一種新型汽車變速器空擋開關傳感器的開發

侯成偉 姚忠標 李洋 郝文源

（一汽轎車股份有限公司奔騰開發院）

隨著國家對汽車油耗和排放法規控制的日益嚴格，相對于混合動力汽車，汽車起停系統因為對整車零部件和控制策略改動較小，并能夠降低油耗3%～5%，近年來一直受到汽車制造商的追捧?？論跣盘柋徽J為是起停系統中整車啟動的必備信號之一，空擋開關位移的變化量對空擋信號輸出的準確性影響很大，所以選擇合適的空擋開關傳感器顯得尤為重要。文章通過實例，采用一種新型空擋開關傳感器，來解決變速器自身無法采集空擋信號的問題，最終實現了起停功能。

1 汽車起停系統功能

汽車起停系統功能的實現有2 個前提條件，即發動機怠速和變速器在空擋上。因此發動機控制單元（ECU）要求能夠識別變速器是否處在空擋狀態，用于保證起?？刂撇呗缘膶嵤┮约捌饎訖C控制安全，汽車起停系統主要結構，如圖1所示[1]。

圖1 汽車起停系統結構示意圖

汽車起停系統中空擋信號被認定為整車起動的必備信號之一，所以要求空擋開關自身壽命具有必要的后備系數，同時由于整車電壓存在瞬間高壓的情況，因此要求空擋開關應具有一定的防護措施，其主要技術要求有：

1）能夠準確可靠地識別變速器的空擋位置和非空擋狀態位置；

2）能夠將換擋的機械動作轉換成電信號輸出，要求空擋時輸出12 V 電信號給ECU，非空擋時輸出的電信號應≤0.5 V；

3）空擋開關需要雙路開關，雙路為互鎖狀態，不能在同一時間開啟或是關閉；

4）雙路互鎖信號用于系統檢測，防止由于零件損壞給系統造成誤識別，因此空擋信號應避免任何中間狀態和不可識別的位置狀態。

2 空擋開關設計方案

目前常用的空擋開關安裝方式有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有足夠布置空間的問題?？論蹰_關安裝示意圖，如圖2所示。

2.1 零件組成

該空擋開關傳感器采用霍爾電子非接觸式設計，其結構組成，如圖3所示。

圖3 汽車空擋開關總成結構示意圖

2.2 工作要求

空擋開關工作的主要原理是利用霍爾效應，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動，推桿中的磁鐵和線路板位移發生變化，當霍爾元件處于磁場中，在垂直于磁場方向上通電時，霍爾元件與電流和磁場垂直的方向將會有霍爾電勢差輸出。

1）空擋開關位移的變化量對空擋信號輸出的準確性有很大影響，如何根據變速器的擋位角度和行程選擇合適的空擋開關傳感器顯得尤為重要；

2）空擋開關固定在換擋拉絲上，隨換擋拉絲運動，由于手動擋車型換擋相對頻繁，因此，需要保證開關固定的牢固性，不能出現因晃動或者松動而影響輸出信號準確性的情況；

3）ECU 出于自我保護的目的，無法將整車電源過濾后提供給空擋開關，這就造成空擋開關可能會承受瞬間高壓的沖擊，同時，空擋信號作為起停系統的必備輸入，必須穩定可靠。

2.3 電器配置方式

空擋開關傳感器內部集成2 個霍爾芯片，傳感器輸出2 路高低相反的電平信號，ECU 采集2 路信號可以實現信號校驗和確認，提高系統的安全性能，保證擋位判斷的準確性。傳感器輸出信號特性，如圖4所示。

圖4 雙霍爾傳感器信號輸出特性電路圖

當擋位在空擋時，A 路信號輸出高電平，B 路信號輸出低電平；擋位在非空擋時，A 路信號輸出低電平，B路信號輸出高電平；當A 路信號輸出端和B 路信號輸出端同時為低電平或同為高電平時，則說明傳感器出現故障。

2.4 型號選擇

空擋開關行程的選擇和變速器自身換擋角度有很大關系，因此在空擋開關選型前，首先需要通過理論計算進行初步篩選。以某車型搭載的手動變速器開發為例，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

根據選換擋拉絲的最佳機艙布置角度，選取換擋拉絲支架和換擋臂間拉絲的最佳長度為130 mm，通過做圖，可以計算出換擋拉絲理論擋位運動行程為18.1 mm，具體數值（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

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

式中：l——換擋拉絲理論擋位的運動行程，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。

空擋開關的換擋隨動組件運動的位移-電壓關系，如圖7所示。

圖7 換擋隨動組件運動的位移-電壓圖顯示界面

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

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

3 試驗要求

空擋開關為傳感器電器元件，為了保證其零件質量和可靠性，應對空擋開關進行電子零部件試驗和電磁兼容試驗，主要試驗項目包括氣候環境試驗、機械環境試驗、耐化學環境試驗、耐久性試驗、異常電器環境試驗和EMC 電磁兼容零部件試驗等。

4 結論

文章以一種汽車新型變速器空擋開關傳感器為研究對象，介紹了汽車起停系統的結構、工作原理等，通過對空擋開關的零件組成、結構形式、功能原理、電器配置方式、型號選擇等方面的分析，研究并確定了空擋開關傳感器的開發方案。

起停系統作為一種微混合動力技術，對基礎車型的更改要求是最少的，增加的成本也是微乎其微的，開發周期短、開發費用低，同時其技術相對成熟，零部件供應商幾乎都能在國內找到。批產后現有的整車裝配線也無需改動，只需對生產檢驗設備針對起停系統的功能做一下升級。相對于低廉的生產成本，起停系統在城市工況下的節油效果相當顯著，其帶來的經濟和社會效益也比較可觀，并且短期即可實現，所以起停系統功能仍是國內主機廠家的首選。