变速器驻车爪限位块断裂分析和解决方法

莫发堂，李怀习，文敏

1.柳州孔辉汽车科技有限公司 广西柳州 545005 2.柳州上汽汽车变速器有限公司柳东分公司 广西柳州 545005

目前大多数自动变速器有P挡（驻车挡），其功能是车辆驻车后保持整车静止不动[1]，即使受到一定的外力也会保持车辆静止状态，实现这一功能的机构一般包含棘轮、棘爪、操纵杆，而直接实现驻车功能的驻棘爪也被称为驻车爪。由于P挡涉及整车和人身安全，所以要求驻车机构各部件要通过严苛的耐久可靠性试验。本文将介绍一例变速器驻车机构在驻车滥用试验时出现驻车失效的原因分析以及解决方法。

问题出现背景

为了保证驻车机构具有严苛的可靠性，整车在量产前会进行一系列的驻车滥用试验来验证驻车机构的可靠性。在进行1000次10km/h的车速下强行挂入P挡直至车辆停止的驻车滥用耐久试验末期，发现有一个驻车失效，后续检查变速器，发现变速器后壳体开裂，此处正是驻车爪限位块位置，断裂情况见图1所示。

图1 驻车爪限位块断裂

问题分析

驻车滥用工况下，由于挂入P挡时车辆存在一定的车速，此时，驻车爪工作面与棘轮工作面碰撞，产生较大冲击力，但此时驻车爪并未与锥子形成自锁，驻车爪以一定的速度脱出，从而敲击驻车爪限位块，关系如图2所示。

图2 驻车滥用情况

由于碰撞力计算较为复杂，本文引用ADAMS软件建模，刚体j的直角坐标和欧拉角作为广义坐标，对于有n个刚体的系统，机械动力学计算模型见式1。并且，为了提升计算效率，采用Gear的刚性积分算法以及稀疏矩阵技术求解[2，3]。

式中T——系统动能；

q——广义坐标列阵；

Q——广义力列阵；

r——完整约束的拉氏乘子列阵；

m——非完整约束的拉氏乘子列阵；

为了更直观，建立碰撞计算模型

式中Fn——接触面法向力（N）；

K——接触刚度（N/mm）；

s——接触点的法向穿透深度（mm）；

e——力的指数；

C——阻尼分量（N.s/mm）；

υ——相对法向碰撞速度（mm/s）。

由于驻车系统较复杂，结合费宁忠等[4]以等效惯量法建立的驻车机构动力学模型，本文简化了计算模型，忽略变速器到车轮端各轴的惯量影响，直接等效惯量计算，以前驱车为例计算见式（3）。

式中m——前轴轴荷（kg）；

υ——车速(m/s)；

J——棘轮等效转动惯量；

ù——棘轮角速度（rad/s）；

i——棘轮到轮端传动比；

r——轮胎滚动半径（m）。试验车输入数据见表1。

表1 试验车输入数据

基于ADAMS多体动力学计算中偶有发散，采用不同的时间步长计算，可能得到不同的仿真分析曲线，即使采用柔性体建模[5]仿真，模型的接触算法依然没有ABAQUS动态计算算法准确，但对撞击后的驻车爪反弹速度影响不大，所以只用ADAMS提取驻车爪的反弹角速度。利用ABAQUS动态仿真模拟驻车滥用工况下驻车爪反弹速度和限位块应力的关系，adams多体动力学仿真驻车滥用时驻车爪反弹角速度分析结果如图3所示。

图3 驻车速度与驻车爪反弹速度

当驻车爪角速度100rad/s时，ABAQUS动态仿真限位块最大应力区域如图4红圈所示，其他角速度限位块应力云图分布情况大同小异。

图4 原结构限位块应力云图

为了直观显示，将动态仿真分析结果整理如图5所示。

图5 驻车爪反弹速度与限位块应力关系

经分析，当车速在10～12km/h的速度强行挂P挡时，驻车爪最大反弹速度达到95rad/s，此时限位块应力238MPa，超过抗拉强度，并且最大应力位置和驻车滥用试验限位块断裂位置一致，和试验工程师了解后，由于直观用眼观测试验车时速表有较大误差，驻车时速有超过10km/h的情况发生。

解决方法与验证

根据公式1和公式2可推断出优化方案有：

1）优化驻车爪形貌，可以降低驻车爪和棘轮碰撞时的法向速度，即减少驻车爪和限位块的撞击力。

2）优化后壳体限位块，提升限位块本身的抗冲击能力。

结合优化方案，对结构更改如图6和图7所示。

图6 限位块更改

图7 驻车爪结构更改

当驻车爪角速度100rad/s时，ABAQUS动态仿真限位块最大应力区域如图8红圈所示，其他角速度限位块应力云图分布情况大同小异。

图8 优化结构限位块应力云图

ABAQUS动态仿真分析优化方案和原方案结果见表2。

表2 原方案和优化方案分析结果

经分析，优化后的结构即使在车速60km/h的速度强行挂P挡时，驻车爪最大反弹速度达到50rad/s，此时限位块应力127.8MPa，小于材料屈服强度。后续经过试验，证明优化后的结构能完成1000次车速10km/h的驻车滥用试验，并能通过3次60km/h持续时间4s的60km/h的超极端驻车滥用试验。试验后拆机图片如图9所示，限位块完好，驻车爪工作区域有轻微磨损，但仍保持驻车功能。

图9 优化结构试验拆机

结语

本文通过对驻车滥用试验的动态仿真分析，得出优化驻车结构的方案，并运用试验验证方案的可靠性，对驻车机构的设计具有一定的指导意义。