手动挡车型挡位识别原理及标定研究

袁 伟

（上汽大众汽车有限公司，上海 201805）

前言

随着物质条件的日益丰富和人民审美、评价观念的提高，用户对车辆驾驶性体验和感受的要求也越来越高，关注点也越来越细化。车辆的驾驶性是指在任何天气和驾驶条件下驾驶员在驾驶过程中对车辆加速、减速、换挡、窜动、抖动、冲击、振动、噪声等感受的舒适程度[1]，也是在驾驶员对车辆做出操控后，车辆的动态响应能力、响应速率、响应时机等内容的综合体现，它体现着汽车产品的市场定位与品牌基因，影响着消费者购买意愿，是提升产品竞争力的关键因素之一[2]。

驾驶性评价有客观评价和主观评价两种方式。客观评价的难点在于建立准确的评价准则，在复杂的驾驶工况中找出典型工况并做出分析，在这个领域 AVL公司开发的AVL-Drive应用比较广泛[3]；主观评价的缺点在于不同的客户驾驶性要求不一样，客户的真实需求难以被准确识别。由于驾驶性评价没有统一的行业标准，而以消费者的期望满意度为最终评价依据，因此一般是以主观评价为主，客观评价为辅。

1 驾驶性标定概述

在车辆的主要硬件如发动机、变速箱、底盘、轮胎、发动机管理系统（Engine Management System，以下简称EMS）控制策略等确定以后，通过对 EMS中驾驶性相关模块的标定，可以优化车辆的驾驶性能，最大化的满足客户需求。

驾驶性标定的主要内容包括加速、匀速、减速（滑行及制动）、起步、发动机启动/停机、换挡、怠速、快速松/踩油门、负荷转换、巡航等，一般需要30个工作日，同时还需要经过“三高环境试验”（高温、高原、高寒）的极限验证。由于驾驶性的主观特性，因此一般需要进行经过粗标、评价、精细标定、再评价以及质量保证部门验收等多个环节。驾驶性标定(行驶性能部分)的一般流程见图1。如图1所示，对于手动挡车型而言，挡位识别是驾驶性标定模块的重要组成部分，正确的挡位识别为后续标定提供了必要条件。

手动挡挡位分为3个部分，分别是前进挡、空挡和倒挡。倒挡由倒挡开关进行识别，不需要进行特别的标定，本文主要针对前进挡和空挡的识别进行研究。

图1 驾驶性标定一般流程

2 前进挡的挡位识别

2.1 识别原理

前进挡的挡位：Tra_numGear取决于修正后的车速和转速的比值：V/N，其中转速是发动机转速或者变速箱输出转速，本文中采用发动机转速。一般来说，车速和发动机转速之间有如下关系[4]：

其中：V 表示车速，km/h；N 表示发动机转速，rpm；U 表示轮胎周长，m；Rw 表示轮胎半径，m；ig 表示变速箱系统的速比。

根据上述理论公式，车速和转速信号正常的前提下，当离合器闭合时，V/N的比值反应了不同挡位下变速箱速比、驱动系统、轮胎直径等的关系，且挡位一定时，V/N的值基本保持恒定，仅会在一个很小的范围内波动，因此可以用来表征前进挡的挡位信号。以1挡为例，相对应的标定下限值Tra_rVn1L_C 和上限值Tra_rVn1H_C，当V/N在标定限值范围内时，校验通过后，即判定为1挡。需要指出的是，Tra_rVn（X）L_C和Tra_rVn（X）H_C的标定既需要覆盖最大测量值，又需要与上、下挡位有交错，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，如图2所示。如表1是某手动挡车型挡位标定阈值。

图2 挡位识别原理

表1 某手动挡车型挡位标定阈值

2.2 标定流程

挡位识别标定的目的是测量每个挡位状态下V/N的稳态值及最小、最大限值，标定流程如图3所示。

在标定过程中，有以下几点注意事项，1）试验车辆要状态良好、配置准确。比如正确轮胎规格及合适的胎压、正确的变速箱速比、良好的离合器状态、正确的仪表设置等；2）相关的测量变量，如V/N：PT_rTraV2N、挡位：Tra_numGear、发动机转速：nmot_w、车速：vfzg_w、离合器信号：B_kuppl等，要用专业标定软件INCA以10ms的采样频率测量；3）自由驾驶工况进行挡位识别检查时，要覆盖动力总成抖动最严重的工况，如急加速、急刹车等。

3 空挡的识别及标定

图3 前进挡挡位识别标定流程

空挡状态时驾驶性相关模块是关闭的，如果空挡识别错误，会严重影响车辆的行驶性能，给客户带来负面的驾驶感受，影响用户满意度，因此对于手动挡车型，空挡的正确判定也非常重要。离合器踩下时，由离合器开关信号状态自然识别为空挡；而当离合器没有踩下时，无论是在行驶还是怠速状态，EMS也需要能正确的识别空挡挡位。

空挡的识别有两种方式，1）对于不装备智能启停系统（StartStop）的车辆，空挡由EMS系统通过严格的标定进行识别；2）对于装备智能启停系统的车辆，由空挡传感器（Neutral gear sensor）识别。

3.1 EMS标定识别空挡

通过 EMS标定识别空挡的依据同样是车速和转速的比值V/N，从前述可知，离合器闭合时，挡位一定的情况下，V/N的值会在一个很小的范围内波动，那么当挂到空挡后，比值自然会偏离这个固定的范围。如图4所示的测量信号，当车辆固定在3挡行驶时，V/N的比值信号：PT_rTraV2N固定在 0.0247（（km/h）/rpm）左右，当挂到空挡滑行后，PT_rTraV2N迅速偏离了原来的固定值，因此通过对PT_rTraV2N的门槛值合理标定，可以用以识别空挡。如表3是某车型3挡的空挡标定阈值，当V/N的比值超出空挡对应的阈值后，经过一定的延时和安全校验，即可以判定为空挡。

图4 测量信号

表3 某车型3挡的空挡标定阈值

空挡的标定方法与上述前进挡的标定类似，一般先稳定油门踏板以1500rpm稳态行驶，将每个挡位测量的V/N填入表中的对应固定挡位；2）粗标每个挡位左右的空挡阈值，间隔窗口一般在 3%-25%，偏向低挡位方向间隔大，偏向高挡位方向间隔小；3）关掉驾驶性模块，参照上述判挡的动态测量方法，精细调整门槛值，注意兼顾相邻挡位的最高和最低前进挡挡位阈值。

采用EMS标定识别空挡的方法减少了传感器的应用，降低了成本；缺点在于对于标定质量的要求比较高，如果标定不精细，阈值偏大或者偏小，容易出现识别延迟或者失误，因此一般较多应用于低端配置车型。

3.2 空挡传感器识别空挡

智能启停系统是指EMS根据车辆的运行状态，当自动停机条件满足时，车辆自动熄火，以减少油耗和排放，它是微混合动力技术，适用于比较拥堵的城市工况。当前为满足日益严格的油耗和排放国家标准要求，智能启停系统的装备率已经越来越高。

以遇到红灯停车为例，装备启停系统的手动挡车型停机过程见图5。由图5可见，一方面正确识别空挡是驾驶员停机需求的重要组成部分，空挡识别的准确与否，关系到了智能启停系统运行的准确性和安全性，如避免在挡位时发动机启动而产生的窜车事故等；另一方面空挡传感器的位置信号与离合器位置信号相结合，可以用来判断驾驶员的起步意图，通过对EMS中起步和目标怠速模块的标定，可以适当提高发动机此时的怠速转速和输出扭矩，改善起步性能，这对装备小排量增压发动机的手动挡车型十分有益。

图5 手动挡车型停机、重启过程

空挡传感器有接触机械式和非接触式两种[5]。

接触机械式传感器对制造和装配的精度要求比较高，故障率也较高，容易造成输出错误的空挡信号，造成启停工作不正常，因此一般应用比较少。

非接触式传感器基于霍尔效应原理进行检测，工作过程无机械接触，不存在磨损，寿命长。非接触式传感器根据安装位置可分为内置空挡传感器（安装于变速器壳体内）和外置空挡传感器（安装在选换挡摇臂上）[6]。本文主要介绍采用内置方案的空挡传感器，如图6所示，空挡传感器装在变速箱壳体上，传感器对准换挡轴上磁铁感应块（粉色区域），磁铁感应块为不规则形状，当换挡轴进行转动时，传感器与之的相对位置发生变化，霍尔芯片感应的磁场强度也发生变化，相应输出不同的电信号，这可以作为判断当前挡位处于空挡还是在挡状态的基础。

图6 内置式空挡传感器安装示意图

空挡传感器与ECU内部接口电路结合，输出信号可以是analogue、PWM 、SENT等多种形式，欧洲车型普遍都采用PWM信号的配置方案。当挡位不同时，PWM信号对应的占空比也发生变化，如下表4是某车型各挡位输出的PWM信号及对应电压值，可见在空挡、奇数挡及倒挡、偶数挡的输出信号完全不同，具有明显的差异。空挡传感器输出的PWM信号频率是一定的，一般为125Hz，传感器出现故障时，信号频率也会发生变化，可以实现传感器的自诊断功能，提高空挡识别的安全性。

表4 某车型各挡位空挡传感器输出信号

作为智能启停系统相关的安全部件，空挡传感器的精准识别非常重要，目前执行的安全法规为ISO-DIS 26262。根据法规规定，由于空挡传感器可能导致非人为的发动机启动/停止，必须达到ASIL （ Automotive Safety Integrity Level）B 级[5]，同时在制造和装配过程中，空挡传感器的信号不可避免的存在散差，因此为保证空挡传感器识别的准确性，新车在出厂前，必须进行自学习来确认空挡传感器的可靠性。

总的来说，由于空挡传感器具有识别精准、可靠性好，可自诊断的优点，且已经是比较成熟的技术，可以实现模块化生产，以及传感器对应的电路成本也不是很高，因此是一种较好的空挡识别解决方案。

4 结束语

1）驾驶性能在车辆综合评测中的比重越来越大，在一定程度上影响着客户的购买意愿；在实际工作中也发现驾驶性相关的售后抱怨也越来越多，因此做好相关的标定工作十分重要。

2）手动挡车型的挡位识别是进行驾驶性标定的基础之一，前进挡的挡位识别的原理比较简单，本文重点介绍了相关的标定方法、标定流程以及标定过程中的注意事项，具有一定的实践指导意义。

3）空挡的识别是挡位识别的重要组成部分，本文也介绍了常见的空挡识别方法，并针对现在应用比较广泛的空挡传感器进行了详细研究。

参考文献

[1] 项本学.车辆驾驶性与发动机标定关系研究[A].公路与汽运,2018（1）.

[2] 章桐,刘普辉.汽车燃油经济性及动力性与驾驶性客观评价体系[A].同济大学学报（自然科学版）,2015(12).

[3] 司杨,陈昕.驾驶质量开发综述 [A].公路与汽运,2015（5）.

[4] 赵况,李瑞珂.基于BOSCH ME7系统的手动挡车型判挡及防抖动功能的研究[B].装备制造技术,2015（7）.

[5] 郑立朋,柳见喜,徐雷.手动变速器空挡位置传感器在智能启停系统中的应用[A].汽车技术,2014（4）.

[6] 邓庆斌,王晓娟,王丽萍,孟德伟.基于起停系统的变速器空挡位置传感器开发[A].汽车技术,2014（9）.