机械自动变速器机械故障诊断决策研究

刘成武，刘珂路

（湖北汽车工业学院 汽车工程系，湖北 十堰 442002）

机械自动变速器机械故障诊断决策研究

刘成武，刘珂路

（湖北汽车工业学院 汽车工程系，湖北 十堰 442002）

针对电控自动机械变速器在可靠性试验中出现的故障，分析原因，对故障诊断决策方法展开研究，提出完善自诊断系统的可行方案，采取相应改进措施，实际验证系统可靠性得到提高。

电控机械自动变速器；故障诊断；故障检测

自动变速器能够减轻驾驶员劳动强度，提高行车安全，消除了驾驶员换挡技术的差异，使车速变换不仅迅速而且连续平稳，同时也改善了乘坐舒适性，因而得到广泛应用。当前占主流的液力自动变速器，因其结构复杂，成本高，阻碍了向中、低档汽车方面的应用。更重要的是，液力自动变速器的传动效率低，在城市工况中的耗油量比手动变速器高30%，促使研究人员的注意力转向其它自动变速器。

机械自动变速器（AMT）是在车辆原有机械变速器的基础上，加装电子控制装置，实现自动换挡功能。该变速器匹配过程简单，具有机械继承性强，传动效率高，操作简单等优点［1］。本文针对一种采用电控电动执行机构的AMT系统，在实车试验过程中出现的具体故障，分析故障原因，采取相应改进措施，提高系统的可靠性，并基于故障诊断决策分析提出完善自诊断系统的可行方法。

1 机械自动变速器系统介绍

文中所述AMT系统是在传统的机械变速箱和干式离合器的基础上，采用三电机方案，即离合器控制、选挡控制和换挡控制分别采用带减速装置的24V直流电机，使用位置传感器监控其实际位置。本系统在台架试验结束后，首先应用于混合动力客车。该客车动力系统采用并联式混合动力系统，动力电机采用中间轴方案，故在换挡过程中，可充分利用此优势进行电机调速，进一步减少换挡冲击并缩短换挡时间。系统原理如图1所示。

在驾驶操作过程中，AMT控制单元根据CAN总线上的发动机的工作状态参数、车辆行驶状态参数，同时监测控制手柄状态等，进行识别分析并与处理器内部已存储的变速器换挡数据进行比较，判断最佳换挡时机，发出换挡指令，驱动离合器控制电机控制离合器分离，同时通过总线请求动力电机进行调速，使待啮合档位齿轮转速同步，一旦得到同步信号，即控制电机完成换挡动作，随后控制离合器自动柔和结合，完成换档全部过程。

该系统具备自动选择经济换挡或动力换挡模式，具有超车降挡加速功能，并实现了手自一体换挡控制。系统同时保留了驾驶员的离合器控制踏板，以满足驾驶员在特殊情况下对离合器的操纵（图2）。通过实车道路试验，该系统换挡时间可控制在0.8 s以内，达到了优秀驾驶员的操作水平。

图1 混合动力客车AMT系统原理图

图2 混合动力客车离合器系统原理图

系统采用CAN总线通讯网络，具备一定的故障自诊断功能。对系统中的关键部位，如选、换挡电机、离合器控制电机、各位置传感器及控制器本身，加强了保护和监控。当检测到有电机短路、断路、位置信号异常及控制器过流、过热等，立即进入故障模式运行，并通过智能仪表报警、显示故障代码。此外，利用开发软件的测试模式可获取系统诊断数据。实际验证，以上功能为实车故障诊断提供极大方便。

2 常见故障分析及诊断决策方法

该AMT系统在配合混合动力客车进行各项性能试验及可靠性试验过程中，出现了2类故障：换挡困难（或不换挡）和脱挡。具体原因及诊断过程分析如下：

2.1 换挡困难（或不换挡）

表现为换入目标挡位时，换挡时间延长，换挡动作不流畅。严重时无法换入目标档位，并有相应故障代码。

分析故障原因有：1）离合器分离不彻底、混合动力电机调速异常等，造成待啮合齿轮转速不同步导致同步器无法挂挡；2）换挡执行电机或信号异常导致换档动作无法完成；3）同步器机械故障。

由于系统具有人工和自动2套离合器操作装置，检测时应分别判断。其故障检测流程图见图3。

图3 变速器不换挡检测流程图

其中，离合器分离情况可人工检查法判断，也可通过读取诊断数据判断。

人工检查方法如下：使发动机处于怠速运转状态，汽车驻车制动，由于混合动力电机与变速器中间轴连接，故可待离合器分离后，观察动力电机转速表是否为0来判断动力是否完全中断，不为0则说明不能彻底分离，此时同步器无法同步，将造成换挡困难或不能换挡。

实际应用中，常采用监测软件读取数据流方法（表1），结合具体出现的故障，可发现换挡时回空挡动作正常，而在空挡时间比正常停留时间延长，该时间为电机调速时间，查询离合器分离实际位移值偏小，可判断故障原因为离合器分离不彻底，因而混合动力电机无法正常调速到规定理想转速，造成同步信号的等待时间延长，且实际电机转速较理想电机转速有差距，导致换挡困难。

表1换挡困难数据流

时间/s 加速踏板/%发动机转速/（r·min-1）发动机油门/%理想电机转速/（r·min-1）电机转速/（r·min-1）瞬时车速/（km·h-1） 挡位62.6 96.0 1640.00 18 1580.00 2480.00 13.16 2 62.8 95.0 1550.00 18 1580.00 2360.00 13.16 0 63.0 95.0 1470.00 18 1450.00 2200.00 12.28 0 63.2 96.5 1360.00 18 1450.00 2080.00 12.28 0 63.4 98.0 1230.00 18 1450.00 1890.00 12.28 0 63.6 97.5 1140.00 18 1450.00 1840.00 12.28 0 63.8 100 1100.00 18 1450.00 1570.00 12.28 3

离合器出现轻微分离不彻底现象，同步转速差较小，靠同步器作用也能强行换挡，但换挡冲击加大。随着分离不彻底逐渐严重，同步转速差加大，将直接导致不能换挡。同时造成同步器严重磨损而早期损坏，故该故障应尽早发现。

此外系统出现连续换挡困难，也将造成控制元件长时间超负荷工作而过热，控制器进入保护状态导致不换挡。

上述现象可通过加强离合器实际位移监控的准确度，增设故障码加以改善。故障判断条件为：换挡过程中离合器分离后，实际位移无法达到规定值，且换挡时理想电机调速转速差大于设定值，则可判断为“离合器分离不彻底”，故障灯点亮并产生故障码；此时可进入保护模式，控制电动离合器连续动作2次使离合器实际位置分离后再换挡，以避免同步器的过度磨损。

造成离合器不能彻底分离的原因为：离合器液压管路中气体未排尽、离合器间隙过大、离合器助力器支架松动、分离叉滑动轴承松脱等［2］。可按常规车辆离合器液压操纵系统的故障方法进行排除。

若非上述原因，而怀疑是选、换挡信号偏差或电机性能变化导致的换挡困难，可利用下列检测界面判断。如图4所示，图中横坐标表示时间，纵坐标分别表示挡位信号、换挡电流及换挡PWM。

若出现各挡位换挡电流均偏大，PWM值接近极限值，可判断为换挡电机性能变化，若个别挡位换挡电流偏大，则可判断为该挡选挡位置信号偏差造成。其中当相应传感器信号超出正常范围、电机断路、短路时会生成故障代码。

图4 AMT换挡力检测界面

此外，选挡电机和换挡电机安装位置异常或固定螺栓松动、变速器本身的机械故障如同步器损坏，同步环磨损过甚等机械故障也会造成个别挡位无法换挡。重新安装或更换，故障可排除。

2.2 脱挡

该故障主要发生在起步常用挡位2挡。随着试验的里程增加，当利用2挡起步时，完成换挡动作，仪表显示为2挡，但离合器接合后无法起步，同时变速器有异响。

经检查此时确实完成了2挡换挡动作，系统本身无故障。对变速器拆解发现，该故障原因为变速器1、2挡换挡拨叉朝2挡一侧有明显磨损 （图5），造成1、2挡拨叉轴到位后产生到挡信号，但实际同步器结合套和2挡齿圈并未完全结合，不能传递动力而脱挡。此种故障在传统变速器中也有发生。

该故障主要解决方案有以下3种：

图5 换挡拨叉磨损面

1）确保离合器分离彻底，减小每次换挡时的同步器负荷以减小磨损；

2）正确控制换挡力矩，换挡力矩过大将导致同步器结合套与拨叉磨损加大；

3）换挡结束后应完全撤消作用在拨叉上的换挡力矩。

综上所述，后续试验过程中，采取上述改进措施，增设离合器位置监测和判断，及离合器2次动作的“保护”模式，对及时发现分离不彻底故障效果良好。通过测试得知，虽然2次离合器动作延长了换挡时间1.1s，但同发生换挡困难时相比，二者总体换挡时间基本相同（表2）。

上述措施能有效避免因出现换挡困难产生的拨叉异常磨损及同步器的早期损坏，防止了故障恶化造成的不换挡和控制器过热保护。配合改善换挡力控制，拨叉磨损情况大为改观（表3），也使得脱挡问题解决，AMT系统的故障率得以大幅下降。

表2 2种模式下的升挡时间对比 s

表3 滑块磨损量对比 mm

3 结论

本文介绍了一种电控自动机械变速器，并通过试验进行验证。结论如下：

1）采用此类型的机械自动变速器完全可以达到优秀驾驶员的换挡操纵效果，系统所具备的的故障诊断功能可方便检测、诊断故障，能够应用于产业化后的技术服务。

2）针对该系统在试验过程中出现的故障，进行了相应的诊断决策研究并采取改进措施，试验表明可有效减少故障率。

3）通过修改控制方法及数据，该AMT系统完全可移植在传统电控发动机车辆上使用，且成本较低，极具使用价值。

［1］刘成武.汽车电控机械自动变速器设计及控制策略研究［D］.武汉大学硕士学位论文，2005.

［2］陈焕江.汽车检测与诊断技术［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［3］刘成武，刘珂路.混合动力客车AMT换挡力控制的研究［J］.湖北汽车工业学院学报，2011，25（1）：22-24.

Mechanical Fault Diagnosis and Strategy Research on Automatic Mechanical Transmission

Liu Chengwu，Liu Kelu
（Dept.of Automotive Engineering,Hubei Automotive Industries Institute,Shiyan 442002,China）

In the reliability test of automatic mechanical transmission （AMT）,the cause of fault and methods of fault diagnosis were analyzed.The improvement scheme for the self-diagnosis system was proposed.The reliability of the actual system was improved.

AMT；fault diagnosis；fault detection

U463.x

A

1008-5483（2011）02-0012-04

2011-05-16

湖北省教育厅中青年人才项目（Q20092302）

刘成武（1975-），男，湖北武汉人，硕士，从事汽车检测技术与电控技术研究。