电控驻车机构设计研究

张道谱　周俊伯　鲁方俊

摘 要：整车配备电子换挡器后，取消了驻车拉丝，驻车机构由电信号控制。文章对比了电控驻车机构与手柄拉丝式驻车机构在关键设计指标上的区别，强调了电控驻车机构应从功能安全的角度出发，来制定控制逻辑和选用电器件。

关键词：电控驻车机构 控制逻辑 功能安全

1 引言

驻车机构是乘用车用于防止车辆溜车的安全机构。根据《GB21670乘用车制动系统技术要求及试验方法》第7.3.19规定[1]，在不使用脚刹和EPB（电子手刹）的情况下，仍然要能实现整车在坡道上停驻。手动挡车型应通过挂低挡位（如1挡或R挡）方式，实现坡道停驻。自动挡车型和匹配减速箱的新能源车型则必须装配驻车机构才能满足上述要求。

驻车机构对应于整车换挡手柄上的P挡位置。在传统的自动挡车型中，驻车机构通过驻车拉丝和整车换挡手柄刚性连接。停车时，换挡手柄推入P挡，带动驻车机构进入P挡。随着电子换挡器的普及，驻车机构与电子换挡器之间取消了驻车拉丝，失去了刚性连接关系，驻车机构需要由其他动力源来驱动。常用的驅动的方式有液压驱动和电机驱动，本文阐述的是电机驱动的驻车机构。

2 机械式驻车机构

在乘用车领域，“驻车机构”指的就是棘轮、棘爪形式的驻车机构。其他形式的驻车方案原理上可行，但并不能实现产业化。

对于与换挡手柄刚性连接的驻车机构，其关键设计指标通常定义为：

1）由于棘爪不会每次都恰好卡入棘轮齿槽，当棘爪与棘轮齿顶相对时，棘轮转过一定角度棘爪才能卡入。棘轮转动引起整车车轮的滚动即为整车的溜坡距离。根据《GB5768.3道路交通标线》[2]和《JGJ 100 车库建筑设计规范》[3]，整车溜坡距离应小于100mm。

2）车轮滚动意味着整车有速度，棘爪必须在棘轮转到相邻的第一个齿槽时卡入，否则整车越溜越快，驻车机构便无法锁止。根据规定的溜车距离和驻车功能实现时整车的冲击大小，确定驻车车速的上下限值。一般驻车车速2.5km/h～5km/h可以接受。

3）与换挡手柄刚性连接的驻车机构，坡道出P挡力也是一个关键的性能指标。由于每一种换挡手柄的杠杆比都不相同，用力值而不是扭矩值作为手柄处的性能指标是最能直接体现操作人员的主观感受。根据整车手柄自身的换挡力，以及驾驶员操作的舒适性，定义30%坡道出P挡，整车手柄处的力的范围为60N～70N。

3 电控驻车机构

电子换挡器有诸多优势：节省驾驶舱大量的空间;取消了驻车拉丝，隔绝了发动机舱噪声的传递路径;提升整车的档次感。因此电子换挡器迅速普及在传统燃油车和新能源车型上。由于没有驻车拉丝，需要增加驱动电机并采用电控方式来操纵驻车机构。常见的电子换挡器有旋钮式、按键式、单稳态式和怀挡式。其中怀挡式也属于单稳态，只是它的位置由中控台移到了方向盘右下方。

相比于换挡手柄和驻车拉丝这种机械式驻车机构，电控驻车机构最重要的设计任务是必须考虑功能安全。功能安全包括控制逻辑的主动安全和电器件的安全性。控制逻辑主动安全是指，在某一工况下，整车应该处于P挡状态而驾驶员忘记了挂P挡，此时电控驻车机构应该自动进P挡。如果没有逻辑上的主动安全，驻车机构的控制将毫无意义，安全性还不如机械式驻车机构。驻车机构的控制逻辑应根据车速信号、制动踏板信号、电子换挡器位置信号等多种信号的状态，以及驻车机构自身特性来综合判断，是否发出进P挡指令。

电器件的安全性是指电控驻车机构的各种电器件的选型或采取的专用措施应符合GB/T34590[4]系列标准[5]。此系列标准规定了对应ASIL不同安全等级要求，电器件需要满足不同的硬件架构度量或随机硬件失效概率。如产品随机硬件失效概率达不到要求，应额外采取专用措施。按照国家标准与相关法律，驻车机构的电控系统必须达到ASIL D级，其单点故障度量应≥99%，潜伏故障度量应≥90%。或随机硬件失效目标值应小于10-8h-1，且采取专用措施。

电控驻车机构也有系统层级设计指标，主要包括：

1）电控驻车机构的控制逻辑里定义的驻车响应车速是一个定值而不是范围值，并且要比机械部件的驻车车速下限值低。只要驻车控制系统发出P挡指令，驻车机构立即锁止，不会发出棘轮、棘爪的敲击声。

2）由于采用电机驱动驻车机构，驾驶员对电子换挡器的操作不会再有出P挡力的感觉，P、R、N、D各挡位切换的力大小相同。因此在系统层面的测试中，不会再有出P挡力的评价，但是在零部件的设计和电机选型上，出P挡力依然是一个关键指标。

3）传统的换挡手柄和驻车拉丝不会考虑温度变化的影响。但是电机的性能随着温度的变化影响较大，所以需要考虑电机在高低温环境下的特性，并且也应满足响应时间和出P要求。

4 整车系统匹配应用

在中国的乘用车标准体系中，驻车机构和手刹或电子手刹（EPB）统一被定义为驻车制动系统。但在FMVSS美国联邦机动车安全标准体系和ECE欧洲经济委员会汽车法规体系中，驻车制动系统只有手刹或EPB，不包括驻车机构。并且FMVSS 114[6]特别说明驻车机构是用来防止车辆溜车的。由此可见，驻车机构和手刹或EPB在整车中起到的作用是不一样的。在国内，由于驻车机构和手刹或EPB都称为驻车制动系统，大部分驾驶员甚至汽车从业人员都不能正确区分两者的作用，也不知道两者的正确操作顺序。驻车机构和手刹或EPB的正确操作顺序是：停车时，先使用手刹或EPB，后挂P挡;起步时，先退出P挡，再解除手刹或EPB。

随着EPB的自动化程度越来越高，根据功能安全要求，EPB也制定了逻辑上的主动安全。由于EPB的使用工况比电控驻车机构更多，EPB主动安全需要的信号也更多。考虑到传统EPB与驻车机构的操作顺序，带主动安全逻辑的EPB与电控驻车机构停车制动的顺序是：先EPB主动制动，后电控驻车机构自动进P挡。

5 结束语

本文阐述了电控驻车机构相比于机械式驻车机构，在设计指标上的区别，同时强调电控驻车机构应从功能安全的角度出发，多方面考虑制定控制逻辑，和电器件选型应满足的标准要求。进一步介绍了电控驻车机构与EPB之间的关系，为以后电控驻车机构的系统设计提供一定的参考。

参考文献：

[1]中国国家标准化管理委员会.乘用车制动系统技术要求及试验方法：GB21670-2008[S].中国标准出版社，2008：8.

[2]中国国家标准化管理委员会.道路交通标志和标线：第3部分 道路交通标线：GB5768.3-2009[S].中国标准出版社，2009：5.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.车库建筑设计规范：JGJ100-2015[S].中国标准出版社，2015：5.

[4]中国国家标准化管理委员会.道路车辆 功能安全：GB/T34590-2017[S].中国标准出版社，2017：10.

[5]吴小萍，姚文博，谭艳军，林霄喆，王瑞平.基于道路汽车功能安全标准要求的7DCT驻车位置传感器新策略设计[J].汽车电器，2019（01）：39-40+43.

[6]Theft Protection and Rollaway Prevention： FMVSS 114;July28，2010[S].