自动变速箱控制系统故障诊断研究

计算机控制系统和机械自动化的进步，在我国的各个生产领域中开始广泛应用智能控制系统。随着科技的飞速发展，自动变速箱在工程机械领域得到了广泛的应用[1]。其可靠性和稳定性在很大程度上决定了整车的质量和安全性。因此，研究基于自动变速箱控制系统诊断的自动化测试，有助于分析自动变速箱故障，提高产品质量。

1CAN总线技术及测量原理

1.1CAN总线技术

控制器局域网总线(ControllerAreaNet-work，CAN)是串行总线，其是根据国际标准支持分布式控制或实时控制，属于现场总线范畴。ISO已经将CAN确立为国际标准。同时，CAN是一种多主总线，可以通过同轴电缆或是双绞线来进行信号传输。CAN总线是RobertBosch在20世纪80年代开发的串行通信协议，其通信速度最高可以达到1Mbps。因为具有众多优势，所以在高速网络和多线网络领域中具有广泛应用，包括实时性好、通信可靠、可以检测任何错误、设计成本低等[2]。

1.2CAN总线结构

CAN总线参考模型中，包括物理层和数据链路层等层次结构。物理层则分为3种模式，分别是位编码、位时间和同步；而数据链路层则可以分为逻辑链路控制子层、MAC媒体访问控制子层。

1.3CAN总线技术及测量原理

通过CAN总线对于自动变速箱测量、故障诊断系统进行信号采集工作，采用2个信号采集传感器网络的信号，然后将采集到的信号传送给计算机，实现计算、显示、状态指示、声光报警等功能。主机主要是通过ISA访问控制器传输数据。如图2所示为CAN总线的测量原理图。如图3所示为CAN总线与传感器网络之间的数据交换图。

2变速箱故障类型

2.1变速箱类型简要分析

变速箱是一种改变发动机转速和扭矩的机构。变速箱可以固定或分挡改变输出轴和输入轴的传动比。变速箱由变速传动机构和控制机构组成，一些变速箱还具有功率接收机制。传动机构一般都是普通齿轮传动，也有一些是用的行星齿轮传动。而变速箱的类型包括AT变速箱、CVT变速箱（为机械无级自动变速器）、AMT变速箱（为电控机械式自动变速箱）、双离合器变速箱（变速箱中有2个离合器[3]）。工程机械变速箱结构复杂，可分为机械子系统和液压子系统。因为自动变速箱的内部零件多，工作环境差，连续工作时间长，出现故障的可能性也大大增加。另外而自动变速箱内部零件之间具有紧密的关联，任意一个部件出现问题，都会导致自动变速箱无法继续运行，其他部件的性能也会受到这些部件故障的影响。传动轴运行不正常会导致轴环、轴承以及齿轮等部件受到不同程度的损伤；而齿轮运行出现问题，也会导致传动轴出现故障，受到不正常冲击。龚洪浪在《基于CAN总线的拖拉机无级变速箱故障诊断系统研究》[4]中提出工程机械自动变速箱的零部件故障发生的比率如表1所示。在检测工程机械自动变速箱的故障时，其检测重点需要放在传动轴承和齿轮、油压传感器、控制器端口、转速传感器等故障。自动变速箱的齿轮工艺结构十分复杂，经过高速、长期运行之后，发生故障的概率非常高，所以是自动变速箱中最容易出现故障的零部件。自动变速箱齿轮故障常见的包括磨损、点蚀、胶合、断齿和加工装配故障等。自动变速箱的传动轴承结构比较简单，但是其承担着非常重要的作用，能够有效降低传动摩擦因数和固定传动轴。传动轴承故障会影响自动变速箱的工作稳定性。传动轴承故障包括磨损、胶合、疲劳剥落、变形、腐蚀和加工装配故障等。转速传感器故障主要表现为无法启动发动机。如果超出规定阻值范围，则意味着传感器损坏，需要更换。控制器端口常见故障主要包括静态流异常、限流电阻发热等，通常情况下可以根据指示灯来判断是否存在控制器端口故障。油压传感器故障非常常见，发动机机油储存量多少、机油脏或粘稠、机油稀等均会导致油压传感器故障。

2.2自动变速箱常见故障

自动变速箱是当前工程机械的关键设备之一，但是因为自动变速箱结构精密、动作频繁，且工作环境差，导致自动变速箱的故障成了一个常见问题。

2.2.1换挡时系统冲击偏大

在工程机械启动和行驶过程中，工程机械在自动变速箱调挡或自动换挡过程中发生剧烈振动或振动幅度偏大，或是在行驶期间，自动变速箱在换挡时，车身因为换挡而突然震动，从而导致驾驶人员的生命安全带来严重威胁，并且留下严重的心理阴影。此故障的主要原因是怠速和发动机温度偏高等存在问题，也可能是因为蓄压箱的活塞卡住、工程机械重要元件损坏丢失等原因。

2.2.2客观原因造成工程机械无法正常行驶

当换挡控制手柄处于前进挡和后退挡时，由于以下原因将会导致工程机械不工作：①手柄故障或与控制器连接异常等故障；②自动变速器油底壳温度传感器损坏；③主油路部件损坏；④进油滤网堵塞。

2.2.3出现打滑，车辆行驶异常

变速箱打滑很容易导致驱动无力。当踩下油门，发动机转速增加后，速度不会增加。工程机械爬坡时，发动机加速很快，但爬坡能力仍然很弱。故障的主要原因是：①液压油的油位和液压油质量不符合要求；②由于主油路路由或者其他的因素导致油压偏低。

2.2.4换挡问题

自动变速器换挡出现没有后退挡、无法升挡等，无法实现较高的换挡。而此故障的主要原因是工程机械的换挡电磁阀锁定可能损坏[5]。

2.2.5声响出现异常

行驶过程中的自动变速箱产生异响，但是在空挡状态下，则无异常现象。而造成异响的原因主要有两方面：①油泵严重磨损，导致油面偏高或偏低；②换挡执行元件存在异响。

3改善故障系统设计的方法

如图4所示为CAN总线驱动模块流程图。变速箱故障诊断系统通过编程实现了系统硬件平台的预定功能，包括控制模块信息采集与处理、人机交互、总线信息传输等众多功能。而软件设计包括显示模块、信息采集模块、总线驱动模块等。在总线驱动程序中，需要发动缓冲区、初始化、定义接收和指针，定义指向CAN节点的指针，设置波特率和节点过滤箱，以便可以中断CAN和接收数据[6]。

3.1硬件系统结构自动化应用分析

基于CAN总线的无级变速箱故障诊断系统的硬件结构如图5所示。基于CAN总线的工程机械自动变速箱的故障诊断系统中，设置数据传送、数据接收、故障诊断报警等软硬件控制设备。通过CNA总线与传感箱网络相连，将车速信号、车身振动信号等信息传送给变速箱控制器TCU控制器，由控制器来分析信号，对故障信息进行解释和传输，最后在人机车载显示器上显示并报警可能导致事故的故障信息[7]。此外，在SD卡存储器对于这些数据进行维修。在需要的情况下，通过GPRS无线数据传输模块将信息传递给云平台，由其发送给远程服务器，方便查询。同时，嵌入式控制器能够处理信息，方便远程监测工程机械。

3.2故障诊断程序

在软件定时中断程序中添加信号极值的诊断程序，每200ms执行一次。分别将工程机械的离合器分离行程传感器、换挡位置传感器、选挡位置传感器、变速器输入轴速传感器等各自的最大值和最小值进行比较。如果结果超出正常范围，意味着传感器存在故障。工程机械每10ms发送一组行车实时数据，每200ms执行一次传感器诊断检测程序。如果出现传感器故障，则先诊断出的故障会被后续新的故障覆盖，故障诊断会显示最新的故障。但是，为了避免故障被新的故障掩盖，实施分批诊断的方式，每次只执行一种传感器的检测，这样即便几个传感器同时发生故障，也可以及时发现。

4实验测试

为了检查自动变速箱控制系统的故障诊断效果，本文对工程机械自动变速箱控制系统故障处理效果进行分析，验证系统的可行性和有效性，该系统应安装工程机械上开展了实际测试。工程机械挂4挡时，传动轴转速约为1000r/min左右，通过对系统采集的速度信号、振动信号进行时域分析。结果发现，分别在30和60时间段出现波峰，意味着自动变速箱4挡位置故障。分析后发现齿轮磨损情况比较严重，并且点蚀现象也非常严重，存在部分断齿现象，导致自动变速箱在车辆运行期间出现大幅振动。测试结果符合工程机械自动变速箱的实际故障，证实了自动变速箱控制系统对于故障诊断效果显著。如图6和图7所示。

5结语

近年来，工程机械发展迅速，但是复杂程度也随之提升。因此，工程机械的故障诊断技术已成为一个重要的研究热点。基于CAN总线的自动变速箱故障诊断系统可对工程机械自动变速箱的故障进行诊断。试验结果表示，能够准确检测变速箱故障，具有较高的测量精度，便于现场维护人员和远程维护。

[参考文献]

[1]励敏．奥迪Q5L舒适CAN总线系统故障导致无法启动的诊断与分析[J]．汽车与配件，2021，(24)：64-67．

[2]陈希霞，王文妍，刘庆春，等．基于CAN总线的医疗设备实时监测与故障诊断系统设计实现[J]．智慧健康，2016，2(8)：33-37．

[3]宋健．卡罗拉1ZR-FE发动机CAN总线系统故障排除及诊断经验总结[J]．汽车实用技术，2014，(2)：96-98．

[4]龚洪浪．基于CAN总线的拖拉机无级变速箱故障诊断系统研究[J]．农机化研究，2018，40(2)：257-261．

[5]吴春志，冯辅周，吴守军，等．一种有效的不均衡样本生成方法及其在行星变速箱故障诊断中的应用[J]．兵工学报，2019，40(7)：1349-1357．

[6]吴守军，冯辅周，吴春志，等．基于VMD-DE的坦克行星变速箱故障诊断方法研究[J]．振动与冲击，2020，39(10)：170-179．

[7]何雷，刘溯奇，蒋婷，等．基于改进LMD与BP神经网络的变速箱故障诊断[J]．机械传动，2020，44(1)：171-176．

作者:赵裕聪 单位:江苏汇智高端工程机械创新中心有限公司