直排式AMT換擋機(jī)構(gòu)電路設(shè)計(jì)

周澤華，譚 敏

（合肥學(xué)院 電子信息與電氣工程系，安徽 合肥 230601）

1 引言

汽車(chē)是當(dāng)今交通中不可或缺的組成部分，它的存在日益滲透到人們生活的各個(gè)方面，而作為汽車(chē)關(guān)鍵總成之一的變速器技術(shù)在汽車(chē)誕生的百年歷史中不斷地與時(shí)俱進(jìn).手動(dòng)變速器由于其傳遞動(dòng)力的直接與高效性，加上制作技術(shù)的成熟與低成本，所以現(xiàn)在的汽車(chē)中裝備手動(dòng)變速器的仍然占有很大比例.但隨著人們對(duì)汽車(chē)舒適性要求越來(lái)越高，現(xiàn)代汽車(chē)自動(dòng)變速器裝備率也越來(lái)越高卻是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，尤其是當(dāng)自動(dòng)變速器也逐漸能夠兼顧操控性的時(shí)候[1].在國(guó)內(nèi)車(chē)市，自動(dòng)變速器在乘用車(chē)當(dāng)中越來(lái)越普及的同時(shí)，技術(shù)與種類(lèi)也越來(lái)越豐富，自動(dòng)變速器的技術(shù)甚至成為廠家產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)利器.電控機(jī)械式自動(dòng)變速箱(Automated Mechanical Transmission,AMT)是在傳統(tǒng)的手動(dòng)齒輪式變速器基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的.AMT可以看作是自動(dòng)的手動(dòng)變速箱，AMT自動(dòng)變速箱是在通常的手動(dòng)變速箱和離合器上配備一套電子控制的液壓操縱系統(tǒng)，以達(dá)到自動(dòng)切換擋的目的.AMT的核心技術(shù)是微機(jī)系統(tǒng)，電子技術(shù)和質(zhì)量將直接決定AMT的性能與運(yùn)行質(zhì)量.AMT在性價(jià)比和節(jié)能環(huán)保等方面堪與AT(Automatic Transmission)、CVT(Continuous Variable Transmission)產(chǎn)品相媲美，而且解決了手動(dòng)擋車(chē)的駕駛樂(lè)趣和自動(dòng)擋車(chē)的安全省事的矛盾.從世界范圍來(lái)看，它是自動(dòng)變速的一個(gè)重要發(fā)展方向[2-6].

2 直排式AMT 換擋機(jī)構(gòu)電路設(shè)計(jì)

2.1 直排式AMT換擋操縱機(jī)構(gòu)的擋位分布

手自一體機(jī)械式自動(dòng)變速器的直排式換擋操縱機(jī)構(gòu)擋位分布如圖1所示，其中①位置是“R”擋，即倒車(chē)擋位；②位置是“N”擋，即空擋位；③位置是“D”擋，即前進(jìn)擋位；④為“+”擋，即加速擋位；⑤位置是“M”擋，即手動(dòng)模式；⑥位置是“-”擋，即減速擋位.

圖1 檔位分布圖

2.2 直排式AMT換擋操縱機(jī)構(gòu)的霍爾傳感器分布

手自一體機(jī)械自動(dòng)變速器的直排式換擋操縱機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)換擋的前提仍然是對(duì)應(yīng)的擋位上能感應(yīng)到磁鐵的經(jīng)過(guò)，能夠采集到輸出信號(hào)，為此設(shè)計(jì)霍爾傳感器的分布如圖2所示，其中“R”、“N”、“D”、“+”、“M”和“-”擋位上分別有一個(gè)霍爾傳感器，而A1、A2、A3和A4位置上各有一個(gè)用來(lái)檢測(cè)過(guò)渡信號(hào)用的霍爾傳感器.

圖2 AMT方式下霍爾傳感器的分布圖

2.3 電路邏輯信號(hào)的定義

換擋機(jī)構(gòu)的操縱桿在與圖2所對(duì)應(yīng)的位置時(shí)，其各路的邏輯電壓信號(hào)將按下面的定義進(jìn)行輸出.

（1）輸出的四路邏輯信號(hào).邏輯“1”表示電壓3.20±3.20*10%(V)，即[2.88,3.52](V)；邏輯電平“0”表示電壓1.75±1.75*10%(V)，即[1.75,1.925](V).

（2）當(dāng)操縱桿在位置①時(shí)，電路的輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)于ECU的“R”擋信號(hào).

（3）當(dāng)操縱桿在位置②時(shí)，電路的輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)于ECU的“N”擋信號(hào).

（4）當(dāng)操縱桿在位置③時(shí)，電路的輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)于ECU的“D”擋信號(hào).

（5）當(dāng)操縱桿在位置④時(shí)，電路的輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)于ECU的“+”擋信號(hào).

（6）當(dāng)操縱桿在位置⑤時(shí)，電路的輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)于ECU的“M”擋信號(hào).

（7）當(dāng)操縱桿在位置⑥時(shí)，電路的輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)于ECU的“-”擋信號(hào).

最終結(jié)果如表1所示.

表1 信號(hào)定義表

考慮到在實(shí)際換擋過(guò)程中，可能檢測(cè)到過(guò)渡信號(hào)，此時(shí)的過(guò)渡信號(hào)并不進(jìn)行輸出，而是保持之前的狀態(tài).另外由于N和M擋之間的距離較遠(yuǎn)，所以在換擋過(guò)程中可能檢測(cè)不到信號(hào)即“0000”，故也保持之前的狀態(tài)不變.圖3是模擬擋位信號(hào)的電路，當(dāng)對(duì)應(yīng)擋位上的開(kāi)關(guān)處于“關(guān)”即閉合的狀態(tài)時(shí)說(shuō)明換擋機(jī)構(gòu)的操縱桿位于該擋位位置上；圖4是整個(gè)電路的結(jié)構(gòu)示意，并用圖中的萬(wàn)用表來(lái)顯示仿真的結(jié)果.

圖3 擋位模擬電路

圖4 整體電路結(jié)構(gòu)

圖3中“111111”為過(guò)渡電路的開(kāi)關(guān)，“110000”為④⑤⑥位置的防錯(cuò)電路的開(kāi)關(guān)，“000011”為位置①②③的防錯(cuò)電路開(kāi)關(guān).

2.4 霍爾傳感器的模型

霍爾傳感器相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)有磁鐵經(jīng)過(guò)時(shí)霍爾傳感器導(dǎo)通，電壓低，反之則斷開(kāi)，電壓高.電路仿真時(shí)用一個(gè)繼電器和一個(gè)電阻代替，其連接示意圖如圖5所示.其中，R20和J7是模擬的，是用來(lái)代替霍爾開(kāi)關(guān)的其他電器特性與霍爾開(kāi)關(guān)一樣.開(kāi)關(guān)分路中的R19是限流電阻，因?yàn)榛魻栭_(kāi)關(guān)傳感器的輸出端為集電極開(kāi)路輸出，所以要設(shè)置一個(gè)上拉電阻來(lái)防止霍爾開(kāi)關(guān)損壞，同時(shí)也能防止SW1和SW2路的電流過(guò)大.其中霍爾傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下：

電源電壓：Vcc=4.5V到24V（9V）.

圖5 霍爾傳感器的模型及其連接

輸出飽和電壓：Iout=175mA,最大400mA.輸出漏電電流Ioff<1.0mA，最大10mA.

限流電阻的計(jì)算：

阻值大于51.4Ω 就可以了.通常上拉電阻取值為1K到10K之間，這里我們選取10K為上拉電阻的阻值.另外，上拉電阻的阻值也可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行改動(dòng)，它的值并不是唯一的.

2.5 電路原理圖

將整個(gè)電路分成SC1模塊和SC2模塊，其中SC1模塊是用來(lái)檢測(cè)①②③位置的擋位；而SC2模塊式用來(lái)檢測(cè)④⑤⑥位置的擋位.其中SC2模塊上包括了電源輸入電路、④⑤⑥位置的擋位信號(hào)的采集電路、在SC1模塊和SC2模塊之間進(jìn)行換擋時(shí)的過(guò)渡電路和為避免在④⑤⑥之間換擋時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤操作而設(shè)計(jì)的防錯(cuò)電路.它們的具體實(shí)現(xiàn)如圖6和圖7所示.需要說(shuō)明的是SC2模塊1和SC2模塊2是布置在一起的，模塊1和模塊2組合在一起才能稱為SC2模塊.

圖6 SC2模塊1

圖7 SC2模塊2

SC1模塊是用來(lái)檢測(cè)①②③擋位的，電路中包括了信號(hào)采集電路和防錯(cuò)電路.其電路原理圖如圖8和圖9所示.

2.5.1 電源輸入電路

圖8 SC1模塊1

圖9 SC1模塊2

如圖10所示.由于汽車(chē)使用的是12V的電壓，即Vcc=12V，采用型號(hào)為BZX84-B9V1的穩(wěn)壓二極管與限流電阻R21組成穩(wěn)壓電路，C6為濾波電容，可以濾掉電源中的脈動(dòng)部分.P+為電源輸出，向整個(gè)電路供電.穩(wěn)壓二極管參數(shù)為：Vz=9.1V，功耗為：Wz=0.3W，工作溫度范圍-65.0℃~150.0℃，故：

只要取值大于87.9Ω 即可，此處取100Ω，在設(shè)計(jì)過(guò)程中也可更改.

濾波電容的選?。涸陔娫丛O(shè)計(jì)中，一般10pF的電容用來(lái)濾除高頻干擾，而0.1uF的電容用來(lái)濾除低頻的紋波干擾，且能起到穩(wěn)壓的作用，故本電路中濾波電容取值為0.1uF.

2.5.2 輸出電位電路及其計(jì)算

如圖11所示.電路的輸出就是四路輸出信號(hào)SW1、SW2、SW3和SW4，通過(guò)它們的電位大小確定輸出的是邏輯“1”還是邏輯“0”，從而輸出擋位信號(hào).

圖10 電源輸入電路

圖11 輸出電位電路

電路通過(guò)兩個(gè)電阻分壓，將電源電壓Vcc分成信號(hào)所要使用的電壓，開(kāi)關(guān)電路為“開(kāi)”時(shí)，其對(duì)應(yīng)的輸出端電壓為3.2V，為“關(guān)”時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出端電壓為1.75V.電路中電容的作用是吸收開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)出現(xiàn)的電壓波動(dòng).

由于四個(gè)輸出端是一樣的，故此處只計(jì)算一個(gè)，其余類(lèi)似.

開(kāi)關(guān)電路為“開(kāi)”時(shí)：

開(kāi)關(guān)電路為“關(guān)”時(shí)：

令R25=4.7K,則

2.5.3 過(guò)渡電路

過(guò)渡電路將放在電路板SC2里，其主要作用是當(dāng)檢測(cè)不到信號(hào)時(shí)能夠輸出之前狀態(tài)的保持信號(hào).其原理圖如圖12所示.

此處J6是模擬檢測(cè)時(shí)對(duì)過(guò)渡電路進(jìn)行控制的開(kāi)關(guān)，實(shí)際計(jì)算時(shí)可視其為導(dǎo)線.IO1、OC1和OC2是和霍爾傳感器的輸出端相連的，當(dāng)所有霍爾傳感器都處于“關(guān)”的狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)線截止R7和R10組成分壓電路，此時(shí)Q4處于飽和狀態(tài)，R1和四路信號(hào)串聯(lián)，輸出四路低電平，即保持信號(hào).當(dāng)有一路霍爾傳感器處于“開(kāi)”狀態(tài)時(shí)，最左邊的導(dǎo)線接地，電壓為0，D8作用是抵消點(diǎn)鐘中其他二極管的作用，保證Q4始終處于截止?fàn)顟B(tài).

2.5.4 防錯(cuò)電路

防錯(cuò)電路的設(shè)計(jì)如圖13所示.電路的主要作用是為了在①②③位置和④⑤⑥位置之間換擋時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤信號(hào)，原因可能是同時(shí)檢測(cè)到兩路信號(hào)，直接導(dǎo)致ECU控制單元不知道輸出什么擋位信號(hào)，結(jié)果是換擋不成功.SC1和SC2模塊分別有一個(gè)防錯(cuò)電路，但是它們的原理是一致的.此處只分析一個(gè).D6、D7接霍爾傳感器的輸出，D2根據(jù)霍爾傳感器的導(dǎo)通或截止通過(guò)Q1影響Q2的基極電流，進(jìn)而控制Q2的導(dǎo)通或截止.若Q2和Q4的串聯(lián)以實(shí)現(xiàn)其對(duì)應(yīng)的霍爾傳感器的一個(gè)“開(kāi)”狀態(tài)，則防錯(cuò)電路將不起作用.與輸出信號(hào)串聯(lián)的電阻能夠?yàn)樾盘?hào)電路提供電平其計(jì)算式為：

圖12 過(guò)渡電路計(jì)算

圖13 防錯(cuò)電路

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)一個(gè)手自一體機(jī)械式自動(dòng)變速器的直排式換擋操縱機(jī)構(gòu)的控制電路，目前，手自一體機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）的換擋操縱機(jī)構(gòu)一般采用的是“土”字形結(jié)構(gòu)，其操作界面不同于傳統(tǒng)的自動(dòng)變速器換擋機(jī)構(gòu)，不夠直觀，且無(wú)防誤掛擋的功能.本文設(shè)計(jì)的直排式的換擋機(jī)構(gòu)技能很好地解決這一問(wèn)題.直排式換擋機(jī)構(gòu)的實(shí)物結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，換擋過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)誤掛擋的情況，能在最大限度下減少操作失誤.

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