一種新型汽車(chē)變速器空擋開(kāi)關(guān)傳感器的開(kāi)發(fā)

侯成偉 姚忠標(biāo) 李洋 郝文源

（一汽轎車(chē)股份有限公司奔騰開(kāi)發(fā)院）

隨著國(guó)家對(duì)汽車(chē)油耗和排放法規(guī)控制的日益嚴(yán)格，相對(duì)于混合動(dòng)力汽車(chē)，汽車(chē)起停系統(tǒng)因?yàn)閷?duì)整車(chē)零部件和控制策略改動(dòng)較小，并能夠降低油耗3%～5%，近年來(lái)一直受到汽車(chē)制造商的追捧?？論跣盘?hào)被認(rèn)為是起停系統(tǒng)中整車(chē)啟動(dòng)的必備信號(hào)之一，空擋開(kāi)關(guān)位移的變化量對(duì)空擋信號(hào)輸出的準(zhǔn)確性影響很大，所以選擇合適的空擋開(kāi)關(guān)傳感器顯得尤為重要。文章通過(guò)實(shí)例，采用一種新型空擋開(kāi)關(guān)傳感器，來(lái)解決變速器自身無(wú)法采集空擋信號(hào)的問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)了起停功能。

1 汽車(chē)起停系統(tǒng)功能

汽車(chē)起停系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)有2 個(gè)前提條件，即發(fā)動(dòng)機(jī)怠速和變速器在空擋上。因此發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）要求能夠識(shí)別變速器是否處在空擋狀態(tài)，用于保證起?？刂撇呗缘膶?shí)施以及起動(dòng)機(jī)控制安全，汽車(chē)起停系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)，如圖1所示[1]。

圖1 汽車(chē)起停系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

汽車(chē)起停系統(tǒng)中空擋信號(hào)被認(rèn)定為整車(chē)起動(dòng)的必備信號(hào)之一，所以要求空擋開(kāi)關(guān)自身壽命具有必要的后備系數(shù)，同時(shí)由于整車(chē)電壓存在瞬間高壓的情況，因此要求空擋開(kāi)關(guān)應(yīng)具有一定的防護(hù)措施，其主要技術(shù)要求有：

1）能夠準(zhǔn)確可靠地識(shí)別變速器的空擋位置和非空擋狀態(tài)位置；

2）能夠?qū)Q擋的機(jī)械動(dòng)作轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，要求空擋時(shí)輸出12 V 電信號(hào)給ECU，非空擋時(shí)輸出的電信號(hào)應(yīng)≤0.5 V；

3）空擋開(kāi)關(guān)需要雙路開(kāi)關(guān)，雙路為互鎖狀態(tài)，不能在同一時(shí)間開(kāi)啟或是關(guān)閉；

4）雙路互鎖信號(hào)用于系統(tǒng)檢測(cè)，防止由于零件損壞給系統(tǒng)造成誤識(shí)別，因此空擋信號(hào)應(yīng)避免任何中間狀態(tài)和不可識(shí)別的位置狀態(tài)。

2 空擋開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)方案

目前常用的空擋開(kāi)關(guān)安裝方式有2 種：一是固定在變速器換擋輸出軸上，二是安裝在駕駛室內(nèi)換擋拉絲上。文章主要介紹第2 種方式，這種方式可以解決變速器上沒(méi)有足夠布置空間的問(wèn)題?？論蹰_(kāi)關(guān)安裝示意圖，如圖2所示。

2.1 零件組成

該空擋開(kāi)關(guān)傳感器采用霍爾電子非接觸式設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)組成，如圖3所示。

圖3 汽車(chē)空擋開(kāi)關(guān)總成結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作要求

空擋開(kāi)關(guān)工作的主要原理是利用霍爾效應(yīng)，傳感器本體固定在換擋拉絲的套管上，推桿隨換擋拉絲一起運(yùn)動(dòng)，推桿中的磁鐵和線路板位移發(fā)生變化，當(dāng)霍爾元件處于磁場(chǎng)中，在垂直于磁場(chǎng)方向上通電時(shí)，霍爾元件與電流和磁場(chǎng)垂直的方向?qū)?huì)有霍爾電勢(shì)差輸出。

1）空擋開(kāi)關(guān)位移的變化量對(duì)空擋信號(hào)輸出的準(zhǔn)確性有很大影響，如何根據(jù)變速器的擋位角度和行程選擇合適的空擋開(kāi)關(guān)傳感器顯得尤為重要；

2）空擋開(kāi)關(guān)固定在換擋拉絲上，隨換擋拉絲運(yùn)動(dòng)，由于手動(dòng)擋車(chē)型換擋相對(duì)頻繁，因此，需要保證開(kāi)關(guān)固定的牢固性，不能出現(xiàn)因晃動(dòng)或者松動(dòng)而影響輸出信號(hào)準(zhǔn)確性的情況；

3）ECU 出于自我保護(hù)的目的，無(wú)法將整車(chē)電源過(guò)濾后提供給空擋開(kāi)關(guān)，這就造成空擋開(kāi)關(guān)可能會(huì)承受瞬間高壓的沖擊，同時(shí)，空擋信號(hào)作為起停系統(tǒng)的必備輸入，必須穩(wěn)定可靠。

2.3 電器配置方式

空擋開(kāi)關(guān)傳感器內(nèi)部集成2 個(gè)霍爾芯片，傳感器輸出2 路高低相反的電平信號(hào)，ECU 采集2 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)的安全性能，保證擋位判斷的準(zhǔn)確性。傳感器輸出信號(hào)特性，如圖4所示。

圖4 雙霍爾傳感器信號(hào)輸出特性電路圖

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

2.4 型號(hào)選擇

空擋開(kāi)關(guān)行程的選擇和變速器自身?yè)Q擋角度有很大關(guān)系，因此在空擋開(kāi)關(guān)選型前，首先需要通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行初步篩選。以某車(chē)型搭載的手動(dòng)變速器開(kāi)發(fā)為例，變速器各擋位理論換擋角度，如圖5所示。

圖5 某變速器各擋位理論換擋角度示意圖

根據(jù)選換擋拉絲的最佳機(jī)艙布置角度，選取換擋拉絲支架和換擋臂間拉絲的最佳長(zhǎng)度為130 mm，通過(guò)做圖，可以計(jì)算出換擋拉絲理論擋位運(yùn)動(dòng)行程為18.1 mm，具體數(shù)值（極大、極小值，理論值），如圖6所示。

圖6 某變速器各擋位理論換擋行程示意圖

汽車(chē)變速器空擋、非空擋位置跳變行程的下限值（s/mm）的計(jì)算，如式（1）所示。

式中：l——換擋拉絲理論擋位的運(yùn)動(dòng)行程，此處取18.1 mm；

η——換擋拉絲效率，此處取80%；

C——換擋拉絲行程公差，此處取20%；

t——空擋公差以及拉絲裝配公差的總和，取為2.5 mm。

空擋開(kāi)關(guān)的換擋隨動(dòng)組件運(yùn)動(dòng)的位移-電壓關(guān)系，如圖7所示。

圖7 換擋隨動(dòng)組件運(yùn)動(dòng)的位移-電壓圖顯示界面

從圖7 可以看出，空擋開(kāi)關(guān)跳變的理論位移為（8.8＋2）mm，即最大值為10.8 mm。

判斷空擋開(kāi)關(guān)滿足使用的條件是：空擋、非空擋位置跳變的下限值＞空擋開(kāi)關(guān)跳變的理論位移最大值，即11.1 mm＞10.8 mm。也就是說(shuō)，在越過(guò)理論跳變最大值后，空擋開(kāi)關(guān)才會(huì)輸出在擋信號(hào)，不會(huì)引起擋位的誤判，初步判斷該型號(hào)空擋開(kāi)關(guān)傳感器配合變速器可以滿足使用要求。

3 試驗(yàn)要求

空擋開(kāi)關(guān)為傳感器電器元件，為了保證其零件質(zhì)量和可靠性，應(yīng)對(duì)空擋開(kāi)關(guān)進(jìn)行電子零部件試驗(yàn)和電磁兼容試驗(yàn)，主要試驗(yàn)項(xiàng)目包括氣候環(huán)境試驗(yàn)、機(jī)械環(huán)境試驗(yàn)、耐化學(xué)環(huán)境試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)、異常電器環(huán)境試驗(yàn)和EMC 電磁兼容零部件試驗(yàn)等。

4 結(jié)論

文章以一種汽車(chē)新型變速器空擋開(kāi)關(guān)傳感器為研究對(duì)象，介紹了汽車(chē)起停系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理等，通過(guò)對(duì)空擋開(kāi)關(guān)的零件組成、結(jié)構(gòu)形式、功能原理、電器配置方式、型號(hào)選擇等方面的分析，研究并確定了空擋開(kāi)關(guān)傳感器的開(kāi)發(fā)方案。

起停系統(tǒng)作為一種微混合動(dòng)力技術(shù)，對(duì)基礎(chǔ)車(chē)型的更改要求是最少的，增加的成本也是微乎其微的，開(kāi)發(fā)周期短、開(kāi)發(fā)費(fèi)用低，同時(shí)其技術(shù)相對(duì)成熟，零部件供應(yīng)商幾乎都能在國(guó)內(nèi)找到。批產(chǎn)后現(xiàn)有的整車(chē)裝配線也無(wú)需改動(dòng)，只需對(duì)生產(chǎn)檢驗(yàn)設(shè)備針對(duì)起停系統(tǒng)的功能做一下升級(jí)。相對(duì)于低廉的生產(chǎn)成本，起停系統(tǒng)在城市工況下的節(jié)油效果相當(dāng)顯著，其帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益也比較可觀，并且短期即可實(shí)現(xiàn)，所以起停系統(tǒng)功能仍是國(guó)內(nèi)主機(jī)廠家的首選。