混动变速箱P挡驻车机构设计常见失效形式

2020-11-24郑利洲

机械工程师 2020年11期

郑利洲

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州511434）

0 引言

近年来随着国内越来越重视环境污染问题，使得新能源汽车行业的发展突飞猛进，各大汽车公司在新能源汽车的研发方面都投入了巨大的人力财力。相较于纯电动汽车续航里程问题和传统动力汽车尾气排放问题，混合动力汽车能较好兼顾两者优势，提高续航里程，还能有效降低整车油耗、减少尾气排放。

以普锐斯、沃兰达车型为代表的专用变速箱较早已应用于混合动力汽车上，国内各大汽车厂家近几年都有相关的研发。混动变速箱是一种集成了油电两用变速箱的结构形式，功能上具有自动变速箱的特点。与自动变速箱的结构一样，同样配置了P挡驻车机构。本文针对P挡驻车机构在设计、试验过程中遇到的一些设计缺陷，进行问题分析并提出相应的改善措施。

1 驻车机构常见失效形式

常见的P挡驻车机构一般由棘轮、棘爪、凸轮块、回位弹簧、导块几个关键部分组成。由于个体空间位置不同，设计上可能会存在差异，但原理基本相同。图1所示为常见的几种P挡驻车机构的结构形式。挂P挡时，凸轮块移动（或转动）下压棘爪与棘轮啮合。如棘轮棘爪处于齿对齿状态时，凸轮块旁边圆柱弹簧（或扭簧）被压缩，使棘轮棘爪始终处于啮合状态。只需有少量位移便自动卡入齿槽。解P挡时，凸轮块后移（或反转），回位弹簧弹力使棘爪回位，棘轮棘爪自动脱开，完成解挡。

P挡驻车机构设计需要满足几个目标要求：1）可靠的驻车功能；2）合适的解挡力；3）满足安全的驻车速度；4）防止意外驻车；5）驻车后安全的溜车距离等。满足这几项设计目标基本可保证驻车机构安全可靠。以下结合某款变速箱在研发过程中P挡驻车机构常见的失效形式进行简单阐述。

图1 几种常见驻车机构

1.1 坡道解挡失效

1.1.1 失效形式

车辆进行坡道驻车试验时，挂P挡车辆驻停；解P挡后车辆不会溜车，但挡位已显示为N挡。

1.1.2 原因分析因为挡位已显示为“N”挡，说明驻车机构凸轮块有位移，且已完成解P挡动作，但棘爪与棘轮仍处于啮合状态，棘轮无法转动。如图2所示为车辆在坡道的受力情况。

发生此现象时，凸轮块有位移，但棘爪没随凸轮块回位，可判断凸轮块已与棘爪分离，只需分析棘轮棘爪的受力情况，如图3所示。

棘轮在坡道上的转矩T=G·sin α·R/i。式中：G为整车质量；α为坡道角度；R为轮胎半径；i为棘轮到轮胎的减速比。

图2 坡道车辆受力

图3 坡道驻车棘轮棘爪的受力分析

由上述分析可知，坡道解挡失效主要原因是驻车机构执行了解挡动作，凸轮块发生了位移，但棘爪没有随凸轮联动。从而可推测是由于坡道驻车，棘爪的脱出力矩小于摩擦力矩。棘爪齿啮合角度设计不满足能脱开的关系式，坡道上棘爪不能自动脱离，从而发生解挡失效。

1.1.3 改善措施

调整棘爪啮合角度，使棘爪在坡道上驻车解挡能自动分离。

1.2 驻车凸轮推杆断裂

1.2.1 失效形式

P挡驻车机构设计需要满足作动耐久试验要求，根据不同坡道大小规定了相应的驻车次数要求。本次试验进行到2.2万次时，发生了驻车凸轮推杆断裂问题。断裂实物如图4所示。

1.2.2 原因分析

坡道驻车耐久试验过程中，棘轮棘爪基本处于齿对齿状态，此时驻车凸轮压缩圆柱弹簧。由于坡道溜车，棘轮会转过一个角度，棘爪持续受凸轮的压力会卡入到棘轮齿槽中。此过程弹簧力瞬间释放，凸轮会冲击推杆头部，如图5所示。

图4 驻车凸轮推杆断裂图

图5 推杆头部受冲击过程

已知弹簧压缩量、凸轮质量等参数，在ADAMS/view中建模并输入参数到仿真模型。根据仿真分析，压缩弹簧释放瞬间推动凸轮冲击推杆头部，使推杆受到冲击应力大小为351 MPa（如图6）。

图6 推杆头部受力仿真

推杆材料选用的是一种适合冷成型的材质SWRCH35K，此种材料的抗拉强度σb≥530 MPa，屈服强度σs≥314 MPa，硬度≤187 HB。相比仿真结果，冲击应力超过了材料屈服强度。在试验反复的冲击下，推杆发生了疲劳断裂。从实验结果来看，尽管推杆不是驻车机构中的直接受力件，但仍需要考虑足够的强度来满足驻车耐久性的要求。

1.2.3 改善措施

从批量化生产的角度考虑，推杆零件原加工工艺为冷成型→局部高频→装配铆接。由于最后需要对推杆头部进行铆接，所以需要推杆仍具有一定塑性变形的能力。为了适当提高推杆强度，在冷成型后增加热处理调质工艺，控制零件调质硬度在285～320 HV范围。另一方面，提高强度最直接的方式是增加推杆的直径。将推杆截面为5 mm×5 mm的方形更改为直径为φ6 mm的圆形。从热处理和结构两个方面的优化，大大改善了推杆强度，重新加工样件试验再无断裂情况。

1.3 导块松动

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可能，特别是在高速行驶过程中，一旦高速行车挂入P挡，可能会发生较严重事故。那么就需要驻车机构在结构上避免这种情况发生。当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。为了满足驻车机构设计可靠，设计方案必须保证即使有少量的误操作也不至于造成机构的损坏。

1.3.1 失效形式

整车试验按前进、后退各10次交替进行误操作试验，在进行第34次试验时无法驻车。检查发现驻车导块螺栓松动明显（如图7）。

1.3.2 原因分析

如图8所示，误操作试验中，棘轮与棘爪反复撞击，冲击力会通过凸轮传递给导块，导块依靠螺栓锁紧在壳体上。完全依靠螺栓锁紧导块的摩擦力抵抗冲击力。

将整车质量、驻车机构等建立运动学模型进行仿真分析发现，误操作试验时，棘轮的冲击力较大（如图9、图10）。按8.8级螺栓M8 计算，锁紧轴向力约为20 kN，锁紧产生的摩擦力约为4 kN，无法克服如此大的冲击力。通过多次的误操作试验，锁紧螺栓发生松动现象，甚至驻车失败。

1.3.3 改善措施

图7 导块螺栓松动

图8 各零件的受力

图9 向前驻车

图10 向后驻车

要解决此试验驻车失败的问题，仅仅做局部加强，比如增加螺栓公称直径，增大锁紧力矩等，效果不明显。关键是要解决导块固定方式的缺陷，不能以螺栓的锁紧力来克服棘轮的冲击力。通过分析发现，大多数变速箱中导块的固定方式均考虑了棘轮的冲击影响。在导块受到冲击方向上与壳体接触，棘轮产生较大的冲击时，这部分力可转移到壳体上，螺栓的锁紧力仅是起到辅助作用，不承担主要冲击力。通过对导块的固定结构形式进行优化，再次进行误操作试验，检查驻车机构并未发现导块螺栓松动的问题。