侯成偉 姚忠標(biāo) 李洋 郝文源

（一汽轎車股份有限公司奔騰開發(fā)院）

隨著國家對汽車油耗和排放法規(guī)控制的日益嚴(yán)格，相對于混合動力汽車，汽車起停系統(tǒng)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(rèn)為是起停系統(tǒng)中整車啟動的必備信號之一，空擋開關(guān)位移的變化量對空擋信號輸出的準(zhǔn)確性影響很大，所以選擇合適的空擋開關(guān)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(guān)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(xiàn)了起停功能。

1 汽車起停系統(tǒng)功能

汽車起停系統(tǒng)功能的實現(xiàn)有2 個前提條件，即發(fā)動機怠速和變速器在空擋上。因此發(fā)動機控制單元（ECU）要求能夠識別變速器是否處在空擋狀態(tài)，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(tǒng)主要結(jié)構(gòu)，如圖1所示[1]。

圖1 汽車起停系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

汽車起停系統(tǒng)中空擋信號被認(rèn)定為整車起動的必備信號之一，所以要求空擋開關(guān)自身壽命具有必要的后備系數(shù)，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(guān)應(yīng)具有一定的防護措施，其主要技術(shù)要求有：

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

2）能夠?qū)Q擋的機械動作轉(zhuǎn)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(yīng)≤0.5 V；

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

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

2 空擋開關(guān)設(shè)計方案

目前常用的空擋開關(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有足夠布置空間的問題。空擋開關(guān)安裝示意圖，如圖2所示。

2.1 零件組成

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

圖3 汽車空擋開關(guān)總成結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作要求

空擋開關(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動，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?qū)谢魻栯妱莶钶敵觥?/p>

1）空擋開關(guān)位移的變化量對空擋信號輸出的準(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關(guān)傳感器顯得尤為重要；

2）空擋開關(guān)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(guān)固定的牢固性，不能出現(xiàn)因晃動或者松動而影響輸出信號準(zhǔn)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(guān)，這就造成空擋開關(guān)可能會承受瞬間高壓的沖擊，同時，空擋信號作為起停系統(tǒng)的必備輸入，必須穩(wěn)定可靠。

2.3 電器配置方式

空擋開關(guān)傳感器內(nèi)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(xiàn)信號校驗和確認(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(dāng)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(dāng)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(xiàn)故障。

2.4 型號選擇

空擋開關(guān)行程的選擇和變速器自身換擋角度有很大關(guān)系，因此在空擋開關(guān)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(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(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(guān)的換擋隨動組件運動的位移-電壓關(guān)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(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＞空擋開關(guān)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(guān)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(guān)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(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)對空擋開關(guān)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(huán)境試驗、機械環(huán)境試驗、耐化學(xué)環(huán)境試驗、耐久性試驗、異常電器環(huán)境試驗和EMC 電磁兼容零部件試驗等。

4 結(jié)論

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

起停系統(tǒng)作為一種微混合動力技術(shù)，對基礎(chǔ)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(fā)周期短、開發(fā)費用低，同時其技術(shù)相對成熟，零部件供應(yīng)商幾乎都能在國內(nèi)找到。批產(chǎn)后現(xiàn)有的整車裝配線也無需改動，只需對生產(chǎn)檢驗設(shè)備針對起停系統(tǒng)的功能做一下升級。相對于低廉的生產(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，其帶來的經(jīng)濟和社會效益也比較可觀，并且短期即可實現(xiàn)，所以起停系統(tǒng)功能仍是國內(nèi)主機廠家的首選。