汽車電子控制系統(tǒng)故障維修技術(shù)實(shí)訓(xùn)研究

摘要：分析了電控系統(tǒng)的構(gòu)成和常見故障，設(shè)計了包括故障診斷、定位、修復(fù)、復(fù)位和測試的系統(tǒng)化維修流程。針對電子節(jié)氣門、自動變速器和ABS三個典型案例進(jìn)行了實(shí)證研究，測試結(jié)果表明，所提出的維修流程有效可行，能顯著提高故障診斷準(zhǔn)確率、定位精確度和修復(fù)成功率，恢復(fù)系統(tǒng)性能。研究結(jié)論可為汽車電控系統(tǒng)故障維修提供新思路和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：汽車電子控制系統(tǒng)；故障診斷；故障定位；維修技術(shù)

中圖分類號：U472 收稿日期：2024-06-12

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.09.026

1 前言

近年來，隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，汽車電子控制系統(tǒng)已成為現(xiàn)代汽車的核心組成部分。電子控制系統(tǒng)的引入極大地提升了汽車的性能、燃油經(jīng)濟(jì)性、安全性和舒適性，但同時也帶來了更為復(fù)雜的故障診斷和維修問題。汽車電子控制系統(tǒng)的故障不僅會影響車輛的正常運(yùn)行，還可能危及行車安全。因此，深入研究汽車電子控制系統(tǒng)的故障診斷與維修技術(shù)，對于提高汽車的可靠性和安全性，降低維修成本，滿足日益增長的用戶需求，具有重要的理論意義和實(shí)踐價值。

2 汽車電子控制系統(tǒng)的構(gòu)成與故障分析

2.1 汽車電子控制系統(tǒng)的構(gòu)成

汽車電子控制系統(tǒng)是現(xiàn)代汽車的核心組成部分，其主要由電控單元（ECU）、傳感器、執(zhí)行器以及通信網(wǎng)絡(luò)等部件構(gòu)成[1]。電控單元作為系統(tǒng)的“大腦”，負(fù)責(zé)接收并處理來自各個傳感器的信號，根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略和算法，實(shí)時計算出最佳的控制參數(shù)，并通過執(zhí)行器如噴油器、點(diǎn)火線圈等實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)、變速箱、制動系統(tǒng)等的精確控制。傳感器則分布在汽車的各個部位，用于采集發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力、冷卻液溫度、氧傳感器信號等各種工況參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號傳遞給電控單元。執(zhí)行器根據(jù)電控單元的指令，直接控制發(fā)動機(jī)、變速箱等部件的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)如燃油噴射、點(diǎn)火正時、變速操縱等功能。通信網(wǎng)絡(luò)則將電控單元、傳感器和執(zhí)行器連接起來，保證信號的快速、可靠傳輸。常見的汽車通信網(wǎng)絡(luò)包括CAN總線、LIN總線和FlexRay總線等[2]。

隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車電子控制系統(tǒng)已從最初的單一系統(tǒng)發(fā)展為多系統(tǒng)協(xié)同工作的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，如發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)、變速箱控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)、車身電子控制系統(tǒng)等，通過高速數(shù)據(jù)總線和網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)各個子系統(tǒng)間的信息交互和協(xié)調(diào)控制，全面優(yōu)化汽車性能，提升駕駛體驗(yàn)。

2.2 汽車電子控制系統(tǒng)常見故障分析

汽車電子控制系統(tǒng)的常見故障主要表現(xiàn)為功能異常、性能降低、故障燈亮等問題，其根本原因可歸結(jié)為硬件損壞、軟件故障、通信干擾以及外部因素干擾等方面[3]。硬件損壞通常源于電子元器件的老化、破損或接觸不良，如傳感器失效、線路斷裂、接插件松動等，導(dǎo)致電控單元無法獲取準(zhǔn)確的工況信號，或執(zhí)行器無法正確響應(yīng)控制指令。軟件故障則涉及控制程序的邏輯錯誤、參數(shù)設(shè)置不當(dāng)、存儲數(shù)據(jù)損壞等問題，使得電控單元的運(yùn)算結(jié)果偏離最優(yōu)值，或出現(xiàn)死循環(huán)、跑飛等異常行為。通信干擾主要是由于電磁兼容性差、總線負(fù)載過高、信號傳輸失真等原因引起的，導(dǎo)致控制信號出現(xiàn)丟包、錯包、延遲等現(xiàn)象，嚴(yán)重時可能引發(fā)系統(tǒng)癱瘓。外部因素干擾包括環(huán)境溫度、濕度、振動、灰塵等對電子元件的影響，以及供電系統(tǒng)的波動、雜波、瞬斷等問題，這些都可能導(dǎo)致電控系統(tǒng)工作不穩(wěn)定或失效。

3 汽車電子控制系統(tǒng)故障維修技術(shù)流程設(shè)計

3.1 故障診斷

汽車電子控制系統(tǒng)的故障診斷是通過系統(tǒng)化的測試和分析，準(zhǔn)確判斷故障的類型、位置和原因，為后續(xù)的維修決策提供依據(jù)。診斷過程通常采用“故障碼讀取－故障碼分析－針對性測試－原因判定”的思路。首先，使用故障診斷儀讀取電控單元中存儲的故障碼，故障碼是電控單元根據(jù)自我診斷功能對系統(tǒng)異常進(jìn)行識別和記錄的標(biāo)識符，不同的故障碼對應(yīng)不同的故障類型和部位[4]。例如，P0201表示1號氣缸噴油器電路故障，U0101表示與變速箱控制模塊通信丟失。通過故障碼的分析，可以初步判斷故障所在的系統(tǒng)和部件。然后，根據(jù)故障碼的指示，進(jìn)行針對性的測試和檢查。這些測試包括對傳感器、執(zhí)行器、線束、電控單元等部件的輸入/輸出信號、工作電壓、電阻、通斷等特性的測量，以驗(yàn)證其是否符合標(biāo)準(zhǔn)值。同時，還需檢查部件間的物理連接狀態(tài)，排除接觸不良、虛焊、斷路等故障。在測試的基礎(chǔ)上，綜合分析故障的表現(xiàn)特點(diǎn)和產(chǎn)生機(jī)理，如故障的觸發(fā)條件、環(huán)境因素、并發(fā)癥狀等，結(jié)合維修手冊和專家經(jīng)驗(yàn)，對故障的根本原因進(jìn)行判定。

3.2 故障定位

汽車電子控制系統(tǒng)的故障定位是在完成初步的故障診斷后，進(jìn)一步確定故障發(fā)生的具體部位和原因的過程。傳統(tǒng)的故障定位方法主要依賴于維修人員的經(jīng)驗(yàn)和技能，通過手工測量電路的導(dǎo)通性、絕緣性、電壓、電阻等參數(shù)，結(jié)合零部件的拆裝、替換、排除等操作，逐步縮小故障范圍，最終找到故障點(diǎn)[5]。例如，在定位點(diǎn)火系統(tǒng)故障時，維修人員需要使用萬用表測量點(diǎn)火線圈的初級和次級繞組電阻，正常值應(yīng)分別在0.5～2.0 Ω和5～15 kΩ之間；使用示波器觀察點(diǎn)火信號的波形特征，正常的點(diǎn)火信號應(yīng)為幅值在200 V以上、脈沖寬度在1～2 ms之間的尖脈沖。

然而，隨著電控系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，先進(jìn)的故障定位技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。基于模型的故障診斷是一種典型的方法，它通過建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，描述各個部件之間的邏輯關(guān)系和數(shù)據(jù)依賴，在實(shí)際工作中實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，將其與模型預(yù)測值進(jìn)行比對，快速識別出偏差超標(biāo)的參數(shù)和部件。例如，在發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)中，可建立氣路、油路、點(diǎn)火、排放等子系統(tǒng)的物理模型，輸入空氣流量、進(jìn)氣壓力、油軌壓力、氧傳感器電壓等測量值，輸出發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、尾氣成分等控制目標(biāo)，通過模型反演和參數(shù)辨識，診斷出故障部件的位置和量化程度。

3.3 故障修復(fù)

汽車電子控制系統(tǒng)的故障修復(fù)是在準(zhǔn)確定位故障位置和原因的基礎(chǔ)上，采取針對性的技術(shù)手段，消除故障隱患，恢復(fù)系統(tǒng)正常工作的過程。修復(fù)方法的選擇需要綜合考慮故障類型、零部件特性、可維修性等因素，通常包括元件更換、程序重寫、參數(shù)標(biāo)定、線束修理等幾種主要技術(shù)。對于硬件故障，如傳感器失效、執(zhí)行器損壞、線路斷裂等，首選的修復(fù)方法是直接更換失效的零部件。例如，當(dāng)氧傳感器輸出電壓長期低于0.2 V或高于0.8 V時，表明其內(nèi)部的氧化鋯陶瓷元件已失效，需要更換新的傳感器，更換后的傳感器在850 ℃下的內(nèi)阻應(yīng)在5～50 kΩ之間。

對于軟件故障，如程序錯誤、參數(shù)偏差、存儲異常等，需要借助診斷設(shè)備對控制器進(jìn)行重新編程和標(biāo)定。例如，當(dāng)發(fā)動機(jī)控制模塊出現(xiàn)程序崩潰時，需要使用專用的下載器，對其進(jìn)行固件、標(biāo)定數(shù)據(jù)的全面更新，并進(jìn)行版本檢驗(yàn)和安全認(rèn)證，確保更新后的程序與硬件版本完全匹配，各項功能指標(biāo)符合出廠標(biāo)準(zhǔn)。對于部分線束故障，如接插件松動、線芯氧化等引起的接觸不良，可采用物理修復(fù)的方法，如清潔、緊固、焊接、包扎等，使其接觸電阻恢復(fù)到5 mΩ以下，絕緣電阻達(dá)到100 mΩ以上。對于復(fù)雜的系統(tǒng)故障，可能需要綜合運(yùn)用多種修復(fù)技術(shù)，并進(jìn)行反復(fù)的驗(yàn)證和測試，才能最終消除故障。

3.4 故障復(fù)位和測試

故障復(fù)位是指清除系統(tǒng)中殘留的故障標(biāo)志和歷史數(shù)據(jù)，恢復(fù)控制器的初始狀態(tài)，使其重新開始正常的工作循環(huán)。復(fù)位操作通常通過診斷設(shè)備（如車載診斷儀）發(fā)送特定的指令來實(shí)現(xiàn)，例如，對于發(fā)動機(jī)控制模塊，需要發(fā)送“清除故障碼”“復(fù)位學(xué)習(xí)值”“初始化自適應(yīng)值”等指令，使其關(guān)鍵參數(shù)回到出廠默認(rèn)狀態(tài)，如空燃比控制的短期和長期燃油修正值分別為0%和±20%，怠速控制的目標(biāo)轉(zhuǎn)速為750±50 r/min等。

復(fù)位后，需要對系統(tǒng)進(jìn)行全面的性能測試，以驗(yàn)證修復(fù)效果和系統(tǒng)穩(wěn)定性。性能測試既包括靜態(tài)測試，也包括動態(tài)測試。靜態(tài)測試主要檢查各傳感器和執(zhí)行器的工作狀態(tài)，如測量氣缸識別傳感器在不同凸輪軸位置的輸出電壓，正常值應(yīng)在3.5～4.5 V之間；測量電子節(jié)氣門在不同開度下的電位器電壓，正常值應(yīng)與標(biāo)定曲線相吻合。動態(tài)測試則在實(shí)際道路上進(jìn)行，綜合評估系統(tǒng)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等指標(biāo)，并與出廠標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對。對于安全關(guān)鍵系統(tǒng)，如制動防抱死系統(tǒng)（ABS）、電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）等，還需進(jìn)行嚴(yán)格的故障模擬和極限工況測試，如在低摩擦路面上模擬傳感器故障、在緊急轉(zhuǎn)向工況下評估算法可靠性等，以確保其故障安全性滿足ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)的要求。測試過程中如果發(fā)現(xiàn)問題，需要返回故障診斷和修復(fù)的環(huán)節(jié)，進(jìn)行二次排查和處理，直至完全符合性能要求為止。

4 實(shí)證研究

4.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計

為驗(yàn)證本研究提出的汽車電子控制系統(tǒng)故障維修技術(shù)流程的有效性，在某高職院校的汽車實(shí)訓(xùn)中心開展了一系列實(shí)證研究。該中心擁有先進(jìn)的教學(xué)設(shè)施和實(shí)訓(xùn)設(shè)備，包括整車故障診斷與維修實(shí)訓(xùn)臺、發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺、汽車總線系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺等，涵蓋了汽車電控系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)。同時配備了多種常見故障的電控單元和傳感器，可模擬發(fā)動機(jī)、變速箱、ABS等系統(tǒng)的典型故障。實(shí)訓(xùn)中心還建有專門的維修工位和實(shí)驗(yàn)室，配有各類診斷、檢測、維修工具和設(shè)備，為實(shí)驗(yàn)提供了真實(shí)的場景和充足的硬件支持。

實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計嚴(yán)格遵循本文提出的汽車電子控制系統(tǒng)故障維修技術(shù)流程，包括故障診斷、故障定位、故障修復(fù)、故障復(fù)位和測試等環(huán)節(jié)。針對實(shí)訓(xùn)中心的設(shè)備條件，選取了三個具有代表性的故障案例：電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)故障、自動變速器控制系統(tǒng)故障和防抱死制動系統(tǒng)（ABS）故障。每個案例都按照統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行，即：根據(jù)故障表現(xiàn)設(shè)置故障模式；使用診斷設(shè)備讀取和分析故障碼；建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，實(shí)時監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)，快速定位故障部件；綜合判定故障原因；制定并執(zhí)行修復(fù)方案；對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位和性能測試。實(shí)驗(yàn)中，重點(diǎn)觀測和記錄以下評價指標(biāo)：故障診斷的準(zhǔn)確率和效率、故障定位的精確度和用時、故障修復(fù)的成功率和質(zhì)量、系統(tǒng)復(fù)位后的性能恢復(fù)度和穩(wěn)定性等。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過對三個典型故障案例的實(shí)證研究，采集和分析了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，整體結(jié)果如表1所示。

從故障診斷環(huán)節(jié)來看，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)故障的診斷準(zhǔn)確率達(dá)到了95%，平均診斷時間為10.5 min；自動變速器控制系統(tǒng)故障的診斷準(zhǔn)確率為90%，平均診斷時間為15.2 min；ABS故障的診斷準(zhǔn)確率為92%，平均診斷時間為12.8 min。這表明基于故障碼讀取和分析的診斷策略是切實(shí)有效的，能夠快速、準(zhǔn)確地判斷故障所在的系統(tǒng)和部件。

在故障定位環(huán)節(jié)，三個案例的平均定位精確度分別達(dá)到了92%、88%和90%，定位時間分別為25.6 min、22.4 min和27.9 min。可以看出，通過建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，能夠快速的定位故障，為后續(xù)的故障修復(fù)提供可靠的依據(jù)。

故障修復(fù)環(huán)節(jié)的測試結(jié)果表明，針對性的修復(fù)方案能夠取得較高的成功率，分別為96%、92%和94%，但修復(fù)質(zhì)量還有進(jìn)一步提升的空間，合格率分別為90%、88%和89%。系統(tǒng)復(fù)位后的性能測試結(jié)果顯示，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)和ABS的性能恢復(fù)度較好，穩(wěn)定性也較高，而自動變速器控制系統(tǒng)的性能恢復(fù)度和穩(wěn)定性相對較低，還需進(jìn)一步優(yōu)化控制策略和標(biāo)定參數(shù)。

5 結(jié)語

通過對汽車電子控制系統(tǒng)故障維修技術(shù)的系統(tǒng)研究和實(shí)證分析，構(gòu)建了一套完整的故障診斷、定位、修復(fù)、復(fù)位和測試流程，并通過三個典型案例的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性和實(shí)用性。結(jié)果表明，采用先進(jìn)的故障診斷與定位技術(shù)，制定針對性的修復(fù)方案，能夠顯著提高維修效率和成功率，恢復(fù)系統(tǒng)性能。未來，隨著汽車電子技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的應(yīng)用，汽車電子控制系統(tǒng)的故障維修領(lǐng)域還將不斷創(chuàng)新，智能化、自動化水平將進(jìn)一步提升。同時，強(qiáng)化維修技術(shù)人員的實(shí)操能力和學(xué)習(xí)能力，建立完善的培訓(xùn)體系和知識庫，也是保障維修質(zhì)量和效率的關(guān)鍵舉措。

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