郑立朋柳见喜徐雷

（长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心）

手动变速器空挡位置传感器在智能启停系统中的应用

郑立朋柳见喜徐雷

（长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心）

智能启停技术必须通过识别变速器挡位状态来实现。阐述了空挡位置传感器的工作原理和特点，针对启停技术中手动变速器空挡位置传感器匹配和应用进行分析，重点介绍了空挡位置传感器的电器配置方案和应用，并对空挡位置传感器在手动变速器中的各种安装方案进行了优缺点分析。

1 欧洲循环综合工况和循环城市工况介绍

汽车智能启停技术可以使车辆在拥堵或等红灯时自动关闭发动机，当驾驶员踩下离合器、油门踏板或松开制动踏板时又会自动快速起动发动机。相对于混合动力汽车，智能启停技术能够实现怠速停机功能，在欧洲循环综合工况（NEDC）使油耗降低3%～5%,欧洲循环城市工况使油耗降低8%～15%，因此智能启停技术特别适合定位于欧洲循环城市工况的车辆。欧洲循环综合工况和循环城市工况如图1所示。

目前国内汽车厂家均对智能启停技术进行研究开发，2012年4月长城汽车公司智能启停版的腾翼C30上市。预计到2017年国内智能启停技术应用比例将达到30%。

2 空挡位置传感器介绍

2.1 在智能启停系统中应用

在智能启停系统中，空挡位置传感器检测当前挡位状态，智能启停系统根据挡位、车速、离合、制动等信号综合判断驾驶员的驾驶意图，然后控制发动机停机或起动，从而降低油耗。

智能启停工作过程：由空挡位置传感器检测挡位变化，当挡位由在挡转换为空挡，且离合器踏板、加速踏板完全松开，同时车速满足一定条件后，系统判断驾驶员为停车操作，发动机立刻停机;在空挡状态下，驾驶员踏下离合踏板瞬间，发动机快速起动。智能启停系统工作过程如图2所示。

空挡位置传感器是智能启停控制系统中识别驾驶员停车、起步意图的重要安全部件，可保证起动机停机和起动正确，减少智能启停系统的判断失误，提高安全性能。

2.2 在一键启动系统中应用

在一键启动系统中，必须保证踏下离合器踏板或挂入空挡后发动机可以起动。该系统必须由空挡位置传感器正确判断挡位状态，防止车辆处于在挡位置时起动发动机产生车辆窜车现象，造成事故。

2.3 在怠速提升系统中应用

在怠速提升系统中，ECU根据输入的空挡位置传感器信号与离合器踏板位置信号状态，提升起步时发动机转速，改善起步性能。根据离合器位置传感器检测踏板位置和空挡位置传感器判断挡位状态，系统判断驾驶员的起步意图，若确定驾驶员起步，则对发动机怠速增加合适的喷油量，提高发动机输出转速和扭矩，防止发动机在怠速工况下转速过低或不稳，减少发动机熄火现象。这对于新手来说意义较大，特别处在红绿灯路口或坡路起步时，未带怠速提升系统的车辆，容易造成起步失败再次启动导致时间延误或溜坡危险，易导致安全事故。怠速提升系统避免了该项问题，其中判断驾驶员起步意图的关键部件为空挡位置传感器。

2.4 空挡位置传感器分类和特点

空挡位置传感器有接触机械式和非接触式两种。

2.4.1 接触机械式空挡位置传感器

接触机械式空挡位置传感器在开关按钮受到外力后，经组件压缩内部弹簧，带动触片移动，使常开开关闭合，输出一个导通信号;当外力消失后，由于弹簧力作用使动触片回位，从闭合状态转换为断开状态，输出信号断开，为高阻态。结构如图3所示。

接触机械式空挡位置传感器故障率较高，故障现象一般为开关内部绝缘塑料件破碎、融化、触点烧蚀，以及弹簧断裂及内部大量积碳。

2.4.2 非接触式空挡位置传感器

非接触式空挡位置传感器基于霍尔原理并采用非接触方式进行检测，安装在手动变速器上。空挡位置检测功能由传感器和磁铁感应块共同作用实现：磁铁感应块通过弹性销固定在变速器换挡轴上，换挡轴带动感应块移动，使空挡位置传感器与感应块的相对位置发生变化，霍尔芯片感应磁场强度的变化，并对应当前挡位处于空挡还是在挡状态输出不同的电信号，进而提供给整车相关系统，实现整车怠速提升、一键启动和智能启停等功能。结构如图4所示。

非接触式空挡位置传感器根据磁铁感应块转动角度，输出高电平或低电平信号。感应块与传感器底部正对时，处于空挡位置;感应块与传感器底部向左、向右偏离一定角度时，处于非空挡位置。工作原理如图5所示。

非接触式空挡位置传感器工作过程无机械接触，不存在磨损，检测空挡位置精确，寿命长。其采用可编程霍尔芯片，能够调整输出信号，可保证产品的一致性和稳定性。

3 设计要求

空挡位置传感器为安全部件，需执行相关法规。空挡位置信息不精确可导致汽车窜车，由于汽车起停多在红绿灯位置，对行人及前车有很大危险。目前执行的安全法规为ISO-DIS 26262。根据法规规定，由于空挡位置传感器可能导致非人为的发动机起动/停止，必须达到ASIL（Automotive Safety Integrity Level）B级，而单路开关量信号设计无法满足要求。以长城汽车公司一款非接触空挡位置传感器设计为例，基本要求如下。

a.定义空挡位置一定要在一个较小的区域，并且选用精度高的传感器。系统必须能够在全部机械公差范围内覆盖百分之百的挡位。

b.前进挡位置由于有明确的滑动趋势，较空挡位置要求宽松。

c.在空挡与前进挡中间位置由于容易产生变化趋势，不建议作为逻辑判断依据。

d.功能：检测挡位是空挡还是在挡，并驱动继电器，能适用于所有的换挡模式。

e.原理：双霍尔原理，检测磁场强度，双信号输出（电压输出）。

f.工作电压：5～16 V（直流、稳压）。

g.工作气隙：1.1～1.9 mm。

h.温度范围：-40～150℃。

i.要求具备诊断能力。

3.1 空挡位置传感器布置方案

3.1.1 传感器通孔安装方案

传感器通孔安装方案中，磁铁感应块安装在变速器换挡轴上，传感器安装在变速器壳体上;传感器穿过变速器壳体，需要在变速器壳体加工通孔。磁铁感应块通过弹性销固定在换挡轴上，感应块磁极正对着传感器的检测面，传感器检测换挡轴磁铁的移动角度，从而输出不同位置信号。传感器接插件安装在变速器外部，便于线束安装布置;传感器安装孔由O型圈保证密封性。布置方案如图6所示。

3.1.2 传感器非侵入安装方案

传感器非侵入安装方案中，传感器贴在变速器外壳上，采用螺栓固定，感应块安装在变速器换挡轴上;传感器安装时无需在变速器壳体上加工通孔，直接贴装在变速器铝壳上，避免了空挡开关处漏油风险。感应块通过弹性销固定在换挡轴上，感应块的磁感线穿过变速器壳体，由传感器识别磁场变化，输出不同位置信号。该传感器安装方式避免了变速器加工通孔，提高了变速器可靠性能。但对传感器检测空气间隙的要求较高，要求其在较大的空气范围内能够正常检测感应块位置。非侵入安装方式如图7所示。

3.1.3 传感器与定位销集成安装方案

采用舍弗勒公司的一种定位销传感器（为非接触式位置传感器），本体分为传感器单元和定位销两部分，传感器单元包括霍尔芯片、接插件、磁铁、嵌入衬套;定位销包括连接销、主弹簧、定位销衬套、定位销轴承、定位销球。定位销传感器结构如图8所示。

为了提升变速器换挡手感，在变速器换挡机构中设置了换挡定位销座和定位销，定位销座具有高低不平的曲线轮廓，如图9所示。

由于定位座轮廓形状压缩定位销弹簧，导致定位销传感器的定位销球行程发生变化，柱塞顶端安装的感应磁块位置随之移动;霍尔传感器检测柱塞磁块的移动距离，判断出变速器所处挡位。即空挡位置为最低位置、前进挡位置为中间位置、倒挡位置为最高点位置，从而使霍尔传感器输出不同位置信号。定位销传感器工作原理如图10所示。

该方案节省了倒车灯开关、空挡位置传感器、磁铁感应块、固定螺栓等零件的成本，降低了零件失效风险。工艺方面避免了变速器钻通孔加工工序、螺纹加工工序和相应的安装工序。集成式定位销传感器解决方案如图11所示。

3.2 电气配置方式

3.2.1 双霍尔双输出开关量信号传感器方案

空挡位置传感器内部集成2个霍尔芯片，输出两路高低相反的电平信号，ECU采集两路信号可以实现信号校验和确认，提高系统安全性能，保证换挡机构所处挡位的准确性。传感器输出信号特性如图12所示。

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

传感器A路信号用于驱动继电器，该继电器串联在起动机控制电路中，只有在空挡位置传感器输出空挡信号使继电器吸合后才能使起动机工作，保证车辆安全性能，避免车辆在挡起动时出现窜车现象。该方案用传感器驱动继电器，对传感器要求较高，传感器失效几率较高。电路图配置方案如图13所示。

3.2.2 单霍尔单输出开关量信号传感器方案

空挡位置传感器内部集成1个霍尔芯片，只输出一路高低电平信号。该路信号直接输入给ECU，没有挡位信号的校验，为保证系统安全性能，对传感器的性能和质量要求较高。传感器输出信号特性如图14所示。

ECU接收到空挡位置传感器信号和离合器踏板位置信号后，判断是否驱动起动机。该方案不需要空挡位置传感器控制起动机，系统安全性能通过ECU策略保证。传感器电路配置方案如图15所示。

3.2.3 单霍尔单输出PWM信号传感器方案

空挡位置传感器内部集成1个霍尔芯片，输出一路PWM信号，ECU通过识别PWM信号占空比来判断挡位位置。该PWM信号具有诊断功能，输出占空比设置了两段故障区域，ECU根据该特性能够判断出传感器是否处于正常工作状态，提高了系统安全性能。传感器输出信号特性如图16所示。

该传感器供电方式由ECU提供，相对蓄电池供电方案，减少了传感器供电范围要求，而蓄电池供电方案要求传感器供电范围为9～16 V，传感器设计难度增加，性能难以保证，增加的电源模块电路导致传感器体积过大。ECU供电方案时要求传感器供电范围为4.5～5.5 V，无需设计传感器供电模块，传感器体积降低。传感器电路配置方案如图17所示。

3.2.4 空挡位置传感器开关量信号与PWM信号优缺点

a.空挡位置传感器开关量信号

空挡位置传感器与ECU内部接口电路结合，实现输出开关量信号高、低电平两个状态。传感器检测挡位为空挡时，空挡位置传感器输出高电平;传感器检测挡位为在挡时，空挡位置传感器输出低电平。开关量信号波形如图18所示。

空挡位置传感器开关量信号存在问题如下：当传感器信号为电源短路、信号线断路、检测空挡位时，ECU识别的信号都是高电平，为同一个信号，故障状态难以识别，ECU只能参考其他信号（转速、离合器位置、油门踏板位置等）进行校验，才能识别出故障问题，因此故障诊断响应时间慢。

b.空挡位置传感器PWM信号

空挡位置传感器与ECU内部接口电路结合，实现PWM波形输出。此种信号波形特点是：输出PWM波形频率一定，挡位位置不同时，信号占空比对应发生变化;传感器正常工作时以频率125 Hz不断输出信号，若传感器出现问题，信号频率立刻发生变化，系统能够快速准确的判断出是否存在问题;该信号特点具有自诊断功能，检测空挡位置可靠性高。PWM信号输出波形如图19所示。

3.2.5 空挡位置传感器开关量信号和PWM信号对ECU的要求

a.空挡位置传感器开关量信号

控制系统对空挡位置传感器开关量信号的采集，通过ECU内部主控芯片的普通I/O口即可满足要求，ECU只识别出高、低电平即可，信号处理简单。在整个电路系统中，为了防止ECU在出现错误时发出起动发动机信号，导致车辆在挡时出现窜车现象，在起动控制回路中串联一个传动链继电器，由空挡位置传感器的一路信号直接驱动，实现硬件冗余设计，加强系统安全性能，保证整车在安全条件下起动。系统电路图如图20所示。

b.空挡位置传感器PWM信号

因传感器自身带有诊断功能，ECU可利用该信号特点提升控制系统的安全性。该PWM信号系统简化了硬件配置，提高了系统集成度，系统中无需空挡位置传感器驱动继电器，由ECU直接控制，使空挡位置传感器的寿命得到了保证。对PWM信号的采集，要求ECU内部主控芯片必须带有信号捕捉模块，以对PWM信号的上升沿和下降沿进行捕捉采集，从而计算出PWM占空比，识别出挡位状态。在欧洲普遍采用该PWM信号配置方案。

4 试验要求

为了验证空挡位置传感器的质量，应对传感器进行设计验证试验，试验项目包括电气负荷试验、机械负荷试验、气候负荷试验、化学负荷试验、电磁兼容试验5部分。试验结果应符合对应的标准等级。

5 结束语

a.随着整车系统功能的增加和优化，启停技术引入了空挡位置传感器，用于控制发动机停止和启动。而倒挡识别功能实现了成本优化。利用传感器测量所有挡位的位置，可以实现诸如电动辅助制动、驾驶员挡位指示器、速度匹配、延长怠速行驶过程中的启停（巡航模式）等驾驶员辅助功能。

b.手动变速器空挡位置传感器信号在整车系统中作用重要，空挡位置检测是保障车辆安全和调整发动机状态的必备条件。

c.非接触式空挡位置传感器彻底解决了机械式空挡位置传感器开关磨损、触点烧蚀、卡滞等问题，系统性能和寿命得到提升。

d.输出双路开关量信号、单路开关量信号和PWM信号的空挡位置传感器在智能启停系统中配置方式均已经变速器和整车搭载验证，能够实现挡位状态精确检测。

e.空挡位置传感器PWM信号与开关量信号相比具有明显优势，PWM信号具有诊断功能，提高了系统的安全性能。

1换挡机构与同步器机电一体化的开始.舍弗勒亚太区汽车技术研讨会.2010.

2手动及自动变速箱的嵌入式智能模块.国际CTI第一届中国论坛和展会.上海—Olivier BRUNEL.2012，9.

（责任编辑帘青）

修改稿收到日期为2014年2月1日。

Application of MT Neutral Gear Sensor in Start-stop System

Zheng Lipeng,Liu Jianxi,Xu Lei
（Great Wall Motor Company Limited Technical Center,Automotive Engineering Technology Research Center,Hebei Province）

Intelligent stop-start technology must be realized by recognizing transmission gear state.Working principle and features of neutral gear sensor are introduced in the paper,and adaptation and application of MT neutral gear sensor for the stop-start technology are analysed,with focus on introduction of electrical configuration scheme and application of the sensor,in addition,advantages and disadvantages of the sensor in different installation plans of MT are analysed.

MT,Neutral gear sensor,Intelligent stop-start system,Neutral signal

手动变速器空挡位置传感器智能启停系统空挡信号

U463.212

A

1000-3703（2014）04-0028-05