一則傳感器電壓信號異常故障的分析案例

【摘 要】在變速器換擋控制中，擋位位置信號是調(diào)節(jié)變速器掛擋的重要參數(shù)，若出現(xiàn)異常會致使TCU對擋位的錯誤判讀。文章針對傳感器的擋位位置信號在實際使用中出現(xiàn)的偶發(fā)信號異常問題，提出假設(shè)猜想，并通過對故障數(shù)據(jù)分析、原理分析、試驗驗證來定位實際的故障原因，最后針對問題提出改進措施，并得到良好的效果。

【關(guān)鍵詞】商用車;變速器;角位移傳感器;氣動執(zhí)行機構(gòu);振動工況;電接插件

中圖分類號：U463.212 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：1003-8639（ 2024 ）11-0108-02

An Analysis Case of Abnormal Fault of Sensor Voltage Signal

【Abstract】In the transmission shift control，gear position signal is an important parameter to adjust the transmission gear. If there is any abnormality，TCU will misinterpret the gear position. This paper proposes hypotheses and guesses for the occasional abnormal signal of the sensor gear position signal in actual use，and locates the actual fault cause through fault data analysis，principle analysis and test verification，and finally puts forward improvement measures to solve the problem，and gets good results.

【Key words】commercial vehicle;transmission;angular displacement sensor;pneumatic actuator;vibration condition;electrical connector

近年來，隨著自動化的普及，越來越多的電氣設(shè)備被用于商用車之上。而電氣設(shè)備在提升車輛功能性的同時，其在各種復(fù)雜惡劣工況下的可靠性也備受重視。

AT變速器的擋位位置信號源自于安裝在箱體執(zhí)行機構(gòu)上的位移傳感器。位移傳感器可根據(jù)是否與測量物體之間直接接觸或有物理接觸分為接觸式傳感器與非接觸式傳感器。接觸式位移傳感器結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、成本低，廣泛用于變速器的擋位信號反饋系統(tǒng)中。

部分接觸式位移傳感器安裝在變速器換擋執(zhí)行機構(gòu)上，應(yīng)用工況惡劣，其穩(wěn)定可靠性對于變速器正常換擋、車輛的安全運行起到至關(guān)重要的作用。本文針對安裝于氣動執(zhí)行機構(gòu)上接觸式的位移傳感器在實際使用過程中出現(xiàn)的偶發(fā)信號異常問題進行分析，通過故障件分析與試驗驗證，指出其信號異常并非是由傳感器本身故障導(dǎo)致，而是電接觸件阻值變化導(dǎo)致的信號失真。

1 原因分析

1.1 故障現(xiàn)象描述

根據(jù)傳感器特性，正常情況下傳感器會輸出兩路相互校驗的電壓信號，且信號1（VoltSftA）與信號2（VoltSftB）相加的電壓和SumVolt為定值，等于額定供電電壓，如圖1所示。但根據(jù)采集故障件在實車運動過程中的電壓信號數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，故障主要表現(xiàn)為：傳感器反饋的電壓信號出現(xiàn)不符合實際位移的偏移，在撥叉桿已處于行程終點或處于空擋未換擋時，變速器三軸傳感器的位移信號（VoltSft3A、VoltSft3B）顯示其存在明顯的行程變化，并且兩路電壓和小于額定供電電壓，如圖2所示。

1.2 故障原因推測

首先對出現(xiàn)過故障的位移傳感器實行國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)條件的EMC、防水、溫差等試驗測試復(fù)檢，未能復(fù)現(xiàn)故障現(xiàn)象;其次委托第三方對其進行尺寸測量，也符合標(biāo)注，無過大偏差;之后對其進行拆解與X光分析發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部芯片及線路也不曾出現(xiàn)損傷或短路，排除故障傳感器自身存在設(shè)計、制造缺陷的可能。但拆解后，在接插件對插的傳感器的信號針腳、供電針腳上發(fā)現(xiàn)了不應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)的磨損劃痕與電弧擊傷而產(chǎn)生的黑點。因該傳感器與接插件之間不存在帶電多次插拔的工況，正常使用工況無法造成磨損，故推測可能是傳感器與接插件的連接處在長時間的復(fù)雜振動下，電接插件容易松動，接觸應(yīng)力減小，導(dǎo)致接觸電阻變大，甚至接觸不良導(dǎo)致電弧的產(chǎn)生[1]，從而使反饋信號電壓或供電電壓發(fā)生變化。

2 試驗驗證

2.1 試驗條件

根據(jù)GB/T 28046—2011《道路車輛-電氣和電子裝備的環(huán)境條件和試驗》設(shè)定試驗條件參數(shù)、振動加速度曲線，使用同一批次的全新傳感器進行X、Y、Z三方向各94h的隨機振動。按照國標(biāo)要求，僅需在試驗結(jié)束后檢查傳感器功能正常即可。但為了便于定位故障，在本次試驗振動過程中同時監(jiān)測各個傳感器反饋的電壓信號。

根據(jù)該傳感器的特性可知，不論轉(zhuǎn)角變化，兩個信號針腳的電壓值相加等于傳感器的供電電壓，而根據(jù)已有的實車故障數(shù)據(jù)分析，在出現(xiàn)位移信號偏移時，兩個信號針腳的電壓值相加總是小于供電電壓，故可根據(jù)觀測傳感器信號電壓和以及試驗結(jié)束時針腳的磨損狀態(tài)來驗證是否因振動導(dǎo)致磨損而造成信號失真。

2.2 試驗過程

將所選擇的9個同一批次傳感器與接插件分為3組，安裝于3個三軸執(zhí)行機構(gòu)上進行隨機振動試驗。隨機振動試驗臺架如圖3所示。

1）A組執(zhí)行機構(gòu)，僅按照國標(biāo)進行隨機振動，并監(jiān)測傳感器信號。在完成3個方向各94h振動后，觀測試驗數(shù)據(jù)，試驗過程中并未復(fù)現(xiàn)與實車相同的故障現(xiàn)象，并且傳感器的針腳也并未出現(xiàn)磨損痕跡與黑點。

2）B組執(zhí)行機構(gòu)，在國標(biāo)基礎(chǔ)上進行隨機振動的同時，每間隔2s執(zhí)行一次換擋動作。在試驗開始后的第25h，第1次觀測到與實車相同的故障現(xiàn)象，即兩信號針腳電壓相加（VoltSum3）小于供電電壓，如圖4所示，并且在停止振動后故障會消失，而在隨機振動再次開啟后故障會再次出現(xiàn)。

3）C組執(zhí)行機構(gòu)，作為僅進行換擋的不振動對照組。在振動試驗過程中，全程未曾出現(xiàn)故障現(xiàn)象，并在振動試驗結(jié)束后共完成100萬次換擋操作也未曾出現(xiàn)故障現(xiàn)象。

2.3 結(jié)果分析

A組與C組在試驗過程中并未出現(xiàn)故障現(xiàn)象，只有B組的傳感器在隨機振動開始后25h出現(xiàn)了明顯的故障現(xiàn)象。

雖然國標(biāo)要求下的3個方向的隨機振動可以盡可能地模擬實車的振動工況，但A組試驗相比于B組試驗缺少了氣動執(zhí)行機構(gòu)換擋時帶來的振動。換擋時，撥叉桿與氣缸的振動會通過隨動桿傳遞至接觸式位移傳感器，而氣動執(zhí)行機構(gòu)通常會使用8～10Pa的氣壓進行掛擋，其在換擋時撥叉桿、氣缸等的撞擊導(dǎo)致振動與隨機振動疊加后的振動強度遠超國標(biāo)測試標(biāo)準(zhǔn)，故推測是隨機振動疊加上了氣動執(zhí)行機構(gòu)換擋時帶來的高強度振動，導(dǎo)致B組出現(xiàn)與實車相同的信號失真故障。

在使用B組同一批傳感器，僅更新線束接插件后，進行第2次隨機振動測試。故障在12h后再次出現(xiàn)，并且現(xiàn)象與第1次故障相同，但在傳感器與接插件間出現(xiàn)了肉眼可觀測到的粉末。該現(xiàn)象在先前的故障件中未觀測到，推測是長時間的高強度振動試驗加劇了插針間的磨損，從而產(chǎn)生了可以被觀測到的大量金屬粉末。

收集這些粉末進行理化分析，化驗結(jié)果如圖5所示，其主要成分為Cu、Sn等。而該傳感器針腳為鍍錫的銅合金針腳，且傳感器與接插件之間密封，腔體內(nèi)的金屬件僅有公母接插件，金屬粉末無其他來源，故可確定：在高強度的振動下，會出現(xiàn)插針過度磨損的情況。

綜上所述，可確定傳感器針腳在高強度振動下出現(xiàn)了過度磨損，而端子接觸點鍍層在受到破壞后，接觸點會快速氧化，氧化層的電阻較大，直接導(dǎo)致接觸點電阻迅速上升，端子的溫升也隨之上升，同時溫度的上升又增加電阻的阻值，形成一個惡性循環(huán)[2]，并且過度磨損還會減小公母插針間的接觸面積，進一步增高接觸電阻，從而影響信號針腳的輸出或傳感器的供電電壓大小，最終導(dǎo)致?lián)跷晃恢眯盘柍霈F(xiàn)偏移。

3 改進措施

通過試驗可以知曉插針磨損的主要誘因是氣動換擋執(zhí)行機構(gòu)的換擋力帶來的振動與整車的隨機振動疊加造成，而為了保證換擋品質(zhì)無法減小執(zhí)行機構(gòu)的換擋氣壓去減小振動，只能通過將插針遠離氣動執(zhí)行機構(gòu)的方式來避免振動對插針的影響。故將位移傳感器本體進行改進，延長傳感器的插針接口，使其傳感器與接插件的接觸位置遠離執(zhí)行機構(gòu)，如圖6所示。使用改進后的傳感器再次進行隨機振動加換擋的測試，試驗過程中未再出現(xiàn)故障現(xiàn)象，并且試驗結(jié)束后，遠離執(zhí)行機構(gòu)的傳感器針腳也未出現(xiàn)磨損痕跡，使用該改進傳感器進行實車驗證，在原先頻繁出現(xiàn)故障的10臺牽引車上連續(xù)使用超過18個月以上，未再出現(xiàn)傳感器信號故障。

4 結(jié)束語

在當(dāng)今商用車智能化控制日益普遍的情況下，電接插件的應(yīng)用也愈發(fā)廣泛。本文聚焦于電接插件在振動磨損下的某種故障形式，深入探究引發(fā)該故障的工況以及改進方法。

通過對此次故障案例的分析，能夠更加清晰地認識到商用車在實際運行中工況的復(fù)雜程度。僅僅按照國標(biāo)要求進行試驗，可能會忽略整車某些特殊工況對零部件的影響。因此，在未來的設(shè)計與測試中，應(yīng)當(dāng)更為全面地評估各個電接插件及零部件可能受到的影響。對于傳輸重要信號的電接插件，可通過增大插針接觸面積、提升插針耐磨性以及使接插件遠離振動源等方式，避免因長期高強度振動而導(dǎo)致的阻值變化。

參考文獻：

[1] 李杰浩，王軍政，汪首坤，等. 電動汽車電接插件接觸電阻振動特性的研究[J]. 機械工程學(xué)報，2020，56（11）：80-88.

[2] 王彥波，王奇，王志廣. 影響汽車連接器電流傳輸?shù)囊蛩胤治鯷J]. 汽車電器，2019（12）：48-49.