直排式AMT换挡机构电路设计

周泽华，谭 敏

（合肥学院 电子信息与电气工程系，安徽 合肥 230601）

1 引言

汽车是当今交通中不可或缺的组成部分，它的存在日益渗透到人们生活的各个方面，而作为汽车关键总成之一的变速器技术在汽车诞生的百年历史中不断地与时俱进.手动变速器由于其传递动力的直接与高效性，加上制作技术的成熟与低成本，所以现在的汽车中装备手动变速器的仍然占有很大比例.但随着人们对汽车舒适性要求越来越高，现代汽车自动变速器装备率也越来越高却是一个不争的事实，尤其是当自动变速器也逐渐能够兼顾操控性的时候[1].在国内车市，自动变速器在乘用车当中越来越普及的同时，技术与种类也越来越丰富，自动变速器的技术甚至成为厂家产品的竞争利器.电控机械式自动变速箱(Automated Mechanical Transmission,AMT)是在传统的手动齿轮式变速器基础上改进而来的.AMT可以看作是自动的手动变速箱，AMT自动变速箱是在通常的手动变速箱和离合器上配备一套电子控制的液压操纵系统，以达到自动切换挡的目的.AMT的核心技术是微机系统，电子技术和质量将直接决定AMT的性能与运行质量.AMT在性价比和节能环保等方面堪与AT(Automatic Transmission)、CVT(Continuous Variable Transmission)产品相媲美，而且解决了手动挡车的驾驶乐趣和自动挡车的安全省事的矛盾.从世界范围来看，它是自动变速的一个重要发展方向[2-6].

2 直排式AMT 换挡机构电路设计

2.1 直排式AMT换挡操纵机构的挡位分布

手自一体机械式自动变速器的直排式换挡操纵机构挡位分布如图1所示，其中①位置是“R”挡，即倒车挡位；②位置是“N”挡，即空挡位；③位置是“D”挡，即前进挡位；④为“+”挡，即加速挡位；⑤位置是“M”挡，即手动模式；⑥位置是“-”挡，即减速挡位.

图1 档位分布图

2.2 直排式AMT换挡操纵机构的霍尔传感器分布

手自一体机械自动变速器的直排式换挡操纵机构实现换挡的前提仍然是对应的挡位上能感应到磁铁的经过，能够采集到输出信号，为此设计霍尔传感器的分布如图2所示，其中“R”、“N”、“D”、“+”、“M”和“-”挡位上分别有一个霍尔传感器，而A1、A2、A3和A4位置上各有一个用来检测过渡信号用的霍尔传感器.

图2 AMT方式下霍尔传感器的分布图

2.3 电路逻辑信号的定义

换挡机构的操纵杆在与图2所对应的位置时，其各路的逻辑电压信号将按下面的定义进行输出.

（1）输出的四路逻辑信号.逻辑“1”表示电压3.20±3.20*10%(V)，即[2.88,3.52](V)；逻辑电平“0”表示电压1.75±1.75*10%(V)，即[1.75,1.925](V).

（2）当操纵杆在位置①时，电路的输出信号对应于ECU的“R”挡信号.

（3）当操纵杆在位置②时，电路的输出信号对应于ECU的“N”挡信号.

（4）当操纵杆在位置③时，电路的输出信号对应于ECU的“D”挡信号.

（5）当操纵杆在位置④时，电路的输出信号对应于ECU的“+”挡信号.

（6）当操纵杆在位置⑤时，电路的输出信号对应于ECU的“M”挡信号.

（7）当操纵杆在位置⑥时，电路的输出信号对应于ECU的“-”挡信号.

最终结果如表1所示.

表1 信号定义表

考虑到在实际换挡过程中，可能检测到过渡信号，此时的过渡信号并不进行输出，而是保持之前的状态.另外由于N和M挡之间的距离较远，所以在换挡过程中可能检测不到信号即“0000”，故也保持之前的状态不变.图3是模拟挡位信号的电路，当对应挡位上的开关处于“关”即闭合的状态时说明换挡机构的操纵杆位于该挡位位置上；图4是整个电路的结构示意，并用图中的万用表来显示仿真的结果.

图3 挡位模拟电路

图4 整体电路结构

图3中“111111”为过渡电路的开关，“110000”为④⑤⑥位置的防错电路的开关，“000011”为位置①②③的防错电路开关.

2.4 霍尔传感器的模型

霍尔传感器相当于一个开关，当有磁铁经过时霍尔传感器导通，电压低，反之则断开，电压高.电路仿真时用一个继电器和一个电阻代替，其连接示意图如图5所示.其中，R20和J7是模拟的，是用来代替霍尔开关的其他电器特性与霍尔开关一样.开关分路中的R19是限流电阻，因为霍尔开关传感器的输出端为集电极开路输出，所以要设置一个上拉电阻来防止霍尔开关损坏，同时也能防止SW1和SW2路的电流过大.其中霍尔传感器的主要技术参数如下：

电源电压：Vcc=4.5V到24V（9V）.

图5 霍尔传感器的模型及其连接

输出饱和电压：Iout=175mA,最大400mA.输出漏电电流Ioff<1.0mA，最大10mA.

限流电阻的计算：

阻值大于51.4Ω 就可以了.通常上拉电阻取值为1K到10K之间，这里我们选取10K为上拉电阻的阻值.另外，上拉电阻的阻值也可根据实际需要进行改动，它的值并不是唯一的.

2.5 电路原理图

将整个电路分成SC1模块和SC2模块，其中SC1模块是用来检测①②③位置的挡位；而SC2模块式用来检测④⑤⑥位置的挡位.其中SC2模块上包括了电源输入电路、④⑤⑥位置的挡位信号的采集电路、在SC1模块和SC2模块之间进行换挡时的过渡电路和为避免在④⑤⑥之间换挡时发生错误操作而设计的防错电路.它们的具体实现如图6和图7所示.需要说明的是SC2模块1和SC2模块2是布置在一起的，模块1和模块2组合在一起才能称为SC2模块.

图6 SC2模块1

图7 SC2模块2

SC1模块是用来检测①②③挡位的，电路中包括了信号采集电路和防错电路.其电路原理图如图8和图9所示.

2.5.1 电源输入电路

图8 SC1模块1

图9 SC1模块2

如图10所示.由于汽车使用的是12V的电压，即Vcc=12V，采用型号为BZX84-B9V1的稳压二极管与限流电阻R21组成稳压电路，C6为滤波电容，可以滤掉电源中的脉动部分.P+为电源输出，向整个电路供电.稳压二极管参数为：Vz=9.1V，功耗为：Wz=0.3W，工作温度范围-65.0℃~150.0℃，故：

只要取值大于87.9Ω 即可，此处取100Ω，在设计过程中也可更改.

滤波电容的选取：在电源设计中，一般10pF的电容用来滤除高频干扰，而0.1uF的电容用来滤除低频的纹波干扰，且能起到稳压的作用，故本电路中滤波电容取值为0.1uF.

2.5.2 输出电位电路及其计算

如图11所示.电路的输出就是四路输出信号SW1、SW2、SW3和SW4，通过它们的电位大小确定输出的是逻辑“1”还是逻辑“0”，从而输出挡位信号.

图10 电源输入电路

图11 输出电位电路

电路通过两个电阻分压，将电源电压Vcc分成信号所要使用的电压，开关电路为“开”时，其对应的输出端电压为3.2V，为“关”时，对应的输出端电压为1.75V.电路中电容的作用是吸收开关动作时出现的电压波动.

由于四个输出端是一样的，故此处只计算一个，其余类似.

开关电路为“开”时：

开关电路为“关”时：

令R25=4.7K,则

2.5.3 过渡电路

过渡电路将放在电路板SC2里，其主要作用是当检测不到信号时能够输出之前状态的保持信号.其原理图如图12所示.

此处J6是模拟检测时对过渡电路进行控制的开关，实际计算时可视其为导线.IO1、OC1和OC2是和霍尔传感器的输出端相连的，当所有霍尔传感器都处于“关”的状态时，导线截止R7和R10组成分压电路，此时Q4处于饱和状态，R1和四路信号串联，输出四路低电平，即保持信号.当有一路霍尔传感器处于“开”状态时，最左边的导线接地，电压为0，D8作用是抵消点钟中其他二极管的作用，保证Q4始终处于截止状态.

2.5.4 防错电路

防错电路的设计如图13所示.电路的主要作用是为了在①②③位置和④⑤⑥位置之间换挡时出现错误信号，原因可能是同时检测到两路信号，直接导致ECU控制单元不知道输出什么挡位信号，结果是换挡不成功.SC1和SC2模块分别有一个防错电路，但是它们的原理是一致的.此处只分析一个.D6、D7接霍尔传感器的输出，D2根据霍尔传感器的导通或截止通过Q1影响Q2的基极电流，进而控制Q2的导通或截止.若Q2和Q4的串联以实现其对应的霍尔传感器的一个“开”状态，则防错电路将不起作用.与输出信号串联的电阻能够为信号电路提供电平其计算式为：

图12 过渡电路计算

图13 防错电路

3 结论

设计一个手自一体机械式自动变速器的直排式换挡操纵机构的控制电路，目前，手自一体机械式自动变速器（AMT）的换挡操纵机构一般采用的是“土”字形结构，其操作界面不同于传统的自动变速器换挡机构，不够直观，且无防误挂挡的功能.本文设计的直排式的换挡机构技能很好地解决这一问题.直排式换挡机构的实物结构简单明了，换挡过程中不会出现误挂挡的情况，能在最大限度下减少操作失误.

〔1〕陈家瑞,马天飞.汽车构造：第五版下册[M].北京：人民交通出版社,2011.

〔2〕王阳,陈慧岩,席军强.气动AMT 换挡系统设计与实验研究[J].液压与气动,2008(11)：40-43.

〔3〕何忠波, 白鸿柏.AMT 技术的发展现状与展望[J].农业机械学报,2007,38(5):182-186.

〔4〕Han-Sang Jo, Yeong-II Park.A study on the improvement of the shifting characteristic for the passenger car automatic transmission [J].Int.J.of Vehicle Design, 2000，23 (3):307-328.

〔5〕黄英,万国强,崔涛，等.AMT 换挡过程发动机控制策略研究[J].汽车工程,2012,34(3):245-248.

〔6〕Xiaohui L，Ping W，Bingzhao G，et al．Model Predictive Control of AMT Clutch During Start-up Process [C]．2011 Chinese Control and Decision Conference，Mianyang，China，2011:3204－3209．