线控换档系统不受传统机械换档拉杆空间位置的限制,可以自由地设计换档
界面,使换档更加轻便容易。线控换档系统的换档杆紧凑,可安装在仪表板上,介
绍丰田线控换档系统的结构组成和工作原理。
讲,多数换档系统由驾驶室内的换档杆和变速器内的换档机构组成。这种类型的
换档装置限制了换档杆的结构形式、换档操作力、换档模式等;也限制换档操作
性,例如对于目前的换档杆,无论是直的或柱式的,换档位置排列顺序全都为P、 R、
N 、D。因为自动变速器的结构决定了这一切。此外,松开驻车机构需要特别大的
力。对于传统换档机构,为减小司机的误换档操作,采用复杂的硬件结构,不利于
简化换档操作。为从根本上解决上述问题,丰田公司开发了线控换档系统,消除换
档杆与变速器之间的机械连接。本系统适用于混合动力汽车,通过电控方式选择
前进挡、倒挡和空挡,采用电动开关来啮合或断开驻车机构。
1 线控换档系统的功能
1) 大幅度改进换档的操作性:减小操作;优化换档模式;优化布置。
2) 解决人为误操作。
3) 改进空间利用率,换档机构小型化。
4) 仪表板设计更加先进:换档杆本身设计先进;与周围开关协调。
线控换档系统与普通换档系统的比较见图1 和图 2。线控换档系统的换档模
块安装在司机的手自然活动范围之内,手柄紧凑,与周围的开关协调,结构设计新
颖。
为减小换档操作力和发生人为误操作,换档手柄在司机的手松开时,能立即
自动回到预先的位置。为了优化换档模式和选择驻车位置,驻车开关与换档杆各
自独立。换档操作力仅为传统换档杆操作力的 1/ 5 (见图 3) ,采用新的换档模
式(见图 4) ,图中的 P、R、N、D、B 分别表示驻车、倒档、空档、直接档和发动
机制动。换档杆可容易地进行手尖操作,完全改变换档的感觉。
2 线控换档系统结构
线控换档系统主要部件组成见图 5 。这些部件的主要功能: ①换档操纵机构:
为人机接口,可使司机以舒适的方式换档,由换档杆和驻车开关组成。②混合动力
模块:主要功能是控制混合动力系统。
此外,ECU 影响换档控制。若要啮合驻车, ECU 向驻车控制 ECU 发出命令,
以便换入前进档、倒档和空档。此 ECU 直接控制混合动力电机。③驻车控制 ECU :
控制驻车执行器,与混合动力 ECU 发出的命令相一致。④驻车执行器:由开关磁
阻电机和摆线减速器组成,执行器操纵变速桥的驻车机构。⑤电源 ECU :控制电
源,例如,如果换档杆不在 P 位置,不能切断电源。⑥换档位置指示灯。
由此看出,线控换档系统由许多协同工作的部件组成。线控换档的工作原理
主要包括换档模块、驻车执行器和防止人为误操作等。
3 换档操纵机构
换档操纵机构结构紧凑,布置在仪表盘上。整个机构由换档杆和驻车开关组
成(见图 6) 。换档杆长约 80 mm ,比普通换档杆短一半(见图 7) 。在仪表板上
占据不大的空间,尺寸为 100 mm(宽) ×150mm(高) ×170 mm(长) 。
换档操纵机构可以使司机能够轻松舒适地换档。线控换档系统完全按人机工
程设计,其舒适程度是其他类型换档机构无法比拟的。
司机松开换档手柄后,手柄会立即自动回到原始预定的位置。换档模式也很
简单,司机很容易记住(见图 4) 。若司机想要换到某个档位,不用考虑目前的档
位。因为换档操作完成后换档杆会自动回到初始位置。换档时,换档杆只有一个
停止位置,不用担心换档不到位或换档杆移动过位。换入前进档或倒档,需要两步
完成,以使司机确认完成换档操作,增强安全性。
驻车开关用于啮合驻车执行器,为触点式,使用方便。
4 驻车执行器
驻车装置应满足下列性能要求: 1) 输出性能。能提供适当力矩,确保在坡道
上能分离驻车机构。2) 响应性能。在正常使用时,具有很高的响应度,确保司机
可舒适地操纵驻车机构。 3) 易于安装。由于结构紧凑,可在有限空间安装。 4) 可
靠性。具有高可靠性,与汽车使用寿命一致。
驻车执行器的组成见图 8 。开关磁阻电机用作驱动力,摆线减速器放大力矩,
转角传感器检测电机转角。
4. 1 开关磁阻电机
为满足前面的性能要求,采用开关磁阻电动机作为动力源。这种电机较薄,并
且能发出较大扭矩,有较快的响应速度。电机没有电刷或磁块,有很高磁性。对于
开关磁阻电机,三相线圈沿圆周布置在定子外圈(见图 9) 。若电流按顺序流入线
圈,则产生使内圈转子旋转的力。转角传感器可高精度地检测转子的转角,使优化
电流作用于线圈的时刻,从而能够精确控制转子的旋转运动。因此,开关磁阻电机
对于产生控制驻车执行器的驱动力起到关键作用。
汽车制动原理
4. 2 摆线减速器
摆线减速器用于增大开关磁阻电机的驱动力。摆线减速器较薄并且有较大减
速比。图 10 为摆线减速器的原理图。偏心圆盘由电机转子驱动。偏心盘若旋转
一周,输出轴旋转1 个齿。内齿轮有 61 个齿,外齿轮有 60 个齿,这样减速比为
61 。摆线减速器放大电机的力矩,使驻车机构在任何需要扭矩的情况下可靠地啮
合,如汽车停在坡道上时。
驻车执行器由驻车 ECU 控制。驻车 ECU 利用转角传感器提供的信息精确地
控制驻车机构的啮合和分离。转角传感器只用于确定相对位置,不能检测绝对位
置。在实施控制之前,ECU 要确定基准位置。执行器利用两个编码器检测旋转角
度。驻车机构分离的时间为 0. 14 s ,而啮合的时间为 0116 s ,具有很高的响应
速度。
4. 3 防止误操作的措施
对于传统的换档杆,从硬件结构上防止人为的误操作发生,如在换档杆上安
装换档锁止机构或换档按钮,或在变速桥上安装换档控制机构。这些使换档杆或
变速桥更为复杂。
对于线控换档机构,只靠ECU的控制就可完全防止发生误操作,不需要采用基
于硬件的措施。传统的换档杆机械地连接到变速桥内的换档机构,直接传递换档
动作。而在线控换档系统中,可以通过判断采取措施。若ECU 检测到不正确的操
作,会将档位控制在安全的范围,并且警告司机,例如:只有在司机踩下制动踏板
时,才能从 P 档换入其它档位。若汽车正在向前行驶,司机挂入 R 档位,变速器会
进入空挡。若在倒车时,司机将换档杆移到 D 或 B 位置,也是如此。只有在 D 位时
司机才能将换档杆移到 B 档位。
5 结束语
丰田普瑞斯混合动力汽车采用新型的线控换档系统。新开发的驻车执行器通
过电子装置操作驻车机构,大大减小换档操作力。该系统采用全新的换档模式,
实现换档操纵机构优化布置,此外还具有防止误操作功能。
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