汽車自動變速器故障診斷系統虛擬儀器的設計

楊旭志，高俊文，廖中文

（廣東農工商職業技術學院 機電系，廣東 廣州 510507）

汽車自動變速器故障診斷系統虛擬儀器的設計

楊旭志，高俊文，廖中文

（廣東農工商職業技術學院 機電系，廣東 廣州 510507）

通過對汽車自動變速器的故障分析，為了實現汽車電控自動變速器故障診斷的自動化和智能化，本文設計的虛擬儀器，可對自動變速器運行工況進行實時數據采集，采集的數據包括發動機轉速、節氣門開度、車速、主軸轉速、冷卻液溫度和3個換擋電磁閥通斷情況，經過與專業診斷儀器的對比，驗證了采集數據的準確性，后續結合神經網絡技術可實現對采集數據的分析并且能直接給出故障診斷結果。

自動變速器；虛擬儀器；故障診斷

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-105-03

引言

自動變速器作為汽車底盤傳動系統的重要組成部分，目前已經發展成為集機械技術、液壓技術和電子技術為一體的機電設備，由于自身結構及工作原理的復雜性，因此故障診斷及維修起來相對困難。傳統的油壓試驗、失速試驗、時滯試驗等檢測診斷方法已不能滿足現代自動變速器維修的需求。由于虛擬儀器自動化程度高，功能多，并可按用戶需求設計，開發時間短，作為開發自動變速器故障診斷的軟件有許多的優點。與此同時，神經網絡技術能夠查閱大型數據庫，找出所包含的信息模式，其“自學習”能力非常強，對解決復雜的非線性問題有很大的優勢。因此，利用虛擬儀器技術和神經網絡系統，可對變速器進行實時數據采集，并對數據進行分析后給出診斷結果，這樣可使自動變速器故障診斷實現自動化和智能化。本文設計的虛擬儀器可為神經網絡采集訓練數據樣本以及實現數據檢測功能。

1、自動變速器故障分析

自動變速器故障通常分為液壓系統故障、機械系統故障和電子控制系統故障三個方面。

1.1 液壓系統故障

油泵和系統油壓過低、過高，油路堵塞、漏油，油路控制閥阻塞，換檔閥、壓力控制閥等閥體卡住、損壞等。液壓系統故障是常見故障，出現上述故障時，可伴隨有前進檔打滑和顫動、不能升檔或升檔滯后、各檔位車均不動等現象。這些故障現象可由自動變速器輸入、輸出軸傳感器信號、節氣門開度、檔位、發動機轉速、水溫等信號的非線性關系表征。

1.2 機械系統故障

濕式多片式離合器（制動器）摩擦片、鋼片和壓板磨損、打滑、間隙過大，液力變矩器單向離合器打滑以及傳動部件機械損壞等。當出現這類故障時，自動變速器會出現打滑、檔位變換不順、無發動機制動等現象。這種現象可以反映于發動機轉速、節氣門開度、車速、檔位等信號的關系。

1.3 電子控制系統故障

電控單元（ECU）故障、傳感器故障、執行器故障以及控制電路故障等。當變速器控制單元檢測出電腦控制系統出現故障或信號不正常時，儀表板上的故障指示燈開始閃爍。當電子控制系統出現故障，即表明某些傳感器或執行器出現故障，這些故障可以直接從它們各自的信號得知。

2、研究方案的提出

自動變速器在運轉時，可從相關傳感器和執行器的信號和工作情況掌握其運行工況，其換檔過程主要依靠節氣門開度信號和車速信號來控制的，一定的油門開度和相應的車速則對應某一檔位。當發生故障時，自動變速器將不能按照原先設定的程序，正確地根據油門和車速等輸入信號及時進行檔位切換，致使自動變速器的檔位實際變換時刻和發動機轉速、節氣門開度、車速、主軸（輸入軸）轉速等信號、換擋電磁閥等執行器輸出信號存在其它不確定的對應關系，而這些不確定的對應關系又反映于不同的故障類別與上述參數的特征規律中。根據這種特點，可以用神經網絡的方法來從中抽取出各自的特征規律，得出數學模型，從而識別出對應于這種特征規律的故障。因此本文設計的虛擬儀器可方便快捷的實現自動變速器實時數據的采集與檢測，為后續運用神經網絡實現自動變速器故障診斷打下堅實的基礎。

3、虛擬儀器的設計

本文研究對象是老款廣州本田雅閣2.3L VTI轎車，裝配的MAXA型電控自動變速器。其電子控制系統由變速器控制模塊（PCM），傳感器，3個換擋控制電磁閥、2個A/T離合器壓力控制電磁閥、1個鎖止控制電磁閥等執行器組成。行駛過程中，當PCM接受到各傳感器的輸入信號需要實施換擋時，PCM將控制換擋電磁閥A、B、C以及A/T離合器壓力控制電磁閥A、B等執行器作相應動作，前三者將變換換擋閥的位置確定所選擇的擋位，后兩者則調節其自身的壓力。

3.1 傳感器信號測量與分析

為了能反映自動變速器故障規律對應的特征參數作為后續神經網絡的輸入向量，本文選取的信號有發動機轉速信號、節氣門開度信號、車速信號、主軸轉速信號、冷卻液溫度信號和3個換擋電磁閥通斷信號。

（1）節氣門位置傳感器

雅閣轎車采用的節氣門位置傳感器為線性輸出型。隨著節氣門開度的變化，節氣門位置傳感器輸出的電壓信號也將變化。PCM將據此信號對燃油噴射及其他控制。開度數值由金德KT600電腦診斷儀讀取，電壓信號由萬用表讀取，擬合曲線如圖1。

由回歸結果，關系式可取：y≈20x-10.15。編程時，操作界面的開度信號是由這關系式計算得出的，不同的電壓值對應不同的節氣門開度。在采集時，可以直接把傳感器輸出的電壓信號送入數據采集卡模擬輸入端，不需要調理信號。

（2）冷卻液溫度傳感器

發動機冷卻液溫度傳感器（CTS）內部設有一負溫度系數熱敏電阻。當發動機冷卻液溫度升高時，熱敏電阻阻值下降。熱敏電阻阻值隨溫度的這種變化，將引起CTS電壓值的變化，所以，不同的電壓值對應不同的溫度。讀數的讀取工具也是金德KT600和萬用表，擬合曲線如圖2。此信號的測量原理跟節氣門開度信號相同，把CTS的輸出電壓信號直接通過數據采集卡讀入電腦，系統會根據公式顯示相應的冷卻液溫度。

（3）點火控制模塊

點火控制模塊是發動機點火系統的重要部件。由于發動機曲軸每轉兩圈，各氣缸火花塞點火1次，即ECU向ICM發出4個脈沖信號，根據這個關系，有發動機轉速n等于兩倍的ICM脈沖信號個數N，所以，只要能測出N，就能推算出發動機轉速。本來發動機是根據曲軸位置傳感器（CKP）信號確定其轉速的，但是CKP傳感器是電磁感應式的，產生的信號經過一些處理才能讓LabVIEW計算出脈沖個數，為了避免麻煩，本文沒有利用此信號計算發動機轉速。而是通過測量ICM信號確定發動機轉速的，因為此脈沖信號是一個方波脈沖信號，最高最低值為5伏和0伏，如圖3所示。

（4）主軸、中間軸轉速傳感器

本田雅閣MAXA型自動變速器有主軸、中間軸傳感器，都是電磁感應式傳感器，分別裝在變速器的輸入軸、輸出軸上，信號波形如圖4所示。它們在各個檔位的脈沖數之比是一定的，也就是說兩個傳感器的轉速比是一定的。其車速是根據中間軸傳感器信號獲得的，它的頻率與車速有固定的關系。對于這種信號的采集及其頻率的測量，用模擬輸入的方法通過LabVIEW編程是很容易實現的，只要知道車速與頻率的關系，就能推算出車速。為了得到車速與輸出軸轉速傳感器輸出頻率的關系，由此做了多次實驗。車速由金德KT600診斷儀讀取，設為y；頻率由編制的虛擬儀器讀取，設為x。從擬合曲線圖5可以得知，車速與輸出頻率的關系為：y≈0.03x-1。這是診斷系統測量車速數據的計算公式。

3.2 執行器及其信號測量分析

本田MAXA型電控自動變速器的執行器有換檔控制電磁閥A/B/C，A/T離合器壓力控制電磁閥A/B和鎖止控制電磁閥，共6個。PCM根據各個傳感器的信號，通過控制這些電磁閥執行器而實現準確平順的換檔和最佳的鎖止定時。本文方案是討論變速器發生故障時所處檔位、換檔時刻等狀況與其他傳感器的關系，所以沒有介入鎖止電磁閥的執行情況。換檔控制電磁閥A/B/C的通斷決定了變速器的檔位，ON表示通電，OFF表示截至。這樣的信號可以看作是開關量數字信號，接通時符合邏輯高電平2～5V，截至時有邏輯低電平0～0.8V。因為本文數據采集卡的量程范圍是-10～10V，所以在此電磁閥信號采集進數據采集卡前，必須分壓到合適范圍才行。用兩個10K歐姆的電阻串聯再與信號并聯，這樣的話在進入通過數據采集卡（DAQ）前信號電壓大概為6V左右。這種分壓法不會影響數字信號的時刻性，只是減小了幅值而已。三個換檔電磁閥的信號采集都要作此簡單的調理。

3.3 數據采集卡

本文所采用的數據采集卡是NI公司的M系列6251，由于NI公司的硬件與它的圖形編程軟LabVIEW有很好的兼容性，因此用戶無須擔心硬件的驅動問題，都有配套軟件的，只需在應用前作些簡單的設置即可。本文用到了模擬輸入5路，數據輸入3路，共8路信號。這些信號都是來自傳感器和執行器兩端電壓信號，通過數據采集卡連接附件68-pin的端子板經傳輸電纜進入。

3.4 系統軟件操作界面

本文設計的虛擬儀器操作系統界面見圖6所示，主要功能是數據采集并顯示和數據記錄控制等。顯示部分包括節氣門開度、發動機轉速、冷卻液（水）溫度、主軸/中間軸轉速、車速、電磁閥通斷等。

數據采集系統編制完成后，需要通過實驗來調試、改良和驗證儀器的測量精度。為此，用編制的虛擬儀器系統測量的傳感器數據與金德KT600測得的數據進行相比，發現誤差在國標要求的±2%之內，達到實驗的要求。而對于換檔電磁閥信號，與萬用表檢驗測量對比，系統的正確率達100%。

4、結論

本文設計的虛擬儀器可準確的采集自動變速器運行工況中發動機轉速信號、節氣門開度信號、車速信號、主軸轉速信號、冷卻液溫度信號和3個換擋電磁閥通斷信號，后續在LabVIEW軟件中調用Matlab神經網絡工具，可實現對自動變速器故障診斷的自動化和智能化。

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[3] 鄭驚等．BP神經網絡在自動變速器故障診斷中的應用[J].汽車工程師，2012（8）:37-39.

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Development of Automatic Transmission Fault Diagnosis Based on Virtual Instrument

Yang Xuzhi, Gao Junwen, Liao Zhongwen
（Department of Mechanical and Electrical, Guangdong AIB Polytechnic College, Guangdong Guangzhou 510507）

Based on the fault analysis of automobile automatic transmission, in order to realize the automation and intelligent automatic transmission fault diagnosis,virtual instrument is designed in this paper, which can perform real-time data acquisition for automatic transmission operating conditions, including the engine speed, throttle opening, vehicle speed, spindle speed, coolant temperature and 3 shift the electromagnetic valve to break the situation of data acquisition, through the comparison with the professional diagnosis instrument, to verify the accuracy of the data collection, the follow-up combined with neural network technology can realize the analysis of collected data and can directly give the result of fault diagnosis.

automatic transmission; virtual instrument; fault diagnosis

U463.2

A

1671-7988(2015)02-105-03

楊旭志，碩士研究生，就職于廣東農工商職業技術學院機電系，研究方向汽車檢測與維修技術。