車(chē)載狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用探討

劉居榮 彭 誠(chéng) 劉子勵(lì)

（北京福田戴姆勒汽車(chē)有限公司技術(shù)中心，中國(guó) 北京101400）

0 引言

中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示中國(guó)汽車(chē)銷(xiāo)售意外加速增長(zhǎng)，2013年汽車(chē)產(chǎn)、銷(xiāo)2211.68萬(wàn)輛和2198.41萬(wàn)輛，根據(jù)公安部提供的數(shù)據(jù)，截至2013年底，我國(guó)汽車(chē)保有量達(dá)1.37億輛。汽車(chē)在帶給我們方便快捷的同時(shí)也帶來(lái)了能源消耗環(huán)境污染及交通安全事故，如何充分發(fā)揮汽車(chē)的功能以及減少其負(fù)面效應(yīng)是我們汽車(chē)行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。從制造角度來(lái)看，我們可以嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，提高產(chǎn)品質(zhì)量水平，推廣應(yīng)用新技術(shù)，增加汽車(chē)技術(shù)含量，從而提高汽車(chē)的可靠性；當(dāng)然我們也可以從車(chē)輛使用維護(hù)過(guò)程中挖掘潛力，采用各種檢測(cè)、測(cè)量、監(jiān)視、分析和判別方法，掌握汽車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)汽車(chē)做出評(píng)估來(lái)達(dá)到我們的目的；機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)在保障石化、冶金、鋼鐵和電力等流程工業(yè)中的機(jī)械設(shè)備安全、可靠和高效運(yùn)行方面起到了重要的作用，近年來(lái)一直是一個(gè)重要的研究方向，現(xiàn)在是可以把它借鑒到汽車(chē)行業(yè)的時(shí)候了。

1 車(chē)輛維修狀況分析

1.1 故障維修

目前我們普遍采用的一種維修方法，等到車(chē)輛出現(xiàn)了故障并且被發(fā)現(xiàn)了才進(jìn)行維修，其受人為因素影響很大，部分車(chē)輛問(wèn)題能夠被及時(shí)判斷，并及時(shí)維修而不至于發(fā)展成大故障，而另一部分車(chē)輛問(wèn)題被粗心大意的人忽略，得不到及時(shí)維修進(jìn)而演化成零部件受損，造成半路拋錨，甚至釀成交通事故。

圖1 正態(tài)分布性質(zhì)

1.2 預(yù)防性維修

即定期維修也稱(chēng)做定期保養(yǎng)，在車(chē)輛行駛一定的里程或經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，在車(chē)輛還沒(méi)有出現(xiàn)故障時(shí)就進(jìn)行維護(hù)的一種方式，這對(duì)減少汽車(chē)故障起到了積極的作用，目前所有的汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)在車(chē)輛售后服務(wù)說(shuō)明中都有詳細(xì)的規(guī)定，例如北京福田戴姆勒汽車(chē)有限公司規(guī)定：免費(fèi)強(qiáng)制保養(yǎng)期限及里程為，自購(gòu)車(chē)之日（按發(fā)票購(gòu)車(chē)日期）60天內(nèi)或行駛里程(2000－2500)千米(以先到者為限）；定期保養(yǎng)期限及里程為，公路用車(chē)每8000－10000千米或3個(gè)月保養(yǎng)一次（以先到者為限）；非公路用車(chē)每2個(gè)月保養(yǎng)一次。保養(yǎng)中主要消耗品更換情況為：發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油每行駛1至2萬(wàn)千米（視發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)不同及車(chē)輛使用條件不同而定）或每6個(gè)月更換一次。看到這個(gè)保養(yǎng)規(guī)定我們?cè)S多人一定會(huì)認(rèn)為所有的車(chē)輛都不會(huì)出現(xiàn)故障了，其實(shí)不然，盡管我們已在生產(chǎn)過(guò)程采用了精益生產(chǎn)原理進(jìn)行質(zhì)量控制，從正態(tài)分布性質(zhì)圖（圖1）我們可以看到還會(huì)有0.03%左右的車(chē)輛會(huì)出現(xiàn)故障，對(duì)全國(guó)而言就是有四百多萬(wàn)輛車(chē)在帶病運(yùn)行（假設(shè)車(chē)輛都按要求進(jìn)行定期維修），反之就有99.97%的車(chē)輛進(jìn)行了過(guò)渡維修，也浪費(fèi)了大量的石油資源，例如發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油，我們的更換周期比國(guó)外同類(lèi)車(chē)輛短一半左右，也就是說(shuō)我們的消耗量是人家的一倍。對(duì)于一些需要拆解的定期維修，由于受到人員技術(shù)素質(zhì)和設(shè)備條件的影響，也可能產(chǎn)生越修越壞的現(xiàn)象，而對(duì)于一些精密偶合件，可能產(chǎn)生破壞其配合效果，造成性能下降。

1.3 狀態(tài)維修

一種新的維修方式，由定期維修變成定期檢測(cè)車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)車(chē)輛狀態(tài)變化的程度，在故障發(fā)生前的某個(gè)時(shí)間內(nèi)做好檢修準(zhǔn)備，有針對(duì)性地、有計(jì)劃地安排停工修理，即按需維修也是本文探討的重點(diǎn)。

2 車(chē)載狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷應(yīng)用分析

2.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用基礎(chǔ)分析

隨著新技術(shù)的不斷推廣，汽車(chē)電子的發(fā)展主要集中在動(dòng)力總成、底盤(pán)控制、車(chē)身控制、主被動(dòng)安全、汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)、通信系統(tǒng)、安全與防盜等方面，并呈現(xiàn)出功能多樣化、技術(shù)一體化、系統(tǒng)集成化和通信網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)。汽車(chē)電子控制系統(tǒng)ECU電控單元、CBCU中央控制單元、ABS防抱死、ASR驅(qū)動(dòng)防滑、EBD制動(dòng)力分配、ESP電子穩(wěn)定、GPS導(dǎo)航、CAN總線、TPMS胎壓監(jiān)測(cè)、OBD故障診斷、CCS巡航、行駛記錄等已經(jīng)接近普及（圖2）。

圖2 汽車(chē)電控系統(tǒng)模塊

汽車(chē)信息系統(tǒng)越來(lái)越龐大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出如車(chē)速、里程、油壓、冷卻液溫度等相關(guān)范圍，逐漸向全面反映車(chē)輛狀態(tài)和行駛動(dòng)態(tài)等功能發(fā)展。智能車(chē)身電子系統(tǒng)等提高駕駛舒適性的系統(tǒng)也在逐步推廣，例如，自動(dòng)座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電子門(mén)鎖與防盜系統(tǒng)、全自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)、智能前燈系統(tǒng)、汽車(chē)夜視系統(tǒng)等包括導(dǎo)航系統(tǒng)、語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)等多媒體數(shù)碼產(chǎn)品將逐步應(yīng)用到重卡的高端車(chē)上，通過(guò)電子智能傳感器把信號(hào)送入系統(tǒng)中央控制器后，可以根據(jù)乘員的衣著和心理反應(yīng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)氣流溫度、流量、流動(dòng)方向等，滿足各個(gè)乘員的舒適性。近幾年廣泛在大型客車(chē)、牽引半掛車(chē)、危險(xiǎn)品運(yùn)輸車(chē)上應(yīng)用的行駛記錄儀，就可以記錄最近24～240小時(shí)的行車(chē)曲線，能夠記錄車(chē)輛行駛過(guò)程中的連續(xù)量車(chē)速、轉(zhuǎn)速、水溫、油壓、氣壓一、氣壓二、電壓和油量。能夠記錄車(chē)輛行駛過(guò)程中的報(bào)警量車(chē)速報(bào)警、轉(zhuǎn)速報(bào)警、水溫報(bào)警、氣壓一報(bào)警、氣壓二報(bào)警、電壓報(bào)警、油量報(bào)警、機(jī)油濾報(bào)警、燃油濾報(bào)警、水位報(bào)警、倉(cāng)溫報(bào)警。能夠記錄車(chē)輛行駛過(guò)程中的開(kāi)關(guān)量左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向、遠(yuǎn)光、前霧、后霧、倒車(chē)、制動(dòng)、胎壓、緩速、喇叭、車(chē)門(mén)動(dòng)作等。由此可見(jiàn)汽車(chē)電子的逐漸發(fā)展，功能的日益強(qiáng)大，成本步步降低，這就為車(chē)載狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

車(chē)載數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)，應(yīng)能夠盡可能地節(jié)省投資，具備可靠性、實(shí)用的功能，操作簡(jiǎn)便，較好的可擴(kuò)展性和自開(kāi)發(fā)性能。

對(duì)于已經(jīng)具備多模塊電子控制系統(tǒng)的車(chē)型，或具備其中一個(gè)模塊控制系統(tǒng)的車(chē)型可以通過(guò)升級(jí)軟件，增加功能來(lái)處理狀態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)；對(duì)于不具備上述條件的車(chē)型可以增加一個(gè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的功能，并在故障臨界狀態(tài)時(shí)進(jìn)行報(bào)警；實(shí)時(shí)或定期進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及傳送，由車(chē)輛管理者、售后服務(wù)部門(mén)、研發(fā)部門(mén)進(jìn)行后方評(píng)估，以確定對(duì)車(chē)輛的保養(yǎng)維修。

2.3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)的信息采集

狀態(tài)監(jiān)測(cè)可以開(kāi)展的內(nèi)容很多，綜合各方面因素后認(rèn)為先從節(jié)約資源與保障安全兩個(gè)方面開(kāi)始，然后再逐步擴(kuò)充（圖3）。

圖3 信息采集簡(jiǎn)圖

2.3.1 節(jié)約資源，減少污染，降低費(fèi)用

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)的心臟，其工作狀態(tài)對(duì)整車(chē)的油耗、排放、動(dòng)力起關(guān)鍵性的作用，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力、油耗、排氣排放物、機(jī)油粘度、機(jī)油品質(zhì)、機(jī)油中磨損顆粒物、主軸頸跳動(dòng)或震動(dòng)的信息采集，來(lái)分析判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況，其中氣缸壓力、油耗、排放物在許多電控發(fā)動(dòng)機(jī)上都已經(jīng)具備了這些功能，我們只需要把這些信息轉(zhuǎn)移到狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行處理就可以了，對(duì)于機(jī)油的監(jiān)測(cè)可在油底殼里加裝相應(yīng)的傳感器，主軸頸軸瓦處安裝跳動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器采集信息。

車(chē)輛的齒輪是主要部件，齒輪起著傳遞扭矩的作用，它們的異常振動(dòng)是引起車(chē)輛故障的重要因素，因此進(jìn)行齒輪異常振動(dòng)信息采集，是對(duì)車(chē)輛齒輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)的一種方式。齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的一個(gè)重要組成部分是齒輪嚙合振動(dòng)，它可通過(guò)任何介質(zhì)和路徑傳播到齒輪箱甚至車(chē)輛的任何部件。在任何情況下，只要齒輪狀態(tài)發(fā)生變化，就會(huì)引起齒輪振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。例如變速箱、分動(dòng)箱、驅(qū)動(dòng)橋、轉(zhuǎn)向助力泵等，利用傳感器在其箱體的外殼就可以測(cè)得反映齒輪狀態(tài)特征的振動(dòng)信號(hào)。同樣軸承也是汽車(chē)的重要零件之一，軸承支撐著車(chē)輛的旋轉(zhuǎn)部件，承載著車(chē)輛的重量，發(fā)生磨損故障時(shí)，軸承零件的間隙會(huì)隨著磨損的加劇而不斷增大，這樣會(huì)導(dǎo)致在車(chē)輛運(yùn)行時(shí)增大軸承的振動(dòng)，在軸承的周?chē)黾觽鞲衅骶涂梢圆杉叫畔ⅰ?/p>

2.3.2 減少事故，保障安全

在車(chē)輛行駛中，最難預(yù)防的就是爆胎問(wèn)題，它會(huì)引起交通事故，對(duì)汽車(chē)輪胎氣壓監(jiān)測(cè)，防止車(chē)輪爆胎。對(duì)制動(dòng)蹄片、制動(dòng)轂、制動(dòng)盤(pán)磨損情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止其功能失效剎車(chē)失靈。對(duì)于制動(dòng)鼓或制動(dòng)盤(pán)、輪轂軸承溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)防止其溫度過(guò)高引起的火災(zāi)，對(duì)于懸架系統(tǒng)可通過(guò)監(jiān)測(cè)板簧變形來(lái)采集車(chē)輛載荷情況，以防止過(guò)度超載引起零部件損壞。

2.4 狀態(tài)監(jiān)測(cè)的遠(yuǎn)程通訊與遠(yuǎn)程支持

因?yàn)槠?chē)的流動(dòng)性極強(qiáng)，所以車(chē)載狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)沒(méi)有像石油、化工、電力、鋼鐵等行業(yè)那樣應(yīng)用廣泛，但隨著互聯(lián)網(wǎng)及移動(dòng)通訊技術(shù)的發(fā)展，特別是移動(dòng)3G、4G技術(shù)的普及推廣，為車(chē)載狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)於嘶A(chǔ)。圖4展示了數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕灸Ｊ健?/p>

車(chē)載中央處理單元接收各監(jiān)測(cè)傳感器信息，進(jìn)行處理并存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)或定期通過(guò)衛(wèi)星或手機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰?chē)隊(duì)管理部門(mén)、汽車(chē)售后服務(wù)站、汽車(chē)制造企業(yè)研發(fā)部門(mén)數(shù)據(jù)庫(kù)，按照車(chē)輛VIN代碼自動(dòng)存入該車(chē)數(shù)據(jù)庫(kù)，研發(fā)部門(mén)用針對(duì)各種車(chē)型編制運(yùn)算程序，進(jìn)行運(yùn)算、分析、判斷，對(duì)車(chē)輛運(yùn)行狀況作出評(píng)估。

3 結(jié)論

車(chē)載狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)能及時(shí)、正確、有效地對(duì)車(chē)輛的各種異?；蚬收蠣顟B(tài)作出診斷，預(yù)防或消除故障；同時(shí)對(duì)車(chē)輛的運(yùn)行維護(hù)進(jìn)行必要的指導(dǎo)。確保可靠性、安全性和有效性。

制定合理的監(jiān)測(cè)維修制度，保證車(chē)輛發(fā)揮最大設(shè)計(jì)能力,同時(shí)在允許的條件下充分挖掘車(chē)輛潛力，延長(zhǎng)其服役期及使用壽命，降低車(chē)輛全壽命周期費(fèi)用。

圖4 通訊簡(jiǎn)圖

遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)是設(shè)備診斷技術(shù)與通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，能夠方便地實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部、行業(yè)內(nèi)部、甚至更大范圍的診斷數(shù)據(jù)和知識(shí)的共享，用車(chē)企業(yè)界則可以利用它為生產(chǎn)企業(yè)研究機(jī)構(gòu)提供寶貴的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，能夠有效地組織異地專(zhuān)家會(huì)診等，這樣既解決了車(chē)輛使用企業(yè)技術(shù)力量不足和技術(shù)水平提高的問(wèn)題又有利于研發(fā)機(jī)構(gòu)更準(zhǔn)確、更有效的獲得車(chē)輛運(yùn)行的第一手資料，通過(guò)檢測(cè)、分析、性能評(píng)估等，為車(chē)輛修改結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理制造及生產(chǎn)過(guò)程提供數(shù)據(jù)和信息，充實(shí)理論和技術(shù)研究。

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