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齒輪箱及其駐車機構設計與驗證

刊登日期：2020/09/01

摘要

駐車機構主要功能是當車輛停止時，駕駛人將齒輪箱排入P檔(Parking)時，啟動駐車機構做動，該齒輪箱便會被鎖住而使得車輛不再移動。然而駐車機構須滿足法規SAE J2208，其規定駐車機構於車輛行駛間做動時，車速6 km/h以下需能使駐車機構卡合鎖定，8-70 km/h以上則不得卡合鎖定以避免發生危險。本團隊原開發之二速變速箱已進入原型機測試階段，但原型機中仍缺少駐車機構，因此本文將完成一組符合法規SAE J2208之車用駐車機構，透過機構模擬軟體ADAMS驗證及有限元素軟體Abaqus強度分析，並實際應於本部門已開發之電動車用二速變速箱內。

Abstract

The main function of a park lock mechanism is to lock the gear box when the vehicle stops and the driver puts the gear box control into the P (Parking) mode, to make the vehicle no longer move. However, the park lock mechanism must meets the SAE J2208 regulation, which stipulates that the park lock mechanism should be functional when the vehicle speed is below 6 km/h , and should not lock the gear box when the speed is above 8-70 km/h for safety reason. Although a two-speed gearbox developed by ITRI’s team has entered prototype testing stage, its park lock mechanism is still lacking in its original design. Therefore this article describes the completion of a vehicle park lock mechanism that complies with SAE J2208. Through the motion analysis of mechanism simulation software ADAMS and strength analysis with finite element software Abaqus, the park lock mechanism was implemented into the two-speed gearbox for electric vehicles developed by ITRI.

前言
駐車機構是執行駐車棘爪與駐車齒輪結合與脫離的機構，所以可視為是一種離合器[1]。本文調查市售車之駐車機構進行探討發現推動駐車棘爪的做動機構主要分為三種，分別是凸輪機構、子彈頭機構以及多連桿機構，其中，又以凸輪機構的機構做動元件最少、做動行為最簡易、可靠度高等優點。因此本文使用凸輪機構做為駐車機構之驅動機構。
駐車棘爪與駐車齒輪分為徑向結合與軸向結合兩種，由於軸向結合會增加齒輪箱整體軸向長度，或將駐車機構置於齒輪箱外，但此做法將延伸出駐車機構防塵等問題。本文以徑向結合之機構並設計於齒輪箱內進行駐車機構設計，開發符合法規SAE J2208之駐車機構原型機。
駐車系統模組
1.駐車機構設計
本文駐車機構設計流程如圖1所示，首先進行能達到駐車基本功能的概念設計，計算各元件力及力矩的大小及方向，再使用機構模擬軟體ADAMS進行駐車機構做動模擬，並符合法規，接著使用有限元素分析軟體Abaqus進行駐車機構各元件之強度分析，確保駐車機構元件符合強度需求。
駐車機構元件有：駐車齒輪、駐車棘爪、凸輪、驅動件、馬達軸、壓縮彈簧、金屬銷。如圖2所示。駐車做動流程為：首先駐車馬達做動，帶動驅動件由上死點順時針旋轉。接著驅動件經由壓縮彈簧帶動凸輪將駐車棘爪往駐車齒輪方向移動。驅動件與死點接觸，此為下死點狀態。此時駐車完成，駐車馬達停止旋轉。
駐車棘爪用之扭轉彈簧目的為：於駐車機構未啟動時，能保持駐車棘爪不與駐車齒輪接觸，且能承受3G的衝擊力。此外，於駐車行程結束後，能將駐車棘爪回復到原先的位置。而駐車凸輪使用壓縮彈簧之目的包含：一、保持驅動件與凸輪維持向外的張力。二、駐車作動時，駐車棘爪與駐車齒輪為齒對齒情況時，需要由壓縮彈簧儲存駐車馬達的做動能量。
當車輛停車於斜坡時，車重為駐車機構主要的負載來源。力量傳遞路徑為：車重→車輪→傳動軸→齒輪箱→駐車齒輪→駐車棘爪→齒輪箱殼體。設計初期經由理論公式推導由駐車齒輪傳遞至駐車棘爪與駐車做動機構的力量、力矩之大小及方向，做為駐車機構之設計依據。