汽车自动驻车机构功能分析与研究

西安法士特汽车传动有限公司研究院 许国界，葛敬广

1 引言

驻车机构是汽车安全驻车必不可少的安全机构，用于防止停车后的车辆滑行，确保汽车无时间限制地停驻在斜坡上。驻车机构需要实现以下功能：汽车低速行驶时，驻车机构能够实现安全驻车（车速由OEM厂家提出要求，车速越高，冲击越大，一般不超过5 km/h）；当汽车处于行驶工况下，任何情况下，系统都不能自动驻车；当汽车实现驻车后，驻车机构不能自动脱锁；允许汽车在一定坡度上无时间限制的安全停车（具体坡度要求由OEM厂家提出要求，坡度越大，要求驻车棘爪强度越高，坡度不能超过车轮摩擦系数决定的最大坡度）；当汽车需要行驶时，驻车机构能使汽车顺利脱锁。

2 自动驻车机构结构分析

以某款EV所配驻车机构为例，说明驻车机构结构。驻车机构由棘轮、棘爪、棘爪回位扭簧、凸轮、驱动扭簧、驱动轴、驱动电机总成等组成（图1）。棘轮与减速机输出轴固连在一起，驱动电动机总成与驱动轴连接，驱动轴与驱动扭簧连接，驱动扭簧与凸轮连接，驱动轴不能直接驱动凸轮旋转，必须通过驱动扭簧间接驱动凸轮旋转。棘爪受棘爪回位扭簧和凸轮作用。

自动驻车机构采用驱动电动机代替人力扳动驻车制动器，操纵简单、轻便，并且便于整车布置。

图1 某EV所配自动驻车机构结构

3 自动驻车机构工作过程

3.1 上锁

当车速较低和车辆静止时，驾驶人操纵驻车按钮，驻车电动机启动，带动驱动轴旋转，进而对驱动扭簧施加扭矩，如果棘爪齿正对棘轮齿槽，驱动扭簧直接驱动凸轮旋转进而驱动棘爪卡入棘轮实现驻车。如果棘爪齿对着棘轮齿（齿顶齿，图2），棘爪不能卡入棘轮实现驻车，凸轮也不能旋转到驻车位置，此时，由于凸轮与驱动轴非刚性连接，电动机可继续给驱动扭簧施加扭矩至电动机设计转动位置并实现锁止，从而保证驱动扭簧持续对凸轮施加扭矩，当车辆前后窜动时，棘轮旋转，当棘爪齿对着棘轮齿槽时，施加在凸轮上的扭矩会驱动棘爪卡入棘轮实现锁止。

图2 齿顶齿状态

3.2 脱锁

当驾驶人操纵驻车按钮，驻车电动机启动反转，带动驱动轴反向旋转进而释放驱动扭簧扭矩并带动凸轮旋转，棘爪在棘爪回位扭簧作用及自身脱锁力矩作用下脱离棘轮齿槽，驻车解除（图3）。

4 自动驻车机构性能分析

根据引言中所述功能，对图1所示驻车机构进行分析研究。

图3 驻车解除

4.1 车速较高时不能驻车

（1）控制程序中需增加逻辑判断，当车速较高时（≥5 km/h）或车辆处于行驶过程中时，驻车电机不能启动，如果误操作驻车按钮，需发出报警。

（2） 驻车棘爪在脱锁位置时，棘爪回位扭簧需保证棘爪不会因车辆颠簸而摆动。

4.2 安全驻车

车辆停靠在一定坡度上（图4），驻车机构所需的地面制动力为G×sinθ，假设车轮半径为R，桥速比为i，棘爪棘轮（与变速器输出轴固联）所需承受扭矩T为：

同时，为确保上锁可靠，还需注意以下2点：

（1）为保证齿顶齿时的锁止功能，必须要保证驱动电动机带有自锁功能，及转动到设定角度后，电动机在外力作用下不能旋转，才能确保自动驻车机构功能实现。

（2）上锁后，凸轮与棘爪接触点作用力中心过凸轮轴心，实现凸轮自锁，确保棘爪在脱锁力矩下不解锁。

图4 车辆停靠在坡道上的受力分析

4.3 自动脱锁

车辆停靠在一定坡度上时（图5），棘爪提供的扭矩为T，为确保驻车解除后，棘爪能快速有效地退出棘轮齿槽，需要满足如下关系：

式中，F2为棘轮棘爪正压力，F1为棘轮棘爪摩擦力，f为棘轮棘爪件摩擦系数，R2为棘爪旋转中心至F2力臂，R1为棘爪旋转中心至F1力臂，T1为脱锁力矩，T2为摩擦力矩。

当脱锁力矩T1大于摩擦力矩T2时（摩擦力矩还包括棘爪旋转等，但数值较小，一般忽略不计），棘爪能快速脱离棘轮槽。同时，棘爪脱离棘轮后，在惯性作用下会摆动，为保证安全解锁，棘爪回位扭簧力能有效阻止棘爪摆动。

图5 自动脱锁受力分析

5 小结

电控驻车机构采用电动机驱动扭臂驱动扭簧进而驱动驻车棘爪运动，与固定在输出轴上的棘轮啮合实现驻车功能。电控驻车机构可实现一键驻车，有助于降低驾驶人操作强度；防止由于驾驶人操作不当引起驻车不可靠问题（驻车需要较大力量拉动驻车杆，力量不够，可能导致驻车棘爪不到位），方便整车布置，提升整车品质。