P挡换挡板锁止圆弧对解锁力的影响研究

马 军，潘晓东，刘祥环，，肖育波，孙印程

(1.株洲齿轮有限责任公司， 湖南 株洲 412000；2.中南大学 机电工程学院， 长沙 410083)

随着消费者对汽车乘坐安全性要求的提高，汽车驻车制动性能的提升日益受到重视，科研人员对汽车驻车制动系统也进行了深入的研究。何仁等[1]推导出了多轴汽车的驻车极限坡度计算公式，对其影响因素进行了分析，并在此基础上，提出了多轴汽车的驻车制动性能分析方法。王应国等[2]分析了汽车驻车制动用拉索总成的工作状况和整车的基本要求，并设计了汽车制动用拉索总成的试验台架。王斌等[3]针对集成式电子驻车制动系统建立了系统内部摩擦分析的仿真模型，并通过试验验证了模型在电子驻车制动系统应用的可行性。郭力书等[4]在对电子驻车制动系统的结构和工作原理进行分析的基础上对电子驻车制动系统执行机构进行了动力学分析，并设计了一套电子驻车制动系统。刘诗[5]通过ADAMS模拟了极限工况下变速器驻车机构的运动趋势，研究了驻车速度、坡道自锁能力以及坡道P挡拔出力矩等。张磊等[6]分析了DCT在不同工况下的驻车特性，通过坡道试验测试了驻车机构棘爪咬合棘轮能力。

本文设计的P挡驻车机构，是一种锁止传动轴的装置。汽车利用手刹或者电子手刹驻车时，手刹的拉索处于紧绷状态，如果车辆停在坡上，拉索出现拉伸变形或者断裂，车辆就会溜坡，出现安全风险。而变速箱中的P挡通过棘轮棘爪结构锁死传动轴，其刚度和可靠性均强于手刹，因此应用越来越广泛。尤其在欧洲，变速箱中带P挡锁止装置已经成为法规要求。但要说明的是，变速箱P挡是传统手刹的补充安全措施，不能代替手刹。

针对本单位自主研发的某电动汽车用减速箱的P挡装置，在开发过程中遇到的坡道驻车解锁困难的问题，展开研究和寻求解决方案，并进行相关试验工作。

1 结构分析和换挡板受力分析

本文研究的带P挡功能的电动车减速箱总成如图1所示。

图1 株齿带P档功能的1T25FP减速箱

输入轴最大输入扭矩为300 N·m，最高转速为12 000 r/min。

1.1 P挡系统结构原理分析

变速箱内部P挡系统的结构如图2所示。图2所示状态为上坡驻车且没拉紧手刹，P挡成功锁止时系统的受力状态。卡爪卡入棘轮的齿槽中，使棘轮无法旋转，而棘轮通过花键与变速器输出轴连接，变速器输出轴也无法旋转，从而使车辆驱动轮无法旋转，车辆制动。

卡爪绕P挡2轴旋转。复位弹簧使卡爪始终保持解锁的趋势。换挡板上面有2条弧线：一条半径大，如图3中的接触圆弧线，该弧线是锁止接触线，换挡板旋转到该弧线与卡爪接触时，P挡成功锁止；另一条弧线半径小，该弧线是解锁接触线，换挡板旋转到该弧线与卡爪接触时，P挡成功解锁。2条弧线通过1条斜线过渡，该斜线使卡爪逐渐地锁止或者解锁。

限位板与P挡1轴刚性连接，一起绕P挡1轴旋转。限位块则固定在壳体上，限制了限位板的总行程，变速箱外部的执行机构直接控制限位板的角度位置。限位板与换挡板之间有一个锁止弹簧，换挡板往锁止方向运转(图2中逆时针)的动力全来自与锁止弹簧的压力。当换挡板往锁止方向运动受到阻力，运动速度减慢或者停止运转时，外部执行机构会驱动限位板继续压缩锁止弹簧，弹簧变形量越来越大，作用在换挡板上的压力也越来越大，直到限位板达到限位行程。

当车辆停止，卡爪仍与棘轮顶齿接触时，卡爪无法进入棘轮齿槽。换挡板与卡爪的接触点或停留在斜线上，但限位板通过压缩锁止弹簧到达极限位置。当驾驶员下电后，外部执行机构失去动力，限位板会保持当前位置，从而保证锁止弹簧的压力，如果车辆出现溜车，棘轮开始旋转时，卡爪会出现对准棘轮齿槽的时机，换挡板会在弹簧力的作用下，推动卡爪进入齿槽，锁止传动轴。

1.2 坡道驻车时换挡板受力分析

本文以P挡系统在30%坡道驻车[7]且手刹不工作时的状态为例，分析换挡板的受力情况。受力分析如图3所示。当手刹不工作时，车辆驻车产生压力F1，F1会使卡爪产生脱出扭矩T1。换挡板会约束卡爪脱出，两者接触点上会产生压力F2，相应地，换挡板会受到反作用力F3，F3的作用方向是卡爪接触圆弧的圆心与换挡板锁止圆弧的圆心的连线。

如果F3过换挡板的回转中心，则脱出扭矩为0；如果F3与换挡板回转中心之间有力臂，即换挡板锁止圆弧的圆心与P挡1轴圆心不同心，则F3会产生1个脱出扭矩T3。

弹簧锁止压力为F4，在驻车状态，F4会阻止换挡板往锁止方向运转。

各作用力之间的关系如下：

T1=F1×D1=69.6 N·m

(1)

其中F1为卡爪制动车辆时受到的反作用力，当车辆满载情况下在30%坡道上驻车时，棘轮的制动扭矩为500 N·m，F1为7 733.95 N，D1为作用在F1对P挡2轴中心的力臂，本文研究案例的值为9 mm。

T2=T1-Tf1

(2)

Tf1=F1×cos(φ1)×μ1×R1=6.14 N·m

(3)

Tf1为卡爪绕P挡2轴旋转时产生的摩擦扭矩，本文取钢与钢之间带润滑的摩擦因数μ1为0.1，φ1为7°，R1为P挡2轴半径，为8 mm。因此T2= 63.46 N·m。

F2=T2/D2= 846.19 N

(4)

F3=F2= 846.19 N

(5)

T3=F3×D3

(6)

D3与换挡板的设计有关，将在下一节中详细论述。

T4=F4×D4

(7)

F4、D4与换挡板与限位板的夹角有关，本文以换挡板往锁止方向达到极限位置为零点，换挡板顺时针旋转25°后，P挡达到脱出的临界点，限位板保持不动，换挡板从零点逐渐顺时针旋转，直到解锁临界位置，锁止弹簧压缩量、压力、锁止扭矩的数据见表1。

T3=T4-Tf2

(8)

T3越大，P挡越容易脱出；Tf2为锁止圆弧的摩擦扭矩，与表面摩擦因数和正压力F3有关。摩擦因数越大，P挡脱出的阻力越大。

表1 换挡板自动脱出行程与锁止弹簧的力学关系

2 换挡板锁止圆弧设计分析

图4显示了P挡试验车在平路、4°上坡、14°上坡时，P挡位置数据和换挡电机电流数据。可以发现很明显的趋势：坡道越大，换挡电机的电流越大，即功率消耗越大，说明P挡脱出的阻力越大。该换挡板样件上的锁止圆弧圆心与回转中心重合，则车辆溜坡力产生的自动脱出扭矩为0。坡道越大，F3越大，摩擦阻力Tf2就会越大。当坡度达到一定程度，或者摩擦因数大到一定程度后，P挡执行机构可能无法克服解锁阻力。

图4 不同坡度上坡P挡解锁对比分析

为了改善该问题，可以设计一定的偏心距，产生一个自动脱出的力臂，如图3中的D3，坡道越大，溜坡力产生的压力F3越大，自动脱出扭矩T3也会越大，抵消了增加的摩擦阻力矩Tf2，解锁会更轻松。但是设计该偏心距必须考虑锁止弹簧的锁止能力和Tf2的锁止能力，如果偏心距太大，可能会出现无法自锁的现象。

本文设计了3种锁止圆弧曲线，如图5所示。设计原则是保证锁止圆弧的锁止极限位置基本不变，从而保证卡爪与棘轮的结合深度不发生大的改变。

图5中设计了3个圆心点，其中点A为与回转中心同心，其试验结果如图4所示。点B和点C均有2 mm的偏移，偏移方向不一样，其中x轴为两圆心的连心线，y轴垂直于x轴。

锁止圆弧的曲线如图6所示。A方案圆弧半径为48 mm，B方案圆弧半径为47 mm， C方案圆弧半径为48 mm。

图5 3种不同的锁止圆弧中心点

图6 3种不同的锁止圆弧曲线示意图

基于式(6)可以计算得到A、B、C方案的脱出扭矩值。本文计算了换挡板处于锁止状态中不同位置时的脱出扭矩T3，数据汇总于表2中。

表2 3种不同的锁止圆弧方案的脱出扭矩对比

基于表2中的数据绘制对比曲线如图7所示。由图7可见：A方案没有任何脱出扭矩效果，靠锁止弹簧就能自锁；B方案的脱出扭矩，随着换挡板脱出角度的加大而加大，锁止弹簧也会随着脱出角度的加大而加大，但是靠锁止弹簧无法克服脱出扭矩，当坡度足够大或者摩擦因数很小后，驻车时存在自动脱出的风险；C方案随着脱出角度的加大，脱出扭矩越来越小，而弹簧锁止扭矩越来越大，两者在20°时产生一个交点，超过20°后，锁止弹簧就能克服溜坡力产生的脱出扭矩。25°点是锁止圆弧的安全边界，因此方案C为三者中的最优方案。

图7 3种不同的锁止圆弧脱出扭矩与弹簧锁止扭矩的关系

3 样件试制和试验验证

减速箱样箱如图8所示。本文试制和对比了A方案和C方案的换挡板，并装配进变速箱，在试验车上进行试验验证。试验场地为图9所示标准坡道。

图8 1T25FP减速箱样箱

图9 坡道驻车试验场地

3.1 坡道解锁性能对比

P挡解锁时电流消耗的曲线是衡量解锁阻力的有效手段。A方案在不同坡道上，上坡驻车解锁效果如之前所述的图4所示，下坡解锁效果如图10所示。C方案在不同坡道上、下坡的解锁效果见图11。对比图10和图11、12可以明显看出：不同方案的启动电流都比较一致，为10 A左右，这是因为电机启动时为堵转，堵转电流只由启动占空比决定。

图10 A方案不同坡道下坡P挡解锁效果

图11 P挡15% 坡道1 000次解锁数据

本文主要分析P挡位置开始运动后，运动过程中的电流消耗。A方案的解锁电流明显随着坡道的增加而增加，24.9%坡道时超过了9 A(第2个峰值)。

为验证A方案驻车解锁的性能是否稳定，本文基于15%坡道，对P挡进行了1 000次试验。试验步骤为：踩住刹车停车—挂P挡—慢慢松开刹车—完全松刹车后确认P挡驻车是否成功且稳定—重新踩住刹车—解除P挡[8]。试验过程中不用手刹，所有冲击和溜坡力由P挡承受，得到的试验曲线如图11所示。图11中：上部区域为P挡位置信号；中部区域为解锁电流信号；下部区域为电机转速信号。

蓝色线为1～200次的试验数据，粉红色线为201～400次试验数据，黑色线为401～600次试验数据，绿色线为601～800次试验数据，黄色线为801～1 000次试验数据。通过颜色的变化可以看出，随着试验次数的增加，解锁电流逐渐变小，最后的801～1 000次(黄色线)试验的数据，解锁电流均比试验初期大，解锁电流从10 A以上降到了7 A左右。原因是随着P挡系统的磨合，各接触面变得光滑，摩擦因数变小，系统的摩擦损耗也变得更小。

P挡位置反映了解锁的运动轨迹，图11中位置轨迹不是很集中，说明解锁性能不是很稳定。

电机转速反映了解锁时传动链的冲击，由于解锁前传动链承受了坡道制动扭矩，传动轴发生了扭转变形，P挡解锁后会释放扭转变形产生的势能，因此会产生扭转震荡。

如图12所示，C方案的解锁电流受坡道的影响很小，30%坡道时解锁电流与平路差别不大，而且P挡位置信号重合度非常好，说明P挡解锁性能很稳定，这也说明了C方案的锁止圆弧产生了很好的解锁助力效果，降低了解锁失败的风险。

图12 P挡C方案不同坡道上、下坡解锁效果

3.2 驻车系统的可靠性试验

C方案有效降低了P挡系统对执行机构解锁力的要求，但驻车可靠性是否会降低呢？本文设计了不同坡道的可靠性试验方案，如表3所示。

表3 3种不同的锁止圆弧方案的脱出扭矩对比

试验数据见图13。挂P挡后，松开刹车和手刹，通过电机转速可以看出，车辆小幅溜动消除间隙后电机停止转动，说明驻车成功，而且之后车速为0，说明P挡驻车功能稳定。

图13 停车—驻车—溜车—确认驻车—解除驻车循环数据

按照表3中的要求进行挂P挡可靠性试验，在超过1万次的试验中，均没有出现驻车过程中溜车的现象，说明驻车可靠性良好。

以30% 坡度为例分析坡道的解锁数据。图14和图15分别为30%上坡100次试验的解锁数据和时间分布统计。可见P挡位置的重合性能非常好，P挡解锁电流也比较小而且稳定，解锁时间主要集中在0.46 s附近，集中度也很好。

经过表3的道路可靠性试验后，试验箱P挡的功能和性能均正常。试验完成后，对减速箱进行了拆解并检查P挡相关零部件的状态，棘轮、卡爪、换挡板等关键零件均没出现明显的失效现象，只有表面出现了擦痕，属正常现象。具体情况详见图16～18。

图14 30%上坡驻车可靠性试验解锁数据

图15 30%上坡驻车可靠性试验解锁时间消耗统计

图16 可靠性试验后的棘轮齿槽啮合面

图17 可靠性试验后的卡爪啮合面 图18 可靠性试验后的换挡板和锁止弹簧

4 结论

通过调整换挡板锁止圆圆心和半径，可以调整系统对外部执行机构解锁扭矩的需求，本文的C方案可以在坡道驻车解锁时产生溜坡力助力的效果，抵消因换挡板压力变大而产生的摩擦阻力矩，达到很好的解锁效果，同时也能保证驻车可靠性和解锁耐久性能。

但是换挡板的解锁助力力臂(本文图3中的D3)也不能过大，否则会出现驻车锁止失效。

P挡系统各接触摩擦部位的摩擦因数是分析P挡系统自锁功能和解锁扭矩的重要因素，从本文图11中可以看出，摩擦阻力会随着使用次数的增加而发生变化，需要进行更深入的研究。