基于CTF25无级变速器的驻车机构设计

1 综述

由于驻车机构在自动变速器中的重要性，其设计、分析、计算等具有重要的意义。文中以某无级变速器的驻车机构为例，通过对驻车关键零部件（驻车棘爪、驻车棘轮、推杆弹簧等）的受力分析，阐述了驻车机构的设计参数与驻车性能的量化关系，为驻车机构的参数设计提供理论依据。

2 驻车机构的设计输入及功能要求

2.1 驻车机构的构成

无级变速器的驻车机构主要包括扇形板、推杆总成（驻车导杆、推杆弹簧、压力块、驻车凸轮等）、回位弹簧、导向块、驻车棘爪、驻车棘轮等。根据布置空间及对接件的匹配要求，具体结构如图1所示。

图1 驻车机构结构示意图

2.2 设计输入

(1）整车满载质量(Kg)。

(2）最大驻车坡度(30%)。

(3）最大结合速度(5Km/h)。

(4）最大脱P档力(Nm)。

(5）主减速器速比。

(6）轮胎半径(m)。

(7）溜车距离(0.15m)。

(8）质心到前轴距离（m）。

(9）路面附着系数。

(10）轴距（m）。

2.3 功能要求

（1）车速不高于5km/h行驶时，驻车机构能实现安全驻车。

（2）汽车处于非驻车工况时，驻车机构不能自动驻车。

（3）汽车实现驻车后，驻车机构不能自动脱档。

（4）汽车需要行驶时，驻车机构能顺利摘出P档，脱离驻车。

3 驻车机构子零件设计计算过程

3.1 驻车机构棘轮设计

3.1.1 驻车棘轮最大负载计算

式中m--整车满载质量（m）；

g--重力加速度；

α--坡道与水平面之间的夹角（°）；如图2所示

r-轮胎半径（m）；

id--差速器与棘轮所在输出轴的传动比；

rg--驻车棘轮接触半径（m）。

图2 坡道驻车

3.1.2 驻车滥用工况棘轮负载计算：

Fmax=2Fg

3.1.3 棘轮齿面接触应力的计算（如图3）

式中，σH--棘轮齿面接触应力；

Fn--棘爪给棘轮的正压力(N）；

Fn=Fgcosβ；

b--棘轮与棘爪接触线的长度（m）；

ρ--接触圆角曲率半径（m）。

图3 棘爪对棘轮的力

驻车机构在滥用工况下的齿面接触应力通常不大于6000MPa，在正常驻车工况下的齿面接触应力通常不大于4000MPa。

3.1.4 坡道回滚量的计算：

坡道回滚量Sr要小于规定溜车距离0.15m。

3.1.5 内花键强度计算

花键强度校核主要包括弯曲强度校核和接触强度校核。

（1）弯曲强度

式中Tmax--花键承受的最大转矩，Tmax=s11T，s11为安全系数，推荐值为2，T为花键实际承受的转矩，T=Mg；

Db—分度圆直径(m)；

e—分度圆齿厚（m）；

L—接触长度（m）；

Ze—实际作用齿数；

S1—啮合负载系数，一般情况下取0.25。

(2)接触强度

S—接触面积（m2），其值等于接触长度L和接触高度的乘积；

S2—面积负载系数，表示实际接触面积，推荐值为1。

关于棘轮反转工况下的计算，过程同上。

3.2 驻车机构棘爪设计

3.2.1 最大坡度驻车棘爪负载计算；

式中， F n1 —棘轮给棘爪的正压力（N）；

F n— 棘爪给棘轮的正压力（N），Fn = Fg cosα。

3.2.2 驻车滥用工况棘爪负载计算

3.2.3 棘爪齿面接触应力计算

式中—棘轮给棘爪的正压力（N）；

b—棘轮与棘爪接触线长度(m)；

σ—接触圆弧曲率半径（m）。

驻车机构在滥用工况下的齿面接触应力通常不大于6000MPa，在正常驻车工况下的齿面接触应力通常不大于4000MPa。

棘轮反转工况下的计算过程同上。

3.3 驻车凸轮保持自锁的计算：

3.3.1 以棘爪为对象：

如图4所示，根据棘爪受力平衡，推杆总成提供的转矩等于回位扭转弹簧转矩、棘轮对棘爪的作用转矩和凸轮对棘爪的作用转矩之和，则：

F N 3--凸轮对棘爪的正压力（N）；

R3--的力臂（m）；

图4 棘爪受力分析

3.3.2 以驻车凸轮为对象：

β--驻车凸轮与驻车棘爪的接触面与水平面之间的夹角（°）；

当Fh≥0时，驻车凸轮可以满足自锁功能。

棘轮反转工况下，计算过程同上。

3.4 驻车机构棘爪回位弹簧的设计

在没有挂入P档的情况下，棘爪不应驻入棘轮，应满足以下算式：

式中 —棘爪的质量（kg）；

a—棘爪的震动加速度（m/s2）；

b—棘爪重心到棘爪回转轴重心的距离（m）；

k—安全系数；

 —棘爪回位弹簧的转矩（N.m）。

4 结束语

通过结合整车信息及在最恶劣工况--30%坡道上驻车时，对无级变速器驻车机构中的主要零部件--驻车棘轮、驻车棘爪、驻车凸轮和回位弹簧等进行受力分析，计算结果：

1、没有挂入P档的情况下，棘爪不会驻入棘轮；

2、驻车凸轮满足自锁功能；

3、棘爪齿面接触应力满足要求；

4、最大溜车行程小于整车的要求0.15m。

5、棘轮齿面接触应力满足要求；

文中虽然是以CTF25无级变速器为例进行研究，但研究方法可以普及到大部分自动变速器驻车机构的设计计算中。