度和駐車時間的影響與回位扭簧預(yù)緊力矩影響一致。同時，棘輪棘爪連接剛度也會隨回位扭簧剛度的增加而增大，最大駐車加速度也隨之增大，導(dǎo)致駐車沖擊增大。

圖8 回位扭簧剛度影響分析

6.5 錐銷錐角

錐銷錐角對駐車性能的影響如圖9所示，3種錐銷錐角下的仿真結(jié)果如表8所示。分析可知：隨著錐銷錐角增大，臨界駐車速度減小，駐車時間增大，而最大駐車加速度減小。原因為，當(dāng)錐角增大時，作用在棘爪上的力分量減小，棘爪的轉(zhuǎn)動加速度減小，使臨界駐車速度變小，減速到臨界駐車速度所需時間增加，棘輪棘爪的連接剛度、駐車加速度隨著錐角的增大而減小。因此，在不改變壓簧、回位彈簧參數(shù)的情況下，加大錐銷錐角可有效降低駐車加速度，減小車輛駐車沖擊，相應(yīng)地也會降低臨界速度和延長駐車時間。

表7 回位扭簧剛度的仿真結(jié)果對比

圖9 錐銷錐角影響分析

表8 錐銷錐角的仿真結(jié)果對比

7 結(jié)束語

本文針對某雙離合變速器駐車機(jī)構(gòu)動力學(xué)特性，開展了多剛體動力學(xué)建模仿真，通過試驗驗證了模型的準(zhǔn)確性，并進(jìn)行了多重影響因素分析，獲得了如下結(jié)論：增加壓簧預(yù)緊力或減小回位彈簧預(yù)緊力矩，可提高臨界駐車速度，縮短駐車時間，但對抑制最大駐車加速度影響有限；增加壓簧剛度與降低回位扭簧剛度，可提高臨界駐車速度，縮短駐車時間，但增大壓簧剛度會增強(qiáng)棘輪棘爪連接剛度，從而增大最大駐車加速度，造成駐車沖擊；提高錐銷錐角可在降低臨界駐車速度和延長駐車時間的情況下，有效降低駐車加速度，削弱車輛駐車沖擊。駐車機(jī)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)綜合考量各因素的影響。