手動(dòng)擋車型擋位識(shí)別原理及標(biāo)定研究

袁 偉

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

前言

隨著物質(zhì)條件的日益豐富和人民審美、評(píng)價(jià)觀念的提高，用戶對(duì)車輛駕駛性體驗(yàn)和感受的要求也越來(lái)越高，關(guān)注點(diǎn)也越來(lái)越細(xì)化。車輛的駕駛性是指在任何天氣和駕駛條件下駕駛員在駕駛過(guò)程中對(duì)車輛加速、減速、換擋、竄動(dòng)、抖動(dòng)、沖擊、振動(dòng)、噪聲等感受的舒適程度[1]，也是在駕駛員對(duì)車輛做出操控后，車輛的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力、響應(yīng)速率、響應(yīng)時(shí)機(jī)等內(nèi)容的綜合體現(xiàn)，它體現(xiàn)著汽車產(chǎn)品的市場(chǎng)定位與品牌基因，影響著消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)意愿，是提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素之一[2]。

駕駛性評(píng)價(jià)有客觀評(píng)價(jià)和主觀評(píng)價(jià)兩種方式。客觀評(píng)價(jià)的難點(diǎn)在于建立準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，在復(fù)雜的駕駛工況中找出典型工況并做出分析，在這個(gè)領(lǐng)域 AVL公司開(kāi)發(fā)的AVL-Drive應(yīng)用比較廣泛[3]；主觀評(píng)價(jià)的缺點(diǎn)在于不同的客戶駕駛性要求不一樣，客戶的真實(shí)需求難以被準(zhǔn)確識(shí)別。由于駕駛性評(píng)價(jià)沒(méi)有統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而以消費(fèi)者的期望滿意度為最終評(píng)價(jià)依據(jù)，因此一般是以主觀評(píng)價(jià)為主，客觀評(píng)價(jià)為輔。

1 駕駛性標(biāo)定概述

在車輛的主要硬件如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、底盤(pán)、輪胎、發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)（Engine Management System，以下簡(jiǎn)稱EMS）控制策略等確定以后，通過(guò)對(duì) EMS中駕駛性相關(guān)模塊的標(biāo)定，可以優(yōu)化車輛的駕駛性能，最大化的滿足客戶需求。

駕駛性標(biāo)定的主要內(nèi)容包括加速、勻速、減速（滑行及制動(dòng)）、起步、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)/停機(jī)、換擋、怠速、快速松/踩油門(mén)、負(fù)荷轉(zhuǎn)換、巡航等，一般需要30個(gè)工作日，同時(shí)還需要經(jīng)過(guò)“三高環(huán)境試驗(yàn)”（高溫、高原、高寒）的極限驗(yàn)證。由于駕駛性的主觀特性，因此一般需要進(jìn)行經(jīng)過(guò)粗標(biāo)、評(píng)價(jià)、精細(xì)標(biāo)定、再評(píng)價(jià)以及質(zhì)量保證部門(mén)驗(yàn)收等多個(gè)環(huán)節(jié)。駕駛性標(biāo)定(行駛性能部分)的一般流程見(jiàn)圖1。如圖1所示，對(duì)于手動(dòng)擋車型而言，擋位識(shí)別是駕駛性標(biāo)定模塊的重要組成部分，正確的擋位識(shí)別為后續(xù)標(biāo)定提供了必要條件。

手動(dòng)擋擋位分為3個(gè)部分，分別是前進(jìn)擋、空擋和倒擋。倒擋由倒擋開(kāi)關(guān)進(jìn)行識(shí)別，不需要進(jìn)行特別的標(biāo)定，本文主要針對(duì)前進(jìn)擋和空擋的識(shí)別進(jìn)行研究。

圖1 駕駛性標(biāo)定一般流程

2 前進(jìn)擋的擋位識(shí)別

2.1 識(shí)別原理

前進(jìn)擋的擋位：Tra_numGear取決于修正后的車速和轉(zhuǎn)速的比值：V/N，其中轉(zhuǎn)速是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或者變速箱輸出轉(zhuǎn)速，本文中采用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。一般來(lái)說(shuō)，車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間有如下關(guān)系[4]：

其中：V 表示車速，km/h；N 表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，rpm；U 表示輪胎周長(zhǎng)，m；Rw 表示輪胎半徑，m；ig 表示變速箱系統(tǒng)的速比。

根據(jù)上述理論公式，車速和轉(zhuǎn)速信號(hào)正常的前提下，當(dāng)離合器閉合時(shí)，V/N的比值反應(yīng)了不同擋位下變速箱速比、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、輪胎直徑等的關(guān)系，且擋位一定時(shí)，V/N的值基本保持恒定，僅會(huì)在一個(gè)很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，因此可以用來(lái)表征前進(jìn)擋的擋位信號(hào)。以1擋為例，相對(duì)應(yīng)的標(biāo)定下限值Tra_rVn1L_C 和上限值Tra_rVn1H_C，當(dāng)V/N在標(biāo)定限值范圍內(nèi)時(shí)，校驗(yàn)通過(guò)后，即判定為1擋。需要指出的是，Tra_rVn（X）L_C和Tra_rVn（X）H_C的標(biāo)定既需要覆蓋最大測(cè)量值，又需要與上、下?lián)跷挥薪诲e(cuò)，即Tra_rVn（X）L_C需要小于 Tra_rVn（X-1）H_C，而 Tra_rVn（X）H_C需要大于Tra_rVn（X+1）L_C，如圖2所示。如表1是某手動(dòng)擋車型擋位標(biāo)定閾值。

圖2 擋位識(shí)別原理

表1 某手動(dòng)擋車型擋位標(biāo)定閾值

2.2 標(biāo)定流程

擋位識(shí)別標(biāo)定的目的是測(cè)量每個(gè)擋位狀態(tài)下V/N的穩(wěn)態(tài)值及最小、最大限值，標(biāo)定流程如圖3所示。

在標(biāo)定過(guò)程中，有以下幾點(diǎn)注意事項(xiàng)，1）試驗(yàn)車輛要狀態(tài)良好、配置準(zhǔn)確。比如正確輪胎規(guī)格及合適的胎壓、正確的變速箱速比、良好的離合器狀態(tài)、正確的儀表設(shè)置等；2）相關(guān)的測(cè)量變量，如V/N：PT_rTraV2N、擋位：Tra_numGear、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：nmot_w、車速：vfzg_w、離合器信號(hào)：B_kuppl等，要用專業(yè)標(biāo)定軟件INCA以10ms的采樣頻率測(cè)量；3）自由駕駛工況進(jìn)行擋位識(shí)別檢查時(shí)，要覆蓋動(dòng)力總成抖動(dòng)最嚴(yán)重的工況，如急加速、急剎車等。

3 空擋的識(shí)別及標(biāo)定

圖3 前進(jìn)擋擋位識(shí)別標(biāo)定流程

空擋狀態(tài)時(shí)駕駛性相關(guān)模塊是關(guān)閉的，如果空擋識(shí)別錯(cuò)誤，會(huì)嚴(yán)重影響車輛的行駛性能，給客戶帶來(lái)負(fù)面的駕駛感受，影響用戶滿意度，因此對(duì)于手動(dòng)擋車型，空擋的正確判定也非常重要。離合器踩下時(shí)，由離合器開(kāi)關(guān)信號(hào)狀態(tài)自然識(shí)別為空擋；而當(dāng)離合器沒(méi)有踩下時(shí)，無(wú)論是在行駛還是怠速狀態(tài)，EMS也需要能正確的識(shí)別空擋擋位。

空擋的識(shí)別有兩種方式，1）對(duì)于不裝備智能啟停系統(tǒng)（StartStop）的車輛，空擋由EMS系統(tǒng)通過(guò)嚴(yán)格的標(biāo)定進(jìn)行識(shí)別；2）對(duì)于裝備智能啟停系統(tǒng)的車輛，由空擋傳感器（Neutral gear sensor）識(shí)別。

3.1 EMS標(biāo)定識(shí)別空擋

通過(guò) EMS標(biāo)定識(shí)別空擋的依據(jù)同樣是車速和轉(zhuǎn)速的比值V/N，從前述可知，離合器閉合時(shí)，擋位一定的情況下，V/N的值會(huì)在一個(gè)很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，那么當(dāng)掛到空擋后，比值自然會(huì)偏離這個(gè)固定的范圍。如圖4所示的測(cè)量信號(hào)，當(dāng)車輛固定在3擋行駛時(shí)，V/N的比值信號(hào)：PT_rTraV2N固定在 0.0247（（km/h）/rpm）左右，當(dāng)掛到空擋滑行后，PT_rTraV2N迅速偏離了原來(lái)的固定值，因此通過(guò)對(duì)PT_rTraV2N的門(mén)檻值合理標(biāo)定，可以用以識(shí)別空擋。如表3是某車型3擋的空擋標(biāo)定閾值，當(dāng)V/N的比值超出空擋對(duì)應(yīng)的閾值后，經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)和安全校驗(yàn)，即可以判定為空擋。

圖4 測(cè)量信號(hào)

表3 某車型3擋的空擋標(biāo)定閾值

空擋的標(biāo)定方法與上述前進(jìn)擋的標(biāo)定類似，一般先穩(wěn)定油門(mén)踏板以1500rpm穩(wěn)態(tài)行駛，將每個(gè)擋位測(cè)量的V/N填入表中的對(duì)應(yīng)固定擋位；2）粗標(biāo)每個(gè)擋位左右的空擋閾值，間隔窗口一般在 3%-25%，偏向低擋位方向間隔大，偏向高擋位方向間隔??；3）關(guān)掉駕駛性模塊，參照上述判擋的動(dòng)態(tài)測(cè)量方法，精細(xì)調(diào)整門(mén)檻值，注意兼顧相鄰擋位的最高和最低前進(jìn)擋擋位閾值。

采用EMS標(biāo)定識(shí)別空擋的方法減少了傳感器的應(yīng)用，降低了成本；缺點(diǎn)在于對(duì)于標(biāo)定質(zhì)量的要求比較高，如果標(biāo)定不精細(xì)，閾值偏大或者偏小，容易出現(xiàn)識(shí)別延遲或者失誤，因此一般較多應(yīng)用于低端配置車型。

3.2 空擋傳感器識(shí)別空擋

智能啟停系統(tǒng)是指EMS根據(jù)車輛的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)自動(dòng)停機(jī)條件滿足時(shí)，車輛自動(dòng)熄火，以減少油耗和排放，它是微混合動(dòng)力技術(shù)，適用于比較擁堵的城市工況。當(dāng)前為滿足日益嚴(yán)格的油耗和排放國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，智能啟停系統(tǒng)的裝備率已經(jīng)越來(lái)越高。

以遇到紅燈停車為例，裝備啟停系統(tǒng)的手動(dòng)擋車型停機(jī)過(guò)程見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)，一方面正確識(shí)別空擋是駕駛員停機(jī)需求的重要組成部分，空擋識(shí)別的準(zhǔn)確與否，關(guān)系到了智能啟停系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確性和安全性，如避免在擋位時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)而產(chǎn)生的竄車事故等；另一方面空擋傳感器的位置信號(hào)與離合器位置信號(hào)相結(jié)合，可以用來(lái)判斷駕駛員的起步意圖，通過(guò)對(duì)EMS中起步和目標(biāo)怠速模塊的標(biāo)定，可以適當(dāng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)此時(shí)的怠速轉(zhuǎn)速和輸出扭矩，改善起步性能，這對(duì)裝備小排量增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的手動(dòng)擋車型十分有益。

圖5 手動(dòng)擋車型停機(jī)、重啟過(guò)程

空擋傳感器有接觸機(jī)械式和非接觸式兩種[5]。

接觸機(jī)械式傳感器對(duì)制造和裝配的精度要求比較高，故障率也較高，容易造成輸出錯(cuò)誤的空擋信號(hào)，造成啟停工作不正常，因此一般應(yīng)用比較少。

非接觸式傳感器基于霍爾效應(yīng)原理進(jìn)行檢測(cè)，工作過(guò)程無(wú)機(jī)械接觸，不存在磨損，壽命長(zhǎng)。非接觸式傳感器根據(jù)安裝位置可分為內(nèi)置空擋傳感器（安裝于變速器殼體內(nèi)）和外置空擋傳感器（安裝在選換擋搖臂上）[6]。本文主要介紹采用內(nèi)置方案的空擋傳感器，如圖6所示，空擋傳感器裝在變速箱殼體上，傳感器對(duì)準(zhǔn)換擋軸上磁鐵感應(yīng)塊（粉色區(qū)域），磁鐵感應(yīng)塊為不規(guī)則形狀，當(dāng)換擋軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器與之的相對(duì)位置發(fā)生變化，霍爾芯片感應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度也發(fā)生變化，相應(yīng)輸出不同的電信號(hào)，這可以作為判斷當(dāng)前擋位處于空擋還是在擋狀態(tài)的基礎(chǔ)。

圖6 內(nèi)置式空擋傳感器安裝示意圖

空擋傳感器與ECU內(nèi)部接口電路結(jié)合，輸出信號(hào)可以是analogue、PWM 、SENT等多種形式，歐洲車型普遍都采用PWM信號(hào)的配置方案。當(dāng)擋位不同時(shí)，PWM信號(hào)對(duì)應(yīng)的占空比也發(fā)生變化，如下表4是某車型各擋位輸出的PWM信號(hào)及對(duì)應(yīng)電壓值，可見(jiàn)在空擋、奇數(shù)擋及倒擋、偶數(shù)擋的輸出信號(hào)完全不同，具有明顯的差異。空擋傳感器輸出的PWM信號(hào)頻率是一定的，一般為125Hz，傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，信號(hào)頻率也會(huì)發(fā)生變化，可以實(shí)現(xiàn)傳感器的自診斷功能，提高空擋識(shí)別的安全性。

表4 某車型各擋位空擋傳感器輸出信號(hào)

作為智能啟停系統(tǒng)相關(guān)的安全部件，空擋傳感器的精準(zhǔn)識(shí)別非常重要，目前執(zhí)行的安全法規(guī)為ISO-DIS 26262。根據(jù)法規(guī)規(guī)定，由于空擋傳感器可能導(dǎo)致非人為的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)/停止，必須達(dá)到ASIL （ Automotive Safety Integrity Level）B 級(jí)[5]，同時(shí)在制造和裝配過(guò)程中，空擋傳感器的信號(hào)不可避免的存在散差，因此為保證空擋傳感器識(shí)別的準(zhǔn)確性，新車在出廠前，必須進(jìn)行自學(xué)習(xí)來(lái)確認(rèn)空擋傳感器的可靠性。

總的來(lái)說(shuō)，由于空擋傳感器具有識(shí)別精準(zhǔn)、可靠性好，可自診斷的優(yōu)點(diǎn)，且已經(jīng)是比較成熟的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)模塊化生產(chǎn)，以及傳感器對(duì)應(yīng)的電路成本也不是很高，因此是一種較好的空擋識(shí)別解決方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）駕駛性能在車輛綜合評(píng)測(cè)中的比重越來(lái)越大，在一定程度上影響著客戶的購(gòu)買(mǎi)意愿；在實(shí)際工作中也發(fā)現(xiàn)駕駛性相關(guān)的售后抱怨也越來(lái)越多，因此做好相關(guān)的標(biāo)定工作十分重要。

2）手動(dòng)擋車型的擋位識(shí)別是進(jìn)行駕駛性標(biāo)定的基礎(chǔ)之一，前進(jìn)擋的擋位識(shí)別的原理比較簡(jiǎn)單，本文重點(diǎn)介紹了相關(guān)的標(biāo)定方法、標(biāo)定流程以及標(biāo)定過(guò)程中的注意事項(xiàng)，具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

3）空擋的識(shí)別是擋位識(shí)別的重要組成部分，本文也介紹了常見(jiàn)的空擋識(shí)別方法，并針對(duì)現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的空擋傳感器進(jìn)行了詳細(xì)研究。

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