学习任务1 电子控制系统的认识
【学习目标】
1. 知识目标
（1） 自动变速器电子控制系统的基本组成和原理。
（2） 自动变速器电子控制系统的各种传感器、控制开关和电磁阀的功用和原理。
（3） 自动变速器电子控制单元的功用、故障自诊断的基本方法。
2. 技能目标
（1） 为传感器、控制开关和电磁阀的检修打下基础。
（2） 为电子控制单元的检修打下基础。
【相关知识】
一、 电子控制系统的基本组成和原理
与其他的电子控制系统一样，自动变速器的电子控制系统也包括传感器、电子控制单元（ECU）和执行器三部分，其组成框图如图5-1-1所示。
传感器部分主要包括节气门位置传感器、车速传感器、水温传感器、油温传感器、空挡启动开关、强制降挡开关、制动灯开关、模式选择开关、OD开关等。
执行器部分主要包括四个电磁阀和OD OFF指示灯等。
自动变速器ECU主要完成换挡控制、锁止控制、油压控制、自诊断、失效保护等功能。自动变速器ECU要正确控制变速器，通常还要与其他系统的ECU通信。各ECU之间的通信有专线通信和总线通信两种方式。专线通信是指ECU之间每传递一种信号要用一根导线；总线通信是指ECU之间采用相同的通信协议，由一根（如J1850协议）或两根（如CAN BUS）通信数据线相连，来传递所有数据。
图5-1-1电子控制系统组成框图
对于液控自动变速器，自动换挡主要取决于节气门油压和速控油压，即发动机负荷和车速的情况。对于电控自动变速器，与此情况类似，即自动换挡也主要取决于发动机负荷和车速，只不过是采用节气门位置传感器和车速传感器来感知发动机负荷和车速的情况，并将这两个信号发送给自动变速器ECU，ECU根据预存在存储器中的换挡程序决定升挡或降挡，然后再给换挡电磁阀发出控制信号，换至相应挡位。例如，对于丰田车系的四挡自动变速器，换挡情况见表5-1-1。如果自动变速器ECU给1#换挡电磁阀通电，而给2#换挡电磁阀断电，则自动变速器为一挡。
表5-1-1丰田车系的四挡自动变速器换挡情况
注：○表示通电，×表示断电。
当然，自动变速器的换挡等控制还要取决于水温、油温等信号。如果水温、油温过低，自动变速器不会升挡。
自动变速器在工作过程中如果满足了锁止离合器的工作情况，自动变速器ECU就会给锁止离合器（TCC）电磁阀（一般称为3#电磁阀）通电，切换油路使锁止离合器工作。
在换挡过程中，为了防止换挡冲击，自动变速器还会通过4#电磁阀控制换挡油压。
自动变速器ECU具有自诊断功能，如果电子控制系统出现故障，ECU会将故障码存储在存储器中，以便读取；另外，ECU还会点亮OD OFF指示灯（或故障指示灯），提示自动变速器出现了故障，并可通过OD OFF指示灯的闪烁读取故障码。
如果自动变速器出现故障，除了OD OFF灯会点亮，一般自动变速器还会锁挡，即自动变速器不会升挡也不会降挡，锁挡一定有故障码。
二、 传感器的功用与原理
1. 节气门位置传感器
1) 功用
节气门位置传感器安装在节气门体上，用于检测节气门开度的大小，并将数据传送给自动变速器ECU，ECU根据此信号判断发动机负荷，从而控制自动变速器的换挡及锁止。节气门位置信号相当于液控自动变速器中的节气门油压。不过电控自动变速器中的节气门油压仅用于控制主油压。自动变速器ECU利用节气门位置传感器进行以下控制。
（1） 用来确定换挡时刻和换挡曲线。当急踩加速踏板时，延迟换挡，以确保发动机动力性；当缓踩加速踏板时，提前换挡，发动机工作在较低转速，以提高车辆的经济性。
（2） 用来调节主油压。当节气门开度较小时，发动机负荷较小，变速器传递的转矩较小，各离合器、制动器不易打滑，主油压可以降低；当节气门开度较大时，所传递的转矩较大，为防止离合器、制动器打滑，主油压要升高。
2) 结构与原理
节气门位置传感器有怠速触点和无怠速触点两种形式。
有怠速触点的节气门位置传感器常见于丰田等车系，其结构与原理如图5-1-2所示，该传感器实际上是一个滑动变阻器，E是搭铁端子，IDL是怠速端子，VTA是节气门开度信号端子，VC是ECU供电端子，ECU提供恒定5 V电压。当节气门开度增加时，节气门开度信号触点逆时针转动，VTA端子输出电压也线性增大。如图5-1-3所示，VTA端子输出电压与节气门开度成正比。当怠速时，怠速开关闭合，IDL端子电压为0 V。
图5-1-2节气门位置传感器的结构与原理
1—怠速信号触点；2—电阻器；3—节气门开度信号触点；4—绝缘体
图5-1-3VTA端子输出电压与节气门开度的关系
目前，越来越多的汽车采用无怠速触点的节气门位置传感器，如上海通用别克车系。当节气门关闭时，传感器的输出电压较低，约为0~0.7V，在此范围内动力控制模块（PCM）认为发动机处于怠速状态；随着节气门的打开，输出电压升高，当节气门全开时，传感器输出电压约为4.5V。
当节气门位置传感器失效时，自动变速器会以固定的方式控制换挡（非怠速工况时，按节气门开度为1/2进行控制），同时将会存储故障码。如果节气门位置传感器输出电压值偏高，则升挡会延迟；输出电压值偏低，则升挡会提前。节气门位置传感器输出信号一般先传送到发动机ECU，通过发动机ECU再发送到自动变速器ECU。也有的从节气门位置传感器直接传送到自动变速器ECU，如三菱车系。
2. 车速传感器
1) 功用
车速传感器也称为自动变速器输出轴转速传感器，其功用主要如下。
（1） 自动变速器ECU根据车速传感器和节气门位置传感器的信号确定换挡正时。
（2） 自动变速器ECU根据车速传感器和输入轴转速传感器的信号计算机械变速器的传动比。
（3） 自动变速器ECU根据车速传感器信号进行主油压的调节，车辆在低挡行驶时所传递的转矩大，主油压要增高；在高挡行驶时所传递的转矩小，主油压可以降低。
2) 结构与原理
车速传感器有电磁式、霍尔式、舌簧开关式、光电式等多种形式。常见的为电磁式车速传感器，其结构与原理如图5-1-4所示，主要由永久磁铁、电磁感应线圈、转子等组成。转子一般安装在变速器输出轴上，永久磁铁和电磁感应线圈安装在变速器壳体上，如图5-1-4 (c)所示。当输出轴转动，转子也转动，转子与传感器之间的空气间隙发生周期性变化，使电磁感应线圈中的磁通量也发生变化，从而产生交流感应电压，如图5-1-4 (b)所示，并输送给自动变速器ECU。交流感应电压随着车速（输出轴转速）的变化而具有两个响应特性：一个是随着车速的增加，交流感应电压增高；另一个是随着车速的增加，交流感应电压脉冲频率也增加。ECU根据交流感应电压脉冲频率大小来计算车速，并以此控制自动变速器的换挡。
如果车速传感器的信号失效，自动变速器ECU会记忆存储故障码，并启动失效保护模式。但有的自动变速器具有两个车速传感器，如丰田车系的自动变速器。一个车速传感器安装在变速器输出轴，称为2号车速传感器或主车速传感器；另一个安装在车速里程表上，称为1号车速传感器或后备车速传感器。采用两个车速传感器可以增加自动变速器工作的可靠性。
如果两个车速传感器的信号都正确，来自2号车速传感器的信号在与1号车速传感器的输出信号比较以后，用于换挡正时控制，如图5-1-5所示。
图5-1-4电磁式车速传感器的结构与原理
图5-1-5车速传感器的控制方式（一）
如果2号车速传感器的信号是错误的，则ECU立即停止使用该信号，改变使用来自1号车速传感器的信号用于换挡正时控制，如图5-1-6所示。
图5-1-6车速传感器的控制方式（二）
3. 输入轴转速传感器
输入轴转速传感器也称为涡轮轴转速传感器，用于检测自动变速器输入轴的转速，其主要功用如下。
（1） 自动变速器ECU根据输入轴转速传感器和输出轴转速（车速）传感器的信号计算机械变速器的传动比。
（2） 自动变速器ECU根据输入轴转速传感器和发动机转速传感器的信号计算锁止离合器的相对滑动。
（3） 自动变速器ECU根据输入轴转速传感器和车速传感器的信号，在换挡时调节油压及推迟点火，以减小换挡冲击。
输入轴转速传感器的结构及原理与车速传感器的相同，不再赘述。
4. 发动机冷却液温度传感器
1) 功用
发动机冷却液温度传感器（ECT）用于检测发动机的工作温度，并将其温度转变为电压信号传送给发动机ECU，再由发动机ECU传送给自动变速器ECU。其主要功用如下。
（1） 确定换挡正时。当发动机温度较低时，会推迟升挡，使发动机以高速运转，以尽快暖机升温；
（2） 控制锁止离合器的接合。当发动机温度低于某一个设定值（一般为60~70℃）时，锁止离合器不接合。
2) 结构与原理
发动机冷却液温度传感器一般是一个负温度系数的热敏电阻，即温度升高，电阻下降。如图5-1-7所示，发动机ECU在THW端子接收到一个与冷却液温度成正比的电压，从而得到冷却液温度信号。
图5-1-7发动机冷却液温度传感器的线路图
发动机冷却液温度传感器的信号不仅用于发动机的控制，还用于自动变速器的控制。当发动机冷却液温度低于设定温度（如60℃）时，发动机ECU会发送一个信号给自动变速器ECU的OD1端子，以防止自动变速器换入超速挡，并防止锁止离合器工作。
如果水温传感器发生故障，发动机ECU会自动将冷却液温度设定为80℃，以便发动机和自动变速器可以工作。
5. 自动变速器油温传感器
自动变速器油温传感器用于检测ATF的温度，将其温度变化转变为电压信号传送给自动变速器ECU，并作为换挡控制、油压控制、锁止离合器控制的依据。
当油温高于某一设定值（车型不同，此值也略有不同，如大众01M自动变速器为150℃），为防止变速器内部机件损坏，自动变速器ECU使锁止离合器接合，如果温度还降不下来，则ECU控制变速器降低一个挡位。
自动变速器油温传感器的结构及原理与发动机冷却液温度传感器的相同，不再赘述。
三、 控制开关的功用与原理
自动变速器ECU除了接收各传感器的信号外，还接收各控制开关的信号，以执行相应的操作。
1. 模式选择开关
模式选择开关是供驾驶员选择所需要的行驶或换挡模式的开关。大部分车型都具有常规模式（N或NORM）和动力模式（P或PWR），有些车型还有经济模式（E或ECO）等。自动变速器ECU根据所选择的行驶模式来执行不同的换挡程序，控制换挡和锁止正时。如选择动力模式，自动变速器会推迟升挡，以提高动力性；而选择经济模式，自动变速器会提前升挡，以提高经济性。常规模式介于二者之间。
如图5-1-8所示为常见的具有常规和动力两种模式的模式选择开关线路图，当开关接通NORM（常规模式），仪表盘上NORM指示灯点亮，同时自动变速器ECU的PWR端子的电压为0V，ECU从而知道选择了常规模式。当开关接通PWR（动力模式），仪表盘上PWR指示灯点亮，同时自动变速器ECU的PWR端子的电压为12V，ECU从而知道选择了动力模式。
图5-1-8模式选择开关的线路图
2. 空挡启动开关
空挡启动开关也称P/N开关或PNP开关，大众车系称为多功能开关。它有三个功用：一是给自动变速器ECU提供挡位信息，二是保证只有选挡杆置于P或N位才能启动发动机，三是选挡杆置于R位时接通倒车灯。
如图5-1-9所示，当选挡杆置于不同的挡位时，仪表盘上相应的挡位指示灯会点亮。当ECU的端子N、2或L与端子E接通时，ECU便分别确定变速器位于N、2或L位；否则，ECU便确定变速器位于D位。只有当选挡杆置于P或N位时，端子B与NB接通，才能启动电动机，使发动机启动。
图5-1-9空挡启动开关的线路图
3. OD开关
OD（超速挡）开关由驾驶员操作控制，使自动变速器有或没有超速挡。
如图5-1-10所示，当按下OD开关（ON），OD开关的触点实际为断开，此时ECU的OD2端子的电压为12V，变速器可以升至超速挡，且OD OFF指示灯不亮。
图5-1-10OD开关“ON”的线路图
如图5-1-11所示，当再次按下OD开关，OD开关会弹起（ON），OD开关的触点实际为闭合，此时ECU的OD2端子的电压为0V，变速器不能升至超速挡，且OD OFF指示灯点亮。
图5-1-11OD开关“OFF”的线路图
4. 制动灯开关
自动变速器ECU会通过制动灯开关检测是否踩下制动踏板，如果踩下制动踏板，ECU会取消锁止离合器的工作。只有踩下制动踏板，选挡杆才能从P位拨出。
如图5-1-12所示，制动灯开关安装在制动踏板支架上。当踩下制动踏板时，开关接通，ECU的STP端子电压为12V；当松开制动踏板时，开关断开，STP端子电压为0V。ECU根据STP端子的电压变化了解制动踏板的工作情况。
图5-1-12制动灯开关线路图
5.kD开关
KD（强制降挡）开关安装在加速踏板的后面或节气门体上，当加速踏板的开度超过85%时，KD开关接通，并向自动变速器ECU发送信号，此时ECU按照设置的程序控制换挡，使变速器在当前挡位降一挡，以提高汽车的加速性能。
四、 电磁阀的功用与原理
电磁阀根据功能的不同可以分为换挡电磁阀、锁止离合器电磁阀和油压电磁阀。根据工作原理的不同可以分为开关式电磁阀和占空比式（脉冲线性式）电磁阀。不同的自动变速器使用的电磁阀数量不同，一般为3~8个。例如，上海通用的4T65E自动变速器电子控制系统有4个电磁阀，其中两个是换挡电磁阀，一个是油压电磁阀，一个是锁止离合器电磁阀。而大众01M自动变速器的电子控制系统则采用7个电磁阀。
绝大多数换挡电磁阀采用的是开关式电磁阀，油压电磁阀采用的是占空比式电磁阀，而锁止离合器电磁阀采用开关式或占空比式的都有。
1. 开关式电磁阀
1) 功用
开关式电磁阀的功用是开启或关闭液压油路，通常用于控制换挡阀和部分车型锁止离合器的工作。
2) 结构与原理
开关式电磁阀由电磁线圈、衔铁、阀芯等组成，如图5-1-13所示。当电磁阀通电时，在电磁吸力作用下衔铁和阀芯下移，关闭泄油口，主油压供给到控制油路。当电磁阀断电时，在回位弹簧的作用下衔铁和阀芯上移，打开泄油口，主油压被泄掉，控制油路压力很小。
图5-1-13开关式电磁阀
1—ECU；2—节流口；3—主油路；4—控制油路；5—泄油口；6—电磁线圈；7—衔铁和阀芯
3) 换挡电磁阀的工作原理
如图5-1-14所示为换挡电磁阀的工作原理图。当换挡电磁阀断电时，阀芯及球阀在回位弹簧作用下上移，主油压不能到达换挡阀的左侧，则换挡阀处于左端位置，主油压经过换挡阀给换挡执行元件供油，得到相应的挡位，如图5-1-14 (a)所示。当换挡电磁阀通电，电磁吸力使阀芯及球阀下移，主油压经过换挡电磁阀到达换挡阀的左侧，换挡阀右移，主油压到达换挡阀后被截止，不能给换挡执行元件供油，得到另外的挡位，如图5-1-14 (b)所示。
图5-1-14换挡电磁阀的工作原理
2. 占空比式电磁阀
1) 占空比的概念
占空比是指一个脉冲周期中通电时间所占的比例（百分数），如图5-1-15所示。
图5-1-15占空比
2) 结构与原理
占空比式电磁阀与开关式电磁阀类似，也是由电磁线圈、滑阀、弹簧等组成，如图5-1-16所示。它通常用于控制油路的油压，有的车型的锁止离合器也采用此种电磁阀控制。与开关式电磁阀不同的是，控制占空比式电磁阀的电信号不是恒定不变的电压信号，而是一个固定频率的脉冲电信号。在脉冲电信号的作用下，电磁阀不断开启、关闭泄油口。
图5-1-16占空比式电磁阀
1—电磁线圈；2—滑阀；3—滑阀轴；4—控制阀；5—弹簧
占空比式电磁阀有两种工作方式：一种是占空比越大，经电磁阀泄油越多，油压就越低；另一种是占空比越大，油压越高。
五、自动变速器ECU的功用与原理
自动变速器ECU具有换挡正时控制、锁止正时控制、故障诊断、失效保护等功能。
1. 换挡正时控制
在车辆行驶过程中，自动变速器ECU根据模式选择开关信号、节气门开度信号、车速信号等参数来打开或关闭换挡电磁阀。ECU通过操纵各换挡电磁阀，打开或关闭通往离合器、制动器的油路，使变速器升挡或降挡。
图5-1-17所示为常见四挡自动变速器的自动换挡图，具有如下特点。
(1) 随着节气门开度增加，升挡或降挡车速增加。以二挡升三挡为例，当节气门开度为2/8时，升挡车速为35km/h，降挡车速为12km/h；当节气门开度为4/8时，升挡车速为50km/h，降挡车速为25km/h。所以在实际的换挡操作过程中，一般可以采用“收油门”的方法来快速升挡。
(2) 升挡车速高于降挡车速，以免自动变速器在某一车速附近频繁升挡、降挡而加速自动变速器的磨损。
图5-1-17常见四挡自动变速器的自动换挡图
2. 锁止正时控制
自动变速器ECU将各种行驶模式下锁止离合器的工作方式编程存入存储器，然后根据各种输入信号，控制锁止离合器电磁阀的通、断电，从而控制锁止离合器的工作。
1) 锁止离合器工作的条件
如果满足以下5个条件，自动变速器ECU会接通锁止离合器电磁阀，使锁止离合器处于接合状态。
（1） 选挡杆置于D位，且挡位在D位二挡、D位三挡或D位四挡。
（2） 车速高于规定值。
（3） 节气门开启（节气门位置传感器IDL触点未闭合）。
（4） 冷却液温度高于规定值。
（5） 未踩下制动踏板（制动灯开关未接通）。
2) 锁止的强制取消
如果符合以下条件中的任何一项，自动变速器ECU就会给锁止离合器电磁阀断电，使锁止离合器分离。
（1） 踩下制动踏板（制动灯开关接通）。
（2） 发动机怠速（节气门位置传感器IDL触点未闭合）。
（3） 冷却液温度低于规定值（如60℃）。
（4） 当巡航系统工作时，车速降至设定车速以下至少10km/h。
早期的电控自动变速器中，控制锁止离合器的电磁阀采用的是开关式电磁阀，即通电时锁止离合器接合，断电时锁止离合器分离。目前许多新型电控自动变速器采用占空比式电磁阀作为锁止离合器电磁阀，ECU在控制锁止离合器接合时，通过改变脉冲电信号的占空比，让锁止离合器电磁阀的开度缓慢增大，以减小锁止离合器接合时所产生的冲击，使锁止离合器的接合过程变得更加柔和。
3. 故障诊断
电控自动变速器ECU具有内置的自我诊断系统，它不断监控各传感器、电磁阀及其线路，当有故障时，ECU使OD OFF指示灯闪烁，以提醒驾驶员或维修人员；并将故障内容以故障码的形式存储在ECU存储器中，以便维修人员采用人工或仪器的方式读取故障码。
当故障排除后，OD OFF指示灯将停止闪烁，不过故障码仍然会保留在ECU存储器中。
当OD开关ON时（OD开关断开），如果有故障，OD OFF指示灯将点亮而不是闪烁。
4. 失效保护
当自动变速器出现故障时，为了尽可能使自动变速器保持最基本的工作能力，以维持汽车行驶，便于汽车进厂维修，目前许多电控自动变速器的电子控制系统具有失效保护功能。
(1) 当传感器出现故障时，自动变速器ECU所采取的失效保护措施如下。
① 节气门位置传感器出现故障时，ECU根据怠速开关的状态进行控制。当怠速开关断开时(加速踏板被踩下)，按节气门开度为1/2进行控制，同时节气门油压为最大值；当怠速开关接通时(加速踏板完全放松)，按节气门处于全闭状态进行控制，同时节气门油压为最小值。
② 车速传感器出现故障时，ECU不能进行自动换挡控制，此时自动变速器的挡位由选挡杆的位置决定。在D位和2位时固定为超速挡或三挡，在L位时固定为二挡或一挡；或不论选挡杆在任何前进挡位，都固定为一挡，以保持汽车最基本的行驶能力。
③ 冷却液或ATF温度传感器出现故障时，ECU按温度为80℃的设定进行控制。
(2) 电磁阀出现故障时，自动变速器ECU所采取的失效保护措施如下。
① 换挡电磁阀出现故障时，ECU一般会将自动变速器锁挡，挡位与选挡杆的位置有关。如丰田车系锁挡情况见表5-1-2。
表5-1-2丰田车系锁挡情况
② 锁止离合器电磁阀出现故障时，ECU会停止锁止离合器的控制，使锁止离合器始终处于分离状态。
③ 油压电磁阀出现故障时，ECU会停止油压的控制，使油路压力保持为最大。
【复习题】
(1) 请说明自动变速器电子控制系统中最重要的两个传感器。
(2) 为什么“收油门”有利于升挡？
(3) 急加速超车时，自动变速器为什么要在当前挡位降一挡？对于电控自动变速器是如何实现的？