淺析汽車機械故障診斷技術的智能化

王利民

【摘 要】介紹汽車機械故障診斷的內容，分別闡述了傳統(tǒng)的診斷方法的原理及各自的優(yōu)缺點。詳細研究了汽車機械故障發(fā)生的機理特征，然后利用診斷理論提出了一種先進診斷技術智能化，最后闡述了汽車機械故障診斷技術的發(fā)展趨勢。

【關鍵詞】汽車機械；故障；診斷技術；智能化

汽車機械故障在汽車總體故障中占有很大比例。汽車機械故障對汽車的性能造成的影響也比較大，包括影響汽車的安全性、穩(wěn)定性、操縱性及動力性等，嚴重會造成安全事故的發(fā)生，給駕駛人造成人身傷害。

1.傳統(tǒng)的汽車機械故障診斷技術

傳統(tǒng)的診斷方法有經驗診斷法、通過儀器測量診斷法、利用大型檢測診斷設備診斷法、車載自診斷法、診斷儀診斷法及計算機診斷等。

經驗診斷法是最早而且最常用的一種機械故障診斷方法。它主要是依靠維修人員通過積累的維修經驗對車的異常情況進行診斷。這種方法的缺點是費時費力而且準確度差。

利用儀器和大型診斷設備診斷技術提高了故障診斷的準確度的診斷速度，而且利用診斷設備可以記錄存儲故障情況，便于故障診斷經驗的積累，但是這種方法投資比較大，尤其是大型診斷設備。

車載自診斷是汽車機械故障診斷智能化的標志。它是利用智能化的控制裝置時刻監(jiān)測汽車的相關數(shù)據(jù)是否偏離正常的設定值來判斷汽車的故障情況。維修人員可以通過車載監(jiān)測裝置的提示迅速確定故障位置并將其排除。這種方法的缺點在于監(jiān)測傳感器的檢測范圍有限造成只能診斷部分故障。

診斷儀診斷法和計算機診斷法是目前比較先進的診斷技術，具有高智能化和準確度高的特點。隨著技術逐漸成熟，這兩種方法的應用越來越廣泛。

2.汽車機械故障的診斷原理

汽車零部件的磨損、變形、斷裂、腐蝕及老化的因素是造成汽車機械故障的主要原因。汽車機械故障的主要特征表現(xiàn)在振動異常、響聲異常、溫度異常、及運動副軌跡異常等。根據(jù)汽車的不同部位，故障表現(xiàn)的特征也有差別。車輪軸承及轉向操縱機構的機械故障表現(xiàn)為其幾何特性的改變；發(fā)動機氣缸活塞組、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)及輪胎氣壓的故障變現(xiàn)為部件的密閉性改變；汽車點火系統(tǒng)、發(fā)電機轉速系統(tǒng)、電系統(tǒng)及燈光系統(tǒng)的故障表現(xiàn)為電光熱的狀態(tài)參數(shù)的改變；傳統(tǒng)系統(tǒng)和發(fā)電機的故障表現(xiàn)為車體振動或者聲頻的改變；發(fā)電機供給系統(tǒng)、潤呼系統(tǒng)及配合副磨損等的故障表現(xiàn)為潤滑機油成分和排氣成分的改變。

根據(jù)機械故障的特征信號的檢測可以確定機械故障的類型及故障部位。主要的機械故障特征信號包括幾何信號，壓力信號、電信號及物質含量信號。幾何信號包括角度間歇、自由行程、工作行程及側滑量等；壓力信號包括氣缸壓縮壓力、機油壓力、進氣管真空度及輪胎氣壓等；電信號包括電壓、電流、頻率、相位、時域特性及頻域特性等；物質含量信號包括機油粘度、金屬雜質含量、機油中清潔劑含量及排氣中特殊氣體的含量等。

機械故障特征信號的獲取是機械故障診斷的基礎。振動傳感器是獲取振動信號的主要部件，其原理是將機械振動信號轉換成電信號來表示振動參數(shù)（包括位移、速度及加速度等）。振動傳感器包括電渦流式位移傳感器、磁電式速度傳感器及壓電式加速度傳感器等。電磁傳感器是獲取磨粒信號的主要部件，其原理是利用金屬顆粒對磁場的擾動轉換為對應的電壓值，從而確定金屬顆粒的尺寸，還可以利用相位的變化確定顆粒是否帶電。熱電阻傳感器和熱電偶傳感器是溫度信號獲取的主要部件，熱電偶的原理是不同材料的導體或者半導體構成閉合回路，兩導體的溫差會使其產生電壓，從而將溫度信號轉換為電信號；熱電阻是利用金屬導體的電阻值隨溫度變化而變化的特征。

機械故障特征信號的分析是機械故障診斷的關鍵。特征信號的分析包括信號的預處理，時域分析及頻域分析等方法。信號的預處理包括模擬信號的濾波、A/D轉換及直流分量分離和數(shù)字信號的異常值處理。模擬信號濾波的目的是濾去噪聲，消除干擾信號。時域分析法包括統(tǒng)計分析法、無量綱指標分析法、相關累積分析法及模型分析法等。頻域分析法包括傅里葉分析、倒譜分析及小波分析等。經過特征信號的分析后，最終對故障做出診斷。常用的診斷方法包括殘差分析法、距離分類法及邏輯判別法等。這幾種故障診斷的方法的原理是根據(jù)不同故障特征確定一個對應的數(shù)學模型，然后通過觀測模型本身參數(shù)的變化來判定系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

3.現(xiàn)代機械故障診斷儀

本文經過故障診斷原理的闡述，結合現(xiàn)代通信技術、檢測技術及計算機處理技術等，提出了一種現(xiàn)代機械故障診斷儀的設計。

3.1硬件設計

診斷儀硬件部分包括計算機、微機控制系統(tǒng)、通訊模塊、按鍵顯示及檢測接口等。診斷儀處理系統(tǒng)采用嵌入式的設計方法。診斷儀和汽車ECU之間的通信采用OBD—II通信模塊，其設計原理為通過電壓比較器來完成各總線協(xié)議與計算機之間的電平轉換?？偩€通信采用CAN協(xié)議通信，其特點主要體現(xiàn)在成本低、極高的總線利用率、具有可靠的錯誤處理和檢錯機制及傳輸距離長等。

3.2軟件設計

根據(jù)檢測診斷任務的需要，軟件系統(tǒng)完成的任務包括基本的操作功能（鍵盤及顯示等）、故障診斷功能及數(shù)據(jù)傳輸。軟件系統(tǒng)主要包括主函數(shù)模塊、通信模塊及診斷模塊等。

主函數(shù)模塊是軟件的核心，主要負責各子函數(shù)之間的調用和任務分配。通信模塊的主要任務是接收、識別及發(fā)送信號，包括收發(fā)函數(shù)和協(xié)議識別函數(shù)。收發(fā)函數(shù)由接收字節(jié)函數(shù)、發(fā)送字節(jié)函數(shù)、接收命令函數(shù)及發(fā)送命令函數(shù)四部分組成。協(xié)議識別函數(shù)的方法是發(fā)送特定的校驗碼與讀取到的信息進行比較，若相同，則認為找到該協(xié)議，若不同，則認為找不到該協(xié)議。診斷模塊包括傳統(tǒng)的診斷模塊和智能模塊。診斷模塊由讀取故障碼函數(shù)、清楚故障碼函數(shù)、及讀取數(shù)據(jù)流函數(shù)組成。

4.汽車機械故障診斷技術的發(fā)展趨勢

隨著汽車功能和結構的復雜程度加大，自動化程度的提高，針對汽車機械故障診斷技術的要求也越來越高。診斷技術的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

4.1多功能化和人性化

車載自診斷系統(tǒng)和車外診斷儀的配合使用將越來越廣泛。車載自診斷可以及時地監(jiān)視汽車的行駛情況并記錄故障數(shù)據(jù)，為汽車維修中心或安全部門提供汽車的實況數(shù)據(jù)，就像飛機的黑匣子一樣。車外診斷儀將日趨人性化，例如易于操作、攜帶方便及價格便宜等。

4.2診斷智能化

診斷的智能化的主要體現(xiàn)為現(xiàn)代人工智能與診斷理論的結合。現(xiàn)代人工智能包括神經網(wǎng)絡和專家系統(tǒng)等。神經網(wǎng)絡可以有效的組織和運用積累的經驗知識進行故障的診斷。目前神經網(wǎng)絡應用于故障診斷的研究范例是BP神經網(wǎng)絡在汽車故障中的應用。相對于神經網(wǎng)絡，專家系統(tǒng)適合用于解決需要大量準也知識的問題。其實兩者的結合是未來人工智能在故障診斷應用的發(fā)展方向。

4.3診斷信息的網(wǎng)絡化

診斷信息的網(wǎng)絡化可以實現(xiàn)各種車型故障資料的共享，維修人員不僅可以通過網(wǎng)絡獲得這些信息，而且可以網(wǎng)絡平臺傳遞診斷信息和維修經驗，提高維修效率。隨著無線通訊技術和電子技術的發(fā)展，遠程故障診斷將成為可能。 [科]

【參考文獻】

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