配备柔性转接盒的示波仪在试制车间的应用

耿一飞　管锦岳

摘 要：随着汽车电子技术的发展和电控技术的日新月异，对电控故障的诊断提出了越来越高的要求。考虑到试制车间问题频发，项目切换频繁的特点，开发柔性示波仪转接盒，方便连接示波仪读取动态波形数据，协助工程师实现问题分析和精准排故，同时满足项目柔性切换、动态导通检测、模块单独刷新等多项功能，提升电控故障诊断的效率，减少返工浪费。

关键词：样车试制;波形检测;柔性转接盒;电控故障

中图分类号：U467  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）03-103-04

引言

试制是指在工厂整车Launch前所有的物理造车活动的总称，试制项目存在短、平、快的特点。因处于项目开发和实物验证阶段，在零件设计、零件质量方面会存在诸多问题，影响车辆交付和后续实验開展。其中影响最为严重的是发动机电控系统的相关故障。

随着汽车电子技术的日新月异，汽车电控模块、执行器、传感器的数量激增，对电控系统的故障检测提出了更高的要求。如何提高电控系统的故障检测效率，开发出更适用于试制车间的电器检测工具，成为了一项重要课题。

1 示波仪在电控故障诊断方面的应用

1.1 电控系统简介

在发动机电控系统中，汽车电控系统主要由传感器（信号输入装置）、ECU（电子控制单元）和执行器（信号输出装置）组成[1]，各个传感器、执行器正常工作状态下与电控系统的其他元件或者电控单元发生数据信号交换，如图1所示。

以开环控制为例，由传感器负责采集发动机的状态参数，如空气流量、温度、转速等，并将其以电信号传输给电子控制单元，控制单元通过与标准数据比较、分析、计算得出结果形成控制指令信号，并发送给执行器执行相关动作，完成发动机控制过程。在电控系统发生故障时，一般有执行器故障、传感器故障、控制单元故障及线路故障[2]。

1.2 常见电控解决措施

汽车的自诊断功能：装有微处理器控制单元的汽车，都具有故障自诊断系统，可以用它来对汽车内传动系统、控制系统各部分工作状态进行自动检查和监测。在发动机运行过程中如果ECU检测到某些部件的数据异常，则会自动存储一个故障码，以便维修人员维修时用仪器进行读取，方便确定故障发生的性质和大致范围。因此在对汽车电控系统故障进行诊断时，应当始终遵循故障码优先的原则，首先使用故障诊断仪读取故障码[2]。

由ECU收集起来并可通过故障诊断仪器读取的信号，称为“数据流”。但是数据流的读取会存在如下不足：

（1）信号值超出标准范围，且故障时问和频率达到一定程度，自诊断系统才会记录下故障码;

（2）解码器数据流扫描频率限制，在过短的时间中发生的信号突变故障难以捕捉到;

（3）此类数据是传感器或者执行器传给模块之后，故障诊断仪器从ECU得到的二手数据，无法精确判断是模块问题、传感器问题或线路问题。

因此，示波仪在电控信号的故障排故中有了一席之地。

1.3 示波仪在电控故障中的应用

示波仪配合故障诊断仪使用，在判断好问题的大致范围后，将示波仪与相关传感器、执行器连接，将其工作电压信号以波形图的形式呈现出来，与标准波形数据进行对比，识别问题。它具有如下优势：

（1）示波仪直接对传感器/执行器进行诊断，获取一手资料;

（2）波形上展示出数据变化的的每一个微小瞬间，并使用较慢的速度来显示这些波形，以便让维修人员一面观察，一面分析[3]，结合排故经验实现疑难杂症的诊断;

（3）在复杂问题中，可同步检测多个传感器的同步变化，提升问题发现效率。

使用示波仪的故障诊断方法如下：

2 示波仪柔性转接盒

2.1 示波仪接线问题

示波仪在故障测量中能起到良好效果，但是仍受制于诸多限制条件：

（1）动态测试：如果直接将发动机的传感器和执行器与示波仪连接线对接，会导致线路断路，无法实现车辆动态测试;

（2）空间受限：发动机的传感器数量多且分布广泛，部分传感器的测量过程会遇到空间受限，难以连接的问题，需要拆装零件配合测试;

（3）对接稳定性：因接插件结构，接线的稳定性也难以保证。

考虑到发动机传感器和执行器与大部分ECM针脚联通，故针对ECM制作转接盒能够较好地解决以上问题。

2.2 柔性转接盒设计理念

为解决动态测试问题，我们将ECM的转接盒直接串联在发动机回路中，在无断路的情况下实现线束动态测试，测试结构如下图：

通过连接线将各个针脚引出后，解決了各传感器空间受限，接插不便的问题。同时，为保证接插稳定性，我们为所有的pin脚制作了转接口，方便与示波仪的连接。

此外，针对试制多项目切换、变化点频繁的特点，我们在柔性和变更方面考虑如下：

（1）转接盒面板上所有的转接口增设开关，方便pin脚的通断;

（2）试制阶段原理图存在问题或更新，在转接盒上通过转接线实现原理图的变化;

（3）所有接插件/底座采用满pin配置，可以满足同一类接插件不同配置的需求;

（4）项目变更时，ECM端底座和线束端接插件随之变更，两者通过快速接口与转接盒连接，不同项目需要形成接口对照表，如后续项目在接插件结构上存在较大变化，只需额外制作对应的快速接口即可;

（5）一些特殊定义的pin脚，如双绞线、接地线专用的粗线束，在接线盒中做出足够预留，兼顾各个项目间的差异;

此类设计提升了设备使用柔性，同时兼顾项目变化频繁的特点，在试制车间有着更广泛的适用性。

2.3 功能扩展

在发动机电控问题检测外，柔性转接盒还可以在以下方面发挥作用：

（1）动态导通检测：通过转接盒实现线束动态pin to pin导通检测;

（2）模块单独刷新：通过转接盒实现模块线下单独刷新;

（3）故障数据积累：积累故障波形数据，提升排故效率。

综合来看，转接盒的应用在一定程度上提升了整车电器刷新的效率，同步减少了总装的返工浪费，缓解试制瓶颈。

3 应用案例

3.1 故障描述

雪佛兰科沃兹，配置1.5L发动机，问题车辆发动机怠速不稳，加速无力。

通过故障诊断诊断仪读取的故障码为P0134：上游氧传感器无信号。产生的原因可能是：（1）传感器信号线路开路;（2）电阻过大;（3）传感器失效或损坏。

汽车的氧传感器有两个，一个位于三元催化之前，用来检测未被催化剂催化前的氧浓度，另一个位于三元催化器之后，用来检测被催化剂催化后的氧浓度，通过两次检测向ECU的反馈，由ECU控制喷油器喷油量的增减，使空燃比更加适合当前工况。

但是，针对此故障码产生的原因，不止局限于氧传感器本身，线路的故障、进气流量传感器的故障、以及喷油嘴的喷油量偏差都可能产生此故障现象。下面，我们分两种诊断方法对此故障进行分析。

3.2 万用表故障诊断方法

在万用表的故障诊断方法中，分析此故障码的问题需要以下几步：

（1）针对喷油系统的故障原理图的初步解读。

（2）断开前氧传感器接插件，使用万用表检测氧传感器静态电阻，初步判断氧传感器本身是否OK;经检测，电阻值正常。

（3）在热车状态下，使用万用表检测氧传感器线路电压变化，正常情况下电压应保持每分钟8次以上的明显波动;经检测，电压信号正常，波动次数也正常，排除氧传感器问题和线路连接问题。

（4）氧传感器问题基本排除后，结合相关排故经验，我们关注油气方面的故障诊断。进气诊断相比喷油更为方便，因此我们先从进气相关诊断入手。

（5）使用万用表对进气流量传感器电压进行检测，随节气门开度的变化，标准的电压信号应该在0-4.5V震荡，但实测振幅只有1V左右，进而判断是流量传感器输出信号问题，导致ECM对喷油量给出了错误的判断，导致混合器浓度的偏差。

（6）更换空气流量传感器，故障码消失，故障问题解决。

3.3 示波仪故障诊断

在示波仪的故障诊断方法中，具体分为如下步骤：

（1）根據原理图搭建示波仪转接盒，并和整车对接。

（2）根据转接盒接口对照表，将氧传感器接插件通过转接盒和示波仪连接，读取波形，和标准波形比较OK，排除氧传感器问题。

（3）按上文方案使用万用表对进气流量传感器电压进行检测，进而判断是流量传感器输出信号问题，导致ECM对喷油量给出了错误的判断，导致混合器浓度的偏差。

（4）更换空气流量传感器，故障码消失，故障问题解决。

3.4 方案对比

综合以上两种方式，对于单个问题，如果在信号测量的操作方面无太多困难，万用表的故障检测方式是相对简单，且无需太多前期准备工作的。针对复杂问题，示波仪方案可以考虑同步检测喷油、进气、氧传感器三者信号，根据相互关系和波形变化诊断问题。搭建的示波仪转接盒也可用于类似车型的其他故障码检测操作。

在问题频发的试制车间，搭建完毕后的诊断系统在接插件连接检测、故障波形诊断、故障问题判断、复杂问题分析方面都有明显的效率提升，是更适合试制车间的故障检测方式。

4 结束语

综上，针对试制车间的生产特点，示波仪配合柔性转接

盒，在项目柔性切换、动态导通检测、精准故障诊断方面相比于万用表检测效率更高。对于一些问题频发、试制周期相对更长的大型项目而言，该套诊断系统对于试制车间控制返工浪费，提升交付准时率和交付质量方面有更为明显的贡献。

参考文献

[1] 魏秋兰.波形分析在汽车电子控制系统故障诊断中的应用[J].汽车实用技术，2015，1：136-139.

[2] 杨宗平.基于波形和数据流的汽车发动机电控系统故障诊断实验研究[D].重庆：重庆交通大学，2017.

[3] 李广洲，吉平.示波法在汽车故障诊断中的应用[J].内蒙古公路与运输，2009，3：46-49.

[4] 庞成立.示波器点火波形在汽车故障诊断中的开发与应用[J].制造业自动化，2012，34（8）：150-153.

[5] 魏秋兰，姚鑫，代新雷.基于波形分析的大众汽车网络系统故障诊断[J].机电工程，2015，32（2）：270-273.