韓 玲， 張立斌， 安 穎， ANWAR Sohel

（1.吉林大學交通學院，吉林長春130022；2.湖南大學汽車學院，湖南長沙410000；3.美國普渡大學機械工程學院，印第安納州46202）

無級變速器電液控制系統(tǒng)試驗分析及故障檢測

韓 玲1， 張立斌1， 安 穎2， ANWAR Sohel3

（1.吉林大學交通學院，吉林長春130022；2.湖南大學汽車學院，湖南長沙410000；3.美國普渡大學機械工程學院，印第安納州46202）

為驗證無級變速器電液控制模塊性能是否達到國家統(tǒng)一標準，以液壓控制原理與MATLAB仿真技術相結(jié)合對電液控制模塊的壓力水平、調(diào)壓曲線、重復精度以及階躍響應的快速性進行分析，并構(gòu)建臺架及整車試驗后開發(fā)了一套液壓控制模塊專用試驗系統(tǒng)。同時采用油液光譜分析與免疫算法相結(jié)合的方式，通過計算零件油液中金屬元素濃度含量指標，對無級變速器零部件早期故障進行定位.試驗結(jié)果表明電液模塊速比、壓力跟蹤的準確性和快速性及熱平衡流量均能滿足國標要求，故障零件定位精度可達95.3%.

無級變速器；電液控制系統(tǒng)；汽車工程；油液光譜分析；免疫算法

無級變速器測試尤其是綜合耐久測試時，頻繁拆解CVT（continuously variable transmission）總成不僅工作量大，影響試驗效率，而且在拆解后很多零部件無法重復使用必須進行更換，因此，耐久性測試失去意義［1-6］.在CVT各零部件尚未發(fā)生重大失效的情況下，發(fā)現(xiàn)CVT零部件早期失效，對監(jiān)控樣機的測試過程具有重大意義.

本文嘗試使用油液分析技術與免疫原理相結(jié)合的方法，診斷CVT的早期零件失效.在CVT測試過程中，定期對油液進行采樣，并進行油液光譜分析，可以得到CVT專用油CVTF（continuously variable transmission fluid）中種各金屬元素的濃度和比例值［7-10］.CVT工作過程中發(fā)生的很多故障，都會在CVT油液光譜分析的結(jié)果中有所體現(xiàn).根據(jù)CVT內(nèi)部零部件的材料成分，本文選擇Fe、Cr、Mn元素的濃度指標作為判斷依據(jù)［11-15］.本文在完成電液控制系統(tǒng)設計后，開展了大量試驗驗證工作，包括液壓系統(tǒng)測試和整車級別的測試.針對液壓系統(tǒng)的測試內(nèi)容包括靜態(tài)壓力測試，穩(wěn)態(tài)調(diào)壓測試以及階躍響應測試等，整車級別的測試主要針對緊急制動、急加速以及綜合使用工況，目的是為了測試電液控制系統(tǒng)能否滿足車輛動力總成的使用需求，從最終的試驗曲線來看，試驗結(jié)果均能滿足設計和使用要求.

1 測試系統(tǒng)的開發(fā)

為方便測試，電液控制模塊測試系統(tǒng)需要完成信號的自動采集與處理，以及按照測試要求實現(xiàn)液壓控制模塊的自動控制.為實現(xiàn)以上目標，本文設計的液壓控制模塊測試系統(tǒng)主要包括軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)和機械系統(tǒng)3部分.圖1所示為CVT電液控制模塊測試系統(tǒng)示意圖，其中流量計1用于測量潤滑與冷卻流量，節(jié)流閥用于模擬潤滑孔阻尼與散熱器的阻尼，流量計2用于測量從流量控制閥返回的流量，其余控制口只檢測輸出壓力.

圖1 CVT電液控制模塊測試系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.1 Configuration schematic of electro-hydraulic control module test system

軟件系統(tǒng)主要包括上位機軟件，提供數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、試驗設置、操作命令發(fā)送等功能.電控硬件系統(tǒng)主要包括電磁閥驅(qū)動模塊與數(shù)據(jù)采集模塊，包含相應的主處理芯片、驅(qū)動電路／變換電路、通訊模塊等，根據(jù)上位機的指令輸出對電磁閥的控制量并完成對數(shù)據(jù)的采集.

測試系統(tǒng)包括油泵、油泵驅(qū)動電機及變頻控制器、溫控裝置、安全卸荷裝置以及必要的流量和壓力傳感器等.通過控制油泵驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)油泵的輸出流量.機械系統(tǒng)主要為被測電液控制模塊提供滿足測試條件要求的工作油液，以及為被測電液控制模塊與附屬硬件提供支撐環(huán)境.

為減少油品差異帶來的影響，使之更接近CVT電液控制系統(tǒng)實際的工作環(huán)境，測試系統(tǒng)使用了專用的CVTF作為工作液.CVTF不僅要有良好的潤滑性能以減少摩擦磨損，而且要有適當?shù)匿搶︿摰哪Σ料禂?shù)，保證金屬帶和帶輪之間有足夠的摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩.CVTF的性能參數(shù)需要在牽引性能和潤滑性能之間尋找恰當?shù)钠胶猓笴VT變速器工作特性達到最大優(yōu)化.表1給出了CVTF的主要參數(shù).

表1 CVTF主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of CVTF

為使測試條件更接近CVT正常運行的實際情況，本文設定測試條件為：整個電液控制模塊的總供油流量為22～26 L／min，油溫保持在75～85℃.

通過進行靜態(tài)壓力測試，考察電液控制模塊的各項壓力性能指標是否達到設計目標.從測試的結(jié)果得出，其中，用于流量控制的單向閥造成油泵1壓力與系統(tǒng)壓力之間的壓降，而系統(tǒng)壓力與從動缸壓力之間的壓降則由夾緊力控制閥與沿程損失造成.這3個壓力均穩(wěn)定在5.60～5.75 MPa范圍內(nèi)，兩處壓降均處于較低水平，達到系統(tǒng)設計要求.

表2列出了CVT液壓控制模塊的靜態(tài)壓力實際測試值與設計目標值，從表2可以看出，測試值滿足設計目標要求.

穩(wěn)態(tài)調(diào)壓試驗是通過連續(xù)控制電磁閥的電流變化來采集壓力輸出口的壓力.穩(wěn)態(tài)調(diào)壓特性包括的主要評價參數(shù)有：

（1）死區(qū).使控制口壓力自初始值開始發(fā)生變化的最小控制電流值稱為死區(qū).

（2）滯環(huán).在穩(wěn)態(tài)特性曲線上，對應壓力相同時，正反向行程的控制電流的最大差值與額定電流之比稱為滯環(huán)，以百分率計.

（3）最大與最小工作壓力.全控制電流范圍內(nèi)閥穩(wěn)定調(diào)節(jié)壓力的最大值與最小值.

（4）比例區(qū)間.閥調(diào)節(jié)壓力與控制電流呈現(xiàn)比例關系的范圍.

表2 電液控制模塊的穩(wěn)態(tài)壓力與設計目標Tab.2 Steady-state pressures of the electro-hydraulic control module and the design target valuesMPa

階躍響應特性包括的主要評價參數(shù)有：

（1）控制口壓力上升時間.指控制電流階躍變化后，控制口壓力第1次達到最終穩(wěn)定壓力時間.

（2）過渡時間.控制電流階躍變化后，控制口壓力過渡到最終穩(wěn)定壓力的時間.

通過上述穩(wěn)定調(diào)壓關系，可以得到穩(wěn)態(tài)調(diào)壓時各電磁閥的驅(qū)動信號隨時間的變化關系，以及系統(tǒng)壓力的調(diào)壓特性與階躍響應特性在可控范圍內(nèi)的最大工作壓力、最小工作壓力、過渡時間等參數(shù).隨著系統(tǒng)壓力控制閥口開度的增大，卸荷流量增加，潤滑壓力也升高，油泵1通過流量控制閥卸荷.在整個調(diào)壓過程中，電磁閥供油壓力的穩(wěn)定性也反映出流量波動導致的電磁閥供油壓力波動，其結(jié)果將直接影響到各電磁閥輸出壓力的精確性.然而，從試驗得到的結(jié)果可以看到，在整個調(diào)壓過程中，電磁閥供油壓力保持穩(wěn)定，波動幅值小于0.02 MPa，滿足設計要求.

2 CVT電液控制模塊的整車試驗

作為CVT的關鍵分系統(tǒng)，僅完成臺架上的電液控制模塊測試是不夠的，必須與CVT其他分系統(tǒng)組成完整的CVT系統(tǒng)進行整車相關測試，考察其在整個動力總成系統(tǒng)中是否滿足要求，以及是否達到設計目標.為此，本文開發(fā)了整車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對整車試驗過程中的試驗數(shù)據(jù)進行記錄與分析.其主要構(gòu)成類似于電液控制模塊測試系統(tǒng)，如圖2所示.圖2中，控制器ECU、TCU、ABS和BCM分別負責根據(jù)駕駛員的操作意圖實現(xiàn)對CVT總成的控制，并將相關目標數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)發(fā)送至CAN總線，DAQ負責采集CVT總成測試傳感器的數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送至CAN總線，用上位機軟件實現(xiàn)CAN總線相關數(shù)據(jù)的讀取、儲存、顯示、分類與分析等功能.

圖2 整車試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖Fig.2 Data acquisition system for the integral vehicle test

為進一步驗證開發(fā)的電液控制系統(tǒng)的實車控制效果，進行了典型工況下的轉(zhuǎn)鼓和道路實車試驗，以及部分整車平臺下的CVT耐久試驗.試驗平臺為CVT整車，整車的典型試驗工況包括：離合器響應；緊急制動工況下的CVT速比以及夾緊力響應；急加速工況下CVT的速比和夾緊力響應；極限工況下的CVT熱平衡情況.

在車輛大油門加速工況下，CVT變速機構(gòu)以較大的速比變化率從大速比位置快速向小速比位置轉(zhuǎn)移，同時發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高，扭矩以較大的變化梯度增加，需增加從動缸壓力提升夾緊力來保證CVT金屬帶不會產(chǎn)生打滑.

在車輛緊急制動工況下，CVT的變速機構(gòu)以最大的速比變化率從小速比位置快速向大速比位置移動，CVT系統(tǒng)對電液控制的流量及從動缸壓力的需求增大，但因緊急制動時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速降低，油泵輸出流量減少，所以在該工況下，對從動缸壓力響應、油泵設計均提出了較高的要求.因此，在以上兩種工況下，CVT電液控制系統(tǒng)處于最苛刻的工作環(huán)境.

在極限工況下的熱平衡驗證了CVT電液控制系統(tǒng)中潤滑冷卻流量設計的合理性.熱平衡試驗可以在整車行駛條件相對穩(wěn)定的轉(zhuǎn)鼓試驗臺上進行，與整車高溫地域的標定試驗相比，更利于在同等條件下得到不同設計參數(shù)對CVT熱平衡的影響.

圖3～6為緊急制動工況下夾緊力安全系數(shù)的倒數(shù)、CVT的速比響應、從動缸壓力響應以及整車相關測試數(shù)據(jù).從圖3～6分析可知，從動缸壓力響應及時，在確保夾緊力安全系數(shù)大于1的條件下，速比能夠快速響應跟隨目標速比達到最大速比.

圖3 緊急制動工況下夾緊力安全系數(shù)的倒數(shù)Fig.3 Reciprocal of the safety coefficient of clamping force

圖4 緊急制動工況下的速比響應Fig.4 Ratio of response in emergency braking conditions

圖5 緊急制動工況下的從動缸壓力響應Fig.5 Pressure response of the slave cylinder in emergency braking conditions

圖6 緊急制動工況下的轉(zhuǎn)速Fig.6 Rotational speed in emergency braking conditions

圖7～10為急加速工況下車輛相關參數(shù)、從動缸壓力響應、速比響應以及夾緊力系數(shù)的倒數(shù).

分析圖7～10可知，在急加速工況下，開發(fā)的CVT電液控制系統(tǒng)的從動缸壓力響應、速比響應以及夾緊力均能滿足急加速工況的要求.

除了整車典型工況的測試，本文還進行了CVT的部分綜合耐久性能測試，結(jié)果見圖11～12.

在綜合測試工況中，CVT電液控制系統(tǒng)的從動缸壓力響應與速比響應，以及部分夾緊力安全系數(shù)的倒數(shù)和整車部分運行數(shù)據(jù)（速比跟蹤響應、壓力跟蹤響應），均達到整車運行工況的設計目標.

圖7 急加速工況下的轉(zhuǎn)速Fig.7 Rotational speed in urgent acceleration condition

圖8 加速工況下的壓力跟蹤Fig.8 Pressure tracking in acceleration condition

圖9 加速工況下的速比跟蹤Fig.9 Speed ratio tracking in acceleration condition

圖10 加速工況下安全系數(shù)的倒數(shù)Fig.10 Reciprocal of the safety coefficient in acceleration condition

圖11 壓力跟蹤（綜合工況）Fig.11 Pressure tracking in mixed condition

圖12 速比跟蹤（綜合工況）Fig.12 Speed ratio tracking in mixed condition

3 CVT早期故障診斷

在CVT樣車3萬km疲勞壽命試驗過程中，定期對潤滑油進行抽樣檢測.抽取油底殼中層的潤滑油，使用光譜儀進行油液光譜分析，以監(jiān)測CVT的運轉(zhuǎn)狀態(tài).本文對正常工作狀態(tài)下幾臺樣車的CVT油樣光譜分析，得到了一組表征CVT正常工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)，見表3.

表3 CVT正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)油液光譜分析數(shù)據(jù)Tab.3 Oil spectral analysis data in normal operation condition of CVT g／cm3

分別對出現(xiàn)金屬帶異常磨損故障的CVTF和出現(xiàn)油泵葉片和定子磨損故障的CVTF進行油液光譜分析，各金屬元素的濃度指標見表4.磨損后的零部件如圖13所示.

利用免疫原理中的陰性選擇法，隨機選取500個樣本，生成一組狀態(tài)向量空間ψ1（即初始檢測器），引入正常狀態(tài)下CVT的油液光譜分析數(shù)據(jù)，并逐一計算狀態(tài)向量與正常狀態(tài)向量的匹配程度，剔除掉與正常狀態(tài)向量匹配的個體（用隨機生成的向量進行補充），并對具有一定匹配程度的個體進行變異，直至狀態(tài)空間中的所有向量都與正常狀態(tài)向量不匹配，稱之為進化成熟后的向量狀態(tài)空間ψ2.

表4 CVT金屬帶和油泵異常磨損的故障狀態(tài)油液光譜分析數(shù)據(jù)Tab.4 Oil spectral analysis data in failure state caused by abnormal wear between CVT metal belt and oil pump g／cm3

圖13 磨損后的零部件Fig.13 Worn metal parts

利用進化成熟后的狀態(tài)向量組，將故障數(shù)據(jù)引入ψ2對其進行刺激，刺激過程中同樣進行匹配度計算，如果ψ2的某狀態(tài)向量與故障狀態(tài)向量匹配度較高則保留ψ2的該狀態(tài)向量，匹配度過低則去除該狀態(tài)向量，否則對其進行變異.經(jīng)過刺激后，形成具有兩個聚類中心的狀態(tài)空間ψ3，分別對應兩種故障類型.ψ3的聚類中心，表明該狀態(tài)空間包含一種或多種特別抗體（油液中金屬濃度）.記錄聚類中心及其對應故障.利用狀態(tài)空間ψ2對表5故障數(shù)據(jù)進行分析，分析結(jié)果表明，該診斷方法精確度可達95.3%.表5中第1、4、5組數(shù)據(jù)對應的CVT樣機經(jīng)過拆解后，發(fā)現(xiàn)油泵已經(jīng)出現(xiàn)磨損拉傷現(xiàn)象；第2、3組數(shù)據(jù)對應的CVT拆解后，發(fā)現(xiàn)金屬帶與錐面磨出現(xiàn)磨損（圖13）.拆解結(jié)果表明，診斷結(jié)果均與檢測結(jié)果一致，這表明該免疫檢測方法具有較好的故障識別能力.

表5 CVT故障診斷應用實例Tab.5 Application examples of CVT fault diagnosisg／cm3

4 結(jié)束語

對電液控制系統(tǒng)進行了整車試驗，試驗工況包括緊急制動、急加速以及綜合測試工況，測試結(jié)果表明，壓力和速比的跟蹤狀態(tài)良好，系統(tǒng)響應迅速，說明液壓系統(tǒng)設計滿足車輛極限工況的使用要求.在轉(zhuǎn)鼓測試臺上，對CVT熱平衡能力進行了試驗，結(jié)果表明，系統(tǒng)的潤滑冷卻流量設計合理，能夠滿足車輛各行駛工況對CVT的熱平衡要求.針對CVT測試過程中的早期故障，設計基于油液光譜分析與免疫原理相結(jié)合的故障診斷法，能夠有效辨別CVT內(nèi)部零件的典型磨損故障，對CVT運行和試驗中發(fā)現(xiàn)早期零件的異常磨損具有實用價值.

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（中文編輯：秦萍玲 英文編輯：蘭俊思）

Electric-Hydraulic System for Continuously Variable Transmission：Test Analysis and Fault Detection

HAN Ling1， ZHANG Libin1， AN Ying2， ANWAR Sohel3
（1.College of Vehicle Operation Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China；2.College of Automotive Engineering，Hunan University，Changsha 410000，China；3.College of Mechanical Engineering，Purdue University，Indiana 46202，USA）

To determine if the performance of the electro hydraulic control module for continuously variable transmission could match the national standards of China，the stress level，pressure regulating curve，repeat accuracy，and speed of step response of the electro-hydraulic control module were analyzed by the hydraulic pressure control principle and Matlab simulation method.An exclusive test system for the hydraulic control module was developed after establishment of a test bench and integral vehicle tests.In the meantime，early faults of the CVT parts were positioned by calculation of the metallic element concentration in the hydraulic oil，using the oil spectrum analysis and immune algorithm.Test results show that the speed ratio of the electro-hydraulic module，the accuracy and speed of pressure tracking，and the thermal equilibrium flow all meet the national standards and the positioning accuracy of the fault parts is above 95.3%.

continuously variable transmission；electric-hydraulic control system；automotive engineering；oil spectrum analysis；immune algorithm

U472.9

：A

0258-2724（2014）06-1078-06

10.3969／j.issn.0258-2724.2014.06.021

2013-12-24

韓玲（1984－），女，博士研究生，研究方向為載運工具運用工程，E-mail：66914576＠qq.com

張立斌（1971），男，教授，博士生導師，E-mail：zlb＠jlu.edu.cn.com

韓玲，張立斌，安穎，等.無級變速器電液控制系統(tǒng)試驗分析及故障檢測［J］.西南交通大學學報，2014，49（6）：1078-1083.