機(jī)械自動(dòng)變速器機(jī)械故障診斷決策研究

劉成武，劉珂路

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程系，湖北 十堰 442002）

機(jī)械自動(dòng)變速器機(jī)械故障診斷決策研究

劉成武，劉珂路

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程系，湖北 十堰 442002）

針對(duì)電控自動(dòng)機(jī)械變速器在可靠性試驗(yàn)中出現(xiàn)的故障，分析原因，對(duì)故障診斷決策方法展開(kāi)研究，提出完善自診斷系統(tǒng)的可行方案，采取相應(yīng)改進(jìn)措施，實(shí)際驗(yàn)證系統(tǒng)可靠性得到提高。

電控機(jī)械自動(dòng)變速器；故障診斷；故障檢測(cè)

自動(dòng)變速器能夠減輕駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高行車安全，消除了駕駛員換擋技術(shù)的差異，使車速變換不僅迅速而且連續(xù)平穩(wěn)，同時(shí)也改善了乘坐舒適性，因而得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)前占主流的液力自動(dòng)變速器，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，阻礙了向中、低檔汽車方面的應(yīng)用。更重要的是，液力自動(dòng)變速器的傳動(dòng)效率低，在城市工況中的耗油量比手動(dòng)變速器高30%，促使研究人員的注意力轉(zhuǎn)向其它自動(dòng)變速器。

機(jī)械自動(dòng)變速器（AMT）是在車輛原有機(jī)械變速器的基礎(chǔ)上，加裝電子控制裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋功能。該變速器匹配過(guò)程簡(jiǎn)單，具有機(jī)械繼承性強(qiáng)，傳動(dòng)效率高，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)［1］。本文針對(duì)一種采用電控電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的AMT系統(tǒng)，在實(shí)車試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的具體故障，分析故障原因，采取相應(yīng)改進(jìn)措施，提高系統(tǒng)的可靠性，并基于故障診斷決策分析提出完善自診斷系統(tǒng)的可行方法。

1 機(jī)械自動(dòng)變速器系統(tǒng)介紹

文中所述AMT系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的機(jī)械變速箱和干式離合器的基礎(chǔ)上，采用三電機(jī)方案，即離合器控制、選擋控制和換擋控制分別采用帶減速裝置的24V直流電機(jī)，使用位置傳感器監(jiān)控其實(shí)際位置。本系統(tǒng)在臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)束后，首先應(yīng)用于混合動(dòng)力客車。該客車動(dòng)力系統(tǒng)采用并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，動(dòng)力電機(jī)采用中間軸方案，故在換擋過(guò)程中，可充分利用此優(yōu)勢(shì)進(jìn)行電機(jī)調(diào)速，進(jìn)一步減少換擋沖擊并縮短換擋時(shí)間。系統(tǒng)原理如圖1所示。

在駕駛操作過(guò)程中，AMT控制單元根據(jù)CAN總線上的發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)參數(shù)、車輛行駛狀態(tài)參數(shù)，同時(shí)監(jiān)測(cè)控制手柄狀態(tài)等，進(jìn)行識(shí)別分析并與處理器內(nèi)部已存儲(chǔ)的變速器換擋數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷最佳換擋時(shí)機(jī)，發(fā)出換擋指令，驅(qū)動(dòng)離合器控制電機(jī)控制離合器分離，同時(shí)通過(guò)總線請(qǐng)求動(dòng)力電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，使待嚙合檔位齒輪轉(zhuǎn)速同步，一旦得到同步信號(hào)，即控制電機(jī)完成換擋動(dòng)作，隨后控制離合器自動(dòng)柔和結(jié)合，完成換檔全部過(guò)程。

該系統(tǒng)具備自動(dòng)選擇經(jīng)濟(jì)換擋或動(dòng)力換擋模式，具有超車降擋加速功能，并實(shí)現(xiàn)了手自一體換擋控制。系統(tǒng)同時(shí)保留了駕駛員的離合器控制踏板，以滿足駕駛員在特殊情況下對(duì)離合器的操縱（圖2）。通過(guò)實(shí)車道路試驗(yàn)，該系統(tǒng)換擋時(shí)間可控制在0.8 s以內(nèi)，達(dá)到了優(yōu)秀駕駛員的操作水平。

圖1 混合動(dòng)力客車AMT系統(tǒng)原理圖

圖2 混合動(dòng)力客車離合器系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)采用CAN總線通訊網(wǎng)絡(luò)，具備一定的故障自診斷功能。對(duì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部位，如選、換擋電機(jī)、離合器控制電機(jī)、各位置傳感器及控制器本身，加強(qiáng)了保護(hù)和監(jiān)控。當(dāng)檢測(cè)到有電機(jī)短路、斷路、位置信號(hào)異常及控制器過(guò)流、過(guò)熱等，立即進(jìn)入故障模式運(yùn)行，并通過(guò)智能儀表報(bào)警、顯示故障代碼。此外，利用開(kāi)發(fā)軟件的測(cè)試模式可獲取系統(tǒng)診斷數(shù)據(jù)。實(shí)際驗(yàn)證，以上功能為實(shí)車故障診斷提供極大方便。

2 常見(jiàn)故障分析及診斷決策方法

該AMT系統(tǒng)在配合混合動(dòng)力客車進(jìn)行各項(xiàng)性能試驗(yàn)及可靠性試驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)了2類故障：換擋困難（或不換擋）和脫擋。具體原因及診斷過(guò)程分析如下：

2.1 換擋困難（或不換擋）

表現(xiàn)為換入目標(biāo)擋位時(shí)，換擋時(shí)間延長(zhǎng)，換擋動(dòng)作不流暢。嚴(yán)重時(shí)無(wú)法換入目標(biāo)檔位，并有相應(yīng)故障代碼。

分析故障原因有：1）離合器分離不徹底、混合動(dòng)力電機(jī)調(diào)速異常等，造成待嚙合齒輪轉(zhuǎn)速不同步導(dǎo)致同步器無(wú)法掛擋；2）換擋執(zhí)行電機(jī)或信號(hào)異常導(dǎo)致?lián)Q檔動(dòng)作無(wú)法完成；3）同步器機(jī)械故障。

由于系統(tǒng)具有人工和自動(dòng)2套離合器操作裝置，檢測(cè)時(shí)應(yīng)分別判斷。其故障檢測(cè)流程圖見(jiàn)圖3。

圖3 變速器不換擋檢測(cè)流程圖

其中，離合器分離情況可人工檢查法判斷，也可通過(guò)讀取診斷數(shù)據(jù)判斷。

人工檢查方法如下：使發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，汽車駐車制動(dòng)，由于混合動(dòng)力電機(jī)與變速器中間軸連接，故可待離合器分離后，觀察動(dòng)力電機(jī)轉(zhuǎn)速表是否為0來(lái)判斷動(dòng)力是否完全中斷，不為0則說(shuō)明不能徹底分離，此時(shí)同步器無(wú)法同步，將造成換擋困難或不能換擋。

實(shí)際應(yīng)用中，常采用監(jiān)測(cè)軟件讀取數(shù)據(jù)流方法（表1），結(jié)合具體出現(xiàn)的故障，可發(fā)現(xiàn)換擋時(shí)回空擋動(dòng)作正常，而在空擋時(shí)間比正常停留時(shí)間延長(zhǎng)，該時(shí)間為電機(jī)調(diào)速時(shí)間，查詢離合器分離實(shí)際位移值偏小，可判斷故障原因?yàn)殡x合器分離不徹底，因而混合動(dòng)力電機(jī)無(wú)法正常調(diào)速到規(guī)定理想轉(zhuǎn)速，造成同步信號(hào)的等待時(shí)間延長(zhǎng)，且實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速較理想電機(jī)轉(zhuǎn)速有差距，導(dǎo)致?lián)Q擋困難。

表1換擋困難數(shù)據(jù)流

時(shí)間/s 加速踏板/%發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/（r·min-1）發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)/%理想電機(jī)轉(zhuǎn)速/（r·min-1）電機(jī)轉(zhuǎn)速/（r·min-1）瞬時(shí)車速/（km·h-1） 擋位62.6 96.0 1640.00 18 1580.00 2480.00 13.16 2 62.8 95.0 1550.00 18 1580.00 2360.00 13.16 0 63.0 95.0 1470.00 18 1450.00 2200.00 12.28 0 63.2 96.5 1360.00 18 1450.00 2080.00 12.28 0 63.4 98.0 1230.00 18 1450.00 1890.00 12.28 0 63.6 97.5 1140.00 18 1450.00 1840.00 12.28 0 63.8 100 1100.00 18 1450.00 1570.00 12.28 3

離合器出現(xiàn)輕微分離不徹底現(xiàn)象，同步轉(zhuǎn)速差較小，靠同步器作用也能強(qiáng)行換擋，但換擋沖擊加大。隨著分離不徹底逐漸嚴(yán)重，同步轉(zhuǎn)速差加大，將直接導(dǎo)致不能換擋。同時(shí)造成同步器嚴(yán)重磨損而早期損壞，故該故障應(yīng)盡早發(fā)現(xiàn)。

此外系統(tǒng)出現(xiàn)連續(xù)換擋困難，也將造成控制元件長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷工作而過(guò)熱，控制器進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)導(dǎo)致不換擋。

上述現(xiàn)象可通過(guò)加強(qiáng)離合器實(shí)際位移監(jiān)控的準(zhǔn)確度，增設(shè)故障碼加以改善。故障判斷條件為：換擋過(guò)程中離合器分離后，實(shí)際位移無(wú)法達(dá)到規(guī)定值，且換擋時(shí)理想電機(jī)調(diào)速轉(zhuǎn)速差大于設(shè)定值，則可判斷為“離合器分離不徹底”，故障燈點(diǎn)亮并產(chǎn)生故障碼；此時(shí)可進(jìn)入保護(hù)模式，控制電動(dòng)離合器連續(xù)動(dòng)作2次使離合器實(shí)際位置分離后再換擋，以避免同步器的過(guò)度磨損。

造成離合器不能徹底分離的原因?yàn)椋弘x合器液壓管路中氣體未排盡、離合器間隙過(guò)大、離合器助力器支架松動(dòng)、分離叉滑動(dòng)軸承松脫等［2］?？砂闯Ｒ?guī)車輛離合器液壓操縱系統(tǒng)的故障方法進(jìn)行排除。

若非上述原因，而懷疑是選、換擋信號(hào)偏差或電機(jī)性能變化導(dǎo)致的換擋困難，可利用下列檢測(cè)界面判斷。如圖4所示，圖中橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)分別表示擋位信號(hào)、換擋電流及換擋PWM。

若出現(xiàn)各擋位換擋電流均偏大，PWM值接近極限值，可判斷為換擋電機(jī)性能變化，若個(gè)別擋位換擋電流偏大，則可判斷為該擋選擋位置信號(hào)偏差造成。其中當(dāng)相應(yīng)傳感器信號(hào)超出正常范圍、電機(jī)斷路、短路時(shí)會(huì)生成故障代碼。

圖4 AMT換擋力檢測(cè)界面

此外，選擋電機(jī)和換擋電機(jī)安裝位置異?；蚬潭菟ㄋ蓜?dòng)、變速器本身的機(jī)械故障如同步器損壞，同步環(huán)磨損過(guò)甚等機(jī)械故障也會(huì)造成個(gè)別擋位無(wú)法換擋。重新安裝或更換，故障可排除。

2.2 脫擋

該故障主要發(fā)生在起步常用擋位2擋。隨著試驗(yàn)的里程增加，當(dāng)利用2擋起步時(shí)，完成換擋動(dòng)作，儀表顯示為2擋，但離合器接合后無(wú)法起步，同時(shí)變速器有異響。

經(jīng)檢查此時(shí)確實(shí)完成了2擋換擋動(dòng)作，系統(tǒng)本身無(wú)故障。對(duì)變速器拆解發(fā)現(xiàn)，該故障原因?yàn)樽兯倨?、2擋換擋撥叉朝2擋一側(cè)有明顯磨損 （圖5），造成1、2擋撥叉軸到位后產(chǎn)生到擋信號(hào)，但實(shí)際同步器結(jié)合套和2擋齒圈并未完全結(jié)合，不能傳遞動(dòng)力而脫擋。此種故障在傳統(tǒng)變速器中也有發(fā)生。

該故障主要解決方案有以下3種：

圖5 換擋撥叉磨損面

1）確保離合器分離徹底，減小每次換擋時(shí)的同步器負(fù)荷以減小磨損；

2）正確控制換擋力矩，換擋力矩過(guò)大將導(dǎo)致同步器結(jié)合套與撥叉磨損加大；

3）換擋結(jié)束后應(yīng)完全撤消作用在撥叉上的換擋力矩。

綜上所述，后續(xù)試驗(yàn)過(guò)程中，采取上述改進(jìn)措施，增設(shè)離合器位置監(jiān)測(cè)和判斷，及離合器2次動(dòng)作的“保護(hù)”模式，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)分離不徹底故障效果良好。通過(guò)測(cè)試得知，雖然2次離合器動(dòng)作延長(zhǎng)了換擋時(shí)間1.1s，但同發(fā)生換擋困難時(shí)相比，二者總體換擋時(shí)間基本相同（表2）。

上述措施能有效避免因出現(xiàn)換擋困難產(chǎn)生的撥叉異常磨損及同步器的早期損壞，防止了故障惡化造成的不換擋和控制器過(guò)熱保護(hù)。配合改善換擋力控制，撥叉磨損情況大為改觀（表3），也使得脫擋問(wèn)題解決，AMT系統(tǒng)的故障率得以大幅下降。

表2 2種模式下的升擋時(shí)間對(duì)比 s

表3 滑塊磨損量對(duì)比 mm

3 結(jié)論

本文介紹了一種電控自動(dòng)機(jī)械變速器，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)論如下：

1）采用此類型的機(jī)械自動(dòng)變速器完全可以達(dá)到優(yōu)秀駕駛員的換擋操縱效果，系統(tǒng)所具備的的故障診斷功能可方便檢測(cè)、診斷故障，能夠應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)化后的技術(shù)服務(wù)。

2）針對(duì)該系統(tǒng)在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的故障，進(jìn)行了相應(yīng)的診斷決策研究并采取改進(jìn)措施，試驗(yàn)表明可有效減少故障率。

3）通過(guò)修改控制方法及數(shù)據(jù)，該AMT系統(tǒng)完全可移植在傳統(tǒng)電控發(fā)動(dòng)機(jī)車輛上使用，且成本較低，極具使用價(jià)值。

［1］劉成武.汽車電控機(jī)械自動(dòng)變速器設(shè)計(jì)及控制策略研究［D］.武漢大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

［2］陳煥江.汽車檢測(cè)與診斷技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［3］劉成武，劉珂路.混合動(dòng)力客車AMT換擋力控制的研究［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，25（1）：22-24.

Mechanical Fault Diagnosis and Strategy Research on Automatic Mechanical Transmission

Liu Chengwu，Liu Kelu
（Dept.of Automotive Engineering,Hubei Automotive Industries Institute,Shiyan 442002,China）

In the reliability test of automatic mechanical transmission （AMT）,the cause of fault and methods of fault diagnosis were analyzed.The improvement scheme for the self-diagnosis system was proposed.The reliability of the actual system was improved.

AMT；fault diagnosis；fault detection

U463.x

A

1008-5483（2011）02-0012-04

2011-05-16

湖北省教育廳中青年人才項(xiàng)目（Q20092302）

劉成武（1975-），男，湖北武漢人，碩士，從事汽車檢測(cè)技術(shù)與電控技術(shù)研究。