手動(dòng)變速器空擋位置傳感器在智能啟停系統(tǒng)中的應(yīng)用

鄭立朋柳見喜徐雷

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

手動(dòng)變速器空擋位置傳感器在智能啟停系統(tǒng)中的應(yīng)用

鄭立朋柳見喜徐雷

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

智能啟停技術(shù)必須通過識(shí)別變速器擋位狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。闡述了空擋位置傳感器的工作原理和特點(diǎn)，針對(duì)啟停技術(shù)中手動(dòng)變速器空擋位置傳感器匹配和應(yīng)用進(jìn)行分析，重點(diǎn)介紹了空擋位置傳感器的電器配置方案和應(yīng)用，并對(duì)空擋位置傳感器在手動(dòng)變速器中的各種安裝方案進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)分析。

1 歐洲循環(huán)綜合工況和循環(huán)城市工況介紹

汽車智能啟停技術(shù)可以使車輛在擁堵或等紅燈時(shí)自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)駕駛員踩下離合器、油門踏板或松開制動(dòng)踏板時(shí)又會(huì)自動(dòng)快速起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。相對(duì)于混合動(dòng)力汽車，智能啟停技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)怠速停機(jī)功能，在歐洲循環(huán)綜合工況（NEDC）使油耗降低3%～5%,歐洲循環(huán)城市工況使油耗降低8%～15%，因此智能啟停技術(shù)特別適合定位于歐洲循環(huán)城市工況的車輛。歐洲循環(huán)綜合工況和循環(huán)城市工況如圖1所示。

目前國(guó)內(nèi)汽車廠家均對(duì)智能啟停技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)，2012年4月長(zhǎng)城汽車公司智能啟停版的騰翼C30上市。預(yù)計(jì)到2017年國(guó)內(nèi)智能啟停技術(shù)應(yīng)用比例將達(dá)到30%。

2 空擋位置傳感器介紹

2.1 在智能啟停系統(tǒng)中應(yīng)用

在智能啟停系統(tǒng)中，空擋位置傳感器檢測(cè)當(dāng)前擋位狀態(tài)，智能啟停系統(tǒng)根據(jù)擋位、車速、離合、制動(dòng)等信號(hào)綜合判斷駕駛員的駕駛意圖，然后控制發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)或起動(dòng)，從而降低油耗。

智能啟停工作過程：由空擋位置傳感器檢測(cè)擋位變化，當(dāng)擋位由在擋轉(zhuǎn)換為空擋，且離合器踏板、加速踏板完全松開，同時(shí)車速滿足一定條件后，系統(tǒng)判斷駕駛員為停車操作，發(fā)動(dòng)機(jī)立刻停機(jī);在空擋狀態(tài)下，駕駛員踏下離合踏板瞬間，發(fā)動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)。智能啟停系統(tǒng)工作過程如圖2所示。

空擋位置傳感器是智能啟停控制系統(tǒng)中識(shí)別駕駛員停車、起步意圖的重要安全部件，可保證起動(dòng)機(jī)停機(jī)和起動(dòng)正確，減少智能啟停系統(tǒng)的判斷失誤，提高安全性能。

2.2 在一鍵啟動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用

在一鍵啟動(dòng)系統(tǒng)中，必須保證踏下離合器踏板或掛入空擋后發(fā)動(dòng)機(jī)可以起動(dòng)。該系統(tǒng)必須由空擋位置傳感器正確判斷擋位狀態(tài)，防止車輛處于在擋位置時(shí)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生車輛竄車現(xiàn)象，造成事故。

2.3 在怠速提升系統(tǒng)中應(yīng)用

在怠速提升系統(tǒng)中，ECU根據(jù)輸入的空擋位置傳感器信號(hào)與離合器踏板位置信號(hào)狀態(tài)，提升起步時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，改善起步性能。根據(jù)離合器位置傳感器檢測(cè)踏板位置和空擋位置傳感器判斷擋位狀態(tài)，系統(tǒng)判斷駕駛員的起步意圖，若確定駕駛員起步，則對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速增加合適的噴油量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，防止發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況下轉(zhuǎn)速過低或不穩(wěn)，減少發(fā)動(dòng)機(jī)熄火現(xiàn)象。這對(duì)于新手來(lái)說(shuō)意義較大，特別處在紅綠燈路口或坡路起步時(shí)，未帶怠速提升系統(tǒng)的車輛，容易造成起步失敗再次啟動(dòng)導(dǎo)致時(shí)間延誤或溜坡危險(xiǎn)，易導(dǎo)致安全事故。怠速提升系統(tǒng)避免了該項(xiàng)問題，其中判斷駕駛員起步意圖的關(guān)鍵部件為空擋位置傳感器。

2.4 空擋位置傳感器分類和特點(diǎn)

空擋位置傳感器有接觸機(jī)械式和非接觸式兩種。

2.4.1 接觸機(jī)械式空擋位置傳感器

接觸機(jī)械式空擋位置傳感器在開關(guān)按鈕受到外力后，經(jīng)組件壓縮內(nèi)部彈簧，帶動(dòng)觸片移動(dòng)，使常開開關(guān)閉合，輸出一個(gè)導(dǎo)通信號(hào);當(dāng)外力消失后，由于彈簧力作用使動(dòng)觸片回位，從閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)換為斷開狀態(tài)，輸出信號(hào)斷開，為高阻態(tài)。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

接觸機(jī)械式空擋位置傳感器故障率較高，故障現(xiàn)象一般為開關(guān)內(nèi)部絕緣塑料件破碎、融化、觸點(diǎn)燒蝕，以及彈簧斷裂及內(nèi)部大量積碳。

2.4.2 非接觸式空擋位置傳感器

非接觸式空擋位置傳感器基于霍爾原理并采用非接觸方式進(jìn)行檢測(cè)，安裝在手動(dòng)變速器上?？論跷恢脵z測(cè)功能由傳感器和磁鐵感應(yīng)塊共同作用實(shí)現(xiàn)：磁鐵感應(yīng)塊通過彈性銷固定在變速器換擋軸上，換擋軸帶動(dòng)感應(yīng)塊移動(dòng)，使空擋位置傳感器與感應(yīng)塊的相對(duì)位置發(fā)生變化，霍爾芯片感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，并對(duì)應(yīng)當(dāng)前擋位處于空擋還是在擋狀態(tài)輸出不同的電信號(hào)，進(jìn)而提供給整車相關(guān)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整車怠速提升、一鍵啟動(dòng)和智能啟停等功能。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

非接觸式空擋位置傳感器根據(jù)磁鐵感應(yīng)塊轉(zhuǎn)動(dòng)角度，輸出高電平或低電平信號(hào)。感應(yīng)塊與傳感器底部正對(duì)時(shí)，處于空擋位置;感應(yīng)塊與傳感器底部向左、向右偏離一定角度時(shí)，處于非空擋位置。工作原理如圖5所示。

非接觸式空擋位置傳感器工作過程無(wú)機(jī)械接觸，不存在磨損，檢測(cè)空擋位置精確，壽命長(zhǎng)。其采用可編程霍爾芯片，能夠調(diào)整輸出信號(hào)，可保證產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性。

3 設(shè)計(jì)要求

空擋位置傳感器為安全部件，需執(zhí)行相關(guān)法規(guī)。空擋位置信息不精確可導(dǎo)致汽車竄車，由于汽車起停多在紅綠燈位置，對(duì)行人及前車有很大危險(xiǎn)。目前執(zhí)行的安全法規(guī)為ISO-DIS 26262。根據(jù)法規(guī)規(guī)定，由于空擋位置傳感器可能導(dǎo)致非人為的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)/停止，必須達(dá)到ASIL（Automotive Safety Integrity Level）B級(jí)，而單路開關(guān)量信號(hào)設(shè)計(jì)無(wú)法滿足要求。以長(zhǎng)城汽車公司一款非接觸空擋位置傳感器設(shè)計(jì)為例，基本要求如下。

a.定義空擋位置一定要在一個(gè)較小的區(qū)域，并且選用精度高的傳感器。系統(tǒng)必須能夠在全部機(jī)械公差范圍內(nèi)覆蓋百分之百的擋位。

b.前進(jìn)擋位置由于有明確的滑動(dòng)趨勢(shì)，較空擋位置要求寬松。

c.在空擋與前進(jìn)擋中間位置由于容易產(chǎn)生變化趨勢(shì)，不建議作為邏輯判斷依據(jù)。

d.功能：檢測(cè)擋位是空擋還是在擋，并驅(qū)動(dòng)繼電器，能適用于所有的換擋模式。

e.原理：雙霍爾原理，檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度，雙信號(hào)輸出（電壓輸出）。

f.工作電壓：5～16 V（直流、穩(wěn)壓）。

g.工作氣隙：1.1～1.9 mm。

h.溫度范圍：-40～150℃。

i.要求具備診斷能力。

3.1 空擋位置傳感器布置方案

3.1.1 傳感器通孔安裝方案

傳感器通孔安裝方案中，磁鐵感應(yīng)塊安裝在變速器換擋軸上，傳感器安裝在變速器殼體上;傳感器穿過變速器殼體，需要在變速器殼體加工通孔。磁鐵感應(yīng)塊通過彈性銷固定在換擋軸上，感應(yīng)塊磁極正對(duì)著傳感器的檢測(cè)面，傳感器檢測(cè)換擋軸磁鐵的移動(dòng)角度，從而輸出不同位置信號(hào)。傳感器接插件安裝在變速器外部，便于線束安裝布置;傳感器安裝孔由O型圈保證密封性。布置方案如圖6所示。

3.1.2 傳感器非侵入安裝方案

傳感器非侵入安裝方案中，傳感器貼在變速器外殼上，采用螺栓固定，感應(yīng)塊安裝在變速器換擋軸上;傳感器安裝時(shí)無(wú)需在變速器殼體上加工通孔，直接貼裝在變速器鋁殼上，避免了空擋開關(guān)處漏油風(fēng)險(xiǎn)。感應(yīng)塊通過彈性銷固定在換擋軸上，感應(yīng)塊的磁感線穿過變速器殼體，由傳感器識(shí)別磁場(chǎng)變化，輸出不同位置信號(hào)。該傳感器安裝方式避免了變速器加工通孔，提高了變速器可靠性能。但對(duì)傳感器檢測(cè)空氣間隙的要求較高，要求其在較大的空氣范圍內(nèi)能夠正常檢測(cè)感應(yīng)塊位置。非侵入安裝方式如圖7所示。

3.1.3 傳感器與定位銷集成安裝方案

采用舍弗勒公司的一種定位銷傳感器（為非接觸式位置傳感器），本體分為傳感器單元和定位銷兩部分，傳感器單元包括霍爾芯片、接插件、磁鐵、嵌入襯套;定位銷包括連接銷、主彈簧、定位銷襯套、定位銷軸承、定位銷球。定位銷傳感器結(jié)構(gòu)如圖8所示。

為了提升變速器換擋手感，在變速器換擋機(jī)構(gòu)中設(shè)置了換擋定位銷座和定位銷，定位銷座具有高低不平的曲線輪廓，如圖9所示。

由于定位座輪廓形狀壓縮定位銷彈簧，導(dǎo)致定位銷傳感器的定位銷球行程發(fā)生變化，柱塞頂端安裝的感應(yīng)磁塊位置隨之移動(dòng);霍爾傳感器檢測(cè)柱塞磁塊的移動(dòng)距離，判斷出變速器所處擋位。即空擋位置為最低位置、前進(jìn)擋位置為中間位置、倒擋位置為最高點(diǎn)位置，從而使霍爾傳感器輸出不同位置信號(hào)。定位銷傳感器工作原理如圖10所示。

該方案節(jié)省了倒車燈開關(guān)、空擋位置傳感器、磁鐵感應(yīng)塊、固定螺栓等零件的成本，降低了零件失效風(fēng)險(xiǎn)。工藝方面避免了變速器鉆通孔加工工序、螺紋加工工序和相應(yīng)的安裝工序。集成式定位銷傳感器解決方案如圖11所示。

3.2 電氣配置方式

3.2.1 雙霍爾雙輸出開關(guān)量信號(hào)傳感器方案

空擋位置傳感器內(nèi)部集成2個(gè)霍爾芯片，輸出兩路高低相反的電平信號(hào)，ECU采集兩路信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)校驗(yàn)和確認(rèn)，提高系統(tǒng)安全性能，保證換擋機(jī)構(gòu)所處擋位的準(zhǔn)確性。傳感器輸出信號(hào)特性如圖12所示。

當(dāng)擋位在空擋時(shí)，A路信號(hào)輸出低電平，B路信號(hào)輸出高電平;當(dāng)擋位在非空擋時(shí)，A路信號(hào)輸出高電平，B路信號(hào)輸出低電平。當(dāng)A路信號(hào)輸出端與B路信號(hào)輸出端同時(shí)為低電平或同時(shí)為高電平時(shí)，說(shuō)明傳感器出現(xiàn)故障。

傳感器A路信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)繼電器，該繼電器串聯(lián)在起動(dòng)機(jī)控制電路中，只有在空擋位置傳感器輸出空擋信號(hào)使繼電器吸合后才能使起動(dòng)機(jī)工作，保證車輛安全性能，避免車輛在擋起動(dòng)時(shí)出現(xiàn)竄車現(xiàn)象。該方案用傳感器驅(qū)動(dòng)繼電器，對(duì)傳感器要求較高，傳感器失效幾率較高。電路圖配置方案如圖13所示。

3.2.2 單霍爾單輸出開關(guān)量信號(hào)傳感器方案

空擋位置傳感器內(nèi)部集成1個(gè)霍爾芯片，只輸出一路高低電平信號(hào)。該路信號(hào)直接輸入給ECU，沒有擋位信號(hào)的校驗(yàn)，為保證系統(tǒng)安全性能，對(duì)傳感器的性能和質(zhì)量要求較高。傳感器輸出信號(hào)特性如圖14所示。

ECU接收到空擋位置傳感器信號(hào)和離合器踏板位置信號(hào)后，判斷是否驅(qū)動(dòng)起動(dòng)機(jī)。該方案不需要空擋位置傳感器控制起動(dòng)機(jī)，系統(tǒng)安全性能通過ECU策略保證。傳感器電路配置方案如圖15所示。

3.2.3 單霍爾單輸出PWM信號(hào)傳感器方案

空擋位置傳感器內(nèi)部集成1個(gè)霍爾芯片，輸出一路PWM信號(hào)，ECU通過識(shí)別PWM信號(hào)占空比來(lái)判斷擋位位置。該P(yáng)WM信號(hào)具有診斷功能，輸出占空比設(shè)置了兩段故障區(qū)域，ECU根據(jù)該特性能夠判斷出傳感器是否處于正常工作狀態(tài)，提高了系統(tǒng)安全性能。傳感器輸出信號(hào)特性如圖16所示。

該傳感器供電方式由ECU提供，相對(duì)蓄電池供電方案，減少了傳感器供電范圍要求，而蓄電池供電方案要求傳感器供電范圍為9～16 V，傳感器設(shè)計(jì)難度增加，性能難以保證，增加的電源模塊電路導(dǎo)致傳感器體積過大。ECU供電方案時(shí)要求傳感器供電范圍為4.5～5.5 V，無(wú)需設(shè)計(jì)傳感器供電模塊，傳感器體積降低。傳感器電路配置方案如圖17所示。

3.2.4 空擋位置傳感器開關(guān)量信號(hào)與PWM信號(hào)優(yōu)缺點(diǎn)

a.空擋位置傳感器開關(guān)量信號(hào)

空擋位置傳感器與ECU內(nèi)部接口電路結(jié)合，實(shí)現(xiàn)輸出開關(guān)量信號(hào)高、低電平兩個(gè)狀態(tài)。傳感器檢測(cè)擋位為空擋時(shí)，空擋位置傳感器輸出高電平;傳感器檢測(cè)擋位為在擋時(shí)，空擋位置傳感器輸出低電平。開關(guān)量信號(hào)波形如圖18所示。

空擋位置傳感器開關(guān)量信號(hào)存在問題如下：當(dāng)傳感器信號(hào)為電源短路、信號(hào)線斷路、檢測(cè)空擋位時(shí)，ECU識(shí)別的信號(hào)都是高電平，為同一個(gè)信號(hào)，故障狀態(tài)難以識(shí)別，ECU只能參考其他信號(hào)（轉(zhuǎn)速、離合器位置、油門踏板位置等）進(jìn)行校驗(yàn)，才能識(shí)別出故障問題，因此故障診斷響應(yīng)時(shí)間慢。

b.空擋位置傳感器PWM信號(hào)

空擋位置傳感器與ECU內(nèi)部接口電路結(jié)合，實(shí)現(xiàn)PWM波形輸出。此種信號(hào)波形特點(diǎn)是：輸出PWM波形頻率一定，擋位位置不同時(shí)，信號(hào)占空比對(duì)應(yīng)發(fā)生變化;傳感器正常工作時(shí)以頻率125 Hz不斷輸出信號(hào)，若傳感器出現(xiàn)問題，信號(hào)頻率立刻發(fā)生變化，系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確的判斷出是否存在問題;該信號(hào)特點(diǎn)具有自診斷功能，檢測(cè)空擋位置可靠性高。PWM信號(hào)輸出波形如圖19所示。

3.2.5 空擋位置傳感器開關(guān)量信號(hào)和PWM信號(hào)對(duì)ECU的要求

a.空擋位置傳感器開關(guān)量信號(hào)

控制系統(tǒng)對(duì)空擋位置傳感器開關(guān)量信號(hào)的采集，通過ECU內(nèi)部主控芯片的普通I/O口即可滿足要求，ECU只識(shí)別出高、低電平即可，信號(hào)處理簡(jiǎn)單。在整個(gè)電路系統(tǒng)中，為了防止ECU在出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)發(fā)出起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)，導(dǎo)致車輛在擋時(shí)出現(xiàn)竄車現(xiàn)象，在起動(dòng)控制回路中串聯(lián)一個(gè)傳動(dòng)鏈繼電器，由空擋位置傳感器的一路信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)硬件冗余設(shè)計(jì)，加強(qiáng)系統(tǒng)安全性能，保證整車在安全條件下起動(dòng)。系統(tǒng)電路圖如圖20所示。

b.空擋位置傳感器PWM信號(hào)

因傳感器自身帶有診斷功能，ECU可利用該信號(hào)特點(diǎn)提升控制系統(tǒng)的安全性。該P(yáng)WM信號(hào)系統(tǒng)簡(jiǎn)化了硬件配置，提高了系統(tǒng)集成度，系統(tǒng)中無(wú)需空擋位置傳感器驅(qū)動(dòng)繼電器，由ECU直接控制，使空擋位置傳感器的壽命得到了保證。對(duì)PWM信號(hào)的采集，要求ECU內(nèi)部主控芯片必須帶有信號(hào)捕捉模塊，以對(duì)PWM信號(hào)的上升沿和下降沿進(jìn)行捕捉采集，從而計(jì)算出PWM占空比，識(shí)別出擋位狀態(tài)。在歐洲普遍采用該P(yáng)WM信號(hào)配置方案。

4 試驗(yàn)要求

為了驗(yàn)證空擋位置傳感器的質(zhì)量，應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目包括電氣負(fù)荷試驗(yàn)、機(jī)械負(fù)荷試驗(yàn)、氣候負(fù)荷試驗(yàn)、化學(xué)負(fù)荷試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)5部分。試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)。

5 結(jié)束語(yǔ)

a.隨著整車系統(tǒng)功能的增加和優(yōu)化，啟停技術(shù)引入了空擋位置傳感器，用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)停止和啟動(dòng)。而倒擋識(shí)別功能實(shí)現(xiàn)了成本優(yōu)化。利用傳感器測(cè)量所有擋位的位置，可以實(shí)現(xiàn)諸如電動(dòng)輔助制動(dòng)、駕駛員擋位指示器、速度匹配、延長(zhǎng)怠速行駛過程中的啟停（巡航模式）等駕駛員輔助功能。

b.手動(dòng)變速器空擋位置傳感器信號(hào)在整車系統(tǒng)中作用重要，空擋位置檢測(cè)是保障車輛安全和調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的必備條件。

c.非接觸式空擋位置傳感器徹底解決了機(jī)械式空擋位置傳感器開關(guān)磨損、觸點(diǎn)燒蝕、卡滯等問題，系統(tǒng)性能和壽命得到提升。

d.輸出雙路開關(guān)量信號(hào)、單路開關(guān)量信號(hào)和PWM信號(hào)的空擋位置傳感器在智能啟停系統(tǒng)中配置方式均已經(jīng)變速器和整車搭載驗(yàn)證，能夠?qū)崿F(xiàn)擋位狀態(tài)精確檢測(cè)。

e.空擋位置傳感器PWM信號(hào)與開關(guān)量信號(hào)相比具有明顯優(yōu)勢(shì)，PWM信號(hào)具有診斷功能，提高了系統(tǒng)的安全性能。

1換擋機(jī)構(gòu)與同步器機(jī)電一體化的開始.舍弗勒亞太區(qū)汽車技術(shù)研討會(huì).2010.

2手動(dòng)及自動(dòng)變速箱的嵌入式智能模塊.國(guó)際CTI第一屆中國(guó)論壇和展會(huì).上?！狾livier BRUNEL.2012，9.

（責(zé)任編輯簾青）

修改稿收到日期為2014年2月1日。

Application of MT Neutral Gear Sensor in Start-stop System

Zheng Lipeng,Liu Jianxi,Xu Lei
（Great Wall Motor Company Limited Technical Center,Automotive Engineering Technology Research Center,Hebei Province）

Intelligent stop-start technology must be realized by recognizing transmission gear state.Working principle and features of neutral gear sensor are introduced in the paper,and adaptation and application of MT neutral gear sensor for the stop-start technology are analysed,with focus on introduction of electrical configuration scheme and application of the sensor,in addition,advantages and disadvantages of the sensor in different installation plans of MT are analysed.

MT,Neutral gear sensor,Intelligent stop-start system,Neutral signal

手動(dòng)變速器空擋位置傳感器智能啟停系統(tǒng)空擋信號(hào)

U463.212

A

1000-3703（2014）04-0028-05