汽车变速箱P挡驻车机构设计分析

郑利洲

摘 要：汽车自动变速箱中P挡驻车机构作为一项重要配置，在車辆长时间停放，特别是坡道停放的安全上起到了特别重要的作用。对于搭载自动变速箱的汽车，P挡机构的可靠性对车辆的安全性能有着非常重要的意义。文章主要从P挡驻车机构设计的角度，对结构设计上的几个关键点作简要阐述。

关键词：P挡驻车机构;设计;解档力;棘齿效应;临界驻车车速

中图分类号：U463  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）15-89-03

Abstract： As an important configuration， the parking mechanism with P gear in the automatic gearbox plays an important role in the long time parking of vehicles， especially the safety of parking on ramps. For cars equipped with automatic gearbox， the reliability of the P gear mechanism is very important to the safety of vehicles. This paper mainly from the point of view of P gear parking structure design， on the structure design of several key points are briefly described.

Keywords： Parking gear P; Design; Solution file force; The ratchet effect; Critical parking speed

CLC NO.： U463  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）15-89-03

1 引言

随着汽车工业的发展，国内汽车变速箱行业从手动挡逐步向自动挡方向发展，比如AT、DCT等形式。自动变速箱相比手动箱，增加了P挡驻车机构。另外国内发展较快的新能源汽车单档变速箱也设置了这一配置。汽车自动变速箱中P挡驻车机构作为一项重要配置，在车辆长时间停放，特别是坡道停放的安全上起到了特别重要的作用。对于搭载自动变速箱的汽车，P挡机构的可靠性对车辆的安全性能有着非常重要的意义。本文主要从P挡机构设计的角度，对结构设计上的几个关键点作简要阐述。

P挡驻车机构满足安全可靠要求，需要实现以下几个关键点：

（1）当汽车停止挂入P挡时，驻车机构能顺利的完成锁止动作，并可靠锁止车辆。即便坡道也不能自动脱档，引起驻车功能失效。

（2）当汽车准备启动退出P挡时，驻车机构能顺利解除锁止。即便坡道上，合适的解档力也能完成解档动作。如采用电子P挡，要考虑足够的扭矩安全系数。

（3）当车速大于某一限定值时，如驾驶员误挂入P挡，驻车机构不能锁止变速箱，且机构不发生损坏。

（4）行车过程中任何工况下，比如车辆振动、急加速、急减速等情况，不能引起驻车机构意外锁止。

（5）当车辆完成驻车后，很多情况下松开刹车，车辆会有一定向前或向后的溜车距离，保证驻车安全，溜车距离不能过大。

国内自动变速箱的设计起步较晚，相比欧美日等国家技术上有明显差距。相应的，在P挡驻车机构设计方面，几乎找不到较全面的设计资料，大多数情况都以对标参照设计为主。本文以某款已量产机型为背景，简要分析P挡驻车机构的设计。

2 设计关键点

2.1 设计输入

驻车机构设计需要满足强度、可靠性要求。由于机构强度与整车质量直接相关，进行设计时需要了解整车的相关参数。P挡设计的主要参数包含以下内容：

2.2 驻车机构结构

驻车机构结构主要根据变速箱内部空间布置不同可设计成不用的结构形式。本文以下图1结构为例简要介绍驻车机构。一般驻车机构主要由棘轮、棘爪、回位弹簧、锥销推杆组件、压力导块、旋转齿板等组成。当进行入P挡操作时，锥销推杆进入压力倒块与棘爪之间，下压棘爪使棘轮棘爪齿啮合，完成锁止动作。如入P挡时，棘轮与棘爪是齿对齿状态，则锥销推杆弹簧被压缩，棘爪保持与棘轮啮合的趋势，车辆稍微溜车即完成锁止。当退出P挡时，锥销推杆抽出，棘轮与棘爪脱开，解除P挡锁止。

1—棘轮 2—棘爪 3—回位弹簧 4—锥销推杆组件

5—压力导块 6—旋转齿板

2.3 满足坡道解锁要求

驻车机构受力大小随坡道角度的变化而变化。车辆停放平路时，驻车机构几乎不受力，随着角度的增加，棘轮端对棘爪的压力越大，驻车机构受力越大。以上坡时棘轮与棘爪的受力为例，分析简图如图2：

F1——棘轮对棘爪的正压力;

L1——棘爪自动脱开力臂;

F2——棘爪受到正压力产生的摩擦力，摩擦力阻碍棘爪自动脱开;

L2——阻碍棘爪自动脱开摩擦力臂;

尽管实际应用中棘爪还会受到回位扭簧的力矩，自身重力力矩等的影响，但相比棘爪端受力产生的脱开力矩，此部分受力较小，本计算过程忽略其影响。

满足以上关系式可以满足解档后自动脱开的要求。但自动脱开的力矩大会出现解档力过大的问题。因此要满足顺利解档要求，特别是坡道上解档力不能过大。一方面，棘爪与棘轮啮合时的角度值需设计在合理范围内;另一方面，便于锥销从棘爪脱出，挂挡后锥销的自锁面锥角a值也需设计合理。a角过大，起不到自锁作用，容易坡道脱档;过小脱档力过大，难解档。如图3所示：

因此，既要确保解档后能顺利脱开，又要防止解档力过大，引起换挡不便。需要设计合理的棘爪受力角度，还要设计合理的锥销自锁角度。驻车机构上坡与下坡的运动学关系基本相同，只是棘爪工作齿面不同，受力方向相反，分析方法可参照上坡方向，不另外阐述。

2.4 避免出现意外驻车

一般情况下，汽车正常行驶时棘爪不会卡入棘轮。但特殊情况下，如路面严重颠簸，地面出现较大坑等，由于较大加速度，回位弹簧扭力不够，棘爪意外卡入棘轮，出现瞬时行驶中驻车的情况。以免造成事故，回位扭力弹簧需要设计足够的富余量。以棘爪为研究对象，受力简图如图4：

2.5 设计安全的驻车车速

车辆在正常行驶过程中一般不会挂入P挡，但意外情况下有误操作的情况，特别是高速行驶过程中。一旦高速行车挂入P挡，可能会发生较严重事故。那么需要驻车机构在结构上避免这种情况发生。车辆高于某一临界车速时，即使有挂P挡动作，由于棘轮的转动，棘爪无法直接挂入棘轮齿槽，棘爪与棘轮连续的相互撞击，发生棘齿效应。也就是说，车辆高于临界车速时发生棘齿效应，低于临界车速时可以挂挡。设计合理的临界车速可以保证机构安全驻车。分析驻车机构的临界车速思路如图5：

车辆在某一临界车速下对应的棘轮转速为ω，完成这一过程的时间为t，棘爪刚好卡入棘轮转过的角度为β，棘轮转过的角度为θ，此过程锥销的行程为s（如图6），锥销质量为m，棘爪转动惯量J，有如下关系式：

利用零件之间的受力关系式，可计算需要的锥销弹簧弹力，弹簧力大小决定临界车速的大小，弹力越大，临界车速越大。调整锥销弹簧力可将临界车速设计在合理范围内。

3 结语

本文根据我工作中对应的某款变速箱P挡驻车机构为背景，初步阐述了驻车机构设计过程中需要重视几个关键要点，如坡道解档、安全驻车车速、解档力、防意外驻车等，通过以上理论计算，可完成较初步的机构设计。另外结合计算机仿真软件进行分析，可将设计进行优化，而且得到更准确的数据，比如临界驻车车速仿真，结构强度仿真等。最终通过对样件进行台架试验、实车试验后，设计出安全、可靠的P挡驻车系统，从而满足整车P挡驻车需要。

参考文献

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