汽車電子換擋系統換擋失效故障分析

劉維生，馬金旭，徐 明，趙雙學

（一汽奔騰轎車有限公司奔騰開發院，吉林 長春 130012）

隨著汽車智能化的快速發展，電子換擋系統的應用已經成為趨勢。目前電子換擋系統不再只是高端品牌的特有產品，在國產中端車型上也被廣泛應用。通過整車CAN總線信號通信的形式代替傳統機械換擋拉絲來實現擋位切換，大大提高了駕駛員操作的輕便性和舒適性，此外在智能駕駛輔助方面電子換擋系統也是必不可少的一部分。由于電信號指令傳輸的應用，整個系統的換擋失效模式及原因相比傳統機械換擋更加復雜和多樣化，本文針對各類電子換擋系統構成、原理及各類換擋失效故障進行闡述和分析。

1 電子換擋系統構成及工作原理

1.1 電子換擋系統構成

電子換擋系統主要由電子換擋器總成、執行器控制單元總成、換擋執行器總成構成 （圖1）。其中電子換擋器總成EGSM集成了電子換擋器、解鎖按鍵、擋位顯示模塊，主要功能為識別駕駛員操作動作，向整車總線發出駕駛員動作指令信號；執行器控制單元ACM主要功能為接收到駕駛員操作指令信號后，綜合整車環境狀態對駕駛員操作的合理性進行判斷，生成目標擋位后控制執行器電機切換擋位；換擋執行器ARC由換擋電機、減速機構、執行器位置傳感器組成，主要功能為執行換擋命令，通過機械傳動切換變速器換擋軸，實現擋位切換。

圖1 電子換擋系統構成

1.2 電子換擋系統基本原理

電子換擋系統的換擋行為是一個較為復雜的信號轉化、傳遞、執行、反饋的閉環動作，下面基于換擋信息流向對電子換擋系統的基本原理進行闡述，系統架構原理見圖2。

圖2 電子換擋系統架構原理圖

首先，駕駛員有換擋需求時會按照系統設定的操作邏輯操作電子換擋器總成的換擋手柄，如按下解鎖按鍵、前推或后拉換擋手柄等動作，電子換擋控制器通過霍爾傳感器將駕駛員的前推后拉換擋手柄的動作指令轉化為手柄操作電信號并傳輸到CAN總線上，同時也會將解鎖按鍵的狀態信號傳輸至CAN總線用于下一級控制器的換擋邏輯判斷。

接下來換擋執行器控制單元ACM從CAN總線上接收到換擋操作信號、解鎖信號以及整車其他環境信號 （制動信號、車速信號、加速踏板信號等），按照設定判斷邏輯綜合以上信號對駕駛員的換擋操作行為進行合理性判斷，如果判斷通過則控制換擋執行器ARC執行機械的換擋動作，如果判斷失敗則不響應駕駛員的換擋操作并通過儀表對駕駛員的不當操作進行提示。

換擋執行器執行完ACM的換擋指令后，內部傳感器會對執行后結果進行采集并反饋給ACM，形成閉環校驗機制，同時變速器控制單元會將當前擋位信號傳輸至CAN總線，電子換擋器總成讀取擋位信號，通過換擋手柄上擋位顯示模塊指示整車的當前擋位狀態，給駕駛員一個擋位信息反饋，形成整個換擋操作的閉環。

2 換擋失效問題分類及原因

通過以上電子換擋系統工作原理的描述可知，整個換擋過程各控制器間存在較多的信號交互，在換擋信息流傳遞過程中，每一個環節的失效或故障都可能影響整個換擋系統的功能實現。下面分別從換擋系統外部故障和內部故障兩個方面進行故障分析。

2.1 換擋系統外部故障

1） 供電電壓過壓/欠壓故障 電子換擋系統正常運轉工作的供電來源是車輛蓄電池，通常電子換擋系統內各零部件的正常工作電壓范圍為9~16V，當蓄電池電源輸入電壓超出9~16V的范圍一定時長時，電子換擋器和換擋執行器控制單元內部電氣元件會停止工作，導致換擋失效，整車表現為換擋操作無法正常執行，擋位指示模塊無法顯示擋位，儀表會提示電子換擋系統故障。當整車供電恢復到正常范圍時，換擋系統所有功能恢復正常。

2） 環境信號輸入故障 電子換擋系統正常執行駕駛員換擋操作前，需要采集整車總線上多個表征整車環境狀態的信號，用于判斷駕駛員當前的操作是否符合設定的功能邏輯。如整車車速信號、車輛行駛方向信號、制動踏板信號、油門踏板信號、整車供電模式信號、當前擋位信號、主駕駛安全帶狀態信號、主駕駛側車門狀態信號等，以上每條信號的狀態都會影響換擋系統對應功能的實現。例如，整車車速過高（具體閥值以策略設定為準） 的情況下，處于整車安全和變速器結構保護的原因，通常不允許駕駛員換入P擋；未踩下制動踏板的情況下，為了規避駕駛員誤碰操作的風險，通常不允許駕駛員換出P擋。基于以上兩個例子的情況，整車環境信號的采集對換擋邏輯的正常實施至關重要，所以，如果各環境信號輸入錯誤值或丟失狀態，將無法實施對應的換擋邏輯判斷，從而導致對應的功能失效。

3） 總線BUSOFF故障 整車各系統間信號交互的載體是CAN總線網絡，電子換擋系統中電子換擋器和換擋執行器控制單元作為CAN總線節點也會讀取和發送相應的報文到總線上，總線故障也是導致換擋系統功能失效的重要原因之一。常見導致總線Busoff故障的原因如下［1］：源控制器電壓不穩定，過高或過低都會導致通信故障；CAN主干線束問題、源控制器本身硬件或軟件問題、源控制器插接件進水接觸不良；其它控制器的故障導致總線負載率升高、錯誤幀增加，從而影響了源控制器的特定報文被超時發送，導致發生報文丟失的故障。

2.2 換擋系統內部故障

2.2.1 電子換擋器總成故障

電子換擋器內部是通過線性霍爾傳感器將駕駛員操作換擋手柄的動作轉化成電壓信號進行識別換擋意圖［2］。通常總成內會布置雙路線性霍爾傳感器，形成校驗機制，來提高操作識別的可靠性。線性霍爾傳感器故障分為以下兩種：第1類故障為雙路霍爾傳感器同時發生采集到的擋桿位置數據為錯誤狀態，即雙路數據均不在設定的正確范圍內，無法正確反映駕駛員操作擋桿所處的位置。第2類故障為當雙路傳感器采集到的擋桿位置數據均在正確范圍內，但是在雙路進行校驗的過程中，數據差值超出了設定的偏差范圍，系統判定雙路傳感器校驗失敗，也無法判定數據的有效性。以上兩種霍爾傳感器故障均會導致換擋功能失效，無法響應駕駛員操作，同時系統會記錄相應故障碼，并通過儀表提示駕駛員故障狀態。

2.2.2 換擋桿卡滯故障

電子換擋器通常采用復位式 （圖3），其中X0位置為換擋桿的初始位置，也是唯一的穩態位置，即在不施加外力的情況下在此位置保持停留；F2、F1、R1、R2位置均為非穩態位置，駕駛員將擋桿從X0推動至F2、F1、R1、R2中任意位置后釋放擋桿均會回彈至穩態X0位置。換擋卡滯故障為換擋器內部機構或硬件損壞的原因導致霍爾傳感器識別到的換擋桿位置狀態在非穩態位置保持停留一定時間沒有復位至穩態X0位置 （此時長參數可標定），系統判定為擋桿卡滯故障，此時無法響應駕駛員操作，同時系統會記錄相應故障碼，并通過儀表提示駕駛員故障狀態。

2.2.3 換擋執行器控制單元故障

換擋執行器控制單元在完成換擋指令邏輯判斷后，會驅動換擋執行器電機進行換擋操作，執行完換擋操作后，換擋執行器內的傳感器會將執行后的機械位置狀態反饋給換擋執行器控制單元，進行執行結果與執行目標的比對校驗，形成閉環控制。當換擋執行器反饋的當前擋位狀態與目標擋位在設定的時間內未校驗成功 （具體時間可標定），系統將判定換擋超時，此時無法響應駕駛員操作，同時系統會記錄相應故障碼，并通過儀表提示駕駛員故障狀態。

圖3 復位式電子換擋器總成示意圖

2.2.4 換擋執行器故障

1） 換擋執行器卡滯故障 換擋執行器主要由執行電機及減速齒輪機構構成，由于機械結構損壞或內部雜物或電機外部負載過大等原因可能會導致執行器運行受阻，發生卡滯故障。發生此類故障時，換擋執行器控制單元會對執行器狀態進行監測，第1個卡滯判斷條件為：當進行換擋動作過程中執行器電機電流大于設定閥值；第2個判斷條件為執行器輸出端旋轉角速度低于設定閥值 （可標定）。滿足以上兩個條件，控制單元判定執行器卡滯故障發生，此時無法響應駕駛員操作，同時系統會記錄相應故障碼，并通過儀表提示駕駛員故障狀態。

2） 換擋執行器傳動失效故障 當換擋執行器內部的齒輪傳動機構發生斷齒、磨損或其他機械結構損壞的失效模式時，換擋執行器控制單元會通過對執行器的狀態監測從而判斷是否發生執行器傳動失效故障。首先對執行電機的工作電流進行監測，如果該電流在電機的正常工作電流范圍內，說明執行電機為正常工作，未發生堵轉或卡滯等故障；其次通過傳感器對執行器輸出端旋轉角速度進行監測，如果旋轉角速度低于設定的閥值，則可以判斷電機的扭矩輸出并未轉化為執行器的扭矩輸出，此時認為電機與執行器輸出端之間的傳動機構發生失效，此時無法響應駕駛員操作，同時系統會記錄相應故障碼，并通過儀表提示駕駛員故障狀態。

3） 電機驅動電路開路、短路故障 當換擋執行器中執行電機的驅動電路處于開路或短路的狀態時，執行電機無法正常執行換擋執行器控制單元的驅動控制，會導致換擋失效。當發生開路故障時，控制器監測的電機回路電流會小于設定的閥值 （趨于0），同時驅動電機的占空比會大于設定閥值，此時系統判定發生開路故障；相反當控制器監測的電機回路電流大于設定的閥值且驅動電機的占空比小于設定閥值時，系統會判定發生短路故障。此時無法響應駕駛員操作，同時系統會記錄相應故障碼，并通過儀表提示駕駛員故障狀態。

3 結束語

本文僅淺析了導致換擋功能失效比較典型的故障案例，不同車型的故障模式會隨著系統設計的不同而更加多樣化。在汽車智能化快速發展的趨勢下，電子換擋系統不再只是實現基礎換擋功能，它的產生和應用對人性化設計和智能駕駛領域都有著重要意義［3］。對電子換擋系統故障的梳理及分析，有利于整個系統故障狀態的掌控和故障處理，同時能夠對汽車電子換擋系統的安全性、可靠性設計起到一定的指導作用。