自動變速箱控制系統(tǒng)故障診斷自動化測試研究

趙裕聰

（江蘇匯智高端工程機(jī)械創(chuàng)新中心有限公司，江蘇 徐州 221004）

計算機(jī)控制系統(tǒng)和機(jī)械自動化的進(jìn)步，在我國的各個生產(chǎn)領(lǐng)域中開始廣泛應(yīng)用智能控制系統(tǒng)。隨著科技的飛速發(fā)展，自動變速箱在工程機(jī)械領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。其可靠性和穩(wěn)定性在很大程度上決定了整車的質(zhì)量和安全性。因此，研究基于自動變速箱控制系統(tǒng)診斷的自動化測試，有助于分析自動變速箱故障，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 CAN總線技術(shù)及測量原理

1.1 CAN總線技術(shù)

控制器局域網(wǎng)總線（ControllerAreaNetwork，CAN）是串行總線，其是根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)支持分布式控制或?qū)崟r控制，屬于現(xiàn)場總線范疇。ISO 已經(jīng)將CAN 確立為國際標(biāo)準(zhǔn)。同時，CAN是一種多主總線，可以通過同軸電纜或是雙絞線來進(jìn)行信號傳輸。CAN 總線是Robert Bosch 在20 世紀(jì)80 年代開發(fā)的串行通信協(xié)議，其通信速度最高可以達(dá)到1Mbps。因?yàn)榫哂斜姸鄡?yōu)勢，所以在高速網(wǎng)絡(luò)和多線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用，包括實(shí)時性好、通信可靠、可以檢測任何錯誤、設(shè)計成本低等[2]。

1.2 CAN總線結(jié)構(gòu)

CAN 總線參考模型中，包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層等層次結(jié)構(gòu)。物理層則分為3 種模式，分別是位編碼、位時間和同步；而數(shù)據(jù)鏈路層則可以分為邏輯鏈路控制子層、MAC媒體訪問控制子層。

圖1 CAN 總線模型分層結(jié)構(gòu)圖

1.3 CAN總線技術(shù)及測量原理

通過CAN 總線對于自動變速箱測量、故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行信號采集工作，采用2 個信號采集傳感器網(wǎng)絡(luò)的信號，然后將采集到的信號傳送給計算機(jī)，實(shí)現(xiàn)計算、顯示、狀態(tài)指示、聲光報警等功能。主機(jī)主要是通過ISA 訪問控制器傳輸數(shù)據(jù)。如圖2 所示為CAN 總線的測量原理圖。如圖3 所示為CAN 總線與傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換圖。

圖2 CAN總線測量原理圖

圖3 CAN總線和傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換示意圖

2 變速箱故障類型

2.1 變速箱類型簡要分析

變速箱是一種改變發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的機(jī)構(gòu)。變速箱可以固定或分擋改變輸出軸和輸入軸的傳動比。變速箱由變速傳動機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)組成，一些變速箱還具有功率接收機(jī)制。傳動機(jī)構(gòu)一般都是普通齒輪傳動，也有一些是用的行星齒輪傳動。而變速箱的類型包括AT 變速箱、CVT變速箱（為機(jī)械無級自動變速器）、AMT 變速箱（為電控機(jī)械式自動變速箱）、雙離合器變速箱（變速箱中有2 個離合器[3]）。

工程機(jī)械變速箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可分為機(jī)械子系統(tǒng)和液壓子系統(tǒng)。因?yàn)樽詣幼兯傧涞膬?nèi)部零件多，工作環(huán)境差，連續(xù)工作時間長，出現(xiàn)故障的可能性也大大增加。另外而自動變速箱內(nèi)部零件之間具有緊密的關(guān)聯(lián)，任意一個部件出現(xiàn)問題，都會導(dǎo)致自動變速箱無法繼續(xù)運(yùn)行，其他部件的性能也會受到這些部件故障的影響。傳動軸運(yùn)行不正常會導(dǎo)致軸環(huán)、軸承以及齒輪等部件受到不同程度的損傷；而齒輪運(yùn)行出現(xiàn)問題，也會導(dǎo)致傳動軸出現(xiàn)故障，受到不正常沖擊。龔洪浪在《基于CAN 總線的拖拉機(jī)無級變速箱故障診斷系統(tǒng)研究》[4]中提出工程機(jī)械自動變速箱的零部件故障發(fā)生的比率如表1 所示。

表1 工程機(jī)械自動變速箱零部件故障出現(xiàn)比重

在檢測工程機(jī)械自動變速箱的故障時，其檢測重點(diǎn)需要放在傳動軸承和齒輪、油壓傳感器、控制器端口、轉(zhuǎn)速傳感器等故障。自動變速箱的齒輪工藝結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，經(jīng)過高速、長期運(yùn)行之后，發(fā)生故障的概率非常高，所以是自動變速箱中最容易出現(xiàn)故障的零部件。自動變速箱齒輪故障常見的包括磨損、點(diǎn)蝕、膠合、斷齒和加工裝配故障等。自動變速箱的傳動軸承結(jié)構(gòu)比較簡單，但是其承擔(dān)著非常重要的作用，能夠有效降低傳動摩擦因數(shù)和固定傳動軸。傳動軸承故障會影響自動變速箱的工作穩(wěn)定性。傳動軸承故障包括磨損、膠合、疲勞剝落、變形、腐蝕和加工裝配故障等。轉(zhuǎn)速傳感器故障主要表現(xiàn)為無法啟動發(fā)動機(jī)。如果超出規(guī)定阻值范圍，則意味著傳感器損壞，需要更換。控制器端口常見故障主要包括靜態(tài)流異常、限流電阻發(fā)熱等，通常情況下可以根據(jù)指示燈來判斷是否存在控制器端口故障。油壓傳感器故障非常常見，發(fā)動機(jī)機(jī)油儲存量多少、機(jī)油臟或粘稠、機(jī)油稀等均會導(dǎo)致油壓傳感器故障。

2.2 自動變速箱常見故障

自動變速箱是當(dāng)前工程機(jī)械的關(guān)鍵設(shè)備之一，但是因?yàn)樽詣幼兯傧浣Y(jié)構(gòu)精密、動作頻繁，且工作環(huán)境差，導(dǎo)致自動變速箱的故障成了一個常見問題。

2.2.1 換擋時系統(tǒng)沖擊偏大

在工程機(jī)械啟動和行駛過程中，工程機(jī)械在自動變速箱調(diào)擋或自動換擋過程中發(fā)生劇烈振動或振動幅度偏大，或是在行駛期間，自動變速箱在換擋時，車身因?yàn)閾Q擋而突然震動，從而導(dǎo)致駕駛?cè)藛T的生命安全帶來嚴(yán)重威脅，并且留下嚴(yán)重的心理陰影。此故障的主要原因是怠速和發(fā)動機(jī)溫度偏高等存在問題，也可能是因?yàn)樾顗合涞幕钊ㄗ　⒐こ虣C(jī)械重要元件損壞丟失等原因。

2.2.2 客觀原因造成工程機(jī)械無法正常行駛

當(dāng)換擋控制手柄處于前進(jìn)擋和后退擋時，由于以下原因?qū)?dǎo)致工程機(jī)械不工作：①手柄故障或與控制器連接異常等故障；②自動變速器油底殼溫度傳感器損壞；③主油路部件損壞；④進(jìn)油濾網(wǎng)堵塞。

2.2.3 出現(xiàn)打滑，車輛行駛異常

變速箱打滑很容易導(dǎo)致驅(qū)動無力。當(dāng)踩下油門，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加后，速度不會增加。工程機(jī)械爬坡時，發(fā)動機(jī)加速很快，但爬坡能力仍然很弱。故障的主要原因是：①液壓油的油位和液壓油質(zhì)量不符合要求；②由于主油路路由或者其他的因素導(dǎo)致油壓偏低。

2.2.4 換擋問題

自動變速器換擋出現(xiàn)沒有后退擋、無法升擋等，無法實(shí)現(xiàn)較高的換擋。而此故障的主要原因是工程機(jī)械的換擋電磁閥鎖定可能損壞[5]。

2.2.5 聲響出現(xiàn)異常

行駛過程中的自動變速箱產(chǎn)生異響，但是在空擋狀態(tài)下，則無異?，F(xiàn)象。而造成異響的原因主要有兩方面：①油泵嚴(yán)重磨損，導(dǎo)致油面偏高或偏低；②換擋執(zhí)行元件存在異響。

3 改善故障系統(tǒng)設(shè)計的方法

如圖4 所示為CAN總線驅(qū)動模塊流程圖。變速箱故障診斷系統(tǒng)通過編程實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)硬件平臺的預(yù)定功能，包括控制模塊信息采集與處理、人機(jī)交互、總線信息傳輸?shù)缺姸喙δ?。而軟件設(shè)計包括顯示模塊、信息采集模塊、總線驅(qū)動模塊等。在總線驅(qū)動程序中，需要發(fā)動緩沖區(qū)、初始化、定義接收和指針，定義指向CAN 節(jié)點(diǎn)的指針，設(shè)置波特率和節(jié)點(diǎn)過濾箱，以便可以中斷 CAN 和接收數(shù)據(jù)[6]。

圖4 CAN總線驅(qū)動模塊流程圖

3.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自動化應(yīng)用分析

基于CAN 總線的無級變速箱故障診斷系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖5 所示?；贑AN 總線的工程機(jī)械自動變速箱的故障診斷系統(tǒng)中，設(shè)置數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)接收、故障診斷報警等軟硬件控制設(shè)備。通過CNA 總線與傳感箱網(wǎng)絡(luò)相連，將車速信號、車身振動信號等信息傳送給變速箱控制器TCU 控制器，由控制器來分析信號，對故障信息進(jìn)行解釋和傳輸，最后在人機(jī)車載顯示器上顯示并報警可能導(dǎo)致事故的故障信息[7]。此外，在SD卡存儲器對于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行維修。在需要的情況下，通過GPRS 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將信息傳遞給云平臺，由其發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器，方便查詢。同時，嵌入式控制器能夠處理信息，方便遠(yuǎn)程監(jiān)測工程機(jī)械。

圖5 基于CAN總線的無級變速箱故障診斷系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 故障診斷程序

在軟件定時中斷程序中添加信號極值的診斷程序，每200ms 執(zhí)行一次。分別將工程機(jī)械的離合器分離行程傳感器、換擋位置傳感器、選擋位置傳感器、變速器輸入軸速傳感器等各自的最大值和最小值進(jìn)行比較。如果結(jié)果超出正常范圍，意味著傳感器存在故障。工程機(jī)械每10ms 發(fā)送一組行車實(shí)時數(shù)據(jù)，每200ms 執(zhí)行一次傳感器診斷檢測程序。如果出現(xiàn)傳感器故障，則先診斷出的故障會被后續(xù)新的故障覆蓋，故障診斷會顯示最新的故障。但是，為了避免故障被新的故障掩蓋，實(shí)施分批診斷的方式，每次只執(zhí)行一種傳感器的檢測，這樣即便幾個傳感器同時發(fā)生故障，也可以及時發(fā)現(xiàn)。

4 實(shí)驗(yàn)測試

為了檢查自動變速箱控制系統(tǒng)的故障診斷效果，本文對工程機(jī)械自動變速箱控制系統(tǒng)故障處理效果進(jìn)行分析，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和有效性，該系統(tǒng)應(yīng)安裝工程機(jī)械上開展了實(shí)際測試。工程機(jī)械掛4 擋時，傳動軸轉(zhuǎn)速約為1 000r/min 左右，通過對系統(tǒng)采集的速度信號、振動信號進(jìn)行時域分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，分別在30 和60 時間段出現(xiàn)波峰，意味著自動變速箱4 擋位置故障。分析后發(fā)現(xiàn)齒輪磨損情況比較嚴(yán)重，并且點(diǎn)蝕現(xiàn)象也非常嚴(yán)重，存在部分?jǐn)帻X現(xiàn)象，導(dǎo)致自動變速箱在車輛運(yùn)行期間出現(xiàn)大幅振動。測試結(jié)果符合工程機(jī)械自動變速箱的實(shí)際故障，證實(shí)了自動變速箱控制系統(tǒng)對于故障診斷效果顯著。如圖6 和圖7 所示。

圖6 時域波形圖

圖7 系統(tǒng)處理分析圖

5 結(jié)語

近年來，工程機(jī)械發(fā)展迅速，但是復(fù)雜程度也隨之提升。因此，工程機(jī)械的故障診斷技術(shù)已成為一個重要的研究熱點(diǎn)?；贑AN 總線的自動變速箱故障診斷系統(tǒng)可對工程機(jī)械自動變速箱的故障進(jìn)行診斷。試驗(yàn)結(jié)果表示，能夠準(zhǔn)確檢測變速箱故障，具有較高的測量精度，便于現(xiàn)場維護(hù)人員和遠(yuǎn)程維護(hù)。