本文所说的“目标”是指汽车操作者(驾驶人或维修人员)的意愿或要求,例如切断或传递动力、加速或减速、开启或关闭空调等。但是,操作者这些意愿或要求的程度是随着工况的不同而变化的,“目标设定值”正是反映操作者意愿程度的数值,例如增加/减少发动机转速的大小、接通/切断功率的输出。同时,目标设定值需要传送给电控单元(ECU),作为计算和控制发动机喷油量和点火时刻的重要依据。目标设定值传感器正是检测相关踏板或开关位置(或状态)的传感器。
电控汽车上的目标设定值传感器主要有以下几类。
一、加速踏板位置传感器(APP)
采用电子节气门系统的汽车一般设置了加速踏板位置传感器,该传感器采集加速踏板的行程或位置,并且以电压信号的形式传输给电控单元。如果加速踏板位置传感器发生故障,将导致汽车加速无力,发动机故障灯点亮。
1.加速踏板位置传感器的基本结构
加速踏板位置传感器分为以下两种结构形式(以丰田汽车为例):一是可变电阻式(图1),当加速踏板摆动时,摆动式可变电阻器的电阻值发生变化,引起输出电压变化,该电压信号传输给电控单元,这种传感器的缺点是比较容易磨损;二是霍尔元件式(图2),它利用固定在加速踏板上的磁性元件去改变霍尔传感器的输出电压,经过电路放大后,电压信号传输给电控单元。加速踏板位置传感器与加速踏板一起构成组件,在其输出端可以检测到与加速踏板位置(即压角)相对应的电压。
加速踏板位置传感器的安装位置因车型而异,有的安装在加速踏板模块的顶部(如奔驰轿车),有的安装在加速踏板的下面,有的一头通过钢丝拉索与加速踏板连接,被安装在发动机舱内。
2.加速踏板位置传感器的控制原理
为了提高控制的可靠性,加速踏板位置传感器内装备了两个电位计,它们具有不同的可变电阻范围。其中一个用于向ECU传送驾驶人设定的加速踏板位置,另一个用于监测反馈值是否正确。如果其中一个失效,发动机故障灯点亮,系统进入怠速状态;如果两个电位计都失效,发动机只能以较高的怠速(1500r/min)运转,以便驾驶人能够驾车到最近的维修站去,ECU不再对加速踏板的信号做出反应,此时汽车加速无力,这是加速踏板位置传感器的应急保护模式。
新捷达轿车加速踏板位置传感器的控制电路见图3。
对于自动挡汽车,在加速踏板位置传感器内往往集成了强制降挡开关,它向电控单元提供驾驶人期望的加速信号。当强制降挡开关闭合时,电控单元结合车速、发动机转速等信号,指令向下降低一挡或几挡,同时指令发动机提供全负荷的喷油量。
二、制动开关(STP)
1.制动开关的基本结构
制动开关又称为停车开关和制动踏板状态开关。制动开关安装在制动踏板附近,有的与制动踏板组件集成为一体,固定在制动踏板的支架上。制动开关作为一种重复装置,与制动信号灯开关同时配置,集成在一个部件内,两个开关使用同一个制动踏板传动机构。制动踏板的安装位置如图4所示。
制动开关用于监测驾驶人的制动操作,图5所示为丰田轿车的制动开关信号电路。制动开关的信号电压与提供给制动灯的电压相同。
大众/奥迪车型采用BOSCH(博世)制动系统,在制动踏板上安装了电子制动开关,其内有推杆和永久磁铁。当踩下制动踏板时,便移动了推杆。制动开关组件是双触点式,由制动灯开关F(称为主触点)和制动踏板开关F47(称为副触点)组成,这两个开关同时动作。在未踩下制动踏板时,F断开,F47闭合;当踩下制动踏板时,F闭合,F47断开,这两个开关的信号互为校验(表1)。 ECU根据表1所示的逻辑关系判断制动踏板的位置,并将制动信息传输到动力系统总线,供其他电控单元共享。
2.制动信号的控制原理
制动开关是一种特殊的目标设定值传感器,它输出的信号属于开关信号。
在传统汽车上,制动开关的作用只是接通制动灯,以警示后车 “本车已经制动”,以避免发生追尾事故。但是在电控汽车上,制动信号具有异乎寻常的作用,若制动开关信号失常,会引发形形色色的故障,属于“一因多果”的故障现象。制动开关向ECU传输驾驶人操纵制动踏板的信息,当驾驶人踩下制动踏板,发出制动信号时,出于安全和省油考虑,电控单元会限制发动机的功率输出,以避免动力驱动与制动同时进行。
制动是汽车的一种既寻常又特殊的工况。之所以说它是一种寻常工况,是因为汽车在每天的行驶中不知道要经历多少次制动;之所以说它是一种特殊工况,是因为制动时总是希望车速尽快降下来,而且由制动产生的振动和顿挫感越小越好,这就需要发动机以及变速器的配合,图6为宝马5系列轿车(E39底盘)制动灯开关线路简图。
为了改善汽车的操纵性能,提高控制精度,制动开关信号被输入ECU等多个控制模块,一旦驾驶人踩下制动踏板,制动开关接通,即向ECU的制动开关端子输送一个信号,告知ECU“正在制动”。此时发动机会减少燃油供应,暂时减小功率输出;变速器暂时终止动力传递,变速杆锁止电磁阀解除锁止;悬架系统启用防汽车制动“点头”功能;电子巡航功能暂时终止等。
以上海大众POLO轿车采用的001型自动变速器为例,其控制单元J217根据制动开关的信号判断汽车是否制动,并进行以下控制。
①当汽车停止并且踩下制动踏板时,将变速杆锁止电磁阀N110的电路接通,解除变速杆的锁止,让变速杆能从P位移出。也就是说,只有踩下制动踏板后变速杆才能脱离P位(或N位),并挂入其他挡位。踩下制动踏板后如果制动开关F触点不能闭合,则变速杆锁止机构不能释放,变速杆无法进入其他挡位,汽车便不能起步。
②当汽车行驶、自动变速器变矩器锁止离合器结合时,如果踩下制动踏板,当车速降至60km/h以下时,自动变速器ECU将释放锁止离合器。也就是说,当汽车实施制动时,自动变速器ECU切断通向变矩器锁止电磁阀的电路,以解除变矩器的锁止。这种功能可以防止当后轮制动并被抱死时,造成发动机熄火。
通过上面的分析可以看出,制动开关信号与发动机转速、负荷、车速、冷却液温度等信号一样,是被多个电子控制系统所采集的基本信号,其深远影响不可小觑。