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        自動機械變速器轉速信號故障診斷及容錯技術研究

        2015-12-03 06:29:46李志偉韓宇石王景霞
        車輛與動力技術 2015年3期
        關鍵詞:擋位離合器變速器

        李志偉,韓宇石,王景霞,王 葉,衣 超

        (中國北方車輛研究所,北京 100072)

        為提高車輛的安全性和可靠性,應對AMT系統(tǒng)自身狀態(tài)進行故障監(jiān)測和診斷隔離,當故障發(fā)生時根據(jù)故障類型采用相應的容錯措施,實現(xiàn)功能降級控制,使故障車輛仍具有一定的行駛能力,避免對人員和設備造成傷害.其中,在離合器控制和換擋過程中,轉速信號是AMT控制系統(tǒng)的重要參數(shù)之一,轉速信號的正確性對AMT系統(tǒng)的安全性至關重要,因此開展AMT系統(tǒng)轉速信號的故障容錯技術研究.

        1 自動機械變速器工作原理

        自動機械變速器(Automated Mechanical Transmission,AMT)是在定軸式機械變速器的基礎上,通過加裝電控系統(tǒng)和執(zhí)行機構,實現(xiàn)自動換擋過程.AMT系統(tǒng)以電子控制單元(Transmission Control Unit,TCU)為核心,通過采集駕駛員的操縱(油門踏板、制動踏板)和車輛運行狀態(tài)(車速、發(fā)動機轉速、變速器輸入軸轉速),采用相應的控制規(guī)律,發(fā)出控制指令,借助于執(zhí)行機構,完成離合器分離、接合以及變速器選、換擋動作,實現(xiàn)換擋過程的自動化,AMT系統(tǒng)原理如圖1所示.

        圖1 AMT系統(tǒng)原理圖

        2 轉速信號故障診斷

        2.1 轉速信號故障對AMT系統(tǒng)的影響

        在AMT系統(tǒng)運行過程中,轉速傳感器信號是AMT換擋及離合器控制的重要參數(shù),其中包括發(fā)動機轉速、變速器輸入軸轉速和輸出軸轉速.變速器輸入軸轉速用于離合器過程控制,離合器接合過程理論上可以分為3個階段,即空行程階段、滑磨階段和同步接合階段.若輸入軸轉速出現(xiàn)故障,TCU無法判斷發(fā)動機和輸入軸轉速的同步狀態(tài),系統(tǒng)將一直處于滑磨階段,車輛無法實現(xiàn)正常起步,并導致離合器異常磨損或燒蝕.輸出軸轉速信號用于擋位決策和換擋過程中的發(fā)動機調速控制,若輸入軸轉速出現(xiàn)故障,AMT系統(tǒng)會出現(xiàn)亂擋或發(fā)動機調速失效等情況,嚴重影響AMT車輛的行駛安全性.

        2.2 轉速信號的故障診斷策略研究

        根據(jù)信號的物理特性,轉速信號值應處于一個合適范圍內,且是一個連續(xù)變化的過程,當不滿足允許條件時,TCU判定轉速信號出現(xiàn)故障,轉速傳感器信號不正常主要表現(xiàn)在以下3個方面:

        1)轉速信號值超出了正常范圍,如發(fā)動機和輸入軸轉速在0~2800 r/min之間,輸出軸轉速在0~3900 r/min之間;

        2)轉速信號值突變,即信號的變化率較大,正常情況下前后兩個采樣周期的轉速差不會超過100 r/min;

        3)轉速信號值一直維持在某一個值不變,因為正常的情況下轉速信號值都在最大值和最小值之間波動.

        基于轉速信號的時頻特性,搭建了轉速故障診斷的控制模型,如圖2所示.其中INP_SignalIn是轉速信號數(shù)值,MaxSpeed為轉速信號時域最大值,MinSpeed為時域最小值,MaxdltSpeed為轉速信號變化率上限,ConstantThr為可接受變化范圍,其余參數(shù)為轉速信號故障檢測和診斷結果的狀態(tài)參數(shù).

        圖2 轉速實時故障診斷模型

        2.3 轉速故障的解析冗余方法研究

        解析冗余是指系統(tǒng)中部件的輸入、輸出在功能上具有的冗余性.利用不同部件間的解析冗余關系對某部件進行故障診斷.當某部件發(fā)生故障時,將其全部或部分功能由具有解析冗余關系的其他部件來代替完成.基于解析冗余先驗知識的故障容錯是提高系統(tǒng)可靠性的有效方法.

        在AMT系統(tǒng)工作過程中,在離合器接合、變速器擋位為非空擋的情況下發(fā)動機轉速Ne、輸入軸轉速N1和輸出軸轉速N2之間存在著如下解析冗余關系:

        式中:i傳為發(fā)動機與變速器之間傳動比,ig為變速器某擋位的傳動比.

        用△Ni來表示上述3個等式的差值,即:

        假設兩個或兩個以上傳感器信號故障是極小概率事件,因此主要研究單個轉速信號故障的情況,從而形成相應的專家知識庫,如表1所示.

        表1 轉速信號故障診斷解析冗余邏輯表

        3 轉速信號故障容錯策略

        當轉速出現(xiàn)故障時,應用發(fā)動機轉速Ne、輸入軸轉速N1和輸出軸轉速N2之間的解析冗余關系,對故障轉速信號進行重構.若解析關系不成立時,則將故障轉速信號設定為故障發(fā)生之前的常量,從而實現(xiàn)降級處理,保證AMT控制系統(tǒng)的最低需求.其中發(fā)動機轉速通過整車CAN總線獲得,隸屬于其它部件,故不對其進行故障容錯.當輸入軸轉速信號出現(xiàn)故障時,將輸出軸轉速乘以當前擋位傳動比代替輸入軸轉速,若處于換擋過程則應用換擋前一時刻的輸入軸轉速值;當輸出軸轉速出現(xiàn)故障時,將輸入軸轉速除以當前擋位傳動比代替輸出軸轉速,若處于換擋過程則應用換擋前一時刻的輸出軸轉速值.轉速信號故障容錯策略模型如圖3所示.

        圖3 轉速故障容錯策略模型

        4 試驗驗證

        將所設計的AMT轉速信號故障診斷和容錯策略在某輪式車輛上進行了試驗驗證.輸入軸轉速故障診斷及容錯試驗數(shù)據(jù)曲線如圖4所示,圖(a)為目標擋位和實際擋位,圖(b)為輸出軸轉速信號,圖(c)為發(fā)動機轉速和輸入軸冗余轉速.試驗前,拔除輸入軸轉速傳感器的插頭,傳感器的信號值一直為零.啟動發(fā)動機,由于離合器處于接合狀態(tài),故此時的輸入軸轉速等于發(fā)動機轉速,運用轉速信號時域閾值和冗余解析關系,判斷出輸入軸轉速信號異常.駕駛員推動手柄換上起步擋車輛開始起步,TCU計算輸出軸轉速乘以起步擋傳動比的值,并將其替代輸入軸轉速信號.在換擋過程中,由于輸入軸和輸出軸的轉速冗余關系不成立,因此輸入軸替代值采用換擋前一時刻的轉速值,換擋結束后,恢復為輸出軸轉速冗余值.同理,也對輸出軸轉速傳感器故障進行了試驗驗證.試驗結果表明,AMT轉速故障診斷和容錯策略能實時監(jiān)測各轉速信號并對故障進行在線識別,并通過CAN總線向整車發(fā)送故障報警信息,從而保證發(fā)生轉速信號故障時車輛能夠正常行駛,極大地提高了AMT系統(tǒng)的可靠性和可維修性.

        圖4 輸入軸轉速故障診斷及容錯試驗數(shù)據(jù)曲線

        5 結論

        根據(jù)自動機械變速器的工作原理,研究和設計了AMT系統(tǒng)轉速信號故障診斷及容錯策略,在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下搭建了某輪式車輛AMT轉速故障診斷與容錯模型,并進行了試驗驗證,結果表明轉速信號故障容錯策略能有效地實現(xiàn)故障診斷和信號重構功能,大大提高了AMT系統(tǒng)的安全性和維修性.

        [1]蘇玉剛,曹長修,楊志剛.機械自動變速器的故障自診斷和容錯控制[J].重慶交通學院學報,2002,(2):103-107.

        [2]黃 華,席軍強,周圣硯,等.氣動AMT系統(tǒng)故障診斷研究[J].北京理工大學學報,2009,(7):587-591.

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