本发明是一种换挡操纵总成，具体涉及一种车用电子换挡操纵总成。

背景技术：

换挡操纵总成是汽车的主要操纵部件之一，驾驶者通过操纵该零件控制变速器挡位切换，实现汽车的变速、停驶、滑行、倒车等功能。即换挡操纵总成的主要功能为：获取驾驶者的换挡意图，转化为变速器可接受的信号行驶(机械运动、电信号等)，驱动变速器实现换挡动作。

现代汽车换挡操纵技术的发展，大致分为三个发展阶段。

第一阶段：全机械传递阶段。换挡操纵总成为全机械结构，驾驶者操纵换挡操纵总成的换挡杆按规定方向运动，该运动通过换挡操纵总成转化为拉索(或操纵杆)的前后运动，从而推动变速器的换挡摇臂转动，推动变速器内部换挡机构运动，实现相应齿轮的结合及分离，实现换挡动作。换挡操纵总成只是一个机械传动机构，对外输出机械运动，无电信号输出，以传统手动变速器车型为代表。

第二阶段：机电一体混合传递阶段。换挡操纵总成集机械电子结构一体。驾驶者操纵换挡操纵总成的换挡杆运动，按变速器的需要，对于部分挡位(如prnd挡)，换挡操纵总成将该运动转化为拉索的前后运动，推动变速器摇臂转动，从而实现变速器的换挡。对于部分档位(如m、+、-、s挡)，变速器只接受电信号，换挡操纵总成通过自带传感器，将换挡运动转化为电信号，发送给变速器的tcu(变速器控制单元)，实现变速器的换挡。换挡操纵总成为机电一体结构，机械运动及电信号混合输出，以传动自动挡车型为代表。

第三阶段：电子换挡阶段。随技术发展及汽车配置的丰富，驾驶舱及发动机舱内需装配的设备越来越多，传统换挡操纵总成及拉索空间占位较大，仅剩下的空间不再满足其布置要求。为保证换挡操纵力在可接受的范围内，传统车型的换挡操纵总成的传动比往往很大，导致换挡时操纵行程偏大，影响舒适性。同时随电子技术在其它领域的运用，驾驶者对汽车的科技感需求增强，全电子换挡操纵总成应运而生。

使用电子换挡操纵总成的车辆的变速器只接收换挡电信号，无需机械运动信号，故整车取消了传统的换挡拉索，节省布置空间。同时因换挡操纵总成不再输出机械运动，故取消了相应的机械传动机构，换挡操纵总成零件尺寸减小，重量降低。同时也无须像传动换挡器一样为满足传动比及强度等要求，对零件的厚度、直径、长度等均进行加强，故电子换挡操纵总成的尺寸及重量得到进一步降低。

电子换挡操纵总成的主要特点为：

(1)操纵形式多样，科技感强，外表美观：因变速器接受电信号，无需机械运动信号，不再像传统车型一样，受变速器限制，必须通过换挡杆来实现。电子换挡器可通过杆、旋钮、按键、触屏，甚至声控等其它方式实现换挡操作，科技感较强。

(2)结构紧凑，尺寸小，重量低：因换挡操纵总成不再输出机械运动，故取消了相应的机械传动机构，换挡操纵总成零件尺寸减小，重量降低。同时也无须像传动换挡器一样为满足传动比及强度等要求，对零件的厚度、直径、长度等均进行加强，故电子换挡操纵总成的尺寸及重量得到进一步降低。

(3)对整车的布置要求低：使用电子换挡操纵总成的车辆的变速器只接收换挡电信号，无需机械运动信号，故整车取消了传统的换挡拉索，节省布置空间。同时因无拉索，无需为保证拉索效率，要求拉索走向平滑，从而要求整车其它零件避让拉索。

旋钮电子换挡操纵总成作为电子换挡操纵总成的一种形式，其通过操纵部件为旋钮，与中控及仪表的操纵部件(如空调旋钮、音量旋钮)的外观风格一致，利于整车内饰造型风格的统一，逐渐受到各车型的青睐，是电子换挡操纵总成的主要操纵形式之一。

目前市场上的电子旋钮换挡操纵总成均为多稳态形式，即旋钮每旋转至每个机械稳态位置松手后将停在该位置，不能回位，挡位传感器通过检测位置，并通过换挡操纵总成的控制器转化为挡位信号发出。旋钮的每个稳态位置对应整车的一个挡位(如prnd)，且为一一对应，稳态位置的数量取决于整车的挡位数量。该结构的缺点为：采用电子换挡操纵总成的整车，其变速控制器接收到换挡操纵总成发出的换挡电信号后，会结合整车的实际工况进行逻辑判断，不执行驾驶者的不合理操作，以保证驾驶安全(如正向快速行驶时不允许挂入倒档等)。从而将出现：换挡旋钮已经从当前挡位切换到目标挡位，但整车因tcu拒绝执行该换挡请求，变速器不进行切换至目标挡位的动作，整车仍处于当前挡位。换挡旋钮指示挡位与整车显示不一致，驾驶者必须将旋钮旋转回当前挡位位置，否则后续将不允许进行换挡操作，存在驾驶不便。

部分高端车型为解决该问题，增加了一套锁止装置及用于检测旋钮初期运动的传感器。当驾驶者转动旋钮到一个小角度时，新增的用于检测旋钮初期运动的传感器检测到该运动，换挡操纵总成的控制器将驾驶者欲挂入的挡位信号发送给变速器控制器。变速器控制器结合整车工况(车速等)进行判断，决策是否可进行换挡，并将判断结果发送给换挡操纵总成的控制器。若变速器控制器判断此允许换入目标挡位，换挡操纵总成的控制器则驱动锁止装置解锁，旋钮可继续转动达到目标挡位，发出目标挡位信号，tcu控制变速器换挡；反之，锁止装置不解锁，旋钮不可继续转动，变速器不换挡。从而同时达到即保证车辆行驶安全，又保证旋钮指示档位与整车显示一致的目的。

但该类旋钮换挡操纵总成增加锁止装置及检测旋钮初期运动的传感器后，存在以下缺点：

(1)成本较高：增加锁止装置及检测初期运动的传感器后，换挡操纵总成成本急剧上升。

(2)nvh品质低：锁止装置解锁时，将发出明显的噪音及产生明显振动。

(3)间隙感大：当在不满足要求的情况下换挡时，因锁止装置未解锁，旋钮旋转一个小角度后，无法继续旋转，给驾驶者一种存在间隙的感觉，品质感降低。

技术实现要素：

本发明的目的是设计一种旋钮电子换挡操纵总成及汽车，旋钮电子换挡操纵总成采用五位单稳态形式，其可保证旋钮换挡操纵总成显示挡位与整车一致，操作简便，品质感好，且成本低。

本发明的技术方案如下：

一种旋钮电子换挡操纵总成，包括换挡旋钮组件、传感器、换挡器中央控制单元gcu、p挡按钮和挡位指示面板。

所述换挡旋钮组件通过转动，实现p挡的挂出及r、n、d挡的挂入及挂出；换挡旋钮组件为五位单稳态形式，共有l2、l1、i、r1、r2五个机械位置，其中i为稳态位置，且为初始位置，l2、l1、r1、r2为非稳态位置，当操纵换挡旋钮组件旋转到非稳态位置松手后，换挡旋钮组件可自动回复至初始位置i。

所述传感器位于换挡旋钮组件下方，用于检测旋钮组件旋转至的角度或位置，传感器通过导线与gcu相连。

所述gcu与传感器、p挡按钮电连接，获得换挡意图信号，并与挡位指示面板电连接，控制挡位指示面板上的档位字符点亮与熄灭，还通过can总线与tcu相连，向tcu发送换挡请求信号，并接收tcu指令。

所述p挡按钮为一个自复位开关，安装在换挡旋钮组件上或整车其它方便操纵的地方，驾驶者通过按下此按钮实现p挡的挂入。

所述挡位指示面板上有r、n、p、d四个档位字符，通过gcu的控制被点亮或被熄灭。

换挡操纵总成的挡位为gcu的逻辑挡位，驾驶者换挡时，gcu收到传感器或p挡按钮的请求信号后，结合整车当前挡位，计算出目标挡位，并将欲换入目标挡位的请求信号发送tcu；tcu结合整车目前使用工况，判断是否可挂入目标挡位，若判断可以挂入目标挡位，tcu控制变速器挂入目标挡位，并将判断结果发送gcu；gcu收到该结果后，挡位指示面板熄灭当前挡位相应字符，点亮目标挡位相应字符；反之，若tcu判断不可挂入目标挡位，则变速器不进行换挡动作，并将该结果发送gcu，gcu收到该结果后，维持挡位指示面板当前挡位字符点亮，不点亮目标挡位字符。

进一步，所述换挡旋钮组件包括换挡旋钮、弹簧组件、挡位齿和壳体；所述换挡旋钮安装在壳体上，绕壳体上的转轴转动，弹簧组件安装在换挡旋钮下部的径向开孔内，外露部分与挡位齿配合；挡位齿上有l2、l1、i、r1、r2五个机械位置的凹槽，i位置的凹槽深度最大，l2、l1、r1、r2位置的凹槽深度较浅，当换挡旋钮旋至l2、l1、r1、r2位置时，因其对应的凹槽深度较浅，在弹簧组件在回复力及挡位齿斜面作用下，换挡旋钮将回转至i位置。

所述挡位齿在l1和r1位置相对于i位置均有明显的斜度变化，挡位齿在l2及r2位置有限位凸块。

所述换挡旋钮组件的l2、l1、i、r1、r2五个机械位置表示未操作或操纵换挡旋钮组件1左旋或右旋至的指定位置，各位置定义如下：

l2：从初始位置i计，换挡旋钮组件左旋2个刻度达到l2位置，若换挡旋钮组件旋转至该位置，表示驾驶者要挂入的目标挡位为：当前挡位的左侧的第二个挡位；

l1：从初始位置i计，换挡旋钮组件左旋1个刻度达到l1位置，若换挡旋钮组件旋转至该位置，表示驾驶者要挂入的目标挡位为：当前挡位的左侧的第一个挡位；

i：初始位置，驾驶者未操作时，换挡旋钮组件停在该位置；

r1：从初始位置i计，换挡旋钮组件右旋1个刻度可达到l1位置，若换挡旋钮组件旋转至该位置，表示驾驶者要挂入的目标挡位为：当前挡位的右侧的第一个挡位；

r2：从初始位置i计，换挡旋钮组件右旋2个刻度可达到l2位置，若换挡旋钮组件旋转至该位置，表示驾驶者要挂入的目标挡位为：当前挡位的右侧的第二个挡位。

本发明进一步提供一种汽车，包括上述任一种旋钮电子换挡操纵总成。

本发明的技术核心是将换挡操纵总成的挡位设计为gcu的逻辑挡位，通过点亮换挡操纵总成相应的挡位字符向驾驶者体现，与其换挡旋钮的机械位置无关，gcu的挡位可保证时时与变速器tcu挡位一致，而整车挡位由tcu提供，故不存在换挡操纵总成指示挡位与整车不一致问题。同时，本发明的旋钮电子换挡操纵总成无需增加锁止装置及用于检测旋钮初期运动的传感器，换挡操纵总成成本较低，且无相关nvh及操纵品质问题。

附图说明

图1是旋钮电子换挡操纵总成的组成图；

图2是换挡旋钮组件的结构示意图；

图3是挡位齿结构示意图；

图4是旋钮电子换挡操纵总成的工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图进一步详细说明本发明：

如图1所示，本发明的换挡操纵总成由换挡旋钮组件1、传感器2、gcu、p挡按钮3、挡位指示面板4组成。

本发明的换挡操纵总成的共有r、n、p、d四个挡位，并按r、n、p、d顺序排布，写入换挡操纵总成的gcu中。有别于现有旋钮换挡操纵总成，本发明的旋钮电子换挡操纵总成的挡位均为gcu的逻辑挡位，与换挡旋钮的机械位置无关。

换挡旋钮组件1是实现换挡的主要操作部件，驾驶者可使其绕其转轴转动，实现p挡的挂出及rnd挡的挂入及挂出。

传感器2位于换挡旋钮组件1下方，用于检测旋钮组件旋转至的角度或位置，传感器通过导线与gcu相连。

gcu是换挡操纵总成的电子中央控制单元。其与传感器2、p挡按钮3电连接，获得驾驶者的换挡意图信号。其与挡位指示面板4电连接，控制挡位指示面板4上的档位字符的点亮与熄灭。还通过can总线与tcu相连，向tcu发送换挡请求信号，并接收tcu指令。

p挡按钮3为一个自复位开关，其可安装与换挡旋钮组件1上或整车其它方便操纵的地方。驾驶者通过按下此按钮实现p挡的挂入。

挡位指示面板4用于向驾驶者展示目前整车处于何挡位，及告知驾驶者车辆的挡位布置情况。挡位指示面板上有r、n、d、p共4个字符，每个字符均由gcu控制，可单独点亮。整车当前出于何挡位，gcu控制挡位指示面板点亮相应字符，其余字符熄灭，从而告知驾驶者当前挡位情况。

换挡旋钮组件设计为五位单稳态的形式，换挡旋钮组件共有l2、l1、i、r1、r2五个机械位置。其中i为稳态位置，且为初始位置，换挡旋钮组件在不受外力的情况下，将在该位置保持不动。l2、l1、r1、r2为非稳态位置，当操纵换挡旋钮组件旋转到该位置松手后，换挡旋钮组件可自动回复至初始位置i。驾驶者换挡时，只需根据整车目前挡位情况及目标挡位，判断出目标挡位与目前挡位在挡位图上的位置差异，得到换挡旋钮组件应旋转至的位置，将换挡旋钮组件旋转至相应位置即可。传感器检测到的位置后，将该位置发送至gcu。

如图2所示，换挡旋钮组件由换挡旋钮5、弹簧组件6、挡位齿7、壳体8组成。换挡旋钮5安装在壳体8上，可绕壳体8上的转轴转动。换挡旋钮5下部开有径向方向的孔，弹簧组件6装于该孔内，其露出部分与挡位齿7配合。

如图3所示，挡位齿上有五个凹槽，i位置的凹槽深度最大，l2、l1、r1、r2位置的凹槽深度较浅。当换挡旋钮处于l2、l1、r1、r2位置时，因其对应的凹槽深度较浅，在弹簧组件回复力及挡位齿斜面作用下，换挡旋钮将转动至i位置。挡位齿在l1和r1位置均有明显的斜度变化，当换挡旋钮旋转至该位置时，驾驶者将感受到明显的力值突变，驾驶者据此判断到达l1或r1。挡位齿在l2及r2位置有限位凸块，当换挡旋钮旋转到该位置时，将无法继续转动，驾驶者据此判断到达l2或r2。

有别于现有旋钮换挡操纵总成，本发明的旋钮换挡操纵总成的五个机械位置与换挡操纵总成的挡位无关。本发明的旋钮换挡操纵总成的五个机械位置表示未操作或操纵换挡旋钮组件1左旋或右旋至的指定位置。各位置定义如下：

l2：从初始位置i计，换挡旋钮组件1左旋2个刻度可达到l2位置。若换挡旋钮组件1旋转至该位置，表示驾驶者要挂入的目标挡位为：当前挡位的左侧的第二个挡位。

l1：从初始位置i计，换挡旋钮组件1左旋1个刻度可达到l1位置。若换挡旋钮组件1旋转至该位置，表示驾驶者要挂入的目标挡位为：当前挡位的左侧的第一个挡位。

i：初始位置，当驾驶者未操作时，换挡旋钮组件1将停在该位置。

r1：从初始位置i计，换挡旋钮组件1右旋1个刻度可达到l1位置。若换挡旋钮组件1旋转至该位置，表示驾驶者要挂入的目标挡位为：当前挡位的右侧的第一个挡位。

r2：从初始位置i计，换挡旋钮组件1右旋2个刻度可达到l2位置。若换挡旋钮组件1旋转至该位置，表示驾驶者要挂入的目标挡位为：当前挡位的右侧的第二个挡位。

为防止车辆正常行驶操纵旋钮换挡时误入p挡，p挡设计为独立的按钮。若需挂入p挡，需按下独立的p挡按钮3，转动换挡旋钮组件1只能挂出p挡，而不能挂入p挡。p挡按钮触发后，直接将该信息发送gcu。即p挡为短时计入挡位，当挂入p挡时，gcu在进行挡位计算时将p挡计入挡位图，此时整车挡位排布顺序为rnpd，通过操纵换挡旋钮组件1实现p挡的挂出。当操纵换挡旋钮组件挂出p挡后，再次操纵换挡旋钮组件进行换挡时，p挡不再计入挡位图，视为无该挡位，此时整车档位顺序为rnd，只在rnd挡间进行切换。若需挂入p挡，需按下独立的p挡按钮3。

如图4所示，旋钮电子换挡操纵总成的工作流程为：gcu通过传感器实时对l2、l1、i、r1、r2位置及p挡按钮进行检测，若检测到l2、l1、r1、r2及p挡按钮信号，则结合当前挡位计算得出目标挡位。为提高驾驶便捷性，当驾驶者操纵旋钮转动的位置超出挡位图极限时，gcu按极限计。

表1是gcu目标挡位计算规则；

根据上表，例如整车处于n挡，gcu检测到r2位置信号，目标挡位n挡右侧的第二个挡位，而n挡右侧只有d一个挡位，故gcu认为d挡为目标挡位。

gcu将欲换入目标挡位的请求信号发送变速器tcu，tcu收到gcu发出的请求信号后，结合整车工况(车速等)进行判断，决策是否可进行换挡(挂入目标挡位)。若tcu决策可以换挡，tcu控制变速器挂入目标挡位，并将判断结果发送gcu。换挡操纵总成gcu受到判断结果后，控制换挡操纵总成上的当前挡位指示字符熄灭，目标挡位的指示字符点亮，换挡动作完成。反之，若tcu判断不可挂入目标挡位，则变速器不进行换挡动作，并将该结果发送gcu，gcu收到该结果后，维持挡位指示面板当前挡位字符点亮，不点亮目标挡位字符。