淺析汽車狀態(tài)監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)

摘要：汽車狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷是對汽車各部件技術狀況進行評價的一門技術。汽車變速箱是汽車上容易出故障的總成部件之一，它的運行狀況直接影響到汽車運行性能和安全狀況。本文以一臺杭齒集團HC5S90型重型汽車變速器為研究對象，開發(fā)一種離線變速箱故障診斷設備。

關鍵詞：汽車變速箱；信號處理；故障診斷

汽車工業(yè)被確定為我國經濟發(fā)展支柱產業(yè)之一，舒適、環(huán)保、安全是汽車工業(yè)發(fā)展方向；汽車運行時所產生的振動與噪聲是評價汽車性能的重要指標之一，同時它直接影響著乘客的乘座舒適性和行駛的安全性。變速器的性能和質量對汽車整體性能影響非常大，也是容易發(fā)生故障的總成部件之一，一旦發(fā)生故障，容易引起重大事故，甚至危及駕駛者的生命安全[1]。目前，隨著科技的進步，汽車變速器故障診斷方面的研究在逐步展開，但仍相對較落后，缺乏被市場普遍認可的成熟的診斷系統(tǒng)。國外已有相關系統(tǒng)成功商用，但是這類系統(tǒng)價格高，對環(huán)境敏感，國內變速器生產商難以承擔。所以，開發(fā)出滿足國內變速器廠商需求、準確診斷故障、性能穩(wěn)定的汽車變速器故障診斷與監(jiān)測系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。

一、汽車檢測技術發(fā)展狀況

在現(xiàn)代社會，汽車逐漸成為人們日常生活和工作中不可或缺的重要交通工具。由于汽車是一個復雜的系統(tǒng)，它的技術狀況和安全狀況隨著行駛里程的增加而不斷下降。所以，維護汽車的技術狀況必須從兩方面進行：不斷進行汽車性能改良的研究和使用先進的維護和修理技術，使汽車恢復技術狀況。汽車性能檢測是對汽車在使用、維護中對汽車技術狀況進行檢測的一門技術。加之人們對安全因素要求越來越高，有必要研制出適應現(xiàn)代生活的、反應更快、工作更平穩(wěn)、功能越多、更智能的汽車監(jiān)測、診斷系統(tǒng)出來。文獻[2]指出，準確無誤地診斷出故障所在，是現(xiàn)代汽車維修的最高境界，同時，汽車安全性能檢測是汽車檢測的重要發(fā)展趨勢。

設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術的一個重要發(fā)展方向是齒輪箱的故障檢測和診斷。是近年慢慢發(fā)展起來的一門新興的、綜合性學科，是對傳感器技術、測試技術、電子技術、信號處理技術、模式識別、計算機技術、專家系統(tǒng)等多種理論和技術的綜合應用。設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術涉及信號采集、信息分析和處理）、模式識別、決策判斷[3]，本質上是信息技術的一種綜合運用。

目前，現(xiàn)代機械設備故障檢測與診斷技術，處于一個成熟發(fā)展的技術階段，它以傳感技術和測試技術為基礎，以信號處理為技術手段。這個階段的設備故障檢測與診斷技術大量運用于工程實踐中，經濟效益巨大。并且，設備故障檢測與診斷技術采用了眾多先進成熟的科技成果，可以根據(jù)噪聲、振動、溫度、光、電、力信息綜合進行故障診斷，對應發(fā)展出噪聲診斷、振動診斷、紅外熱成像診斷、光譜診斷、鐵譜診斷、無損檢測等技術。隨著邊緣科學的融合發(fā)展，機械設備的故障檢測與診斷成功運用神經網(wǎng)絡、人工智能、灰色理論、小波分析、模糊數(shù)學等新興的學科的理論和技術。機械設備故障檢測和診斷技術，已開始從依靠個人經驗和主觀判斷，逐漸進步到依靠科學的理想的判斷，實現(xiàn)從主觀判斷到客觀評價的轉變。實現(xiàn)從簡單的診斷發(fā)展到利用現(xiàn)代先進科技手段進行綜合性、準確診斷的階段，但是，設備檢測與故障診斷技術還未達到定量診斷的程度。實踐證明，緊密結合前沿技術，依靠計算機技術、軟件技術、信息技術進行綜合性、準確診斷是機械設備故障診斷技術發(fā)展的大趨勢[4] [5] [6] [7]。

二、汽車變速箱故障診斷原理

變速箱是汽車三大重要部件之一，它的正常工作與否直接影響到汽車的駕駛安全性。汽車運行時依賴變速箱傳遞發(fā)動機扭矩，不同道路工況時需經常性地換擋，致使變速箱齒輪副、軸、軸承等零部件容易發(fā)生故障。據(jù)統(tǒng)計，變速箱故障占據(jù)汽車底盤故障的三分之一左右。所以，變速箱故障檢測與診斷的研究具有重要意義。現(xiàn)代變速箱故障檢測和診斷技術包含三個方面：變速箱故障數(shù)據(jù)處理、故障機理分析、故障診斷方法研究。進行變速箱故障診斷的一個有效方法是：對變速箱進行振動分析。因為變速器箱體振動信號中蘊藏著變速器的狀態(tài)信息。變速箱的振動分析包括：建立變速箱的動力學模型，以此研究變速箱振動產生的機理，及各種典型故障與振動信號的關系，研究提取故障特征的有效方法，如利用時頻分析方法提取故障特征[8] 。

齒輪箱典型故障的特征提取與分析是一項基礎性的、難度很大的工作，能為齒輪故障的診斷提供理論依據(jù)，具有重大的實現(xiàn)意義。本章節(jié)闡述了典型的齒輪異常和現(xiàn)象機理，介紹了齒輪振動和典型齒輪故障的數(shù)學模型，研究了齒輪故障振動機理，介紹和分析典型故障齒輪的頻譜特征，包括齒形誤差、齒輪均勻磨損、齒輪偏心等，為齒輪故障診斷提供理論依據(jù)。同時，為了更精確地提取齒輪故障特征，還需進行大量的試驗工作和故障機理研究工作。

三、汽車變速箱振動信號采集系統(tǒng)硬件設計

PC104是一種工業(yè)計算機總線標準，由于它與傳統(tǒng)PC具有良好的兼容性，以及靈活的模塊化配置功能等特點，本課題選用PC104嵌入式模塊作為硬件系統(tǒng)的處理核心。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由加速度傳感器采集振動信號，經過低通濾波，AD轉換，后由PC104模塊進行處理，利用編寫的基于VC++的數(shù)據(jù)采集應用程序，完成數(shù)據(jù)的采集和存儲，承擔起汽車“黑匣子”的功能。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以嵌入式PC104模塊為處理核心，配以PC104接口的AD轉換模塊，以及信號調理電路，再封裝起來，組成一臺數(shù)據(jù)采集儀器，外接顯示器、鼠標、鍵盤后，便可到現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)。并期望將顯示器、鼠標、鍵盤、電源等整合到一起，增強儀器便攜性，形成獨立的數(shù)據(jù)采集存儲設備。采用PC104嵌入式系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集核心，相比較利用NI數(shù)據(jù)采集卡及LabView編寫采集處理軟件，該系統(tǒng)具有開發(fā)成本低的特點，而且也可完成數(shù)據(jù)采集處理功能，只是本身硬件特性限制了系統(tǒng)處理速度。

四、汽車變速箱振動信號分析

變速箱的故障常常產生沖擊，調制帶的頻譜出現(xiàn)不同程度的調制現(xiàn)象。這些調制邊緣帶具有許多有用的齒輪故障信息。因此，齒輪振動信號的調制現(xiàn)象的仔細分析，如何有效區(qū)分不同調制類型的振動特性的斷裂之間，側帶特征的識別，在很大程度上決定了成功或失敗的齒輪箱故障診斷。因此，研究調制現(xiàn)象和邊緣帶的分布特性是一個重要的研究課題。

變速箱振動信號分析在PC機上完成，通過時域和頻域下的一系列處理，獲取振動信號調制特點和故障特征，診斷汽車變速箱故障，找出故障原因和可能部位，制定合理的故障排除方案，并預測故障發(fā)展趨勢，最終目標是創(chuàng)建汽車狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的預測維修體制，可以減少停機損失、降低維修成本、提高經濟效益和社會效益。

主要利用MATLAB編寫數(shù)據(jù)處理程序，對采集到的汽車變速箱振動信號進行處理，并利用MATLAB的制圖功能描繪出分析處理結果，實現(xiàn)了基于MATLAB的振動信號處理和分析處理方法的探求。探求出的振動分析處理方法有：任意頻段的數(shù)字濾波、功率譜密度函數(shù)分析、任意倍率的CZT細化譜分析、倒頻譜分析。利用MATLAB可以在較短的時間里運用和發(fā)展功率譜分析、細化分析、倒譜分析等振動信號分析方法，建立基于MATLAB的振動信號分析處理方法。實驗結果證明這一套方法可以診斷出變速箱故障，切實可行。

參考文獻：

[1]吳曉兵.基于灰色粗集模型的汽車變速器故障診斷方法.北京理工大學學報，2000.10.

[2]劉道春.汽車檢測行業(yè)的發(fā)展與未來.汽車工業(yè)研究，Auto Industry Research，編輯部郵箱，2015（12）.

[3]鐘秉林，黃仁.機械故障診斷學（第三版）.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[4]Esteban Canibano Alvarez；Javier Romo Garcia；Blanca Araujo Perez；Cesar Maestro Martin；Juan Carlos Merino Senovilla. Simulation of Advanced Lateral Safety Systems as a Cost Effective Tool to Estimate Potential Success. Advanced microsystems for automotive applications 2012 ： Smart systems for safe， sustainable and networked vehicles： 16th international forum on advanced microsystems for automotive applications （AMAA）， 3031 May 2012， Berlin.

[5]周輝.齒輪故障的特征提取與模式識別技術研究[學位論文].鄭州：鄭州大學，2005.

[6]潘飛.虛擬式一體化齒輪箱故障診斷儀的研究[學位論文].重慶：重慶大學，2007.

[7]楊建國，姜立標，林波，孫中圣.變速器齒裂及軸承故障建模與故障特征提取.汽車工程，2004，Vol.26（2）.

[8]徐敏，黃昭毅.設備故障診斷手冊——機械設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷.西安：西安交通大學出版社，1998.

作者簡介：孫漾洋（1989），山西運城人，湖北工業(yè)大學2013級，碩士，電氣與電子工程學院，控制工程專業(yè)。