機(jī)械式自動(dòng)變速器故障診斷自動(dòng)化測(cè)試方法研究

【摘要】為實(shí)現(xiàn)機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）故障診斷自動(dòng)化測(cè)試和有效性驗(yàn)證，基于硬件在環(huán)（HiL）測(cè)試系統(tǒng)和自動(dòng)化測(cè)試軟件，針對(duì)機(jī)械式自動(dòng)變速器前副箱低擋換擋卡滯故障搭建自動(dòng)化測(cè)試序列，測(cè)試該問(wèn)題的故障診斷應(yīng)對(duì)情況，結(jié)果表明，故障診斷應(yīng)對(duì)符合預(yù)期，驗(yàn)證了測(cè)試序列和故障診斷的準(zhǔn)確性?；谠摐y(cè)試序列搭建了高速行駛工況下正常換擋、無(wú)故障應(yīng)對(duì)條件下?lián)Q擋和故障應(yīng)對(duì)條件下前副箱低擋換擋工況。測(cè)試結(jié)果表明，發(fā)生前副箱低擋換擋卡滯故障時(shí)，變速器控制單元（TCU）可及時(shí)識(shí)別并進(jìn)行應(yīng)對(duì)，應(yīng)對(duì)符合預(yù)期，同時(shí)可保證車輛繼續(xù)正常行駛，驗(yàn)證了故障診斷應(yīng)對(duì)的有效性。

關(guān)鍵詞：機(jī)械式自動(dòng)變速器 變速器控制器 故障診斷測(cè)試 故障診斷性能 硬件在環(huán) 換擋卡滯

中圖分類號(hào)：U461" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240295

Research on Automatic Testing Method of AMT Fault Diagnosis

Xiong Ziyuan， Pan Xu， Li Suqi， Lü Qiong， Zhang Xin， Liu Shuangping

（Dongfeng Commercial Vehicle Tech-Center， Wuhan 430056）

【Abstract】In order to realize automatic test and effectiveness verification of Automatic Mechanical Transmission （AMT）， an automatic testing sequence is constructed based on the Hardware-in-the-Loop （HiL） testing system and automated testing software for the low gear shifting stuck fault of AMT front auxiliary gearbox. The fault diagnosis response is tested， and the test results show that the fault diagnosis response meets expectations， verifying the accuracy of the test sequence and fault diagnosis. Based on the test sequence， the normal gear shifting at high speed， gear shifting without fault and the low gear shifting of the front auxiliary gearbox under fault response are established. Test results show that the Transmission Control Unit （TCU） recognizes and responds in time when the front auxiliary gearbox low gear shift stuck fault occurs. The response is in line with expectations， and it also can keep the vehicle running normally under the fault diagnosis response， which verifies the effectiveness of the fault diagnosis response.

Key words： Automatic Mechanical Transmission （AMT）， Transmission Control Unit （TCU）， Fault diagnosis test， Fault diagnosis performance， Hardware-in-the-Loop （HiL）， Shifting stuck

【引用格式】 熊自遠(yuǎn)， 潘旭， 李蘇琪， 等. 機(jī)械式自動(dòng)變速器故障診斷自動(dòng)化測(cè)試方法研究[J]. 汽車工程師， 2024（12）： 41-45.

XIONG Z Y， PAN X， LI S Q， et al. Research on Automatic Testing Method of AMT Fault Diagnosis[J]. Automotive Engineer， 2024（12）： 41-45.

1 前言

機(jī)械式自動(dòng)變速器（Automatic Mechanical Transmission，AMT）是車輛動(dòng)力域的重要組成部分，其發(fā)生故障后仍可繼續(xù)有效工作是保障車輛正常行駛的重要因素之一。因此，在進(jìn)行故障診斷測(cè)試時(shí)，需對(duì)其故障應(yīng)對(duì)準(zhǔn)確性、有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

高文娟等[1]基于dSpace仿真系統(tǒng)對(duì)變速器控制器基礎(chǔ)軟件（Basic Software，BSW）層故障進(jìn)行了診斷測(cè)試，葉欣等[2]結(jié)合自動(dòng)化測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)了AMT故障診斷測(cè)試的自動(dòng)化運(yùn)行及測(cè)試報(bào)告自動(dòng)生成，趙海英[3]等基于統(tǒng)一的診斷服務(wù)（Unified Diagnostic Services，UDS）開發(fā)了金屬帶式無(wú)級(jí)變速器（Continuously Variable Transmission，CVT）故障診斷系統(tǒng)，并對(duì)CVT的診斷策略和UDS診斷通信進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，孟麗莎[4]公開了一種基于硬件在環(huán)的汽車自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)及方法，通過(guò)控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）工具和測(cè)量標(biāo)定工具進(jìn)行了激活診斷測(cè)試，趙裕聰[5]搭建基于CAN總線的故障診斷測(cè)試工具，對(duì)自動(dòng)變速器故障進(jìn)行了自動(dòng)化診斷測(cè)試。上述研究表明，變速器控制單元（Transmission Control Unit，TCU）故障診斷測(cè)試主要通過(guò)不同故障注入方式實(shí)現(xiàn)，且主要集中于BSW層，對(duì)應(yīng)用軟件（Application Software，ASW）層關(guān)注較少。

本文以AMT前副箱卡滯故障為例，基于已搭建的AMT硬件在環(huán)（Hardware-in-the-Loop，HiL）測(cè)試系統(tǒng)，結(jié)合自動(dòng)化測(cè)試軟件搭建自動(dòng)化測(cè)試序列，實(shí)現(xiàn)高速行駛工況下的正常換擋、無(wú)故障應(yīng)對(duì)條件下?lián)Q擋和故障應(yīng)對(duì)條件下?lián)Q擋工況測(cè)試。

2 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)主要包括待測(cè)的TCU、仿真硬件平臺(tái)、已校準(zhǔn)的被控對(duì)象模型和試驗(yàn)管理軟件，如圖1所示。

仿真硬件平臺(tái)由實(shí)時(shí)硬件系統(tǒng)、外圍硬件、可編程電源和電源管理模塊等組成。其中，實(shí)時(shí)硬件系統(tǒng)包含NI PXIe-1084機(jī)箱1個(gè)、PXIe-8880RT實(shí)時(shí)處理器板1塊、PXIe-8510/6CAN通信板卡1塊、數(shù)據(jù)采集（TB2710型）或輸出板卡（TB2810型）合計(jì)6塊，用于提供實(shí)時(shí)模型運(yùn)行的硬件環(huán)境；外圍硬件包含TB4102型故障注入板卡8塊和TB6201型電源切換板卡，用于實(shí)現(xiàn)故障注入和電源切換；可編程電源和電源管理模塊包含EA PS9040-120 3.0 kW進(jìn)口可編程電源及電源分配單元（Power Distribution Unit，PDU），用于提供設(shè)備用電和保證用電安全[6]。

被控對(duì)象模型是測(cè)試系統(tǒng)整車模型（包含被控對(duì)象模型、虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)模型、輸入輸出模型和車輛模型）中的一部分，主要用于動(dòng)力傳遞和改變傳動(dòng)比。本文采用某12擋AMT，由離合器、前副箱、主箱和后副箱組成。

試驗(yàn)管理軟件采用NI VeriStand系統(tǒng)，其可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總線配置、系統(tǒng)硬件配置、系統(tǒng)模型配置和信號(hào)映射管理，并進(jìn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)管理[7]。

通過(guò)試驗(yàn)管理軟件將編譯好的被控對(duì)象模型集成到仿真硬件平臺(tái)中，在管理軟件中可通過(guò)發(fā)送指令模擬駕駛員實(shí)車操作，此時(shí)，仿真硬件平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)至TCU并接收TCU輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的控制和觀測(cè)，從而形成閉環(huán)系統(tǒng)。

3 故障診斷自動(dòng)化測(cè)試

變速器箱體受潤(rùn)滑油質(zhì)量、零部件損壞等因素影響，可能出現(xiàn)換擋卡滯問(wèn)題，導(dǎo)致無(wú)法正常換擋，進(jìn)而影響車輛行駛。限于篇幅，本文以AMT前副箱低擋換擋卡滯故障為例，設(shè)計(jì)自動(dòng)化序列并開展測(cè)試。前副箱低擋換擋卡滯故障需求如表1所示。

該12擋AMT奇數(shù)擋位時(shí)前副箱為低擋。由于高擋位時(shí)車速較高，換擋卡滯造成的危害加劇，本文以11擋時(shí)前副箱低擋換擋卡滯為例，故障診斷測(cè)試用例如表2所示。其中，ETC2_TrmCurrGr為當(dāng)前擋位，ETC2_TrmSelectedGr為目標(biāo)擋位。

基于表1，使用自動(dòng)化測(cè)試中圖形模塊化工具，并結(jié)合Python腳本編寫自動(dòng)化測(cè)試序列，如圖2所示。

該序列由開始（Start）、流程（Group）和結(jié)束（END）3個(gè)部分組成，分別為上電和開啟模型數(shù)據(jù)記錄、故障診斷測(cè)試流程、記錄和分析數(shù)據(jù)。其中，clib文件為封裝好的通用測(cè)試序列庫(kù)，可以被多個(gè)測(cè)試序列反復(fù)引用。上電（起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)）.clib包含上電流程、起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和確認(rèn)TCU屬于默認(rèn)初始狀態(tài)測(cè)試，下電.clib包含下電流程和重置TCU狀態(tài)測(cè)試，掛D擋.clib為掛入D擋測(cè)試。Script Block為Python腳本，用于判定變速器前副箱在低擋是否持續(xù)6 s無(wú)法摘出（即故障診斷判斷時(shí)間）。

運(yùn)行自動(dòng)化測(cè)試序列，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。其中，None表示無(wú)結(jié)果，Success表示成功。

測(cè)試中每一次判定結(jié)果均為成功，表明該自動(dòng)化測(cè)試序列測(cè)試通過(guò)，故障應(yīng)對(duì)符合預(yù)期，證明了測(cè)試序列和11擋擋位下前副箱低擋換擋卡滯故障診斷應(yīng)對(duì)的準(zhǔn)確性。

通過(guò)以上方法，可將AMT故障診斷測(cè)試用例轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)測(cè)試序列。在進(jìn)行TCU故障診斷測(cè)試時(shí)，只需在更換TCU軟件后運(yùn)行該序列，即可自動(dòng)完成故障診斷測(cè)試并生成測(cè)試報(bào)告。

目前，基于本文搭建的測(cè)試系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)ASW層故障（如電磁閥類故障、傳感器類故障、功能類故障和總線故障）、BSW層故障（如電磁閥電氣故障、傳感器電氣故障、系統(tǒng)供電故障和CAN通信故障）的自動(dòng)化測(cè)試，自動(dòng)化程度達(dá)100%。

4 故障診斷有效性分析

搭建高速行駛工況下正常換擋、無(wú)故障應(yīng)對(duì)條件下?lián)Q擋和故障應(yīng)對(duì)條件下前副箱低擋換擋3種工況，不同工況下的測(cè)試用例如表3所示。其中，fhc_flg_SplitStukLow_Enable為前副箱低擋換擋卡滯故障開關(guān)標(biāo)定值。

根據(jù)該測(cè)試用例改進(jìn)原有測(cè)試序列，利用具體測(cè)試用例（Concrete Test Case，CTC）功能實(shí)現(xiàn)一條測(cè)試序列完成3種工況測(cè)試，具體測(cè)試序列如圖4所示。

相較于圖2，圖4測(cè)試序列新增點(diǎn)如下：

a. Start部分：新增第2行CANape調(diào)用.clib，作用為調(diào)用CANape工具，新增第3行開始記錄CANape數(shù)據(jù)操作，用于調(diào)用TCU內(nèi)部狀態(tài)量。

b. Group部分：新增故障診斷開關(guān)、前副箱超控開關(guān)和前副箱超控?cái)?shù)值等本地變量；新增第2行故障診斷開關(guān)，用于打開或關(guān)閉故障診斷功能；修改第7行和第8行，設(shè)置前副箱超控開關(guān)、前副箱超控?cái)?shù)值為本地變量，用于適配CTC；修改第8行，等待時(shí)間由15 s調(diào)整為60 s，以更好地對(duì)比不同工況下的車速變化；修改第12行，根據(jù)工況不同，車輛停止時(shí)擋位判斷不同。

c. END部分：新增第2行和第3行，記錄CANape變量數(shù)據(jù)并添加到報(bào)告中；新增第7行工況判斷，只有在故障診斷開關(guān)激活時(shí)，才對(duì)故障診斷時(shí)間進(jìn)行判斷。

其中，本地變量適用于CTC功能，通過(guò)不同CTC可對(duì)本地變量進(jìn)行賦值，從而實(shí)現(xiàn)不同工況測(cè)試，如表4所示，CTC、CTC1和CTC2分別對(duì)應(yīng)正常換擋、無(wú)故障應(yīng)對(duì)條件下?lián)Q擋和故障應(yīng)對(duì)條件下前副箱低擋換擋工況。

執(zhí)行圖4中測(cè)試序列，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，正常換擋、無(wú)故障應(yīng)對(duì)條件下?lián)Q擋和故障應(yīng)對(duì)條件下?lián)Q擋工況測(cè)試均通過(guò)。

不同工況下車速、當(dāng)前擋位和目標(biāo)擋位對(duì)比結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：正常換擋工況下，由于換擋離合器脫開等原因，車輛在由11擋升12擋時(shí)，車速先下降一段后持續(xù)正常提高；無(wú)故障應(yīng)對(duì)條件下?lián)Q擋工況中，在由11擋升12擋時(shí)，卡滯原因?qū)е聼o(wú)法正常換擋，車速持續(xù)降低，無(wú)法回到原有加速狀態(tài)，將導(dǎo)致車輛最終停止；在故障應(yīng)對(duì)條件下，車輛在經(jīng)過(guò)6 s的故障診斷時(shí)間后，車速雖然降低，但可以恢復(fù)到原有加速狀態(tài)，之后車速變化趨勢(shì)與正常換擋工況類似。

對(duì)比3種工況，結(jié)果表明，前副箱低擋換擋卡滯故障應(yīng)對(duì)準(zhǔn)確，同時(shí)可滿足恢復(fù)車輛狀態(tài)的需求，證明了該應(yīng)對(duì)的有效性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于已搭建的HiL測(cè)試系統(tǒng)，結(jié)合自動(dòng)化測(cè)試軟件設(shè)計(jì)了AMT前副箱低擋換擋卡滯故障自動(dòng)化測(cè)試序列并進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，該測(cè)試序列可以滿足11擋時(shí)前副箱低擋換擋卡滯故障診斷及應(yīng)對(duì)測(cè)試。同時(shí)，基于該測(cè)試序列完成了高速行駛工況下正常換擋、無(wú)故障應(yīng)對(duì)條件下?lián)Q擋和故障應(yīng)對(duì)條件下前副箱低擋換擋工況的自動(dòng)化測(cè)試，結(jié)果表明，高速行駛工況下，發(fā)生前副箱低擋換擋卡滯故障后，車輛仍可恢復(fù)原有加速狀態(tài)，證明了故障診斷應(yīng)對(duì)的有效性。

基于以上方法可以進(jìn)行不同故障診斷的自動(dòng)化測(cè)試及有效性分析，如閥體長(zhǎng)時(shí)間激活、報(bào)文故障和傳感器異常等，從而更加全面地驗(yàn)證AMT故障診斷的有效性。同時(shí)，可以結(jié)合實(shí)際道路工況，在不同工況下注入不同故障，從而模擬車輛在實(shí)際道路行駛過(guò)程中，AMT故障條件下的故障診斷及應(yīng)對(duì)過(guò)程。

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（責(zé)任編輯 白 夜）

修改稿收到日期為2024年7月5日。