一种新型汽车变速器空挡开关传感器的开发

侯成伟 姚忠标 李洋 郝文源

（一汽轿车股份有限公司奔腾开发院）

随着国家对汽车油耗和排放法规控制的日益严格，相对于混合动力汽车，汽车起停系统因为对整车零部件和控制策略改动较小，并能够降低油耗3%～5%，近年来一直受到汽车制造商的追捧。空挡信号被认为是起停系统中整车启动的必备信号之一，空挡开关位移的变化量对空挡信号输出的准确性影响很大，所以选择合适的空挡开关传感器显得尤为重要。文章通过实例，采用一种新型空挡开关传感器，来解决变速器自身无法采集空挡信号的问题，最终实现了起停功能。

1 汽车起停系统功能

汽车起停系统功能的实现有2 个前提条件，即发动机怠速和变速器在空挡上。因此发动机控制单元（ECU）要求能够识别变速器是否处在空挡状态，用于保证起停控制策略的实施以及起动机控制安全，汽车起停系统主要结构，如图1所示[1]。

图1 汽车起停系统结构示意图

汽车起停系统中空挡信号被认定为整车起动的必备信号之一，所以要求空挡开关自身寿命具有必要的后备系数，同时由于整车电压存在瞬间高压的情况，因此要求空挡开关应具有一定的防护措施，其主要技术要求有：

1）能够准确可靠地识别变速器的空挡位置和非空挡状态位置；

2）能够将换挡的机械动作转换成电信号输出，要求空挡时输出12 V 电信号给ECU，非空挡时输出的电信号应≤0.5 V；

3）空挡开关需要双路开关，双路为互锁状态，不能在同一时间开启或是关闭；

4）双路互锁信号用于系统检测，防止由于零件损坏给系统造成误识别，因此空挡信号应避免任何中间状态和不可识别的位置状态。

2 空挡开关设计方案

目前常用的空挡开关安装方式有2 种：一是固定在变速器换挡输出轴上，二是安装在驾驶室内换挡拉丝上。文章主要介绍第2 种方式，这种方式可以解决变速器上没有足够布置空间的问题。空挡开关安装示意图，如图2所示。

2.1 零件组成

该空挡开关传感器采用霍尔电子非接触式设计，其结构组成，如图3所示。

图3 汽车空挡开关总成结构示意图

2.2 工作要求

空挡开关工作的主要原理是利用霍尔效应，传感器本体固定在换挡拉丝的套管上，推杆随换挡拉丝一起运动，推杆中的磁铁和线路板位移发生变化，当霍尔元件处于磁场中，在垂直于磁场方向上通电时，霍尔元件与电流和磁场垂直的方向将会有霍尔电势差输出。

1）空挡开关位移的变化量对空挡信号输出的准确性有很大影响，如何根据变速器的挡位角度和行程选择合适的空挡开关传感器显得尤为重要；

2）空挡开关固定在换挡拉丝上，随换挡拉丝运动，由于手动挡车型换挡相对频繁，因此，需要保证开关固定的牢固性，不能出现因晃动或者松动而影响输出信号准确性的情况；

3）ECU 出于自我保护的目的，无法将整车电源过滤后提供给空挡开关，这就造成空挡开关可能会承受瞬间高压的冲击，同时，空挡信号作为起停系统的必备输入，必须稳定可靠。

2.3 电器配置方式

空挡开关传感器内部集成2 个霍尔芯片，传感器输出2 路高低相反的电平信号，ECU 采集2 路信号可以实现信号校验和确认，提高系统的安全性能，保证挡位判断的准确性。传感器输出信号特性，如图4所示。

图4 双霍尔传感器信号输出特性电路图

当挡位在空挡时，A 路信号输出高电平，B 路信号输出低电平；挡位在非空挡时，A 路信号输出低电平，B路信号输出高电平；当A 路信号输出端和B 路信号输出端同时为低电平或同为高电平时，则说明传感器出现故障。

2.4 型号选择

空挡开关行程的选择和变速器自身换挡角度有很大关系，因此在空挡开关选型前，首先需要通过理论计算进行初步筛选。以某车型搭载的手动变速器开发为例，变速器各挡位理论换挡角度，如图5所示。

图5 某变速器各挡位理论换挡角度示意图

根据选换挡拉丝的最佳机舱布置角度，选取换挡拉丝支架和换挡臂间拉丝的最佳长度为130 mm，通过做图，可以计算出换挡拉丝理论挡位运动行程为18.1 mm，具体数值（极大、极小值，理论值），如图6所示。

图6 某变速器各挡位理论换挡行程示意图

汽车变速器空挡、非空挡位置跳变行程的下限值（s/mm）的计算，如式（1）所示。

式中：l——换挡拉丝理论挡位的运动行程，此处取18.1 mm；

η——换挡拉丝效率，此处取80%；

C——换挡拉丝行程公差，此处取20%；

t——空挡公差以及拉丝装配公差的总和，取为2.5 mm。

空挡开关的换挡随动组件运动的位移-电压关系，如图7所示。

图7 换挡随动组件运动的位移-电压图显示界面

从图7 可以看出，空挡开关跳变的理论位移为（8.8＋2）mm，即最大值为10.8 mm。

判断空挡开关满足使用的条件是：空挡、非空挡位置跳变的下限值＞空挡开关跳变的理论位移最大值，即11.1 mm＞10.8 mm。也就是说，在越过理论跳变最大值后，空挡开关才会输出在挡信号，不会引起挡位的误判，初步判断该型号空挡开关传感器配合变速器可以满足使用要求。

3 试验要求

空挡开关为传感器电器元件，为了保证其零件质量和可靠性，应对空挡开关进行电子零部件试验和电磁兼容试验，主要试验项目包括气候环境试验、机械环境试验、耐化学环境试验、耐久性试验、异常电器环境试验和EMC 电磁兼容零部件试验等。

4 结论

文章以一种汽车新型变速器空挡开关传感器为研究对象，介绍了汽车起停系统的结构、工作原理等，通过对空挡开关的零件组成、结构形式、功能原理、电器配置方式、型号选择等方面的分析，研究并确定了空挡开关传感器的开发方案。

起停系统作为一种微混合动力技术，对基础车型的更改要求是最少的，增加的成本也是微乎其微的，开发周期短、开发费用低，同时其技术相对成熟，零部件供应商几乎都能在国内找到。批产后现有的整车装配线也无需改动，只需对生产检验设备针对起停系统的功能做一下升级。相对于低廉的生产成本，起停系统在城市工况下的节油效果相当显著，其带来的经济和社会效益也比较可观，并且短期即可实现，所以起停系统功能仍是国内主机厂家的首选。