一种汽车电子选档装置控制结构

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本实用新型公开了一种汽车电子选档装置控制结构,包括用于实现汽车档位信息采集的档位信息采集元件,档位信息采集元件用于和汽车电子控制单元连接,其特征在于,还包括中央处理器,所述档位信息采集元件和中央处理器相连,中央处理器具有两个信号输出端和汽车电子控制单元相连。本实用新型具有结构简单,档位切换控制可靠,降低整体失效风险,能够增加换档装置整体可靠性的优点。

申请号: CN201620392522.5 专利名称�?/span> 一种汽车电子选档装置控制结构 申请(专利权)人�?/span> [重庆艾亿特汽车电子技术有限公司] 发明人: [李鑫] 其他信息�?/span>

一种汽车电子选档装置控制结构

技术领域

本实用新型涉及汽车操控系统领域,具体涉及一种汽车电子选档装置控制结构。

背景技术

汽车换档装置是用于汽车上执行档位变换选择的装置。目前汽车变速箱档位选择 机构分为两种,一种是传统的采用机械拨叉的选档装置,俗称手动档,依靠操纵换档杆转动 角度在各档位之间切换,靠机械拨叉带动齿轮移动实现换档,在驻车档(P档)、倒车档(R 档)、空档(N档)和行驶档的各级档位(D1-D6)之间切换。另一种是采用电子选档装置,俗称 自动档,即靠操纵换档杆转动角度带动电子选档机构动作,实现对驻车档(P档)、倒车档(R 档)、空档(N档)和行驶档(D档)的切换信号输入采集,信号传递到中央处理器处理后再对汽 车动力输出端进行控制,其中行驶档工作汽车行驶时,车辆能够自行检测判断车况并控制 汽车动力输出调节变速实现行驶档中各级档位的切换。目前的汽车中,由于采用自动档装 置对驾驶人员的操作要求更加简单,故越来越多的汽车中开始采用电子选档装置实现换 档。

照汽车安全性国际标准ISO26262的定义,选档装置属于安全要求最高的子系统之 一,选档装置的故障,可能直接导致车辆驾驶员、乘客及车外路人极大的人身伤害,车辆及 其他财产的损失。故汽车设计时,换档装置的设计要求中对可靠性的要求越来越高。

目前现有的电子选档装置中,换档装置一般包括安装座,安装座上竖向安装有换 档杆,换档杆下端靠横向设置的转轴可转动地安装在安装座上,还包括和安装座相对固定 设置的多个霍尔传感器,以及和换档杆相对固定设置的一个磁感应块,操纵换档杆转动进 行换档操作时,能够带动磁感应块进入切换到不同霍尔传感器的感应区域范围内,进而实 现对换档信号的采集,然后信号传递到中央处理器处理后再对汽车动力输出端进行控制。 例如我国专利申请号201410341973.1所公开的一种换档装置,专利申请号201010234378.X 所公开的一种汽车自动换档装置等都是采用了上述结构形式。这种电子选档装置弥补了机 械拨叉式选档装置的不足,具有较高的电子集成度,换档自动化及智能化、操纵简便且美观 等优点。同时,由于霍尔传感器和磁感应块是非接触式感应,避免了灰尘污物等原因造成的 失效,一定程度上提高了可靠性。但同时,由于霍尔传感器属于电子产品,也是依靠电路和 中央处理器连接输送信号,故在车辆长期行驶的振动和灰尘等因素影响作用下,仍然容易 存在换档信号采集失效的风险,导致换档操作失灵,强行驾驶容易引起重大的安全事故。

目前,宝马捷豹路虎旗下的很多车型均有采用电子选档装置,如果遇到上诉失 效故障或电路短路时,为了保证安全,往往是采取对汽车动力输出端强制抱死的方式处理, 以避免无法换档带来的驾驶安全风险,其强制抱死停车后,电子式的选档装置是无法对当 前档位进行释放的,只能依靠于拖车和救援,带来驾驶操作的不便性。

所以,如何才能提高换档操作可靠性,并且使得汽车安全风险降低的情况下能够 提高驾驶便捷性,以方便故障处理,成为有待考虑解决的问题。

实用新型内容

针对上述现有技术的不足,本实用新型所要解决的技术问题是:如何提供一种结 构简单,换挡切换控制可靠,降低整体失效风险,能够增加换档装置整体可靠性的汽车电子 选档装置控制结构。

为了解决上述技术问题,本实用新型采用了如下的技术方案:

一种汽车电子选档装置控制结构,包括用于实现汽车档位信息采集的档位信息采 集元件,档位信息采集元件用于和汽车电子控制单元连接,其特征在于,还包括中央处理 器,所述档位信息采集元件和中央处理器相连,中央处理器具有两个信号输出端和汽车电 子控制单元相连。

这样,汽车电子选档装置中自带设置一个中央处理器,可以依靠该自带的中央处 理器,实现档位信息采集后的检验校正等处理操作,无需再另外到汽车电子控制单元中去 进行设置,提高了本汽车电子选档机构的产品功能完整性,方便其独立安装使用。同时,所 述中央处理器还具有两个信号输出端并各自均和汽车电子控制单元相连。这样,中央处理 器进行信息校验、冗余自检等操作后,可以将输出信息处理为两种不同通讯协议模式的信 号传递到汽车电子控制单元,加强传输过程中的抗干扰能力,进一步提高换档可靠性。

作为优化,所述两个信号输出端分别为PWM信号输出端和CAN信号输出端。这两种 通讯模式具有技术成熟,信息传递可靠,抗干扰能力强的特点。

作为优化,所述档位信息采集元件,包括一组用于实现档位信息采集的霍尔传感 器,还包括安装在换档动力输入构件的转轴上的编码器以及设置在安装座上能够检测换档 动力输入构件起始档位信号变化的起始档位信号采集传感器。

这样,能够实现两套机构对档位信息的采集,进而可以在中央处理器中进行对比 校正,提高换档操作可靠性。

作为优化,所述霍尔传感器以及对应霍尔传感器设置的用于提供档位信息的永磁 体数量各自至少为两个,永磁体为S极正对霍尔传感器的方向安装。

这样,能够依靠多个信号感应用构件和多个信号感应采集构件配合,实现编码后 的感应信号组输出;能够提高每组信号输出中蕴含的信息量以提高单组信息的可检验性, 当构件数量较多编码复杂时,出错后能够实现自检校验更正,以使得个别信号感应采集构 件失效后,仍然能够自检校验更正后输出正确的档位信息,极大地提高了档位信息可识别 性,提高了驾驶安全性。同时,当构件数量较少时,也可以采用更少的信号感应采集构件实 现更多的档位识别,这样等同于减少了信号感应采集构件的数量,就间接地降低了单个信 号感应采集构件失效带来风险的机率,提高了安全性。

作为优化,所述霍尔传感器数量和汽车档位数量一致且布置位置和汽车档位一一 对应,所述永磁体对应霍尔传感器设置为间隔一个霍尔传感器对应设置一个永磁体的方式 布置。

这样,等同于将信号感应用构件对应档位位置间隔设置,数量减少一半,就能够利 用空位信息提高编码复杂性,且该复杂性是具有固定间隔的规律所产生,这样就更加利于 当有构件失效后进行自检校验更正,输出正确的档位信息,极大地提高了自主纠错能力。

作为优化,每相邻两个S极正对霍尔传感器的方向安装的永磁体之间还设置有防 止信号干涉的信号屏蔽构件。

这样,保证当霍尔传感器检测到两个S极正对霍尔传感器的方向安装的永磁体之 间的空位时,能够靠信号屏蔽构件屏蔽左右的信号干扰,保证检测输出为低电平,更加利于 编码区分。

进一步地,所述信号屏蔽构件为N极正对霍尔传感器的方向安装的永磁体。这样, 能够产生最大化的信号屏蔽效果,缩小相邻的信号感应用构件之间的位置空间,在降低装 置体积的同时,降低干扰性,保证检测可靠性和准确性。

作为优化,所述编码器为机械触点电刷式编码器。这样,采用机械接触的方式实现 档位信号检测机构的档位信号检测,使其和霍尔传感器实现档位检测的原理区别开来,极 大地降低了同一事故造成电子选档机构和档位信号检测机构同时失效的风险。保证了至少 有一组机构工作可靠,进而更好地提高了换档操作的可靠性。

实施时,编码器包括固定于转轴的编码器内圈部件,套设配合在编码器内圈部外 表面且和安装座固定的编码器外圈部件,还包括一个用于信号输出转接的编码器插接件。 这样方便安装和信号输出转接。

作为优化,起始档位信号采集传感器为固定在安装座上的一个起始档位信号采集 用行程开关,所述换档动力输入构件上具有对应的起始档位信号感应用触头部且使得换档 动力输入构件处于起始档位时,起始档位信号感应用触头部能够对应触碰到起始档位信号 采集用行程开关,使其具有结构简单,检测可靠的优点。

综上所述,本实用新型具有结构简单,换挡切换控制可靠,降低整体失效风险,能 够增加换档装置整体可靠性的优点。

附图说明:

图1为本实用新型的电路模块连接原理图。

图2为实施例中,一种采用了本实用新型结构的汽车换档装置的构件分解示意图。

图3为实施例中,以以4个霍尔传感器及对应的4个永磁体为例时各档位信息编码 示意图。

图2中,标号1为编码器插接件,2为编码器内圈部件,3为编码器外圈部件,4为安装 座,5为信号感应采集构件,6为信号采集线路板,7为信号感应用构件,8为扇形板,9为起始 档位信号采集传感器,10为P档第一机械解锁用行程开关,11为解锁按钮,12为换档杆,13为 电磁阀,14为限位销,15为转轴,16为复位弹簧。

具体实施方式

如图1所示,一种汽车电子选档装置控制结构,包括用于实现汽车档位信息采集的 档位信息采集元件,档位信息采集元件用于和汽车电子控制单元连接,其特点在于,还包括 中央处理器,所述档位信息采集元件和中央处理器相连,中央处理器具有两个信号输出端 和汽车电子控制单元相连。其中所述两个信号输出端分别为PWM信号输出端和CAN信号输出 端。所述档位信息采集元件,包括一组用于实现档位信息采集的霍尔传感器,还包括安装在 换档动力输入构件的转轴上的编码器以及设置在安装座上能够检测换档动力输入构件起 始档位信号变化的起始档位信号采集传感器。

下面结合一种采用了本实用新型结构的汽车换档装置附图对本实用新型作进一 步的详细说明。

最优实施方式:如图2所示,一种汽车换档装置,包括电子选档机构,电子选档机构 包括包括安装座4,安装座4上安装有换档动力输入构件,换档动力输入构件靠转轴15可转 动地安装配合在安装座上,换档动力输入构件转动范围内设置各档位使得依靠换档动力输 入构件的转动实现档位更换,电子选档机构还包括相对固定设置于安装座或换档动力输入 构件的多个信号感应采集构件5,以及和信号感应采集构件5对应设置的信号感应用构件7, 信号感应用构件相对固定设置于换档动力输入构件或安装座上,并使得信号感应用构件随 换档动力输入构件旋转换档时能够进入到信号感应采集构件的感应范围内实现信号采集; 其特征在于,汽车换档装置还包括能够在换档动力输入构件转动实现换档过程中对换档动 力输入构件转动至各档位时进行信号检测的档位信号检测机构。

上述汽车换档装置用于自动档车辆安装使用,安装时信号感应采集构件和档位信 号检测机构的信号输出端均和汽车上的汽车电子控制单元(ECU)连接并为其提供档位信 号;实施时增设了一个中央处理器,将信号感应采集构件和档位信号检测机构的信号输出 端先和中央处理器相连,靠中央处理器进行信号处理后转化为标准通讯协议的信号传输至 汽车电子控制单元的处理芯片内进行处理。另外,还进一步地,在中央处理器中设置PWM信 号输出端和CAN信号输出端和汽车电子控制单元相连,使得中央处理器分别采用CAN总线协 议信号和PWM协议信号两种模式传输信号至汽车电子控制单元,这样可以更好地提高信号 传输过程的抗干扰能力,进而就提高了换档可靠性。这样,平时正常工作换档操作时,依靠 电子选档机构检测并提供档位信号至ECU并供汽车动力输出端执行相应换档操作,增加的 档位信号检测机构可以作为校验之用;而当电子选档机构出现电路故障,使得换档操作无 法检测到正常信号后,此时ECU可以控制报警,同时依靠起辅助作用的档位信号检测机构检 测到的档位信号,控制汽车动力输出端执行相应执行换档操作。保证了出现故障时,在报警 并提醒检修的同时,车辆还可以在档位信号检测机构的辅助作用下实现换档操作并行驶至 维修点供检修,极大地降低了车辆换档失灵带来的危险(例如需要由驾驶档转换为倒车档 倒车时,如果倒车档失灵就会产生极大地危险),同时避免了换档失效后车辆只能被迫锁死 不能动弹只能等到拖车和救援带来的驾驶麻烦。这样就使得汽车安全风险降低的情况下能 够提高驾驶便捷性以方便故障处理。

本实施方式中,所述换档动力输入构件为竖向设置的换档杆12,换档杆下端靠横 向设置的转轴可转动地安装在安装座上。

这样,结构简单,且符合常规操作方式,方便换档操作。但具体实施时,换档动力输 入构件也可以考虑为转盘式结构,甚至在语音操控驾驶系统中,语音识别后靠控制的动力 装置输出轴作为换档动力输入构件;等等均为可实施的范围。

本实施方式中,所述信号感应用构件安装在一个扇形板8侧表面上,扇形板8和换 档动力输入构件固定连接并能够随其一起旋转,扇形板8的扇形弧度方向和换档动力输入 构件旋转方向一致,所述信号感应采集构件设计在一个和扇形板间隔并列布置的信号采集 线路板6上。

这样,具有结构简单且方便安装,方便信号线输出连接等优点。具体实施时,信号 感应用构件和信号感应采集构件设置位置也可以相反,虽然不利于信号线连接,但也属于 可实施的范围。

本实施方式中,所述信号感应采集构件数量至少为两个,所述信号感应用构件数 量至少为两个,使得信号感应用构件随换档动力输入构件移动至不同档位时能够和信号感 应采集构件配合构成不同编码的感应信号组输出。

这样,能够依靠多个信号感应用构件和多个信号感应采集构件配合,实现编码后 的感应信号组输出;能够提高每组信号输出中蕴含的信息量以提高单组信息的可检验性, 当构件数量较多编码复杂时,出错后能够实现自检校验更正,以使得个别信号感应采集构 件失效后,仍然能够自检校验更正后输出正确的档位信息,极大地提高了档位信息可识别 性,提高了驾驶安全性。同时,当构件数量较少时,也可以采用更少的信号感应采集构件实 现更多的档位识别,这样等同于减少了信号感应采集构件的数量,就间接地降低了单个信 号感应采集构件失效带来风险的机率,提高了安全性。例如当信号感应采集构件和信号感 应用构件数量均为最少的两个构件时,可以依靠错位编码,即信号感应采集构件和信号感 应用构件相互移动为正对时,能够检测到信号输出高电平信息编码记为1,移动错位后不能 检测到信号或信号较弱输出低电平信号编码记为0,这样可以构成00、01、11、10四组编码来 实现四个档位的检测;而传统的要实现四个档位检测的电子选档机构需要设置四个信号感 应采集构件和一个信号感应用构件;由于信号感应用构件功能是用于被感应,故不会存在 失效风险,失效风险均集中在信号感应采集构件上。所以同样实现四个档位检测判断的基 础上,当四个风险源减少为两个风险源,即可极大地降低风险,提高安全性。

本实施方式中,所述信号感应采集构件数量和汽车档位数量一致且布置位置和汽 车档位一一对应,所述信号感应用构件对应信号感应采集构件设置为间隔一个信号感应采 集构件对应设置一个信号感应用构件的方式布置。

这样,等同于将信号感应用构件对应档位位置间隔设置,数量减少一半,当信号感 应用构件设置区域中,具有信号感应用构件处对应的信号感应采集构件能够采集到较强信 号输出高电平,输出信息编码为1,空位处对应的信号感应采集构件不能采集到信号或者只 能采集到较弱的信号输出低电平,输出信号编码为O。这样就利用空位信息提高编码复杂 性,且该复杂性是具有固定间隔的规律所产生,这样就更加利于当有构件失效后进行自检 校验更正,输出正确的档位信息,极大地提高了自主纠错能力。例如当汽车设计五个或六个 档位时,信号感应采集构件数量设计为对应的五个或六个,而将信号感应用构件设置为间 隔的三个,当汽车设计为四个档位时,信号感应采集构件数量设计为对应的四个,而将信号 感应用构件就设置为间隔的两个。

本实施方式中,所述信号感应采集构件5为霍尔传感器,所述信号感应用构件7为S 极正对霍尔传感器的方向安装的永磁体。

这样,采用霍尔传感器和永磁体配合实现信号采集检测,具有可靠性高的优点。当 然实施时,也可以采用现有技术中其他能够实现感应检测的构件配合实现档位信号采集检 测。实施时,永磁体优选为圆柱体结构,方便安装固定。

本实施方式中,每相邻两个S极正对霍尔传感器的方向安装的永磁体之间还设置 有防止信号干涉的信号屏蔽构件。

这样,保证当霍尔传感器检测到两个S极正对霍尔传感器的方向安装的永磁体之 间的空位时,能够靠信号屏蔽构件屏蔽左右的信号干扰,保证检测输出为低电平,更加利于 编码区分。

本实施方式中,所述信号屏蔽构件为N极正对霍尔传感器的方向安装的永磁体。这 样,能够产生最大化的信号屏蔽效果,缩小相邻的信号感应用构件之间的位置空间,在降低 装置体积的同时,降低干扰性,保证检测可靠性和准确性。

本实施方式中,所述档位信号检测机构包括安装在转轴上的编码器,还包括设置 在安装座上能够检测换档动力输入构件起始档位信号变化的起始档位信号采集传感器9。

其中,起始档位一般为驻车档,编码器和起始档位信号采集传感器安装时均和汽 车电子控制单元(ECU)连接。这样,当车辆由驻车档启动换档操作时,先依靠起始档位信号 采集传感器检测到起始信号标记,然后依靠编码器检测出转轴旋转角度,对应得出档位信 息作为对比检验自检之用,极大地提高了档位检测可靠性。同时自身具有结构简单小巧不 占多余空间,方便安装,可靠性高等特点。另外,实施时,当车辆由驻车档启动换档操作后, 起始档位信号采集传感器检测到起始信号标记后,判断已经启动换档时,ECU可以先将换档 信号传递到汽车动力输出端,预启动换档操作,极大地提高了换档操作效率。

本实施方式中,所述编码器为机械触点电刷式编码器。这样,采用机械接触的方式 实现档位信号检测机构的档位信号检测,使其和电子选档机构采用电磁感应检测的方式从 原理上相区别开来,极大地降低了同一事故造成电子选档机构和档位信号检测机构同时失 效的风险。保证了至少有一组机构工作可靠,进而更好地提高了换档操作的可靠性。

实施时,编码器包括固定于转轴的编码器内圈部件2,套设配合在编码器内圈部外 表面且和安装座固定的编码器外圈部件3,还包括一个用于信号输出转接的编码器插接件 1。这样方便安装和信号输出转接。

本实施方式中,起始档位信号采集传感器为固定在安装座上的一个起始档位信号 采集用行程开关,所述换档动力输入构件上具有对应的起始档位信号感应用触头部且使得 换档动力输入构件处于起始档位时,起始档位信号感应用触头部能够对应触碰到起始档位 信号采集用行程开关,使其具有结构简单,检测可靠的优点。实施时,起始档位信号感应用 触头部可以直接设置在换档动力输入构件上,或者根据需要设置在与换档动力输入构件相 互固定的其它构件上,应视为间接地设置在了换档动力输入构件上。

本实施方式中,还包括P档抱紧装置,P档抱紧装置包括一个安装在换档动力输入 构件或者其转轴上用于在P档驻车时实现对P档位置机械式抱紧锁死的电磁阀13,还包括接 入到电磁阀控制电路中的P档第一机械解锁用行程开关10和P档第二机械解锁用行程开关 (图中未显示),所述P档第一机械解锁用行程开关安装在安装座上且能够和换档动力输入 构件上的一个解锁按钮11联动,换档动力输入构件处于P档时按下解锁按钮可以通过中间 力传递构件触发P档第一机械解锁用行程开关动作,同时P档第二机械解锁用行程开关安装 在刹车踏板位置使得踩下刹车踏板后能够触发P档第二机械解锁用行程开关动作。当P档第 一机械解锁用行程开关和P档第二机械解锁用行程开关同时被触发动作时,对电磁阀进行 机械解锁,此时转动换档动力输入构件可执行换档操作。保证驻车状态时的安全可靠性。其 中换档动力输入构件为换档杆12时,解锁按钮设置于换档杆顶端,换档杆为中空结构,中间 力传递构件包括竖向设置于换档杆内腔中的滑杆,滑杆下部侧向延伸设置限位销14用于和 P档第一机械解锁用行程开关对应配合,滑杆下端设置复位弹簧16进行复位,这样结构简 单,操作方便可靠。实施时,进一步地,P档第一机械解锁用行程开关和P档第二机械解锁用 行程开关还可以连接到汽车电子控制单元,用于当检测到触发动作后,发送信号给汽车电 子控制单元表明预判换档意图,并供动力输出端作为换档预处理准备,提高换档效率。

下面以上述最优实施方式为基础,进一步举例详细说明本汽车换档装置的优点和 原理。

装置的工作过程为:装置上电且换档杆处于P档时,起始档位信号采集用行程开关 和P档第一机械解锁用行程开关均处于闭合状态以及P档第二机械解锁用行程开关,当驾驶 员要进行P→R换档操作时,第一步,先按下换档杆上端的解锁按钮,P档第一机械解锁用行 程开关解锁;第二步,踩下制动踏板,P档第二机械解锁用行程开关解锁;(注:上述第一、第 二步操作顺序可以相反,即先踩下制动踏板,再按下解锁按钮)第三步,继续操作换档杆,将 其换至R档位,这时起始档位信号采集用行程开关内部触点也处于断开状态。

档位信号检测机构中编码器和换档杆同轴运动,换档杆的运动会带动编码器内圈 部件旋转并输出相应的档位编码信息A,用以判断目前换档杆所处位置。同时在电子选档机 构中,依靠多个霍尔传感器元件检测到的多路电信号转换成档位编码信息B,并输出给换档 装置的中央处理器MCU(MCU可以视为ECU的一个组成部分);编码器输出的档位编码信息A和 霍尔传感器输出的档位编码信息B在MCU相互校验无误后,作为最终的档位信息输出。

上述装置防失效功能具体体现在3个方面:

1、从P→R换档意图判断

P→R换档意图的判断主要通过安装在换档装置安装座上的两个接近开关相互配 合共同实现的,目的是确保当驾驶人员具有换档意图并开始执行换档操作时,换档装置才 输出换档信号,以防止档位被误判。

当换档杆处于P档时,起始档位信号采集用行程开关上的弹簧片被起始档位信号 感应用触头部压下,P档第一机械解锁用行程开关上的弹簧片被限位销压下,此时两个行程 开关内部触点均处于闭合状态;当换档装置上电后,首先对起始档位信号采集用行程开关、 P档第一机械解锁用行程开关接近开关做初始化判断,其结果表示换档杆是否处于P档位 置。

当按下换档杆上端解锁按钮,换档杆内部的滑杆向下移动,带动限位销向下移动, P档第一机械解锁用行程开关解锁,也使得P档第一机械解锁用行程开关弹簧片释放,开关 内部触点处于断开状态,此时换档装置仍处于P档位置,但可初步判断驾驶员具有P→R换档 意图;当驾驶员踩下制动踏板后,控制P档第二机械解锁用行程开关解锁,此时可以判断驾 驶员已具有P→R换档意图,同时换档杆机械解锁全部完成,具备了向R档移动条件,驾驶员 可继续换档操作。当换档杆离开P档位置,起始档位信号采集用行程开关处于闭合-断开状 态的跳变瞬间,通过检测电信号从高到低(或从低到高)的跳变,即可判断换档杆正离开P 档,向R档移动。

执行P→R换档操作,必须按下换档杆上端解锁按钮、同时配合踩下制动踏板才能 将两级机械限位保护解锁;否则,选档手柄在P档位置是被机械锁止,无法移动的,以此来防 止被误操作。

2、具有多传感器冗余及不同检测机理传感器相互校验机能

(1) 多传感器冗余

“霍尔传感器-磁体对”是霍尔传感器与永磁体的组合,霍尔传感器是根据霍尔效制作的一种磁场传感器,组成“霍尔传感器-磁体对”的霍尔传感器和永磁体分别安装在 换档装置的信号采集线路板和扇形板上。

在扇形板上安装有若干个永磁体, N极和S极交错朝外,沿弧形轨迹排列,以产生 N、S交替的磁极阵列,永磁体是永久磁性材料,相对其他电子元件而言更不易失效;在信号 采集线路板上安装有与永磁体数量相同的霍尔传感器。

当永磁体的S极接近或远离霍尔传感器时,会使霍尔传感器产生通或断的信号。根 据霍尔传感器的电气特性,当永磁体N极接近霍尔传感器时其输出为低电平,信息编码为0, 当永磁体S极接近霍尔传感器时其输出为高电平,信息编码为1。多路“霍尔传感器-磁体对” 产生多位编码信息,该编码信息用来表示档位信息。

多路“霍尔传感器-磁体对”可为:含2-6个霍尔传感器及2-6个永磁体以及他们的 组合。

下面以4个霍尔传感器及对应的4个永磁体组成的4路“霍尔传感器-永磁体对”为 例进行详细阐述。

霍尔传感器被焊接在电路板上成为信号采集线路板,信号采集线路板安装在换档 装置上盖壳体内,为固定件;永磁体安装在扇形板上,为运动件;随着驾驶员操作换档杆时 档位的变化,扇形板靠转轴实现转动,其上安装的永磁体与信号采集线路板上安装的霍尔 传感器之间的相对位置发生变化。

当换档杆初始位置处于P档(顺向起始位置,逆向极限位置)时,霍尔传感器与永磁 体的相对位置为图3所示;当顺向操作换档杆至R档时(在两级机械限位保护解锁的前提 下),扇形板与信号采集线路板之间就会错开一定的角度,霍尔传感器与永磁体的相对位置 如图3所示;当继续顺向操作换档杆至N档,扇形板和信号采集线路板之间错开的角度继续 加大,霍尔传感器与永磁体的相对位置继续变化如图3;再继续顺向操作换档杆至D档,扇形 板和信号采集线路板之间错开的角度再次加大(到达到顺向的极限位置,逆向的起始位 置),此时,霍尔传感器与永磁体的相对位置如图3所示。霍尔传感器根据与之对应永磁体的 不同S、N极性,产生不同的通断信号,最后产生不同的多位编码信息来表示不同的档位信 息。

所以,每个档位信息就是一组由多路“霍尔传感器-永磁体对”产生的固定多位编 码信息。在顺向操作换档杆从P档到D档的过程中,霍尔传感器和永磁体之间相对位置示意 如图3所示,图中,箭头代表霍尔传感器,N表示永磁体N极面向霍尔传感器,S表示永磁体S极 面向霍尔传感器。

根据霍尔传感器的电气特性,当永磁体N极接近霍尔传感器时其输出为低电平,信 息编码为0;当永磁体S极接近霍尔传感器时其输出为高电平,信息编码为1;永磁体与霍尔 传感器探测面之间的间隙优选设计为1-2mm,以保证感应检测效果。

当换档杆初始位置处于P档时,四个霍尔传感器(从右往左)输出的电信号为低、 低、高、低,信息编码(从低位到高位)为0100;当顺向操作换档杆至R档时,编码信息为1010; 继续顺向操作换档杆至N档,编码信息为0101;再继续顺向操作换档杆至D档,编码信息为 0010。

反之,当换档杆初始位置为D档时,四个霍尔传感器(从右往左)输出的电信号为 低、高、低、低,信息编码(从低位到高位)为0010;当逆向操作换档杆至N档时,编码信息为 0101;继续逆向操作换档杆至R档,编码信息为1010;再继续顺向操作换档杆至P档,编码信 息为0100。

利用上述多传感器冗余可提高换档装置的容错能力:

换档装置中任何元器件的失效都可能导致不同程度的安全问题,所以降低元器件 的失效概率及提高容错能力是设计换档装置不可或缺的两个内容。霍尔传感器作为检测档 位信息的关键部件,对整个换档装置的可靠性甚至整个车辆系统的安全性都有重大影响。

(2)不同检测机理传感器相互校验

本实用新型选用了“霍尔传感器-永磁体对”与中空轴编码器(又叫旋转开关)这二 种不同检测机理的传感器,对各自采集的档位信息进行相互校验。通过中央处理器MCU内的 校验算法,使其具有自主纠错能力,从而提高输出档位信息的可靠性与安全性。

中空轴编码器有三个引脚,分别为A、B、C。其中C为电源输入端,A、B两相输出脉冲 信号。当换挡杆顺向或逆向拨动不同角度时,中空轴编码器A、B输出引脚都会输出不同的相 脉冲信号,以两相信号的定位稳定点的“ON”(1)或“OFF”(0)组合信息来表示不同挡位信息。

假设:P,R,N,D对应的A、B相组合信息分别为00,10,11,01。

本实用新型考虑了前述的4路“霍尔传感器-永磁体对”当有一个霍尔传感器失效 时换档装置的容错能力,以及“霍尔传感器-永磁体对”与中空轴编码器相互校验的自主纠 错能力。

以4个霍尔传感器和4个小磁柱组合为例进行说明。

当第一个霍尔传感器失效时:(以下编号改成a,b,c,d)

a.当前档位为P档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0100或是1100。当输出为 0100时,信号输出正常,不影响换档装置正常使用;当为1100时,4个霍尔传感器与接近开关 输出信息进行校验后输出正确的档位信息0100,并定位第一个霍尔传感器的故障信息。同 时,中空轴编码器也与接近开关进行P档校验,中央处理器对中空轴编码器输出的A,B相信 息组合进行初始化(00)。

b.当前档位为R档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0010或是1010。当输出为 0010时,4个霍尔传感器与中空轴编码器输出信息(10)进行校验后输出正确的档位信息 1010,同时定位第一个霍尔传感器的故障信息;当输出为1010时,信号输出正常,不影响换 档装置正常使用。

c.当前档位为N档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0101或是1101。当输出为 0101时,信号输出正常,不影响换档装置正常使用;当输出为1101时, 4个霍尔传感器与中 空轴编码器输出信息(11)进行校验后输出正确的档位信息0101,同时定位第一个霍尔传感 器的故障信息。

d.当前档位为D档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0010或是1010。当输出为 0010时,信号输出正常,不影响换档装置正常使用;当输出为1010时,4个霍尔传感器与中空 轴编码器输出信息(01)进行校验后输出正确的档位信息0010,同时定位第一个霍尔传感器 的故障信息。

当第二个霍尔传感器失效时:

a.当前档位为P档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0000或是0100。当为0000时, 4个霍尔传感器与接近开关输出信息进行校验后输出正确的档位信息0100,并定位第二个 霍尔传感器的故障信息;当输出为0100时,信号输出正常,不影响换档装置正常使用。同时, 中空轴编码器也与接近开关进行P档校验,中央处理器对中空轴编码器输出的A,B相信息组 合进行初始化(00)。

b.当前档位为R档时,4个霍尔传感器输出编码可能为1010或是1110。当输出为 1010时,信号输出正常,不影响换档装置正常使用;当输出为1110时,4个霍尔传感器与中空 轴编码器输出信息(10)进行校验后输出正确的档位信息1010,同时定位第二个霍尔传感器 的故障信息。

c.当前档位为N档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0001或是0101。当输出为 0001时,4个霍尔传感器与中空轴编码器输出信息(11)进行校验后输出正确的档位信息 0101,同时定位第二个霍尔传感器的故障信息;当输出为0101时,信号输出正常,不影响换 档装置正常使用。

d.当前档位为D档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0010或是0110。当输出为 0010时,信号输出正常,不影响换档装置正常使用;当输出为0110时,4个霍尔传感器与中空 轴编码器输出信息(01)进行校验后输出正确的档位信息0010,同时定位第二个霍尔传感器 的故障信息。

当第三个霍尔传感器失效时:

a.当前档位为P档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0100或是0110。当为0100时, 信号输出正常,不影响换档装置正常使用;当输出为0110时,4个霍尔传感器与接近开关输 出信息进行校验后输出正确的档位信息0100,并定位第三个霍尔传感器的故障信息。同时, 中空轴编码器也与接近开关进行P档校验,中央处理器对中空轴编码器输出的A,B相信息组 合进行初始化(00)。

b.当前档位为R档时,4个霍尔传感器输出编码可能为1000或是1010。当输出为 1000时,4个霍尔传感器与中空轴编码器输出信息(10)进行校验后输出正确的档位信息 1010,同时定位第三个霍尔传感器的故障信息;当输出为1010时,信号输出正常,不影响换 档装置正常使用。

c.当前档位为N档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0101或是0111。当输出为 0101时,信号输出正常,不影响换档装置正常使用;当输出为0111时,4个霍尔传感器与中空 轴编码器输出信息(11)进行校验后输出正确的档位信息0101,同时定位第三个霍尔传感器 的故障信息。

d.当前档位为D档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0000或是0010。当输出为 0000时,4个霍尔传感器与中空轴编码器输出信息(01)进行校验后输出正确的档位信息 0010,同时定位第三个霍尔传感器的故障信息;当输出为0010时,信号输出正常,不影响换 档装置正常使用。

当第四个霍尔传感器失效时:

a.当前档位为P档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0100或是0101。当输出为 0100时,信号输出正常,不影响换档装置正常使用;当为0101时,4个霍尔传感器与接近开关 输出信息进行校验后输出正确的档位信息0100,并定位第四个霍尔传感器的故障信息。同 时,中空轴编码器也与接近开关进行P档校验,中央处理器对中空轴编码器输出的A,B相信 息组合进行初始化(00)。

b.当前档位为R档时,4个霍尔传感器输出编码可能为1010或是1011。当输出为 1010时,信号输出正常,不影响换档装置正常使用;当输出为1011时,4个霍尔传感器与中空 轴编码器输出信息(10)进行校验后输出正确的档位信息1010,同时定位第四个霍尔传感器 的故障信息。

c.当前档位为N档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0100或是0101。当输出为 0100时,4个霍尔传感器与中空轴编码器输出信息(11)进行校验后输出正确的档位信息 0101,同时定位第四个霍尔传感器的故障信息;当输出为0101时,信号输出正常,不影响换 档装置正常使用。

d.当前档位为D档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0010或是0011。当输出为 0010时,信号输出正常,不影响换档装置正常使用;当输出为0011时,4个霍尔传感器与中空 轴编码器输出信息(01)进行校验后输出正确的档位信息0010,同时定位第四个霍尔传感器 的故障信息。

所以,当有一个传感器失效时,可以通过与接近开关或中空轴编码器的配合,及通 过软件算法处理,保证换档装置正常工作,同时可以定位故障点,方便故障诊断。

3、以编码形式表示档位信息

现有的以霍尔传感器作为档位检测的换档装置中,大多采用一位或两位编码,当 有一个传感器失效时,整个换档装置就会失效,安全性极低。而本实用新型采用四位编码, 且小磁柱N极和S极交错排列,由二者组合所包含的编码的信息量远大于任何以其他形式组 合所包含的编码的信息量。

所以,本实用新型采用的判断档位的方法,不是依赖于某一位信息来判断档位,而 是通过多位编码信息判断档位。

总而言之,本实用新型所述的换档装置具有的防失效功能主要体现三个方面:一 是通过两个行程开关实现的P档到R档的换档意图判断功能;二是霍尔传感器和编码器在检 测和判断档位信息时的冗余及校验功能;三是霍尔传感器和永磁体独特的布置方式及所包 含的巨大的编码信息量。上述防失效功能的具体实现使得换档装置就有较高的安全性,同 时使得配备此换档装置的换档器具有较高的安全性和可靠性。

如图1所示,一种汽车电子选档装置控制结构,包括用于实现汽车档位信息采集的 档位信息采集元件,档位信息采集元件用于和汽车电子控制单元连接,其特点在于,还包括 中央处理器,所述档位信息采集元件和中央处理器相连,中央处理器具有两个信号输出端 和汽车电子控制单元相连。其中所述两个信号输出端分别为PWM信号输出端和CAN信号输出 端。所述档位信息采集元件,包括一组用于实现档位信息采集的霍尔传感器,还包括安装在 换档动力输入构件的转轴上的编码器以及设置在安装座上能够检测换档动力输入构件起 始档位信号变化的起始档位信号采集传感器。

下面结合一种采用了本实用新型结构的汽车换档装置附图对本实用新型作进一 步的详细说明。

最优实施方式:如图2所示,一种汽车换档装置,包括电子选档机构,电子选档机构 包括包括安装座4,安装座4上安装有换档动力输入构件,换档动力输入构件靠转轴15可转 动地安装配合在安装座上,换档动力输入构件转动范围内设置各档位使得依靠换档动力输 入构件的转动实现档位更换,电子选档机构还包括相对固定设置于安装座或换档动力输入 构件的多个信号感应采集构件5,以及和信号感应采集构件5对应设置的信号感应用构件7, 信号感应用构件相对固定设置于换档动力输入构件或安装座上,并使得信号感应用构件随 换档动力输入构件旋转换档时能够进入到信号感应采集构件的感应范围内实现信号采集; 其特征在于,汽车换档装置还包括能够在换档动力输入构件转动实现换档过程中对换档动 力输入构件转动至各档位时进行信号检测的档位信号检测机构。

上述汽车换档装置用于自动档车辆安装使用,安装时信号感应采集构件和档位信 号检测机构的信号输出端均和汽车上的汽车电子控制单元(ECU)连接并为其提供档位信 号;实施时增设了一个中央处理器,将信号感应采集构件和档位信号检测机构的信号输出 端先和中央处理器相连,靠中央处理器进行信号处理后转化为标准通讯协议的信号传输至 汽车电子控制单元的处理芯片内进行处理。另外,还进一步地,在中央处理器中设置PWM信 号输出端和CAN信号输出端和汽车电子控制单元相连,使得中央处理器分别采用CAN总线协 议信号和PWM协议信号两种模式传输信号至汽车电子控制单元,这样可以更好地提高信号 传输过程的抗干扰能力,进而就提高了换档可靠性。这样,平时正常工作换档操作时,依靠 电子选档机构检测并提供档位信号至ECU并供汽车动力输出端执行相应换档操作,增加的 档位信号检测机构可以作为校验之用;而当电子选档机构出现电路故障,使得换档操作无 法检测到正常信号后,此时ECU可以控制报警,同时依靠起辅助作用的档位信号检测机构检 测到的档位信号,控制汽车动力输出端执行相应执行换档操作。保证了出现故障时,在报警 并提醒检修的同时,车辆还可以在档位信号检测机构的辅助作用下实现换档操作并行驶至 维修点供检修,极大地降低了车辆换档失灵带来的危险(例如需要由驾驶档转换为倒车档 倒车时,如果倒车档失灵就会产生极大地危险),同时避免了换档失效后车辆只能被迫锁死 不能动弹只能等到拖车和救援带来的驾驶麻烦。这样就使得汽车安全风险降低的情况下能 够提高驾驶便捷性以方便故障处理。

本实施方式中,所述换档动力输入构件为竖向设置的换档杆12,换档杆下端靠横 向设置的转轴可转动地安装在安装座上。

这样,结构简单,且符合常规操作方式,方便换档操作。但具体实施时,换档动力输 入构件也可以考虑为转盘式结构,甚至在语音操控驾驶系统中,语音识别后靠控制的动力 装置输出轴作为换档动力输入构件;等等均为可实施的范围。

本实施方式中,所述信号感应用构件安装在一个扇形板8侧表面上,扇形板8和换 档动力输入构件固定连接并能够随其一起旋转,扇形板8的扇形弧度方向和换档动力输入 构件旋转方向一致,所述信号感应采集构件设计在一个和扇形板间隔并列布置的信号采集 线路板6上。

这样,具有结构简单且方便安装,方便信号线输出连接等优点。具体实施时,信号 感应用构件和信号感应采集构件设置位置也可以相反,虽然不利于信号线连接,但也属于 可实施的范围。

本实施方式中,所述信号感应采集构件数量至少为两个,所述信号感应用构件数 量至少为两个,使得信号感应用构件随换档动力输入构件移动至不同档位时能够和信号感 应采集构件配合构成不同编码的感应信号组输出。

这样,能够依靠多个信号感应用构件和多个信号感应采集构件配合,实现编码后 的感应信号组输出;能够提高每组信号输出中蕴含的信息量以提高单组信息的可检验性, 当构件数量较多编码复杂时,出错后能够实现自检校验更正,以使得个别信号感应采集构 件失效后,仍然能够自检校验更正后输出正确的档位信息,极大地提高了档位信息可识别 性,提高了驾驶安全性。同时,当构件数量较少时,也可以采用更少的信号感应采集构件实 现更多的档位识别,这样等同于减少了信号感应采集构件的数量,就间接地降低了单个信 号感应采集构件失效带来风险的机率,提高了安全性。例如当信号感应采集构件和信号感 应用构件数量均为最少的两个构件时,可以依靠错位编码,即信号感应采集构件和信号感 应用构件相互移动为正对时,能够检测到信号输出高电平信息编码记为1,移动错位后不能 检测到信号或信号较弱输出低电平信号编码记为0,这样可以构成00、01、11、10四组编码来 实现四个档位的检测;而传统的要实现四个档位检测的电子选档机构需要设置四个信号感 应采集构件和一个信号感应用构件;由于信号感应用构件功能是用于被感应,故不会存在 失效风险,失效风险均集中在信号感应采集构件上。所以同样实现四个档位检测判断的基 础上,当四个风险源减少为两个风险源,即可极大地降低风险,提高安全性。

本实施方式中,所述信号感应采集构件数量和汽车档位数量一致且布置位置和汽 车档位一一对应,所述信号感应用构件对应信号感应采集构件设置为间隔一个信号感应采 集构件对应设置一个信号感应用构件的方式布置。

这样,等同于将信号感应用构件对应档位位置间隔设置,数量减少一半,当信号感 应用构件设置区域中,具有信号感应用构件处对应的信号感应采集构件能够采集到较强信 号输出高电平,输出信息编码为1,空位处对应的信号感应采集构件不能采集到信号或者只 能采集到较弱的信号输出低电平,输出信号编码为O。这样就利用空位信息提高编码复杂 性,且该复杂性是具有固定间隔的规律所产生,这样就更加利于当有构件失效后进行自检 校验更正,输出正确的档位信息,极大地提高了自主纠错能力。例如当汽车设计五个或六个 档位时,信号感应采集构件数量设计为对应的五个或六个,而将信号感应用构件设置为间 隔的三个,当汽车设计为四个档位时,信号感应采集构件数量设计为对应的四个,而将信号 感应用构件就设置为间隔的两个。

本实施方式中,所述信号感应采集构件5为霍尔传感器,所述信号感应用构件7为S 极正对霍尔传感器的方向安装的永磁体。

这样,采用霍尔传感器和永磁体配合实现信号采集检测,具有可靠性高的优点。当 然实施时,也可以采用现有技术中其他能够实现感应检测的构件配合实现档位信号采集检 测。实施时,永磁体优选为圆柱体结构,方便安装固定。

本实施方式中,每相邻两个S极正对霍尔传感器的方向安装的永磁体之间还设置 有防止信号干涉的信号屏蔽构件。

这样,保证当霍尔传感器检测到两个S极正对霍尔传感器的方向安装的永磁体之 间的空位时,能够靠信号屏蔽构件屏蔽左右的信号干扰,保证检测输出为低电平,更加利于 编码区分。

本实施方式中,所述信号屏蔽构件为N极正对霍尔传感器的方向安装的永磁体。这 样,能够产生最大化的信号屏蔽效果,缩小相邻的信号感应用构件之间的位置空间,在降低 装置体积的同时,降低干扰性,保证检测可靠性和准确性。

本实施方式中,所述档位信号检测机构包括安装在转轴上的编码器,还包括设置 在安装座上能够检测换档动力输入构件起始档位信号变化的起始档位信号采集传感器9。

其中,起始档位一般为驻车档,编码器和起始档位信号采集传感器安装时均和汽 车电子控制单元(ECU)连接。这样,当车辆由驻车档启动换档操作时,先依靠起始档位信号 采集传感器检测到起始信号标记,然后依靠编码器检测出转轴旋转角度,对应得出档位信 息作为对比检验自检之用,极大地提高了档位检测可靠性。同时自身具有结构简单小巧不 占多余空间,方便安装,可靠性高等特点。另外,实施时,当车辆由驻车档启动换档操作后, 起始档位信号采集传感器检测到起始信号标记后,判断已经启动换档时,ECU可以先将换档 信号传递到汽车动力输出端,预启动换档操作,极大地提高了换档操作效率。

本实施方式中,所述编码器为机械触点电刷式编码器。这样,采用机械接触的方式 实现档位信号检测机构的档位信号检测,使其和电子选档机构采用电磁感应检测的方式从 原理上相区别开来,极大地降低了同一事故造成电子选档机构和档位信号检测机构同时失 效的风险。保证了至少有一组机构工作可靠,进而更好地提高了换档操作的可靠性。

实施时,编码器包括固定于转轴的编码器内圈部件2,套设配合在编码器内圈部外 表面且和安装座固定的编码器外圈部件3,还包括一个用于信号输出转接的编码器插接件 1。这样方便安装和信号输出转接。

本实施方式中,起始档位信号采集传感器为固定在安装座上的一个起始档位信号 采集用行程开关,所述换档动力输入构件上具有对应的起始档位信号感应用触头部且使得 换档动力输入构件处于起始档位时,起始档位信号感应用触头部能够对应触碰到起始档位 信号采集用行程开关,使其具有结构简单,检测可靠的优点。实施时,起始档位信号感应用 触头部可以直接设置在换档动力输入构件上,或者根据需要设置在与换档动力输入构件相 互固定的其它构件上,应视为间接地设置在了换档动力输入构件上。

本实施方式中,还包括P档抱紧装置,P档抱紧装置包括一个安装在换档动力输入 构件或者其转轴上用于在P档驻车时实现对P档位置机械式抱紧锁死的电磁阀13,还包括接 入到电磁阀控制电路中的P档第一机械解锁用行程开关10和P档第二机械解锁用行程开关 (图中未显示),所述P档第一机械解锁用行程开关安装在安装座上且能够和换档动力输入 构件上的一个解锁按钮11联动,换档动力输入构件处于P档时按下解锁按钮可以通过中间 力传递构件触发P档第一机械解锁用行程开关动作,同时P档第二机械解锁用行程开关安装 在刹车踏板位置使得踩下刹车踏板后能够触发P档第二机械解锁用行程开关动作。当P档第 一机械解锁用行程开关和P档第二机械解锁用行程开关同时被触发动作时,对电磁阀进行 机械解锁,此时转动换档动力输入构件可执行换档操作。保证驻车状态时的安全可靠性。其 中换档动力输入构件为换档杆12时,解锁按钮设置于换档杆顶端,换档杆为中空结构,中间 力传递构件包括竖向设置于换档杆内腔中的滑杆,滑杆下部侧向延伸设置限位销14用于和 P档第一机械解锁用行程开关对应配合,滑杆下端设置复位弹簧16进行复位,这样结构简 单,操作方便可靠。实施时,进一步地,P档第一机械解锁用行程开关和P档第二机械解锁用 行程开关还可以连接到汽车电子控制单元,用于当检测到触发动作后,发送信号给汽车电 子控制单元表明预判换档意图,并供动力输出端作为换档预处理准备,提高换档效率。

下面以上述最优实施方式为基础,进一步举例详细说明本汽车换档装置的优点和 原理。

装置的工作过程为:装置上电且换档杆处于P档时,起始档位信号采集用行程开关 和P档第一机械解锁用行程开关均处于闭合状态以及P档第二机械解锁用行程开关,当驾驶 员要进行P→R换档操作时,第一步,先按下换档杆上端的解锁按钮,P档第一机械解锁用行 程开关解锁;第二步,踩下制动踏板,P档第二机械解锁用行程开关解锁;(注:上述第一、第 二步操作顺序可以相反,即先踩下制动踏板,再按下解锁按钮)第三步,继续操作换档杆,将 其换至R档位,这时起始档位信号采集用行程开关内部触点也处于断开状态。

档位信号检测机构中编码器和换档杆同轴运动,换档杆的运动会带动编码器内圈 部件旋转并输出相应的档位编码信息A,用以判断目前换档杆所处位置。同时在电子选档机 构中,依靠多个霍尔传感器元件检测到的多路电信号转换成档位编码信息B,并输出给换档 装置的中央处理器MCU(MCU可以视为ECU的一个组成部分);编码器输出的档位编码信息A和 霍尔传感器输出的档位编码信息B在MCU相互校验无误后,作为最终的档位信息输出。

上述装置防失效功能具体体现在3个方面:

1、从P→R换档意图判断

P→R换档意图的判断主要通过安装在换档装置安装座上的两个接近开关相互配 合共同实现的,目的是确保当驾驶人员具有换档意图并开始执行换档操作时,换档装置才 输出换档信号,以防止档位被误判。

当换档杆处于P档时,起始档位信号采集用行程开关上的弹簧片被起始档位信号 感应用触头部压下,P档第一机械解锁用行程开关上的弹簧片被限位销压下,此时两个行程 开关内部触点均处于闭合状态;当换档装置上电后,首先对起始档位信号采集用行程开关、 P档第一机械解锁用行程开关接近开关做初始化判断,其结果表示换档杆是否处于P档位 置。

当按下换档杆上端解锁按钮,换档杆内部的滑杆向下移动,带动限位销向下移动, P档第一机械解锁用行程开关解锁,也使得P档第一机械解锁用行程开关弹簧片释放,开关 内部触点处于断开状态,此时换档装置仍处于P档位置,但可初步判断驾驶员具有P→R换档 意图;当驾驶员踩下制动踏板后,控制P档第二机械解锁用行程开关解锁,此时可以判断驾 驶员已具有P→R换档意图,同时换档杆机械解锁全部完成,具备了向R档移动条件,驾驶员 可继续换档操作。当换档杆离开P档位置,起始档位信号采集用行程开关处于闭合-断开状 态的跳变瞬间,通过检测电信号从高到低(或从低到高)的跳变,即可判断换档杆正离开P 档,向R档移动。

执行P→R换档操作,必须按下换档杆上端解锁按钮、同时配合踩下制动踏板才能 将两级机械限位保护解锁;否则,选档手柄在P档位置是被机械锁止,无法移动的,以此来防 止被误操作。

2、具有多传感器冗余及不同检测机理传感器相互校验机能

(1) 多传感器冗余

“霍尔传感器-磁体对”是霍尔传感器与永磁体的组合,霍尔传感器是根据霍尔效 应制作的一种磁场传感器,组成“霍尔传感器-磁体对”的霍尔传感器和永磁体分别安装在 换档装置的信号采集线路板和扇形板上。

在扇形板上安装有若干个永磁体, N极和S极交错朝外,沿弧形轨迹排列,以产生 N、S交替的磁极阵列,永磁体是永久磁性材料,相对其他电子元件而言更不易失效;在信号 采集线路板上安装有与永磁体数量相同的霍尔传感器。

当永磁体的S极接近或远离霍尔传感器时,会使霍尔传感器产生通或断的信号。根 据霍尔传感器的电气特性,当永磁体N极接近霍尔传感器时其输出为低电平,信息编码为0, 当永磁体S极接近霍尔传感器时其输出为高电平,信息编码为1。多路“霍尔传感器-磁体对” 产生多位编码信息,该编码信息用来表示档位信息。

多路“霍尔传感器-磁体对”可为:含2-6个霍尔传感器及2-6个永磁体以及他们的 组合。

下面以4个霍尔传感器及对应的4个永磁体组成的4路“霍尔传感器-永磁体对”为 例进行详细阐述。

霍尔传感器被焊接在电路板上成为信号采集线路板,信号采集线路板安装在换档 装置上盖壳体内,为固定件;永磁体安装在扇形板上,为运动件;随着驾驶员操作换档杆时 档位的变化,扇形板靠转轴实现转动,其上安装的永磁体与信号采集线路板上安装的霍尔 传感器之间的相对位置发生变化。

当换档杆初始位置处于P档(顺向起始位置,逆向极限位置)时,霍尔传感器与永磁 体的相对位置为图3所示;当顺向操作换档杆至R档时(在两级机械限位保护解锁的前提 下),扇形板与信号采集线路板之间就会错开一定的角度,霍尔传感器与永磁体的相对位置 如图3所示;当继续顺向操作换档杆至N档,扇形板和信号采集线路板之间错开的角度继续 加大,霍尔传感器与永磁体的相对位置继续变化如图3;再继续顺向操作换档杆至D档,扇形 板和信号采集线路板之间错开的角度再次加大(到达到顺向的极限位置,逆向的起始位 置),此时,霍尔传感器与永磁体的相对位置如图3所示。霍尔传感器根据与之对应永磁体的 不同S、N极性,产生不同的通断信号,最后产生不同的多位编码信息来表示不同的档位信 息。

所以,每个档位信息就是一组由多路“霍尔传感器-永磁体对”产生的固定多位编 码信息。在顺向操作换档杆从P档到D档的过程中,霍尔传感器和永磁体之间相对位置示意 如图3所示,图中,箭头代表霍尔传感器,N表示永磁体N极面向霍尔传感器,S表示永磁体S极 面向霍尔传感器。

根据霍尔传感器的电气特性,当永磁体N极接近霍尔传感器时其输出为低电平,信 息编码为0;当永磁体S极接近霍尔传感器时其输出为高电平,信息编码为1;永磁体与霍尔 传感器探测面之间的间隙优选设计为1-2mm,以保证感应检测效果。

当换档杆初始位置处于P档时,四个霍尔传感器(从右往左)输出的电信号为低、 低、高、低,信息编码(从低位到高位)为0100;当顺向操作换档杆至R档时,编码信息为1010; 继续顺向操作换档杆至N档,编码信息为0101;再继续顺向操作换档杆至D档,编码信息为 0010。

反之,当换档杆初始位置为D档时,四个霍尔传感器(从右往左)输出的电信号为 低、高、低、低,信息编码(从低位到高位)为0010;当逆向操作换档杆至N档时,编码信息为 0101;继续逆向操作换档杆至R档,编码信息为1010;再继续顺向操作换档杆至P档,编码信 息为0100。

利用上述多传感器冗余可提高换档装置的容错能力:

换档装置中任何元器件的失效都可能导致不同程度的安全问题,所以降低元器件 的失效概率及提高容错能力是设计换档装置不可或缺的两个内容。霍尔传感器作为检测档 位信息的关键部件,对整个换档装置的可靠性甚至整个车辆系统的安全性都有重大影响。

(2)不同检测机理传感器相互校验

本实用新型选用了“霍尔传感器-永磁体对”与中空轴编码器(又叫旋转开关)这二 种不同检测机理的传感器,对各自采集的档位信息进行相互校验。通过中央处理器MCU内的 校验算法,使其具有自主纠错能力,从而提高输出档位信息的可靠性与安全性。

中空轴编码器有三个引脚,分别为A、B、C。其中C为电源输入端,A、B两相输出脉冲 信号。当换挡杆顺向或逆向拨动不同角度时,中空轴编码器A、B输出引脚都会输出不同的相 脉冲信号,以两相信号的定位稳定点的“ON”(1)或“OFF”(0)组合信息来表示不同挡位信息。

假设:P,R,N,D对应的A、B相组合信息分别为00,10,11,01。

本实用新型考虑了前述的4路“霍尔传感器-永磁体对”当有一个霍尔传感器失效 时换档装置的容错能力,以及“霍尔传感器-永磁体对”与中空轴编码器相互校验的自主纠 错能力。

以4个霍尔传感器和4个小磁柱组合为例进行说明。

当第一个霍尔传感器失效时:(以下编号改成a,b,c,d)

a.当前档位为P档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0100或是1100。当输出为 0100时,信号输出正常,不影响换档装置正常使用;当为1100时,4个霍尔传感器与接近开关 输出信息进行校验后输出正确的档位信息0100,并定位第一个霍尔传感器的故障信息。同 时,中空轴编码器也与接近开关进行P档校验,中央处理器对中空轴编码器输出的A,B相信 息组合进行初始化(00)。

b.当前档位为R档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0010或是1010。当输出为 0010时,4个霍尔传感器与中空轴编码器输出信息(10)进行校验后输出正确的档位信息 1010,同时定位第一个霍尔传感器的故障信息;当输出为1010时,信号输出正常,不影响换 档装置正常使用。

c.当前档位为N档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0101或是1101。当输出为 0101时,信号输出正常,不影响换档装置正常使用;当输出为1101时, 4个霍尔传感器与中 空轴编码器输出信息(11)进行校验后输出正确的档位信息0101,同时定位第一个霍尔传感 器的故障信息。

d.当前档位为D档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0010或是1010。当输出为 0010时,信号输出正常,不影响换档装置正常使用;当输出为1010时,4个霍尔传感器与中空 轴编码器输出信息(01)进行校验后输出正确的档位信息0010,同时定位第一个霍尔传感器 的故障信息。

当第二个霍尔传感器失效时:

a.当前档位为P档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0000或是0100。当为0000时, 4个霍尔传感器与接近开关输出信息进行校验后输出正确的档位信息0100,并定位第二个 霍尔传感器的故障信息;当输出为0100时,信号输出正常,不影响换档装置正常使用。同时, 中空轴编码器也与接近开关进行P档校验,中央处理器对中空轴编码器输出的A,B相信息组 合进行初始化(00)。

b.当前档位为R档时,4个霍尔传感器输出编码可能为1010或是1110。当输出为 1010时,信号输出正常,不影响换档装置正常使用;当输出为1110时,4个霍尔传感器与中空 轴编码器输出信息(10)进行校验后输出正确的档位信息1010,同时定位第二个霍尔传感器 的故障信息。

c.当前档位为N档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0001或是0101。当输出为 0001时,4个霍尔传感器与中空轴编码器输出信息(11)进行校验后输出正确的档位信息 0101,同时定位第二个霍尔传感器的故障信息;当输出为0101时,信号输出正常,不影响换 档装置正常使用。

d.当前档位为D档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0010或是0110。当输出为 0010时,信号输出正常,不影响换档装置正常使用;当输出为0110时,4个霍尔传感器与中空 轴编码器输出信息(01)进行校验后输出正确的档位信息0010,同时定位第二个霍尔传感器 的故障信息。

当第三个霍尔传感器失效时:

a.当前档位为P档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0100或是0110。当为0100时, 信号输出正常,不影响换档装置正常使用;当输出为0110时,4个霍尔传感器与接近开关输 出信息进行校验后输出正确的档位信息0100,并定位第三个霍尔传感器的故障信息。同时, 中空轴编码器也与接近开关进行P档校验,中央处理器对中空轴编码器输出的A,B相信息组 合进行初始化(00)。

b.当前档位为R档时,4个霍尔传感器输出编码可能为1000或是1010。当输出为 1000时,4个霍尔传感器与中空轴编码器输出信息(10)进行校验后输出正确的档位信息 1010,同时定位第三个霍尔传感器的故障信息;当输出为1010时,信号输出正常,不影响换 档装置正常使用。

c.当前档位为N档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0101或是0111。当输出为 0101时,信号输出正常,不影响换档装置正常使用;当输出为0111时,4个霍尔传感器与中空 轴编码器输出信息(11)进行校验后输出正确的档位信息0101,同时定位第三个霍尔传感器 的故障信息。

d.当前档位为D档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0000或是0010。当输出为 0000时,4个霍尔传感器与中空轴编码器输出信息(01)进行校验后输出正确的档位信息 0010,同时定位第三个霍尔传感器的故障信息;当输出为0010时,信号输出正常,不影响换 档装置正常使用。

当第四个霍尔传感器失效时:

a.当前档位为P档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0100或是0101。当输出为 0100时,信号输出正常,不影响换档装置正常使用;当为0101时,4个霍尔传感器与接近开关 输出信息进行校验后输出正确的档位信息0100,并定位第四个霍尔传感器的故障信息。同 时,中空轴编码器也与接近开关进行P档校验,中央处理器对中空轴编码器输出的A,B相信 息组合进行初始化(00)。

b.当前档位为R档时,4个霍尔传感器输出编码可能为1010或是1011。当输出为 1010时,信号输出正常,不影响换档装置正常使用;当输出为1011时,4个霍尔传感器与中空 轴编码器输出信息(10)进行校验后输出正确的档位信息1010,同时定位第四个霍尔传感器 的故障信息。

c.当前档位为N档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0100或是0101。当输出为 0100时,4个霍尔传感器与中空轴编码器输出信息(11)进行校验后输出正确的档位信息 0101,同时定位第四个霍尔传感器的故障信息;当输出为0101时,信号输出正常,不影响换 档装置正常使用。

d.当前档位为D档时,4个霍尔传感器输出编码可能为0010或是0011。当输出为 0010时,信号输出正常,不影响换档装置正常使用;当输出为0011时,4个霍尔传感器与中空 轴编码器输出信息(01)进行校验后输出正确的档位信息0010,同时定位第四个霍尔传感器 的故障信息。

所以,当有一个传感器失效时,可以通过与接近开关或中空轴编码器的配合,及通 过软件算法处理,保证换档装置正常工作,同时可以定位故障点,方便故障诊断。

3、以编码形式表示档位信息

现有的以霍尔传感器作为档位检测的换档装置中,大多采用一位或两位编码,当 有一个传感器失效时,整个换档装置就会失效,安全性极低。而本实用新型采用四位编码, 且小磁柱N极和S极交错排列,由二者组合所包含的编码的信息量远大于任何以其他形式组 合所包含的编码的信息量。

所以,本实用新型采用的判断档位的方法,不是依赖于某一位信息来判断档位,而 是通过多位编码信息判断档位。

总而言之,本实用新型所述的换档装置具有的防失效功能主要体现三个方面:一 是通过两个行程开关实现的P档到R档的换档意图判断功能;二是霍尔传感器和编码器在检 测和判断档位信息时的冗余及校验功能;三是霍尔传感器和永磁体独特的布置方式及所包 含的巨大的编码信息量。上述防失效功能的具体实现使得换档装置就有较高的安全性,同 时使得配备此换档装置的换档器具有较高的安全性和可靠性。

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