機械式汽車變速器綜合試驗臺實驗方法及故障診斷

李桂

摘 要：隨著機械式汽車變速器在現代交通工具中的廣泛應用，其性能的優化和故障診斷技術的發展成為汽車工業中的關鍵研究領域，機械式變速器因其結構的復雜性及對精確操作的要求，常面臨著各種故障和性能退化問題。本文就機械式汽車變速器綜合試驗臺的實驗方法及故障診斷進行了系統的展開探討，以期望為變速器的維護和修復提供科學依據，同時為汽車工程技術的發展貢獻實踐成果。

關鍵詞：機械式汽車 變速器 綜合試驗臺 故障診斷

機械式汽車變速器直接影響到汽車的駕駛體驗和能效，隨著汽車工業的快速發展及用戶對汽車性能要求的不斷提高，變速器的設計、制造和維護技術亦持續進步，但由于機械式變速器結構的復雜性和操作環境的苛刻性，其故障率相較其他汽車部件依然居高不下，直接影響了汽車的可靠性和安全性。傳統上，變速器的故障診斷多依賴于技術人員的經驗和傳統的試錯方法，這種方式往往耗時長、效率低下，且難以達到預期的精準度。因此，如何快速且準確地診斷出變速器的具體故障成為了行業迫切需要解決的問題[1]。控制理論指出，通過對系統的動態響應進行分析，可以有效地識別出系統中的異常行為，進而準確定位故障源。通過分析變速器的振動信號和聲音信號，可以對其內部機械狀態進行實時監控，實現故障的早期發現和快速診斷[2]。綜上，本研究將圍繞機械式汽車變速器綜合試驗臺實驗方法及故障診斷展開研究，以期通過理論與實踐的結合，推動變速器故障診斷技術的進一步發展。

1 機械式汽車變速器概述

1.1 變速器的基本結構與工作原理

機械式變速器主要包括輸入軸、輸出軸、齒輪群、同步器以及控制機構等部件，具體可見表1。

表1中部件協同工作，使變速器能夠根據車輛的行駛條件和駕駛者的需求，選擇合適的齒輪比。輸入軸接受來自發動機的動力，并通過齒輪群的不同組合將動力以適當的速度和扭矩輸出到輸出軸，再傳遞至車輪；同步器在齒輪切換過程中發揮關鍵作用，確保齒輪間的平滑過渡，避免因速度不匹配造成的損傷；控制機構則根據駕駛者的輸入，選擇合適的齒輪，實現從啟動到加速再到高速行駛的動力傳輸[3]。

1.2 變速器的類型及特點

機械式汽車變速器根據其設計和功能的不同可以分為以下幾種主要類型：

每種類型的變速器都具有其獨特的結構特點和應用優勢，適應不同的駕駛需求和車輛性能標準。手動變速器（MT）以其簡單可靠的結構和成本效益高的優點，長期以來一直是汽車變速器的主流選擇；自動變速器（AT）通過自動化的齒輪切換機制，簡化了駕駛操作，提高了駕駛舒適性，適合城市頻繁停啟的駕駛環境；無級變速器（CVT）通過提供連續的有效齒輪比，使得發動機能夠在最優轉速下運行，從而提高燃油效率和駕駛平滑性；雙離合變速器（DCT）結合了手動變速器和自動變速器的優點，能夠在不失去動力的情況下快速切換齒輪[4]。

2 綜合試驗臺的設計與構建

2.1 試驗臺的設計原理

試驗臺的設計旨在通過控制精確、環境可模擬、并能夠實時監控數據的系統，來模擬真實車輛的駕駛條件，設計原理涵蓋從基本的機械結構模擬到復雜的故障模擬和數據記錄。構建試驗臺需要確保其能夠準確地重現機械變速器的操作環境，這涉及到精確的動力輸出模擬，需要試驗臺能夠提供與汽車發動機相仿的轉速和扭矩。因此，試驗臺需要裝備電動機和控制系統，這些系統能夠模擬不同的駕駛情況，如起步、加速、巡航及制動等，電動機的選擇和配置必須能夠覆蓋變速器在實際使用中可能遇到的最大負荷和最高速度。同時，試驗臺還應集成高級傳感器和數據采集系統，用以捕捉在運行過程中變速器的各項關鍵性能指標，如溫度、壓力、振動和噪聲等。在此基礎上，試驗臺應設計靈活的控制系統，使操作者能夠根據需要調整測試參數，模擬不同的駕駛和環境條件，設計的靈活性允許對變速器進行全面的測試，能模擬特定條件下的故障場景，以便研究變速器在特定故障狀態下的表現。

2.2 主要組成部件及其功能

機械式汽車變速器綜合試驗臺的設計集成多種組件，每個組件都扮演著關鍵的角色以保證整個系統的功能完整性和實驗的準確性，具體可見下表3。

表3中組件共同構成了一個高效能的試驗平臺，能夠模擬和分析變速器在各種操作條件下的性能[5]。

2.3 試驗臺的集成與調試

集成過程開始于各個主要組件的物理安裝，包括電動機、載荷模擬器、傳感器系統等核心部件的安裝。電動機的安裝需要確保其能夠與變速器的輸入軸對齊精準，以避免運行中產生額外的機械負荷或振動，通常需要使用高精度的測量工具和技術來進行，載荷模擬器的安裝則需要考慮到其能夠模擬的負載范圍與變速器的實際工作負載相匹配，包括在不同的駕駛模擬場景下，如爬坡或下坡，載荷模擬器都能準確反映實際情況。調試過程則是細致的系統參數調整和功能驗證過程。調試團隊需要對控制系統進行編程，設定電動機的操作參數，如轉速、扭矩輸出以及反應時間，以確保這些設置能夠精確模擬實際駕駛中的變速器行為。同時，傳感器系統必須確保各傳感器的準確性和反應速度，能夠實時捕捉數據并反饋給控制系統。如溫度和壓力傳感器需要進行校準，確保其讀數的準確性和重復性，以便在后續的測試中提供可靠的數據支持。

3 實驗方法

3.1 實驗準備與設定

實驗準備與設定是確保機械式汽車變速器綜合試驗臺能夠有效運行和產出可靠數據的基礎步驟。本研究首先明確測試的目標和需求，包括確定要測試的變速器類型、預期的運行條件以及需要收集的數據類型?；诖酥贫ㄔ敿毜膶嶒灹鞒毯蜁r間表，包括各階段的測試點、所需時間以及數據記錄頻率。設備的設置則需要根據實驗設計進行調整，確保所有設備參數與測試要求相符。這包括調節電動機的輸出特性（如扭矩和轉速）、設置載荷模擬器以模擬不同的駕駛情況，以及配置傳感器系統以準確測量變速器的性能指標，如溫度、壓力、振動等。每個設備的設置都應遵循制造商的規定和最佳實踐，以保證測試的準確性和重復性。

3.2 實驗操作流程

具體實驗之前，首先應首先進行徹底的設備檢查，確保所有設備，包括電動機、載荷模擬器、傳感器系統及安全裝置均已正確安裝并且處于完好狀態，此階段的主要任務是驗證所有的機械和電子組件是否符合技術規范，并且系統的各個部分是否能夠協同工作。實驗參數應基于預定的實驗目的和所需模擬的具體駕駛場景；系統檢測包括對控制系統的測試以確保所有控制命令可以準確執行，系統檢測可以保證實驗的安全性，同時也可以確保數據的可靠性和實驗的重復性；關機和數據保存需要按照既定程序逐步減少負載并關閉電源，同時確保所有數據被安全記錄并保存。

實驗操作流程可如下圖所示：

4 故障診斷技術

4.1 故障診斷方法

故障診斷方法依賴于對變速器內部機械動態的深入理解，以及精確的數據分析技術，以識別并解決潛在的問題，常見機械式汽車變速器故障診斷方法如下表4所示。

這些故障診斷技術可以提高問題診斷的準確性，增強預防性維護的能力，使得維修工作可以更有針對性地執行，從而減少意外停機和維修成本。通過實施這些先進的監測和分析技術，變速器的維護變得更為科學和高效。

4.2 故障診斷流程

故障診斷流程旨在確保通過精確和有條理的步驟快速準確地識別和解決機械式汽車變速器的故障。故障診斷流程通常從故障的初步識別開始，這涉及對變速器的基本檢查，同時監聽異常的噪聲；在此基礎上，使用診斷工具，如故障診斷儀讀取變速器控制單元中的故障碼，這些故障碼能夠提供關于問題性質和位置的初步信息；初步信息收集完成后進行更深入的系統測試，包括振動分析和聲發射檢測，這些測試可以詳細揭示故障的性質和具體位置。數據分析階段使用專門的分析軟件，對收集到的數據進行詳細分析，比對歷史數據和故障數據庫，以精確地確定故障原因和嚴重性。分析結果將直接支持維修決策，確保采取的措施能夠針對性地解決問題，避免不必要的維護成本和時間浪費。

4.3 故障模擬及分析

故障模擬及分析允許工程師在實際發生故障前預測和驗證潛在問題，通過模擬可能發生的故障場景，可以更深入地了解變速器在特定條件下的行為，從而提高對復雜故障的診斷能力和精準度。故障模擬涉及設置變速器在控制環境中運行，同時人為地引入一些已知的故障條件。具體而言，可以通過軟件控制系統在變速器的控制單元中故意設置錯誤的參數，或是物理上調整變速器內部組件的配置，以此來觀察變速器如何響應這些非標準操作。這能夠模擬出如同步器不當操作、齒輪磨損、潤滑油失效等常見故障的效果。對于數據收集與分析而言，故障模擬過程中收集的數據比常規操作時的數據更為豐富，包括從基本的性能參數如溫度、壓力、轉速到更復雜的振動和聲發射數據。這些數據經過專門的分析軟件處理后，可以詳細揭示出故障發生時的具體表現和變速器的反應機制。如通過分析在故障狀態下變速器產生的振動頻譜，工程師可以識別出特定齒輪的損傷位置和程度，或是軸承的異常磨損情況。

5 實驗結果與分析

本實驗選取常見的機械式汽車變速器故障類型，通過綜合試驗臺進行了系統的模擬和測試，旨在評估變速器在各種工況下的性能表現，并利用高精度傳感器系統實時監控變速器的關鍵操作參數。

5.1 實驗數據分析

實驗結果如表5所示。

轉速和溫度數據提供了關于變速器在故障狀態下運行效率的重要信息。如潤滑油失效時的高溫度和較高轉速表明由于潤滑不充分導致的摩擦增加，會導致更快的部件磨損。相比之下，齒輪磨損在較低的溫度和轉速下也顯示出較高的故障發現率，反映了即使在較不激烈的操作條件下，齒輪的磨損也會嚴重影響變速器的性能。振動級別和壓力的測量進一步揭示了內部機械狀態和結構完整性。不同類型的故障都會在特定的頻率上產生特征性的振動模式。振動級別的微妙變化可以早期預示故障發展，是診斷過程中不可或缺的診斷指標。故障發現率發，在不同的故障模擬下，故障發現率有所差異，反映了診斷系統在識別各類故障時的靈敏度和效率。如齒輪磨損的高發現率表明診斷系統對此類故障的檢測能力較強，而潤滑油失效的較低發現率則提示需要進一步優化診斷算法或傳感器的靈敏度。

5.2 故障診斷效率與準確性評估

表6為五種不同故障類型的診斷時間、診斷準確率、修復時間及修復成功率指標：

檢測時間反映了系統響應故障的速度，其中“軸承損壞”的檢測時間最短，顯示出系統對此類故障的反應更為迅速，而“潤滑油失效”則需要較長時間來診斷，這由于其故障特征不如機械損傷那樣立即顯著。診斷準確率是評估故障診斷技術有效性的直接指標。此數據中，“齒輪磨損”和“軸承損壞”的診斷準確率較高，說明診斷系統在處理這類機械性損傷方面表現優異。相反，“輸出軸異?！钡臏蚀_率相對較低，這需要對這類故障的診斷算法進行改進。修復時間和修復成功率則提供了故障處理的效率和效果的信息。如“軸承損壞”的修復時間最短且成功率達到100%，對于這類故障，維修流程已經非常成熟和有效。而“潤滑油失效”的修復時間較長且成功率較低，因此，此類故障涉及的系統調整和部件更換更為復雜。

6 結語

本研究評估了機械式汽車變速器在綜合試驗臺上的性能及其在各種故障模擬條件下的響應。實驗結果驗證了試驗臺的功能和故障模擬的有效性，且通過詳盡的數據收集與分析，深入探討了不同故障類型的診斷過程及其效率和準確性。故障診斷方法的應用顯示出高度的準確率，在齒輪磨損和軸承損壞的檢測中表現出極高的敏感性和可靠性。本研究的成果為變速器的設計改進、故障預防和維護策略的優化提供了科學依據。通過持續的技術創新和系統優化，本研究期望能夠顯著提升機械式變速器的操作效率和可靠性，從而推動汽車工業的持續發展和技術進步。

參考文獻：

[1]吳茂瑞，倪俊芳，張浩.汽車變速器齒輪修形對齒輪疲勞壽命的影響研究[J].科技創新與應用，2024，14（11）：107-110.

[2]宋志峰，逯云杰.汽車變速器花鍵軸冷精鍛成形有限元分析及試驗研究[J].鍛壓技術，2024，49（02）：37-44+52.

[3]肖獻法.汽車變速器、分動器的現行技術標準[J].商用汽車，2023（03）：77.

[4]張永強.機械式汽車變速器綜合試驗臺實驗方法及故障診斷[J].實驗室科學，2015，18（01）：52-54.

[5]鄧杰，高月華.汽車變速器機械性能綜合試驗臺的研制[J].裝備制造技術，2009（05）：9-10+48.