汽車電子換擋系統(tǒng)換擋失效故障分析

劉維生，馬金旭，徐 明，趙雙學(xué)

（一汽奔騰轎車有限公司奔騰開發(fā)院，吉林 長春 130012）

隨著汽車智能化的快速發(fā)展，電子換擋系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)成為趨勢(shì)。目前電子換擋系統(tǒng)不再只是高端品牌的特有產(chǎn)品，在國產(chǎn)中端車型上也被廣泛應(yīng)用。通過整車CAN總線信號(hào)通信的形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械換擋拉絲來實(shí)現(xiàn)擋位切換，大大提高了駕駛員操作的輕便性和舒適性，此外在智能駕駛輔助方面電子換擋系統(tǒng)也是必不可少的一部分。由于電信號(hào)指令傳輸?shù)膽?yīng)用，整個(gè)系統(tǒng)的換擋失效模式及原因相比傳統(tǒng)機(jī)械換擋更加復(fù)雜和多樣化，本文針對(duì)各類電子換擋系統(tǒng)構(gòu)成、原理及各類換擋失效故障進(jìn)行闡述和分析。

1 電子換擋系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

1.1 電子換擋系統(tǒng)構(gòu)成

電子換擋系統(tǒng)主要由電子換擋器總成、執(zhí)行器控制單元總成、換擋執(zhí)行器總成構(gòu)成 （圖1）。其中電子換擋器總成EGSM集成了電子換擋器、解鎖按鍵、擋位顯示模塊，主要功能為識(shí)別駕駛員操作動(dòng)作，向整車總線發(fā)出駕駛員動(dòng)作指令信號(hào)；執(zhí)行器控制單元ACM主要功能為接收到駕駛員操作指令信號(hào)后，綜合整車環(huán)境狀態(tài)對(duì)駕駛員操作的合理性進(jìn)行判斷，生成目標(biāo)擋位后控制執(zhí)行器電機(jī)切換擋位；換擋執(zhí)行器ARC由換擋電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、執(zhí)行器位置傳感器組成，主要功能為執(zhí)行換擋命令，通過機(jī)械傳動(dòng)切換變速器換擋軸，實(shí)現(xiàn)擋位切換。

圖1 電子換擋系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 電子換擋系統(tǒng)基本原理

電子換擋系統(tǒng)的換擋行為是一個(gè)較為復(fù)雜的信號(hào)轉(zhuǎn)化、傳遞、執(zhí)行、反饋的閉環(huán)動(dòng)作，下面基于換擋信息流向?qū)﹄娮訐Q擋系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行闡述，系統(tǒng)架構(gòu)原理見圖2。

圖2 電子換擋系統(tǒng)架構(gòu)原理圖

首先，駕駛員有換擋需求時(shí)會(huì)按照系統(tǒng)設(shè)定的操作邏輯操作電子換擋器總成的換擋手柄，如按下解鎖按鍵、前推或后拉換擋手柄等動(dòng)作，電子換擋控制器通過霍爾傳感器將駕駛員的前推后拉換擋手柄的動(dòng)作指令轉(zhuǎn)化為手柄操作電信號(hào)并傳輸?shù)紺AN總線上，同時(shí)也會(huì)將解鎖按鍵的狀態(tài)信號(hào)傳輸至CAN總線用于下一級(jí)控制器的換擋邏輯判斷。

接下來換擋執(zhí)行器控制單元ACM從CAN總線上接收到換擋操作信號(hào)、解鎖信號(hào)以及整車其他環(huán)境信號(hào) （制動(dòng)信號(hào)、車速信號(hào)、加速踏板信號(hào)等），按照設(shè)定判斷邏輯綜合以上信號(hào)對(duì)駕駛員的換擋操作行為進(jìn)行合理性判斷，如果判斷通過則控制換擋執(zhí)行器ARC執(zhí)行機(jī)械的換擋動(dòng)作，如果判斷失敗則不響應(yīng)駕駛員的換擋操作并通過儀表對(duì)駕駛員的不當(dāng)操作進(jìn)行提示。

換擋執(zhí)行器執(zhí)行完ACM的換擋指令后，內(nèi)部傳感器會(huì)對(duì)執(zhí)行后結(jié)果進(jìn)行采集并反饋給ACM，形成閉環(huán)校驗(yàn)機(jī)制，同時(shí)變速器控制單元會(huì)將當(dāng)前擋位信號(hào)傳輸至CAN總線，電子換擋器總成讀取擋位信號(hào)，通過換擋手柄上擋位顯示模塊指示整車的當(dāng)前擋位狀態(tài)，給駕駛員一個(gè)擋位信息反饋，形成整個(gè)換擋操作的閉環(huán)。

2 換擋失效問題分類及原因

通過以上電子換擋系統(tǒng)工作原理的描述可知，整個(gè)換擋過程各控制器間存在較多的信號(hào)交互，在換擋信息流傳遞過程中，每一個(gè)環(huán)節(jié)的失效或故障都可能影響整個(gè)換擋系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。下面分別從換擋系統(tǒng)外部故障和內(nèi)部故障兩個(gè)方面進(jìn)行故障分析。

2.1 換擋系統(tǒng)外部故障

1） 供電電壓過壓/欠壓故障 電子換擋系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作的供電來源是車輛蓄電池，通常電子換擋系統(tǒng)內(nèi)各零部件的正常工作電壓范圍為9~16V，當(dāng)蓄電池電源輸入電壓超出9~16V的范圍一定時(shí)長時(shí)，電子換擋器和換擋執(zhí)行器控制單元內(nèi)部電氣元件會(huì)停止工作，導(dǎo)致?lián)Q擋失效，整車表現(xiàn)為換擋操作無法正常執(zhí)行，擋位指示模塊無法顯示擋位，儀表會(huì)提示電子換擋系統(tǒng)故障。當(dāng)整車供電恢復(fù)到正常范圍時(shí)，換擋系統(tǒng)所有功能恢復(fù)正常。

2） 環(huán)境信號(hào)輸入故障 電子換擋系統(tǒng)正常執(zhí)行駕駛員換擋操作前，需要采集整車總線上多個(gè)表征整車環(huán)境狀態(tài)的信號(hào)，用于判斷駕駛員當(dāng)前的操作是否符合設(shè)定的功能邏輯。如整車車速信號(hào)、車輛行駛方向信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)、油門踏板信號(hào)、整車供電模式信號(hào)、當(dāng)前擋位信號(hào)、主駕駛安全帶狀態(tài)信號(hào)、主駕駛側(cè)車門狀態(tài)信號(hào)等，以上每條信號(hào)的狀態(tài)都會(huì)影響換擋系統(tǒng)對(duì)應(yīng)功能的實(shí)現(xiàn)。例如，整車車速過高（具體閥值以策略設(shè)定為準(zhǔn)） 的情況下，處于整車安全和變速器結(jié)構(gòu)保護(hù)的原因，通常不允許駕駛員換入P擋；未踩下制動(dòng)踏板的情況下，為了規(guī)避駕駛員誤碰操作的風(fēng)險(xiǎn)，通常不允許駕駛員換出P擋?；谝陨蟽蓚€(gè)例子的情況，整車環(huán)境信號(hào)的采集對(duì)換擋邏輯的正常實(shí)施至關(guān)重要，所以，如果各環(huán)境信號(hào)輸入錯(cuò)誤值或丟失狀態(tài)，將無法實(shí)施對(duì)應(yīng)的換擋邏輯判斷，從而導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的功能失效。

3） 總線BUSOFF故障 整車各系統(tǒng)間信號(hào)交互的載體是CAN總線網(wǎng)絡(luò)，電子換擋系統(tǒng)中電子換擋器和換擋執(zhí)行器控制單元作為CAN總線節(jié)點(diǎn)也會(huì)讀取和發(fā)送相應(yīng)的報(bào)文到總線上，總線故障也是導(dǎo)致?lián)Q擋系統(tǒng)功能失效的重要原因之一。常見導(dǎo)致總線Busoff故障的原因如下［1］：源控制器電壓不穩(wěn)定，過高或過低都會(huì)導(dǎo)致通信故障；CAN主干線束問題、源控制器本身硬件或軟件問題、源控制器插接件進(jìn)水接觸不良；其它控制器的故障導(dǎo)致總線負(fù)載率升高、錯(cuò)誤幀增加，從而影響了源控制器的特定報(bào)文被超時(shí)發(fā)送，導(dǎo)致發(fā)生報(bào)文丟失的故障。

2.2 換擋系統(tǒng)內(nèi)部故障

2.2.1 電子換擋器總成故障

電子換擋器內(nèi)部是通過線性霍爾傳感器將駕駛員操作換擋手柄的動(dòng)作轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)進(jìn)行識(shí)別換擋意圖［2］。通?？偝蓛?nèi)會(huì)布置雙路線性霍爾傳感器，形成校驗(yàn)機(jī)制，來提高操作識(shí)別的可靠性。線性霍爾傳感器故障分為以下兩種：第1類故障為雙路霍爾傳感器同時(shí)發(fā)生采集到的擋桿位置數(shù)據(jù)為錯(cuò)誤狀態(tài)，即雙路數(shù)據(jù)均不在設(shè)定的正確范圍內(nèi)，無法正確反映駕駛員操作擋桿所處的位置。第2類故障為當(dāng)雙路傳感器采集到的擋桿位置數(shù)據(jù)均在正確范圍內(nèi)，但是在雙路進(jìn)行校驗(yàn)的過程中，數(shù)據(jù)差值超出了設(shè)定的偏差范圍，系統(tǒng)判定雙路傳感器校驗(yàn)失敗，也無法判定數(shù)據(jù)的有效性。以上兩種霍爾傳感器故障均會(huì)導(dǎo)致?lián)Q擋功能失效，無法響應(yīng)駕駛員操作，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)記錄相應(yīng)故障碼，并通過儀表提示駕駛員故障狀態(tài)。

2.2.2 換擋桿卡滯故障

電子換擋器通常采用復(fù)位式 （圖3），其中X0位置為換擋桿的初始位置，也是唯一的穩(wěn)態(tài)位置，即在不施加外力的情況下在此位置保持停留；F2、F1、R1、R2位置均為非穩(wěn)態(tài)位置，駕駛員將擋桿從X0推動(dòng)至F2、F1、R1、R2中任意位置后釋放擋桿均會(huì)回彈至穩(wěn)態(tài)X0位置。換擋卡滯故障為換擋器內(nèi)部機(jī)構(gòu)或硬件損壞的原因?qū)е禄魻杺鞲衅髯R(shí)別到的換擋桿位置狀態(tài)在非穩(wěn)態(tài)位置保持停留一定時(shí)間沒有復(fù)位至穩(wěn)態(tài)X0位置 （此時(shí)長參數(shù)可標(biāo)定），系統(tǒng)判定為擋桿卡滯故障，此時(shí)無法響應(yīng)駕駛員操作，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)記錄相應(yīng)故障碼，并通過儀表提示駕駛員故障狀態(tài)。

2.2.3 換擋執(zhí)行器控制單元故障

換擋執(zhí)行器控制單元在完成換擋指令邏輯判斷后，會(huì)驅(qū)動(dòng)換擋執(zhí)行器電機(jī)進(jìn)行換擋操作，執(zhí)行完換擋操作后，換擋執(zhí)行器內(nèi)的傳感器會(huì)將執(zhí)行后的機(jī)械位置狀態(tài)反饋給換擋執(zhí)行器控制單元，進(jìn)行執(zhí)行結(jié)果與執(zhí)行目標(biāo)的比對(duì)校驗(yàn)，形成閉環(huán)控制。當(dāng)換擋執(zhí)行器反饋的當(dāng)前擋位狀態(tài)與目標(biāo)擋位在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)未校驗(yàn)成功 （具體時(shí)間可標(biāo)定），系統(tǒng)將判定換擋超時(shí)，此時(shí)無法響應(yīng)駕駛員操作，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)記錄相應(yīng)故障碼，并通過儀表提示駕駛員故障狀態(tài)。

圖3 復(fù)位式電子換擋器總成示意圖

2.2.4 換擋執(zhí)行器故障

1） 換擋執(zhí)行器卡滯故障 換擋執(zhí)行器主要由執(zhí)行電機(jī)及減速齒輪機(jī)構(gòu)構(gòu)成，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞或內(nèi)部雜物或電機(jī)外部負(fù)載過大等原因可能會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行器運(yùn)行受阻，發(fā)生卡滯故障。發(fā)生此類故障時(shí)，換擋執(zhí)行器控制單元會(huì)對(duì)執(zhí)行器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，第1個(gè)卡滯判斷條件為：當(dāng)進(jìn)行換擋動(dòng)作過程中執(zhí)行器電機(jī)電流大于設(shè)定閥值；第2個(gè)判斷條件為執(zhí)行器輸出端旋轉(zhuǎn)角速度低于設(shè)定閥值 （可標(biāo)定）。滿足以上兩個(gè)條件，控制單元判定執(zhí)行器卡滯故障發(fā)生，此時(shí)無法響應(yīng)駕駛員操作，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)記錄相應(yīng)故障碼，并通過儀表提示駕駛員故障狀態(tài)。

2） 換擋執(zhí)行器傳動(dòng)失效故障 當(dāng)換擋執(zhí)行器內(nèi)部的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)生斷齒、磨損或其他機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞的失效模式時(shí)，換擋執(zhí)行器控制單元會(huì)通過對(duì)執(zhí)行器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)從而判斷是否發(fā)生執(zhí)行器傳動(dòng)失效故障。首先對(duì)執(zhí)行電機(jī)的工作電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果該電流在電機(jī)的正常工作電流范圍內(nèi)，說明執(zhí)行電機(jī)為正常工作，未發(fā)生堵轉(zhuǎn)或卡滯等故障；其次通過傳感器對(duì)執(zhí)行器輸出端旋轉(zhuǎn)角速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果旋轉(zhuǎn)角速度低于設(shè)定的閥值，則可以判斷電機(jī)的扭矩輸出并未轉(zhuǎn)化為執(zhí)行器的扭矩輸出，此時(shí)認(rèn)為電機(jī)與執(zhí)行器輸出端之間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)生失效，此時(shí)無法響應(yīng)駕駛員操作，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)記錄相應(yīng)故障碼，并通過儀表提示駕駛員故障狀態(tài)。

3） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路開路、短路故障 當(dāng)換擋執(zhí)行器中執(zhí)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路處于開路或短路的狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行電機(jī)無法正常執(zhí)行換擋執(zhí)行器控制單元的驅(qū)動(dòng)控制，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q擋失效。當(dāng)發(fā)生開路故障時(shí)，控制器監(jiān)測(cè)的電機(jī)回路電流會(huì)小于設(shè)定的閥值 （趨于0），同時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的占空比會(huì)大于設(shè)定閥值，此時(shí)系統(tǒng)判定發(fā)生開路故障；相反當(dāng)控制器監(jiān)測(cè)的電機(jī)回路電流大于設(shè)定的閥值且驅(qū)動(dòng)電機(jī)的占空比小于設(shè)定閥值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)判定發(fā)生短路故障。此時(shí)無法響應(yīng)駕駛員操作，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)記錄相應(yīng)故障碼，并通過儀表提示駕駛員故障狀態(tài)。

3 結(jié)束語

本文僅淺析了導(dǎo)致?lián)Q擋功能失效比較典型的故障案例，不同車型的故障模式會(huì)隨著系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不同而更加多樣化。在汽車智能化快速發(fā)展的趨勢(shì)下，電子換擋系統(tǒng)不再只是實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)換擋功能，它的產(chǎn)生和應(yīng)用對(duì)人性化設(shè)計(jì)和智能駕駛領(lǐng)域都有著重要意義［3］。對(duì)電子換擋系統(tǒng)故障的梳理及分析，有利于整個(gè)系統(tǒng)故障狀態(tài)的掌控和故障處理，同時(shí)能夠?qū)ζ囯娮訐Q擋系統(tǒng)的安全性、可靠性設(shè)計(jì)起到一定的指導(dǎo)作用。