AMT故障自診斷的解耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計

韓宇石，王景霞，李志偉，戴 敏

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

AMT(機械式自動變速器)是車輛動力傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，對車輛的行駛安全有重要影響.對AMT的故障診斷技術(shù)進(jìn)行研究，可以在變速器工作異常時，為系統(tǒng)功能降級提供判斷依據(jù)，避免主要功能喪失，保證車輛運行安全;在維修時可為故障定位提供參考依據(jù)，有效降低維修難度，節(jié)約維修成本.AMT故障診斷技術(shù)的經(jīng)濟效益和社會效益正是從以上兩個方面體現(xiàn)出來.

而對于AMT系統(tǒng)來說，它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自動化程度高，在沒有故障數(shù)據(jù)支持的情況下，僅依靠經(jīng)驗和更換部件的方式查找、定位故障的維修方法已經(jīng)不能滿足市場化的需要，是制約AMT技術(shù)推廣的一個瓶頸，因此提高故障自診斷功能成為AMT產(chǎn)品化道路上需要解決的問題之一.

1 AMT的故障類型

實現(xiàn)AMT故障自診斷主要有以下幾個難點:故障診斷程序是AMT控制軟件的一部分，需要在TCU中運行來實現(xiàn)診斷功能，而TCU中的單片機數(shù)學(xué)運算能力有限，這就要求整個算法不能過于復(fù)雜;由于任務(wù)目標(biāo)不但是要實現(xiàn)故障診斷，同時還負(fù)責(zé)為系統(tǒng)的故障冗余和功能降級提供依據(jù)，所以需要保證判斷過程的實時性;AMT系統(tǒng)包含眾多部件，涉及到機械、電子、液壓等各個環(huán)節(jié)，是一個復(fù)雜的強耦合系統(tǒng)，各種部件互相作用、互相影響，故障形式和故障表現(xiàn)也是多種多樣的;在不增加傳感器的情況下，可獲得檢測信息的節(jié)點有限，需要通過子節(jié)點的信息進(jìn)行反映.

對于使用電液控制方式的AMT系統(tǒng)來說主要有以下幾種故障:

1)輸入信號故障.

在AMT系統(tǒng)中，使用壓力傳感器、位移傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器獲取變速器及車速信息，同時通過CAN總線獲取發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機扭矩、油門踏板及整車狀態(tài)信息.這些信息源可能存在的故障如表1所示.

表1 輸入信號故障點及故障原因

2)驅(qū)動故障.

AMT系統(tǒng)通過電磁閥驅(qū)動液壓系統(tǒng)來控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，以某型AMT系統(tǒng)為例，包括比例流量閥、比例壓力閥、開關(guān)閥，硬件驅(qū)動都采用負(fù)端恒流控制的方式.雖然不同電磁閥的具體結(jié)構(gòu)不同，但是從故障分析角度來看，它們具有相同的故障分類，如表2所示.

表2 驅(qū)動故障點及故障原因

3)功能故障.

主要指系統(tǒng)供油、離合器和選換擋執(zhí)行機構(gòu)動作異常等導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低或功能喪失的故障.如表3所示.

表3 功能故障點及故障原因

4)機械故障.

如果變速箱、離合器、供油系統(tǒng)和電磁閥等零部件出現(xiàn)機械故障，也會造成無法換擋的情況.如變速箱換擋撥叉卡滯，離合器位置調(diào)整不當(dāng)，電磁閥閥芯堵塞等問題.如表4所示.

表4 機械故障點及故障原因

2 故障解耦合分析

根據(jù)AMT系統(tǒng)的特點，故障可分為3類:電氣故障、功能故障和機械故障，如圖1所示.其中電氣故障主要指傳感器、電磁閥的電氣健康狀態(tài)和數(shù)字化后的傳感器信號品質(zhì).功能故障是指AMT系統(tǒng)運行期間功能狀態(tài)異常，需要參考離合器、選換擋控制階段進(jìn)行判斷.機械故障是指針對變速箱故障、執(zhí)行機構(gòu)故障、液壓系統(tǒng)故障等引起的問題.

圖1 AMT系統(tǒng)故障分類

為了解決故障耦合的問題，首先需要對整個系統(tǒng)進(jìn)行分析并詳細(xì)了解各部件之間是否存在耦合關(guān)系及存在什么形式的耦合關(guān)系;部件之間的耦合信息是什么;信息傳遞路徑是什么樣的;如果路徑中某個節(jié)點出現(xiàn)故障，故障信息的表現(xiàn)形式是什么樣的;故障信息在子節(jié)點的表現(xiàn)形式是什么樣的.

零部件之間的耦合關(guān)系可分為以下幾種［1］:

1)直接耦合.

零部件之間直接或者只經(jīng)過一些非關(guān)鍵部件載體實現(xiàn)部件的信息傳遞，而這種傳遞不受其它零部件的影響，一旦這種信息傳遞異常，可推斷產(chǎn)生信息源的部件出現(xiàn)了故障.

2)間接耦合.

如果系統(tǒng)中兩個部件之間并沒有直接的信息交流，但部件A可以通過部件B將信息傳遞到部件C，從而引起部件C的變化.

3)V結(jié)構(gòu)耦合.

如果系統(tǒng)中兩個部件之間不存在信息交流，他們的信息都直接耦合到同一個部件上，這樣部件A和部件B兩者所產(chǎn)生的信息源都傳遞給共同的部件C，影響其狀態(tài).

4)不確定性耦合關(guān)系處理方法.

各部件之間有時并不容易通過分析判斷出屬于以上哪種耦合關(guān)系，但是又懷疑節(jié)點之間可能存在一定的耦合，這就需要進(jìn)行信息的量化處理.可利用信息論分析零部件的不確定耦合關(guān)系.

通過對AMT系統(tǒng)進(jìn)行耦合性分析，可以得出:在不考慮控制器板級故障的情況下，傳感器和電磁閥故障可以看作相互獨立，但與相應(yīng)的功能存在耦合關(guān)系，是AMT故障的根節(jié)點;機械故障同樣是故障傳遞路徑的根節(jié)點，故障現(xiàn)象難于直接觀測，但是能通過功能故障反映出來;離合器控制機構(gòu)、選擋控制機構(gòu)及換擋控制機構(gòu)相互之間可認(rèn)為是獨立的，與供油系統(tǒng)故障、電氣故障和機械故障存在耦合.

3 故障診斷結(jié)構(gòu)設(shè)計

從某型AMT產(chǎn)品故障原因的統(tǒng)計結(jié)果來看，電氣故障大約占到故障總量的70%到80%.這類故障相互之間沒有耦合，可采用分布式的故障診斷方法對每個故障點單獨進(jìn)行判斷，診斷途徑以檢測電壓、電流信號的故障特征為主，相對來說針對性強、易于實現(xiàn)，故障判斷的準(zhǔn)確性很高，并且算法簡單，可有效保證診斷的實時性.考慮到電氣故障是故障傳遞路徑的根節(jié)點，危害性大，任意節(jié)點出現(xiàn)問題都會影響系統(tǒng)的整體功能，所以可把該類故障獨立出來，優(yōu)先進(jìn)行故障判斷，使結(jié)果不向下方傳遞，即在電氣故障出現(xiàn)后不進(jìn)行其它故障判斷，在故障診斷結(jié)構(gòu)中定義為電氣監(jiān)測層.

為了對不同電氣故障點進(jìn)行優(yōu)先級區(qū)分，可采用以下方法:

設(shè)電氣層中所有故障的集合為 E={E1，E2，…，En}，故障的先驗概率為

式中:i，j∈n;N(Ei)為故障發(fā)生次數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果.

故障的觀測值為

式中:Ei的故障狀態(tài) S(Ei)∈{0，1}.

對正在發(fā)生的故障按照觀測值大小順序排列，隊列中的序號即是該故障的優(yōu)先級.故障診斷程序優(yōu)先報送發(fā)生頻率高的故障信息;動態(tài)計算故障優(yōu)先級，同一個故障在不同序列里的位置會存在差異.

功能故障，是指機構(gòu)裝配、零部件加工誤差、機械磨損等問題引起的功能失效或性能降低，這類故障在重新標(biāo)定參數(shù)后可以解決.機械故障，是指變速箱故障、執(zhí)行機構(gòu)故障、液壓系統(tǒng)故障等引起的問題.機械故障產(chǎn)生的原因不容易確定，在線診斷很難獲取特征信息，并且處于故障傳遞的根節(jié)點位置，與功能故障存在耦合關(guān)系，很容易出現(xiàn)定位失敗的問題.在AMT系統(tǒng)運行的過程中，由于系統(tǒng)的功能故障是可監(jiān)測的，可以設(shè)置觀測點，在不考慮故障原因的情況下每個觀測點單獨對某一功能狀態(tài)進(jìn)行評估，可以減少判斷過程的復(fù)雜程度.根據(jù)不同系統(tǒng)功能的獨立性對故障進(jìn)行隔離，在具有相關(guān)性的故障傳遞路徑上使用數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果和專家意見生成故障先驗概率來幫助定位.在故障診斷結(jié)構(gòu)中定義為故障推理層，通過先驗概率和條件概率進(jìn)行推理，即已知在事件A發(fā)生時事件B的發(fā)生概率，計算在事件B發(fā)生的條件下事件A的發(fā)生概率，計算方法如式(3)、式(4)［2］所示.

確定條件概率后，在獨立性定義假設(shè)下，有貝葉斯公式:

AMT故障診斷解耦合推理的過程以圖2所示為例.圖中電氣監(jiān)測層的所有節(jié)點是可觀測的，采用獨立計算的方式進(jìn)行判斷.如果電氣監(jiān)測層出現(xiàn)故障報警，則不進(jìn)行故障推理層的計算.在故障推理層只有觀測點A、B、C、D可觀測，A是B、a1、a2的子節(jié)點，B是C、D的子節(jié)點，C是c1、c2的子節(jié)點，D是d1、d2的子節(jié)點.當(dāng)某個觀測點的狀態(tài)是隱性時 (數(shù)值為0，無故障)，虛線代表的繼承關(guān)系斷開，不進(jìn)行相關(guān)分支的條件概率推理.

圖2 AMT選擋動作異常的診斷過程

4 解耦合推理

以圖2所示為例，假設(shè)AMT系統(tǒng)出現(xiàn)無法選擋的情況，電氣監(jiān)測層無報警信息，故障推理層的觀測點 A、B、C、D都為顯性(數(shù)值為1，有故障)，在這種情況下對故障原因進(jìn)行推理.

首先需要獲得故障集合內(nèi)所有故障節(jié)點的先驗概率.該項數(shù)值是后續(xù)推理計算的輸入信息，需要根據(jù)長期的故障信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)及專業(yè)領(lǐng)域?qū)＜?、技術(shù)人員的經(jīng)驗進(jìn)行確定，如果先驗知識不準(zhǔn)確將導(dǎo)致推理結(jié)果出現(xiàn)偏差.本例中故障點的相關(guān)信息如表5所示.

表5 故障點先驗概率

當(dāng)觀測點的狀態(tài)為顯性，可以根據(jù)故障節(jié)點相關(guān)性對觀測點的先驗概率和條件概率進(jìn)行計算，如表6所示.

表6 觀測點概率計算

使用公式(4)進(jìn)行故障推理，結(jié)果如表7所示.

表7 故障推理結(jié)果

從故障推理結(jié)果可以看出，雖然參數(shù)標(biāo)定錯誤的先驗概率大于供油系統(tǒng)故障，但是在4個觀測點都報警的情況下進(jìn)行概率推理，供油系統(tǒng)故障的發(fā)生概率明顯高于參數(shù)標(biāo)定錯誤，最有可能是導(dǎo)致故障的原因，該故障優(yōu)先級最高.

根據(jù)上述原理設(shè)計的AMT系統(tǒng)故障診斷程序在某型AMT產(chǎn)品上進(jìn)行應(yīng)用，取得比較好的效果，尤其在變速器本體出現(xiàn)機械問題時故障定位比較準(zhǔn)確、判斷過程滿足實時性要求.圖3所示為實際應(yīng)用中的一次故障判斷.AMT系統(tǒng)在掛倒擋時換擋動作失敗，通過故障點和故障原因得知，當(dāng)前概率最大的原因是變速箱倒擋頂齒.駕駛員重新進(jìn)行操作后掛擋成功、故障消失，證明故障原因判斷準(zhǔn)確.

圖3 AMT系統(tǒng)故障實例

5 結(jié)論

在對AMT故障節(jié)點進(jìn)行耦合性分析的基礎(chǔ)上，提出了具有兩層結(jié)構(gòu)的故障診斷解耦合設(shè)計方法，采用不同的算法進(jìn)行電氣監(jiān)測層和故障推理層的故障判斷.故障率較高的傳感器和電磁閥在電氣監(jiān)測層中進(jìn)行檢測，采用分布式計算方法，每個節(jié)點獨立運行，可有效減少輸入信息的數(shù)量、降低算法的復(fù)雜度，提高診斷的實時性和準(zhǔn)確性;在故障推理層中根據(jù)觀測點的相關(guān)性對關(guān)系網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動態(tài)劃分，單獨計算觀測點狀態(tài)，使用故障先驗概率密度動態(tài)計算的方法對故障進(jìn)行解耦合推理，解決了AMT系統(tǒng)機械故障特征難以獲取的問題.該方法在實際應(yīng)用中獲得了較好的效果，表明該方法正確可行.

［1］李海軍，馬登武，劉 宵，等.貝葉斯網(wǎng)絡(luò)理論在裝備故障診斷中的應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2009.

［2］王雙成.貝葉斯網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、推理與應(yīng)用 ［M］.上海:立信會計出版社，2010.