自动变速器换挡驻车机构的设计及验证

徐友良



自动变速器换挡驻车机构的设计及验证

徐友良

（南京邦奇自动变速箱有限公司，江苏 南京 210038）

换挡驻车机构是自动变速器乃至整车的重要组件，对驻车可靠性和使用寿命要求较高，但又要求结构简单和操作简便，因此换挡驻车机构设计时需要平衡上述各者之间的关系。文章研究了该机构的功能需求和结构设计的关系，并对关键零件的设计要点及机构的试验方法进行了介绍。旨在对自动变速器换挡驻车机构的设计开发提供帮助。

自动变速器；换挡驻车机构；设计关系；试验

前言

随着人们对汽车驾驶舒适性要求的不断提高，越来越多的汽车配置驾驶简单和操作方便的自动变速器。相比较手动变速器选换挡操纵系统，自动变速器也有一套换挡操纵机构来控制汽车的前进和后退、以及动力临时中断[1]；由于自动变速器的动力传递需要液压系统工作，使得汽车在驻车时，无法通过齿轮来保证汽车可靠且长时间的停驻在一定位置甚至坡道上，因此自动变速器的换挡机构要求同时具备驻车锁止功能[2]，来保证汽车的安全。由于自动变速器内部结构不同，导致其换挡驻车机构的结构也不尽相同，本文介绍了一种无级自动变速器的换挡驻车机构。

1 换挡驻车机构的性能要求

自动变速器的换挡驻车机构的性能要求有以下几个方面：

1.1汽车换挡操作的安全性。该机构要保证汽车的挡位清晰，当汽车处于某一挡位时，要可靠的实现挡位的保持，不能自行脱出，即跳挡。

1.2 安全的停车速度。保证汽车高速行驶时不会因为用户误操作而挂入驻车挡；同时要求汽车在以≤4km/h的速度行驶时，该机构能够在短时间内实现安全驻车，而且不会损坏变速器内部零件。

1.3可靠的汽车的驻车性能，特别是在坡道上的驻车需求[3]，并保证该机构具有一定的使用寿命。即要求该结构在车辆许用使用范围内轻松实现驻车需求，在车辆挂入P挡后，车辆的滚动距离不超过3cm；为了满足汽车的使用需求，要求该换挡驻车机构的在循环使用100,000次无任何异常和零件损坏。

1.4 汽车换挡操作的舒适性要求。为了保证驾驶人的操纵舒适性，在挂入或脱出某一档位时，操纵力不能过大或换挡手感不清晰[4]，即合适的换挡力，一般要求换挡轴末端的力矩在0.8N.m~3N.m。

综上所述，换挡驻车机构的性能越可靠，需要的换挡力就会越大，对零件的设计寿命也会有影响，所以换挡驻车机构设计时需要平衡上述各者之间的关系。

2 换挡驻车机构的结构和工作原理

本文描述自动变速器总成上的换挡驻车机构，其主要换挡机构、挡位锁止机构和驻车机构三大部分组成。换挡驻车机构的结构示意图如图1所示。

1 从动锥轮；2 驻车拉杆支架；3 驻车拉杆弹簧；4驻车凸轮；5 驻车拉杆；6 换挡轴；7 叶片弹簧；8 换挡摇臂；9支座；10 鸡冠凸轮；11 换挡阀；12 液压阀；13挡位传感器；14 定位销；15回位弹簧；16 驻车棘爪。

在汽车变速操纵系统中，自动变速器总成的换挡摇臂通过换挡拉索与驾驶室的操纵杆联接，驾驶人通过移动驾驶室内的操纵杆来转动换挡轴；鸡冠凸轮和换挡轴固定在一起，分别对应着P-R-N-D-L五个变速器工作位置，从而实现挡位P、R、N、D和L之间的切换；鸡冠凸轮和换挡阀联接，鸡冠凸轮的转动带动换挡阀的滑动，控制着液压阀中的液压控制系统，从而实现汽车的前进、后退和动力中断；和换挡阀联接在一起的挡位传感器，通过整车线束在仪表盘中显示挡位信号；叶片弹簧一端固定，另一端压在鸡冠凸轮的齿上，对挡位进行锁止，防止跳挡并提供合适的换挡力；当挂入P挡时，鸡冠凸轮会拉动驻车拉杆在驻车拉杆支架中滑动并压缩驻车拉杆弹簧，拉杆弹簧会推动驻车凸轮，驻车凸轮顶起驻车棘爪卡入从动锥轮上的驻车齿，由于从动锥轮通过齿轮机构与车轮刚性连接，从而实现汽车的驻车功能；当拉出P挡时，鸡冠凸轮推回驻车拉杆，释放拉杆弹簧，驻车棘爪在回位弹簧的作用下弹出从动锥轮上的驻车齿，从而实现汽车的驻车脱开。

3 换挡驻车机构的设计

换挡驻车机构的详细设计过程主要是通过迭代设计的方式来满足所有需求。该机构的设计首先确定、鸡冠凸轮的形状和驻车棘爪的位置以及旋转中心位置。换挡轴的位置选择应尽可能的位于变速器内侧的前部，且便于换挡拉索的安装，这样也减少换挡拉索的弯曲量，从而尽可能的减少换挡力；另外，换挡轴应充分靠近换挡阀，这样以便于鸡冠凸轮的角度设计。在鸡冠凸轮的形状设计上，主要设计的是各个档位的位置角度：该角度不能太小，这样会导致鸡冠凸轮上的各个档位之间的干涉；该角度也不能太大，因为大的角度会导致换挡杆的行程过大，这样会无法使用角度传感器，通常角度传感器的使用角度是一定的，另外需要换挡拉索提供更大的行程来满足换挡轴旋转。自动变速器的驻车棘爪通常作用在与动力输出硬连接机构上，这样即使变速器内部的机构脱开也能够有效对车辆进行锁止。对于无级变速器来说，通常采用将驻车机构设计在从动锥轮上，这样做的优点是：相比在主减速器上需要更低的锁止扭矩；容易控制换挡阀；更大的布置空间。

换挡驻车机构的功能需求（绿色）和零件结构（蓝色）之间的联接关系如图2所示。红色箭头表示驻车弹簧尺寸、换挡力和驻车机构在位置选择上的要求之间的关系。

下面对换挡驻车机构设计中的设计要点进行介绍。

3.1 驻车齿轮

驻车齿轮的主要功能参数有齿数、齿的外径、齿的角度和齿宽。齿数和齿的外径主要决定于车辆驻车时需用的最大滚动距离，同时，齿的外径还受制于从动锥轮的设计。齿的角度和宽度主要决定于驻车时许用的车辆速度和车辆在坡道上解锁的舒适性等要求。

3.2 驻车棘爪

驻车棘爪的主要功能参数有操纵长度、齿的角度和宽度。驻车棘爪的操纵长度首先受制于设计空间；其次受制于驻车拉杆及驻车凸轮的运动距离，必须保证能够有效的和驻车齿轮啮合。驻车棘爪的齿的角度和宽度是和驻车齿轮的对应参数相匹配的，也主要决定于驻车时许用的车辆速度和车辆在坡道上解锁的舒适性等要求。

3.3 驻车操作机构

驻车作用机构包括驻车凸轮、驻车拉杆弹簧、驻车拉杆和驻车拉杆支架，其主要功能参数有拉杆弹簧的尺寸、驻车凸轮的尺寸、驻车拉杆的长度。这些尺寸参数与挡位锁止机构和换挡机构有着密切联系，驻车操作机构（蓝色）和其要求（绿色）的设计关系如图3所示。驻车拉杆弹簧的尺寸和驻车凸轮的作用面角度取决于驻车时许用的车辆速度和操作锁止力要求；驻车凸轮和栏杆的长度取决于锁止操作机构的行程，同时也是换挡阀的行程；另外驻车凸轮的长度也受制于拉杆弹簧的尺寸，因为拉杆弹簧压缩力需要通过驻车凸轮来转换为推力。

3.4 换挡机构

换档机构由鸡冠凸轮和换挡阀组成，其通过鸡冠凸轮上铆接的定位销来连接。鸡冠凸轮的作用长度取决于换挡轴和换挡阀的位置。鸡冠凸轮的尺寸公差对换挡阀位置的精度有着重要的影响，设计时要重点关注鸡冠凸轮在换挡轴上的位置，包括轴向和圆周位置，定位销的位置，以及换挡阀上槽的对称度和直线度以及与销的间隙。

3.5 挡位锁止机构

挡位锁止机构包括主要由鸡冠凸轮和叶片弹簧，其通过固定在叶片弹簧上的滚轮来连接。该机构主要功能参数有叶片弹簧的厚度和长度，鸡冠凸轮上的齿的参数。挡位锁止机构的设计首先要确定换挡轴的角度位置；接下来要保证锁止机构在各个挡位上能够有效锁止，不能跳挡，这时主要对叶片弹簧和鸡冠凸轮上的齿参数设计；最后，要满足换挡力的要求，对叶片弹簧和鸡冠凸轮上的齿进行优化，提高换挡舒适性。

3.6 回位弹簧

回位弹簧的主要设计参数有弹簧材料、线径、圈数和外径。其主要作用是在驻车机构不作用时，保证驻车棘爪远离驻车齿轮，让驻车齿轮可以自由转动；在解除驻车机构时，能够将驻车棘爪推离驻车齿轮，实现车辆运动；要有足够的耐久性能，同时要考虑装配的方便性。另外要注意的是在车辆挂入P挡时，驻车拉杆总成会将驻车棘爪推入驻车齿轮中，而此时回位弹簧会有反作用力将驻车棘爪推离驻车齿轮，从而影响驻车速度。

4 换挡驻车机构的试验方法

为了验证换挡驻车机构的设计的舒适性、可靠性和耐久性，在变速器产品完成试制时，需要对该机构进行针对性的试验，关键的试验项目有：

4.1 换挡力及耐久性测试

换挡力测试的目的是测量改变换挡机构位置所需要的力，使用电子扭矩扳手直接作用在换挡轴上，测量R、N、P、D和L挡位之间变换时的作用力矩。耐久性测试是考察换挡驻车机构在整个变速器生命周期内是否能够满足使用需求。通过试验台架模拟自动变速器换挡操作，其中P-R-N-D- L-D-N-R-P为一个循环，需要进行10万个循环；同时要保持变速器内部油温为正常使用时的温度。在耐久性开始前进行一次换挡力测试，耐久性测试结束后再进行一次换挡力测试，比较前后换挡力的变化。如果前后换挡力衰减不超过5%，且所有零件无任何异常损坏，则说明换挡驻车机构满足要求。

4.2 驻车试验

驻车试验是为了验证驻车机构的可靠性。将变速器装到整车上，车辆必须是满载；车辆通过CANape 与电脑连接，用于采集车辆挡位信息、车速、车辆加速度和变速器油温。试验过程和方法：驾驶车辆使变速器油温达到正常使用温度；将车辆置于30%的坡道上分别进行向上和向下的驻车和解除驻车操作5次；将车辆挂上D挡加速到10km/h，释放油门，在车速降至8到9km/h之间时挂入P挡，让车辆自由行驶直至停止，再重复这种操作3次；将车辆挂上R挡加速到10km/h，释放油门，在车速降至8到9km/h之间时挂入P挡，让车辆自由行驶直至停止，再重复这种操作1次；以上两个测试为一测试循环，重复这个测试循环20次，即保证前进挡进行80次驻车和倒档进行40次驻车；最后再将车辆置于30%的坡道上分别进行向上和向下的驻车和解除驻车操作5次。如果在这些测试中没有问题，车辆始终能够有效锁止和解锁，则验证了驻车机构的锁定/解锁功能是正常的。

5 总结

本文首先介绍了自动变速器换挡驻车机构的功能要求和结构工作原理；其次总结了换挡驻车机构的功能需求和结构的设计关系，并对该机构的关键零件设计要点进行介绍；最后介绍了换挡驻车机构的可靠性和耐久性试验方法。本文所介绍的设计要点和试验方法对自动变速器换挡驻车机构的设计和开发具有一定的指导和借鉴意义。

[1] 王望予.汽车设计（第4版）[M].北京:机械工业出版社,2004.

[2] Harald Naunheimer 等著.汽车变速器理论基础,选择,设计与应用.宋进桂等译.北京:机械工业出版社,2014.

[3] E.Galvagno,M.Velardocchia,A.Vigliani,etc.Analysis and Simulation of a Torque Assist Automated Manual Transmission.Mechanical Systems and Signal Processing,2011,(25):1866-1877.

[4] 陈华,陈辛波,傅灵玲,等.FI动变速器驻车机构性能分析与研究[J].拖拉机与农用运输车,2014,41(4):24-26.

Design and Validation for the Shifting and Parking Mechanism of Automatic Transmission

Xu Youliang

( Nanjing Punch Powertrain Co., Ltd., Jiangsu Nanjing 210038 )

The shifting and parking mechanism is an important component of automatic transmission and even the whole vehicle. It requires high reliability and service life, but it requires simple structure and easy operation. Therefore, the relationship between the above parties should be balanced when the shifting and parking mechanism is designed. This paper defines the relationship between the functional requirements and structural design of the mechanism, and the key points of the key parts and the testing methods of the mechanism are introduced. Aiming at providing help for the design and development of the shifting and parking mechanism of the automatic transmission.

automatic transmission; shifting and parking mechanism; design relationship; testing

B

1671-7988(2018)16-180-03

U463.5

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1671-7988(2018)16-180-03

CLC NO.: U463.5

徐友良（1984-），男，工程硕士，工程师，主要从事汽车底盘设计、机械设计。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.063