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目标设定值传感器的原理与检修

文/上海 李明诚

李明诚

(本刊编委会委员)

1964年大学本科毕业,长期从事汽车拖拉机教学、研究和新技术推广工作,曾受聘担任江西省讲师团成员、汽车维修技工学校教师。1988年获得高级工程师职称,1998年获得行业”全国优秀科普工作者”称号,1990年、1993年和1994年分别由同济大学出版社、东南大学出版社出版教材3本。

本文所说的“目标”是指汽车操作者(驾驶入或维修人员)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入的制动操作,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传输驾驶入操纵制动踏板的信息,当驾驶入踩下制动踏板,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叉特殊的工况。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F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Nll0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。踩下制动踏扳后如果制动开关F触点不能闭台,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台器结合时,如果踩下制动踏板,当车速降至60km/h以下时,自动变速器ECU将释放锁止离台器。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。

3.制动开关的更换方法(以奔驰215、220车型为例)

(1)拆卸驾驶人侧仪表盘下方的护板。

(2)拔下制动灯开关(S9/1)处的电线插头。

(3)按下夹子。

(4)转动并拉出制动灯开关(S9/1)。

(5)安装新的制动灯开关。注意将促动针完全拉出,踩下制动踏板,再插入制动灯开关(S9/1)并旋转,直到夫子锁止,促动针会自动调整到位。

(6)按拆卸时相反的顺序安装其他部件。

三、离合器开关

以新捷达手动挡轿车装备的离台器开关为例,它是一个白色的常闭开关,平时其触点是闭合的,踩下离台器踏板时触点才打开。

1.离合器开关的主要功能

对于装备手动变速器的乘用车,在离台器踏板的传动机构中安装有离台器踏板开关。

离台器开关的作用是向发动机ECU提供离台器“结合”还是“分离”的状态信息,用于修正喷油量和点火提前角。当离合器踏板未踩下时,离台器开关接通,表明车辆处于动力传递状态,ECU适当加大喷油量和点火提前角;当驾驶入踩下离台器踏板时,离合器开关断开,表明车辆处于非动力传递状态,ECU适当减小喷油量和点火提前角。如果离台器开关因故(例如内部触点簧片折断)始终处于断开状态,ECU会认定离合器处于非动力传递状态,并减小喷油量和点火提前角,导致喷油量和点火提前角与汽车的实际工况不匹配,将出现“耸车”现象,这种情况类似于间歇性断油或者断火引起的故障。

另外,如果离台器分离,ECU将关闭定速巡航控制系统,短时减少燃油喷射量,以免离台器分离时发动机的转速突然升高,并减少换挡冲击。

2.离台器开关的检测方法

反复踩几次离台器踏板,同时利用检测仪读取发动机ECU中离台器踏板开关的位置信息,具体读取“巡航控制状态”,踏下时的状态值应为“4”,未踏下时的状态值应为“0”。茌实际操作中可能出现以下4种情况(即执行结果)。

(1)驾驶人对离台器踏板的操作与检测仪显示的一致。说明离合器踏板开关、相关线束以及ECU正常。

(2)驾驶人对离台器踏板的操作与检测仪的显示偶尔一致。说明在踩下离台器踏板时,离台器踏板开关偶尔会动作。此时应当检查离合器踏板开关是否接触不良,线路应当没有问题。

(3)ECU未识别到驾驶人踩下了离台器踏板。可以拔下离台器踏板开关的插接器,再次用检测仪读取踏板的状态信息,如果此时状态信息变为踏板已经踩下,说明离合器踏板开关有故障,应当更换;如果状态信息仍然为踏板未踩下,说明故障出在ECU及其线路上,离台器踏板开关正常。

(4)ECU未识别出离合器踏板的自由状态。说明ECU没有接收到离台器踏板开关信号端子传送来的信号,此时应当进行以下检查。

①检查相关的熔丝,如果熔丝正常,拔下离台器踏板开关的插头,然后用导线跨接离台器踏板开关的电源端子与信号端子,再接通点火开关,连接检测仪,读取离合器踏板开关的状态信息,如果此时状态信息变为自由状态,说明离台器踏板开关有故障,应当检查其是否脏污,导致开关不能到达指定的位置。在清除脏污后,如果故障依旧,应当更换离台器开关。如果更换离合器开关后仍然识别不出踏板的自由状态,说明故障不在离台器开关本身。

②检查离台器开关的供电电压。接通点火开关,测量离台器开关供电端子与接地点之间的电压,如果小于11.5V,说明从供电端子到熔丝之间有断路或者对地短路现象:如果大于或等于11.5V,说明供电正常。

③检查信号传递情况。可以拔下发动机电控单元的插头,测量离台器开关信号端子至电控单元插脚之间导线的电阻,如果大于3Ω,说明导线断路i如果小于或等于3Ω,说明该导线正常。

③检查发动机电控单元插脚与发动机接地点之间的电阻,正常值应大于9Ω,如果小于9Ω,说明对地短路。

四、其他开关

在电控汽车上,各种开关实质上是一个电路板,并且具有网络模块的特征。凡是开关信号只有2种状态——“是”与“否”(或者“开”与“关”)。开关信号与数字信号一样,可以直接被ECU所接收,无需经过横,数(A/D)转换。

1.车窗玻璃升降器开关。它既能发送信息,又要接收信息,还能处理信息,圈7所示为宝骏乐骋轿车车门玻璃升降控制原理图。通过升降器开关不同的针脚接地,可以区分控制模块的ID地址,因此不能像传统维修方法那样随意互换开关。

2.空调开关。当操作者开启空调开关时,发动机的负荷会有所增加,此时需要相应地提高发动机的怠速转速,防止发动机熄火。但是,怠速转速叉不能太高,否则耗油量将增加。因此,电控单元需要接收空调开关的信号,并在启动空调压缩机的同时,稍微提高发动机的怠速。这种调整时机和程度的把握,只有依靠ECU才能做到。

3.车速调节开关。有的汽车装备了电子巡航系统,具有车速调节功能,能够让汽车在驾驶人设定的车速下匀速行驶,以减轻疲劳程度。在行驶过程中,驾驶入可以操纵车速调节开关,使汽车加速或者减速行驶。因此,电控单元需要接受车速调节开关的信号,以适时调节或者决定是否启用车速调节功能。

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