手動(dòng)檔車型節(jié)能換檔提示技術(shù)探討

李 兵，馮立魁，田桂星

（中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

2008年5月23日，歐洲聯(lián)盟議會(huì)及理事會(huì)發(fā)布法規(guī)草案 “關(guān)于機(jī)動(dòng)車一般安全性的型式批準(zhǔn)要求”，該草案在2009年3月10日通過了歐盟議會(huì)的審議，修改和增加了 “M1類車輛裝用換檔指示器（GSI）的要求”的規(guī)定，該規(guī)定的實(shí)施日期為：對(duì)于新定型的車輛為2012年11月1日，對(duì)所有在產(chǎn)新車為2014年11月1日。目前雖然國(guó)內(nèi)未見相關(guān)的規(guī)定，只在國(guó)內(nèi)的合資進(jìn)口高檔車中有所見，但是作為車輛的節(jié)能性功能是比較值得推廣的。

在過去的幾十年中為達(dá)到節(jié)能減排，前沿技術(shù)不斷地運(yùn)用在汽車上以提高燃油經(jīng)濟(jì)性，但是基于駕駛者駕駛習(xí)慣以提高節(jié)能性的研究比較少。節(jié)能換檔提示是指建議或者提示駕駛員在行車過程中換檔的指示器。在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)換檔意味著更低的油耗，可確保更高效地利用燃油，同時(shí)減少排放，有助駕駛初學(xué)者盡快掌握合適的換檔時(shí)機(jī)，提高駕駛樂趣。

1 換檔提示信息的顯示

換檔提示顯示的信息應(yīng)包括當(dāng)前的駕駛狀況和換檔提示信息，除了傳統(tǒng)的車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有顯示外，還要增加檔位信息的顯示和升檔、降檔提示。在自動(dòng)檔車型中一般有P、R、N、D或者檔位數(shù)值的信息顯示，但是在國(guó)產(chǎn)或者合資車型中，手動(dòng)檔車型的檔位數(shù)顯示基本沒有。在進(jìn)口車型中如寶馬X系列手動(dòng)檔車型、標(biāo)致207進(jìn)口版等車型，一般換檔提示信息都顯示在駕駛員能夠容易觀察到的位置或車輛狀況信息綜合顯示的組合儀表中。圖1為寶馬車型組合儀表液晶屏左上側(cè)的換檔提示信息。圖1中所示目前檔位為3檔，升檔提示信息 提示駕駛員進(jìn)行升檔操作。圖2為某在研車型的換檔提示，該換檔提示設(shè)置4種顯示狀態(tài)，升檔、降檔、無提示、系統(tǒng)自檢；其中系統(tǒng)自檢是指上電后系統(tǒng)若無故障則顯示3s后熄滅，不顯示或者一直顯示則表示系統(tǒng)存在故障。

2 檔位信息的獲取

在換檔提示中首先要解決的是檔位信息的獲取，根據(jù)項(xiàng)目已有的經(jīng)驗(yàn)，可以直接獲取和間接獲取。直接獲取是通過在變速器換檔機(jī)構(gòu)上安裝相應(yīng)的傳感器機(jī)構(gòu)檢測(cè)，間接獲取是通過相關(guān)的參數(shù)計(jì)算獲得變速器實(shí)時(shí)的檔位信息。

2.1 直接獲取

國(guó)內(nèi)目前生產(chǎn)的手動(dòng)變速器機(jī)構(gòu)中一般設(shè)置有倒車開關(guān)，有的變速器機(jī)構(gòu)還設(shè)置有空檔開關(guān)，但是乘用車變速器設(shè)置檔位開關(guān)的很少。不管是傳感器還是開關(guān)，目的是將換檔器上的檔位信息用電壓、電流信號(hào)識(shí)別出來，然后傳遞給相關(guān)控制單元。位移傳感器是一種比較理想的選擇。

圖3為安裝在商用車變速器選、換檔撥叉轉(zhuǎn)軸上的絕對(duì)角位置傳感器。該機(jī)構(gòu)上設(shè)置了2個(gè)角位移傳感器采集選檔軸和換檔軸的旋轉(zhuǎn)位移量，從而檢測(cè)出變速器的檔位狀態(tài)。

傳感器參數(shù)：非接觸霍爾式360°、分辨率高、精度高、反應(yīng)靈敏；工作電壓5V±10%；工作溫度－25～85℃。

另一種是采用安裝換檔機(jī)構(gòu)上的檔位開關(guān)來進(jìn)行檢測(cè)，開關(guān)傳感器是合適的選擇，而且有空檔開關(guān)、倒車開關(guān)等傳感器在變速器上的成熟運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)。檔位開關(guān)安裝在變速器換檔叉軸端部，檢測(cè)其狀態(tài)，如圖4所示。檔位開關(guān)為三態(tài)輸出 （高阻態(tài)，0V，5V），標(biāo)稱工作電壓5V。

直接換取檔位信息的方案在車輛停止時(shí)也能獲取變速器的檔位信息，該方法需要對(duì)變速器的換檔機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，需要加裝傳感器或者開關(guān)裝置，涉及整個(gè)換檔機(jī)構(gòu)外圍件結(jié)構(gòu)特征的修改，以適應(yīng)傳感器的安裝，傳感器與機(jī)構(gòu)的匹配需要一定的開發(fā)周期，所以國(guó)內(nèi)主機(jī)廠很少采用該方案。

2.2 間接獲取

另一種方案是間接獲得檔位信息，國(guó)內(nèi)某主機(jī)廠的出口車型項(xiàng)目的開發(fā)中就是使用這種方案。使用變速器的輸入軸轉(zhuǎn)速和輸出軸的轉(zhuǎn)速計(jì)算出速比，對(duì)比變速器速比值就可得出檔位信息。輸出軸的轉(zhuǎn)速可以由ABS或者ESP模塊的輪速傳感器提供，傳統(tǒng)手動(dòng)變速器都有檢測(cè)輸出軸轉(zhuǎn)速的蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu) （安裝車速傳感器），輸出軸轉(zhuǎn)速也可以由該傳感器測(cè)得。輸入軸轉(zhuǎn)速可以選取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，通過某ECU模塊 （儀表、BCM、發(fā)動(dòng)機(jī)ECU）計(jì)算、對(duì)比分析，就可得出目前變速器所處的檔位信息以及離合器的離合狀態(tài)。該方法已經(jīng)在車型項(xiàng)目實(shí)踐中驗(yàn)證，通過專業(yè)的軟件分析可以得到實(shí)時(shí)的變速器檔位狀態(tài)和離合器接合狀態(tài)信息。圖5為實(shí)車測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與變速器輸出軸轉(zhuǎn)速的比值圖。通過專業(yè)軟件可以很容易地分析出變速器所處的檔位信息。

該種方案變速器機(jī)構(gòu)不需要做任何調(diào)整，實(shí)現(xiàn)成本低。雖然該方案滿足換檔提示功能的需要，但是車輛在靜止時(shí)無法對(duì)檔位信息進(jìn)行直觀顯示。

3 換檔提醒決策

手動(dòng)檔車型的最佳換檔時(shí)機(jī)的確定可以參考成熟的AMT技術(shù)。在AMT車型中對(duì)于變速器最佳的換檔決策方法一直在不斷發(fā)展，有許多學(xué)者進(jìn)行了此方面的研究。一種是基于理論求解的方法，即在選定一定的換檔控制參數(shù)后，按照某種指標(biāo) （經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性）最優(yōu)求出換檔規(guī)律。另一種是基于專家系統(tǒng)的換檔規(guī)律，使用模糊控制規(guī)則，利用已有豐富的數(shù)據(jù)庫和其他專家的知識(shí)進(jìn)行檔位決策。圖6為植入控制單元的基本換檔規(guī)律曲線。

對(duì)于不同的車型，不同的工況下最佳的換檔時(shí)機(jī)是不同的。車輛的運(yùn)行狀態(tài)包括離合器踏板狀態(tài)，制動(dòng)開關(guān)，節(jié)氣門開度，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，汽車的行駛路況信息 （坡度、彎道）等信息密切相關(guān)。其主要相關(guān)的參數(shù)為節(jié)氣門的開度，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩信息。圖7為智能換檔提示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

為了提高換檔提示的可靠性，提高節(jié)能效果，ECU軟件模塊對(duì)整車工況信息進(jìn)行模糊化處理分析，可以基于駕駛者的駕駛習(xí)慣進(jìn)行學(xué)習(xí)，不斷地修正和調(diào)整預(yù)先植入的基礎(chǔ)換檔點(diǎn)，得到最佳的換檔點(diǎn)。智能型的換檔提醒系統(tǒng)發(fā)出的提醒信息可以得到很大的提高。

4 換檔提醒技術(shù)分析

基于上述分析，我們可以有不同的方式實(shí)現(xiàn)換檔提示功能，見表1。對(duì)于換檔策略的實(shí)現(xiàn)，可以單獨(dú)設(shè)置ECU模塊，也可以由發(fā)動(dòng)機(jī)的ECU模塊進(jìn)行處理，然后將換檔提示信息發(fā)送給組合儀表。

表1 換檔提醒方案

上述方案有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。方案3對(duì)于目前的手動(dòng)型車輛容易實(shí)現(xiàn)。檔位直接獲取的方案，涉及變速器機(jī)構(gòu)的變更，更改周期長(zhǎng)。

5 總結(jié)

通過幫助駕駛者正確地掌握換檔時(shí)刻，節(jié)能換檔指示功能可以顯著地降低油耗，確保完整和平穩(wěn)的動(dòng)力輸出，該功能有著很積極的推廣前景。

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