新型DCT典型故障的診斷策略研究

何龍 孫保群 羅沖 黃帥

（合肥工業(yè)大學，汽車工程技術研究院，合肥 230009）

新型DCT典型故障的診斷策略研究

何龍 孫保群 羅沖 黃帥

（合肥工業(yè)大學，汽車工程技術研究院，合肥 230009）

針對一款新型DCT分析其高發(fā)故障。介紹了國內(nèi)外臺架試驗故障診斷方法的現(xiàn)狀，并鑒于汽車故障自診斷系統(tǒng)的盲區(qū)，選取離合器打滑、換擋電磁閥故障和油源低壓故障這3種典型故障進行重點研究，分別制定故障診斷策略，而且借助計算機軟件建立Simulink/Stateflow診斷模型。建立包含故障診斷系統(tǒng)的整車Simulink模型并進行仿真驗證，結果表明故障診斷策略可行。

1 前言

DCT較傳統(tǒng)自動變速器的優(yōu)勢顯著，國內(nèi)各大汽車廠商及科研院所紛紛加大投入開展對DCT的研究，近些年也逐漸取得了一些成果。合肥工業(yè)大學在總結傳統(tǒng)DCT設計經(jīng)驗的基礎上，設計出了一款新型DCT并完成樣機的制造。DCT裝配在目標車型后，在大量的道路試驗中總體表現(xiàn)良好，偶有故障發(fā)生。由于DCT結構復雜，個別部件故障率高且不易拆檢，因而本文針對該款新型DCT的故障診斷進行研究。

在傳統(tǒng)故障診斷領域，變速器試驗臺架的應用十分廣泛。國內(nèi)研究現(xiàn)狀下，已有的試驗臺架只能檢測液壓控制換擋的自動變速器，若需檢測電控自動變速器則需另外配置檢測系統(tǒng)[1]。國外關于自動變速器測試技術相對我國已十分完善，但其設備成本太高。文中選取故障率高的元器件進行重點研究，基于MATLAB/Simulink/Stateflow建立故障診斷模型，最后將故障診斷模型加入整車模型中，并設置故障源進行仿真研究，對所提出的故障診斷策略進行驗證。

2 新型DCT簡介

2.1 基本結構及工作原理

新型DCT采用并聯(lián)行星輪系設計，每個行星輪系上各有一個離合器和制動器（功能相當于離合器），通過離合器、制動器的結合與分離來實現(xiàn)行星輪系的殼體與齒圈的固連與否，以形成不同傳動比。其結構上采用單輸入軸和雙中間軸的設計，每根軸上有一個同步器，通過切換同步器的左、中、右選位，實現(xiàn)不同的動力傳遞路線。新型DCT基本結構如圖1所示，其中Ⅰ為定軸傳動輪系，Ⅱ和Ⅲ為并聯(lián)行星輪系[2]。

由圖1可知，DCT中共有2個離合器、2個制動器和3個同步器，通過7個執(zhí)行元件的不同邏輯動作組合[3]，可以實現(xiàn)8個前進擋和2個倒擋之間的擋位切換，實現(xiàn)發(fā)動機動力的選擇性輸出。各擋位對應的換擋執(zhí)行元件狀態(tài)如表1所列。

圖1 新型DCT結構示意

1.輸入軸 2.D3、D4、D7、D8擋主動齒輪G1 3.D1、D2、D5、D6擋主動齒輪G2 4.同步器T1 5.倒擋輸入齒輪G3 6.中間軸I 7.D3、D7擋被動齒輪G4 8.中間軸I同步器T2 9.D1、D5擋被動齒輪G5 10.中間軸II 11.D4、D8擋被動齒輪G6 12.中間軸II同步器T3 13.D2、D6擋被動齒輪G7 14.倒擋軸 15.倒擋軸齒輪G8 16.倒擋軸齒輪G9 17.中間軸I主減速器主動齒輪G10 18.行星輪系I 19.行星輪系I行星輪G11 20.行星輪系I行星架 21.行星輪系I太陽輪G12 22.行星輪系I齒圈 23.制動器B1 24.離合器C1 25.中間軸II主減速器主動齒輪G13 26.行星輪系II 27.行星輪系II行星輪G14 28.行星輪系II行星架 29.行星輪系II太陽輪G15 30.行星輪系II齒圈 31.離合器C2 32.制動器B2 33.主減速器被動齒輪G16 34.輸出軸

表1 各擋位執(zhí)行元件狀態(tài)

汽車起步前變速器處于空擋，離合器和制動器處于分離狀態(tài)，同步器也都處于中位，以N擋掛入D1擋為例來分析工作原理。當汽車起步，變速器要掛入D1擋，此時TCU發(fā)出控制命令至換擋執(zhí)行系統(tǒng)，動力由發(fā)動機輸出經(jīng)輸入軸傳入變速器，在驅(qū)動力作用下同步器T1到左位、T2到右位、T3保持中位，接著制動器B1結合（行星輪系的齒圈與變速器殼體固連），D1擋掛擋完畢。動力傳遞路線為：輸入軸—D1、D2、D5、D6擋主動齒輪G3—D1、D5擋被動齒輪G5—中間軸I—行星輪系I—中間軸I主減速器主動齒輪G10—主減速器被動齒輪G16—輸出軸。

2.2 特點

與傳統(tǒng)DCT相比，新型DCT具有以下特點：

a.結合了AT的行星輪系與DCT的雙離合概念，是一種新型的雙離合自動變速器；

b.采用行星輪系機構，通過離合器、制動器的結合與分離實現(xiàn)行星輪系的殼體與齒圈是否固連，以形成不同傳動比，可以減小變速器的徑向尺寸，結構更加緊湊[4]；

c.采用雙中間軸的結構設計，避免了空心軸結構，降低了對加工精度的要求；

d.采用后置式的雙離合器與雙制動器（其功能相當于離合器），在離合器結合轉(zhuǎn)速小的情況下，能有效降低磨損；高擋位時行星輪系直接傳動，降低了齒輪之間的磨損程度，有利于延長其使用壽命。

3 新型DCT故障診斷對象

隨著汽車技術的不斷發(fā)展，故障自診斷系統(tǒng)的應用越來越多，當車輛發(fā)生故障時，維修人員可以方便地獲取故障碼并確定故障點。但是，對于各種機械故障，自診斷系統(tǒng)起不到診斷作用。例如，當自動變速器出現(xiàn)離合器片磨損、液壓控制系統(tǒng)油壓異常以及換擋執(zhí)行器運動不良等故障時，自診斷系統(tǒng)就無法發(fā)揮作用。因此，裝配DCT的車輛在變速器出現(xiàn)上述故障時就無法使用故障自診斷系統(tǒng)來定位故障點。

裝配DCT的車輛在各種路況下，尤其是城市擁堵路段，離合器反復結合、分離或者保持半聯(lián)動狀態(tài)，難免會造成離合器片磨損使得摩擦系數(shù)減小的情況。因此，離合器是DCT中故障率較高的零部件之一。換擋執(zhí)行機構頻繁接收到TCU發(fā)出的控制命令并迅速執(zhí)行，也是易出現(xiàn)故障的。DCT換擋執(zhí)行機構都是由電磁閥驅(qū)動，一般情況下故障的根源都在電磁閥，而電磁閥又是由液壓油驅(qū)動的，所以油路故障也是很常見的。由上述分析可知，這些高發(fā)故障又恰恰是故障自診斷系統(tǒng)的盲區(qū)。

因此，鑒于故障自診斷系統(tǒng)的診斷盲區(qū)，結合該新型DCT特點，選取離合器、換擋執(zhí)行機構這兩個故障高發(fā)部件進行故障診斷分析，并且針對其中的離合器打滑、換擋電磁閥故障和油源低壓故障這3種典型故障的診斷進行詳細分析并建模[5]。

4 故障診斷策略與Stateflow建模

4.1 離合器打滑故障及建模

離合器片的過度磨損會導致打滑故障，使得主從動盤之間的傳動效率極大的降低，進而影響離合器所連接轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。故障診斷策略為：在離合器結合狀態(tài)下，計算出離合器從動盤與主動盤轉(zhuǎn)速比值，如果比值長時間低于80%，則診斷離合器存在打滑故障。其中，主動盤轉(zhuǎn)速可通過離合器所在中間軸轉(zhuǎn)速得到；因為離合器結合時行星輪系為直接傳動，傳動比是1，所以從動盤轉(zhuǎn)速可通過輸出軸轉(zhuǎn)速與主減速器傳動比計算得到。建立離合器打滑故障Stateflow診斷模型，該模型由離合器正常模塊、離合器故障模塊和兩個等待狀態(tài)組成。Stateflow狀態(tài)圖被激活時，執(zhí)行默認轉(zhuǎn)移進入離合器正常狀態(tài)，當確定離合器結合換擋完成時，進入下一個節(jié)點判斷從動盤與主動盤轉(zhuǎn)速比值是否低于限定值，DCT主減速器傳動比為3.824。如果結果連續(xù)多次低于限定值0.8，則輸出故障標志fault_clutch=1。之后繼續(xù)檢測，故障排除時系統(tǒng)重新進入離合器正常狀態(tài)并輸出正常標志fault_clutch=0。

4.2 換擋電磁閥故障及建模

換擋電磁閥是二位三通常閉型開關電磁閥，在換擋過程中，電磁閥接收來自TCU的換擋命令，控制各換擋液壓油路通斷，通過撥叉帶動同步器結合完成摘擋與掛擋動作。當換擋電磁閥正常工作時，換擋命令發(fā)出后電磁閥打開，撥叉會迅速到達指定位置，時間大約為0.3 s。如果發(fā)生故障，撥叉則不能在限定時間內(nèi)完成動作。因此故障診斷策略為：電磁閥接收到TCU換擋指令打開之后，檢測撥叉能否在1s內(nèi)到達指定位置，若不能，則故障次數(shù)累積1次，次數(shù)累積到3次時，輸出故障標志1；故障排除后繼續(xù)檢測，當連續(xù)3次換擋正常時，輸出正常標志0。建立換擋電磁閥故障Stateflow診斷模型，該模型由電磁閥正常模塊、電磁閥故障模塊和兩個等待狀態(tài)組成。Stateflow狀態(tài)圖被激活時，執(zhí)行默認轉(zhuǎn)移進入換擋電磁閥正常狀態(tài)，當換擋進行時，同步器位置傳感器輸出電壓從0躍升為5V，可以利用計時器采集輸出電壓躍升所用時間（撥叉動作時間）來進行判斷，其中計時器由時鐘信號模塊（Clock）和使能子系統(tǒng)模塊建立。如果電壓躍升用時大于1 s，并且異常情況出現(xiàn)次數(shù)超過限定值3，則判定故障并輸出故障標記fault_magnetic_valve=1。故障排除后繼續(xù)檢測，如果撥叉動作時間持續(xù)處于正常范圍（time＜1&&time＞0），則進入換擋電磁閥正常狀態(tài)。

4.3 油源低壓故障及建模

電液控制系統(tǒng)的液壓動力源由電機、齒輪泵、限壓閥和蓄能器等組成，油液通過電機齒輪泵吸入，并將能量貯存在蓄能器中，使系統(tǒng)壓力維持在正常工作壓力范圍內(nèi)。油源低壓故障是指由于電機、齒輪泵或蓄能器等部件出現(xiàn)故障，導致系統(tǒng)壓力偏離正常工作壓力，整個DCT系統(tǒng)不能得到穩(wěn)定的液壓動力源[6]。油源系統(tǒng)壓力正常值范圍為50～70 MPa。故障診斷策略為：通過壓力傳感器采集油源壓力值，檢測其是否在正常值范圍內(nèi)，若連續(xù)多次出現(xiàn)異常，則認定為故障。建立油源低壓故障Stateflow診斷模型，該模型由油源壓力正常模塊、油源壓力故障模塊和兩個等待狀態(tài)組成。Stateflow狀態(tài)圖被激活時，執(zhí)行默認轉(zhuǎn)移進入油源壓力正常狀態(tài)，換擋進行時，判斷壓力傳感器采集到的油源壓力值，如果壓力值不在正常范圍內(nèi)（pressure_sr＜500&&pressure_sr＞0），并且異常情況出現(xiàn)次數(shù)超過限定值3，則判定為故障并輸出故障標記fault_oil_pressure=1。故障排除后繼續(xù)檢測，如果判斷油源壓力值持續(xù)處于正常范圍內(nèi)（pressure_sr＞500&&pressure_sr＜700），則再次進入油源壓力正常狀態(tài)。

5 整體建模及故障診斷策略驗證

為了對提出的故障診斷策略進行驗證，需要進行DCT整車系統(tǒng)建模與仿真。Simulink中所包含的sim-Driveline模塊庫是專門為車輛動力學建模而設計的，可以從中直接選取發(fā)動機、離合器、行星齒輪系和車輪等模塊，模塊間以力矩為傳遞信號，可以模擬各種車輛動力學系統(tǒng)。因此，選取simDriveline模塊庫來進行DCT整車系統(tǒng)模型的建立與仿真。

5.1 DCT建模

根據(jù)DCT結構組成，選取對應模塊并連接，所建模型如圖2所示。該模型主要由兩個離合器和奇偶數(shù)擋模型組成。離合器模型中P端口是控制壓力接口，B端口是主動軸接口，F(xiàn)端口是從動軸接口[7]；奇偶數(shù)擋模型中各包含同步器及行星輪系模型，同步器選用同步器模塊，行星輪系選用行星齒輪模塊。信號轉(zhuǎn)換器將Simulink輸入信號轉(zhuǎn)換為物理信號，確保各元件模型之間信號傳輸?shù)耐〞?。當輸入控制信號時，各元件即可相應動作，實現(xiàn)目標擋位的切換。

圖2 雙離合器自動變速器故障診斷模型

5.2 包含故障診斷系統(tǒng)的整車建模

發(fā)動機模型是整個汽車系統(tǒng)模型的基礎，其選用simDriveline中的發(fā)動機模塊；車體模型和輪胎模型則分別選用車身模塊和輪胎模塊。依據(jù)目標車型來設置各模塊的仿真參數(shù)。

變速器控制系統(tǒng)是實現(xiàn)自動變速控制的核心，所建變速器控制系統(tǒng)模型是由換擋策略模塊和離合器控制模塊組成的[8]。換擋策略模塊的建模采用Stateflow狀態(tài)圖，其中包含擋位狀態(tài)和擋位選擇狀態(tài)兩個并行狀態(tài)。擋位狀態(tài)中列出了8個擋位子狀態(tài)，它們之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移事件為升擋或者降擋；擋位選擇狀態(tài)中列出了在擋、預升擋、預降擋、升擋和降擋5個子狀態(tài)，它們之間的轉(zhuǎn)移事件為車速信號與離合器狀態(tài)信號。離合器控制模塊依據(jù)輸入的油門開度信號和離合器動作信號，輸出相應的離合器壓力控制信號。

故障診斷模型的建立也采用Stateflow狀態(tài)圖，并將前文建立的離合器打滑、電磁閥故障和油源低壓故障診斷模型作為3個并行子狀態(tài)嵌入其中。給模型添加Simulink數(shù)據(jù)端口，通過輸入輸出Simulink信號與整個模型連通成為整體。這些數(shù)據(jù)端口中包含5個輸入端口和3個輸出端口。其中有2個輸入端口分別采集連接離合器的輸入輸出軸轉(zhuǎn)速，為了簡化模型，另外3個輸入端口選用了From模塊，其分別與相關封裝系統(tǒng)中的Goto模塊相對應：ShiftInProcess輸入信號對應變速器控制系統(tǒng)中擋位選擇狀態(tài)圖的在擋狀態(tài)輸出信號；time輸入信號對應DCT模型中同步器位置傳感器連接的Clock集成模塊的輸出信號；p1_dem輸入信號對應變速器控制系統(tǒng)中的壓力傳感器輸出信號。3個輸出端口則全部連接Display模塊，利于仿真時直觀地觀測故障診斷結果。

將各模型連接起來，simDriveline模型間是以力矩傳遞的，其它模型間傳遞Simulink信號，因此需要利用信號轉(zhuǎn)換器模塊實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。包含故障診斷系統(tǒng)的整車模型如圖3所示。

5.3 故障診斷策略的仿真驗證

利用圖3中所建立模型對前文提出的故障診斷策略進行驗證。在仿真之前，需要針對這3種典型故障分別在模型中設置故障源：在與離合器相連的Slip sensor模塊中輸入滑移率為0.7，設置打滑故障源；利用Pulse Generator模擬故障發(fā)生時的同步器位置傳感器輸出信號，設置換擋電磁閥故障源；利用Pulse Generator模擬故障發(fā)生時的油壓傳感器輸出信號，設置油源低壓故障源。以換擋電磁閥故障診斷策略的仿真驗證為例進行詳細闡述。

未設置故障源的仿真：保持油門開度為30%，仿真時間設置為30 s，運行模型。由于此時換擋電磁閥未發(fā)生故障，所以換擋電磁閥故障的輸出端口Display模塊顯示為0，擋位切換正常進行，模型中當前擋位的Scope模塊顯示如圖4所示。

人為設置偶數(shù)擋擋位的換擋電磁閥故障，即利用Pulse Generator模塊模擬產(chǎn)生電磁閥常閉輸入信號，從而使得同步器換擋撥叉無法動作。同樣保持油門開度為30%，仿真時間設置為30 s，運行模型。仿真結束后，觀察得Display顯示為1，表明換擋電磁閥發(fā)生故障，同時觀察當前擋位Scope模塊，顯示如圖5所示?？芍?，擋位不能切換到2擋及更高擋位，這是由偶數(shù)擋擋位電磁閥的故障導致。

上述仿真過程驗證了所制定故障診斷策略的可行性。當DCT的上述典型故障發(fā)生時，故障信號可以及時輸出，進而能迅速觀測到故障并確定故障點[9]。

圖3 雙離合器自動變速器故障診斷整車模型

圖4 仿真過程當前擋位變化示意

圖5 仿真過程當前擋位變化示意

6 結束語

針對一款新型DCT在車輛行駛過程中極易出現(xiàn)的3種典型故障，分別制定了詳細的故障診斷策略并建立了對應的Stateflow診斷模型。為了驗證故障診斷策略，基于Simulink/simDriveline建立了DCT模型及整車模型，并且將故障診斷模型整合加入其中。人為設置故障源后運行模型，觀測并分析仿真結果，驗證了故障診斷策略是有效可行的，且提高了DCT故障診斷的效率。

1 齊忠志.自動變速器檢測試驗臺設計與研制：[學位論文].廣州：華南理工大學，2015.

2 汪韶杰，孫保群，李余格.具有并聯(lián)行星輪系的變速器.中國,201310476907，2013-12-25.

3 董鑄榮，楊臻，郭進國.基于臺架試驗的汽車自動變速器故障診斷分析方法研究.汽車技術，2012（6）：44～47.

4 余建飛，吳光強.雙離合器自動變速器故障診斷及容錯控制.測試技術，2011，30（2）:42～46.

5 李康力.雙離合器自動變速器故障診斷及故障處理研究：[學位論文].重慶：重慶大學，2011.

6 李海波.混合動力客車動力總成故障診斷與容錯研究：[學位論文].大連：大連理工大學，2014.

7 李磊，江斌，孫保群，等.新型雙離合變速器的液壓控制系統(tǒng)邏輯分析.機床與液壓，2015（17）:16～19.

8 朱耀文，王其東，孫保群.選擇性輸出的雙離合器自動變速器建模及仿真分析.合肥工業(yè)大學學報（自然科學版）, 2012（2）:157～160.

9 胡健.新型雙離合自動變速器的動力學仿真與優(yōu)化設計：[學位論文].合肥：合肥工業(yè)大學，2014.

（責任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2016年7月14日。

Research on Typical Fault Diagnosis Strategies of New DCT

He Long,Sun Baoqun,Luo Chong,Huang Shuai
（Automobile Technical Institute,Hefei University of Technology,Hefei,230009）

In this paper,a new Dual Clutch Transmission（DCT）which broke down frequently was analyzed.The present situation of DCT failure diagnosis methods through rig test both in China and abroad was introduced.In consideration of blind spot of vehicle fault self-diagnosis system,three typical faults，i.e.clutch slip,shift solenoid valve fault and oil source low pressure,etc.,were researched,and fault diagnosis strategies were developed respectively,Simulink/ Stateflow diagnosis model was built with computer software.Vehicle Simulink model containing fault diagnosis system was constructed and verified via simulation,then the results proved feasibility of this fault diagnosis strategies.

DCT,Fault diagnosis,Modeling with Simulink

DCT 故障診斷 Simulink建模

U463.22+1

A

1000-3703（2017）05-0058-05