劉維生，馬金旭，徐 明，趙雙學(xué)

（一汽奔騰轎車有限公司奔騰開發(fā)院，吉林 長春 130012）

隨著汽車智能化的快速發(fā)展，電子換擋系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)成為趨勢。目前電子換擋系統(tǒng)不再只是高端品牌的特有產(chǎn)品，在國產(chǎn)中端車型上也被廣泛應(yīng)用。通過整車CAN總線信號通信的形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械換擋拉絲來實現(xiàn)擋位切換，大大提高了駕駛員操作的輕便性和舒適性，此外在智能駕駛輔助方面電子換擋系統(tǒng)也是必不可少的一部分。由于電信號指令傳輸?shù)膽?yīng)用，整個系統(tǒng)的換擋失效模式及原因相比傳統(tǒng)機(jī)械換擋更加復(fù)雜和多樣化，本文針對各類電子換擋系統(tǒng)構(gòu)成、原理及各類換擋失效故障進(jìn)行闡述和分析。

1 電子換擋系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

1.1 電子換擋系統(tǒng)構(gòu)成

電子換擋系統(tǒng)主要由電子換擋器總成、執(zhí)行器控制單元總成、換擋執(zhí)行器總成構(gòu)成 （圖1）。其中電子換擋器總成EGSM集成了電子換擋器、解鎖按鍵、擋位顯示模塊，主要功能為識別駕駛員操作動作，向整車總線發(fā)出駕駛員動作指令信號；執(zhí)行器控制單元ACM主要功能為接收到駕駛員操作指令信號后，綜合整車環(huán)境狀態(tài)對駕駛員操作的合理性進(jìn)行判斷，生成目標(biāo)擋位后控制執(zhí)行器電機(jī)切換擋位；換擋執(zhí)行器ARC由換擋電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、執(zhí)行器位置傳感器組成，主要功能為執(zhí)行換擋命令，通過機(jī)械傳動切換變速器換擋軸，實現(xiàn)擋位切換。

圖1 電子換擋系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 電子換擋系統(tǒng)基本原理

電子換擋系統(tǒng)的換擋行為是一個較為復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)化、傳遞、執(zhí)行、反饋的閉環(huán)動作，下面基于換擋信息流向?qū)﹄娮訐Q擋系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行闡述，系統(tǒng)架構(gòu)原理見圖2。

圖2 電子換擋系統(tǒng)架構(gòu)原理圖

首先，駕駛員有換擋需求時會按照系統(tǒng)設(shè)定的操作邏輯操作電子換擋器總成的換擋手柄，如按下解鎖按鍵、前推或后拉換擋手柄等動作，電子換擋控制器通過霍爾傳感器將駕駛員的前推后拉換擋手柄的動作指令轉(zhuǎn)化為手柄操作電信號并傳輸?shù)紺AN總線上，同時也會將解鎖按鍵的狀態(tài)信號傳輸至CAN總線用于下一級控制器的換擋邏輯判斷。

接下來換擋執(zhí)行器控制單元ACM從CAN總線上接收到換擋操作信號、解鎖信號以及整車其他環(huán)境信號 （制動信號、車速信號、加速踏板信號等），按照設(shè)定判斷邏輯綜合以上信號對駕駛員的換擋操作行為進(jìn)行合理性判斷，如果判斷通過則控制換擋執(zhí)行器ARC執(zhí)行機(jī)械的換擋動作，如果判斷失敗則不響應(yīng)駕駛員的換擋操作并通過儀表對駕駛員的不當(dāng)操作進(jìn)行提示。

換擋執(zhí)行器執(zhí)行完ACM的換擋指令后，內(nèi)部傳感器會對執(zhí)行后結(jié)果進(jìn)行采集并反饋給ACM，形成閉環(huán)校驗機(jī)制，同時變速器控制單元會將當(dāng)前擋位信號傳輸至CAN總線，電子換擋器總成讀取擋位信號，通過換擋手柄上擋位顯示模塊指示整車的當(dāng)前擋位狀態(tài)，給駕駛員一個擋位信息反饋，形成整個換擋操作的閉環(huán)。

2 換擋失效問題分類及原因

通過以上電子換擋系統(tǒng)工作原理的描述可知，整個換擋過程各控制器間存在較多的信號交互，在換擋信息流傳遞過程中，每一個環(huán)節(jié)的失效或故障都可能影響整個換擋系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。下面分別從換擋系統(tǒng)外部故障和內(nèi)部故障兩個方面進(jìn)行故障分析。

2.1 換擋系統(tǒng)外部故障

1） 供電電壓過壓/欠壓故障 電子換擋系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)工作的供電來源是車輛蓄電池，通常電子換擋系統(tǒng)內(nèi)各零部件的正常工作電壓范圍為9~16V，當(dāng)蓄電池電源輸入電壓超出9~16V的范圍一定時長時，電子換擋器和換擋執(zhí)行器控制單元內(nèi)部電氣元件會停止工作，導(dǎo)致?lián)Q擋失效，整車表現(xiàn)為換擋操作無法正常執(zhí)行，擋位指示模塊無法顯示擋位，儀表會提示電子換擋系統(tǒng)故障。當(dāng)整車供電恢復(fù)到正常范圍時，換擋系統(tǒng)所有功能恢復(fù)正常。

2） 環(huán)境信號輸入故障 電子換擋系統(tǒng)正常執(zhí)行駕駛員換擋操作前，需要采集整車總線上多個表征整車環(huán)境狀態(tài)的信號，用于判斷駕駛員當(dāng)前的操作是否符合設(shè)定的功能邏輯。如整車車速信號、車輛行駛方向信號、制動踏板信號、油門踏板信號、整車供電模式信號、當(dāng)前擋位信號、主駕駛安全帶狀態(tài)信號、主駕駛側(cè)車門狀態(tài)信號等，以上每條信號的狀態(tài)都會影響換擋系統(tǒng)對應(yīng)功能的實現(xiàn)。例如，整車車速過高（具體閥值以策略設(shè)定為準(zhǔn)） 的情況下，處于整車安全和變速器結(jié)構(gòu)保護(hù)的原因，通常不允許駕駛員換入P擋；未踩下制動踏板的情況下，為了規(guī)避駕駛員誤碰操作的風(fēng)險，通常不允許駕駛員換出P擋。基于以上兩個例子的情況，整車環(huán)境信號的采集對換擋邏輯的正常實施至關(guān)重要，所以，如果各環(huán)境信號輸入錯誤值或丟失狀態(tài)，將無法實施對應(yīng)的換擋邏輯判斷，從而導(dǎo)致對應(yīng)的功能失效。

3） 總線BUSOFF故障 整車各系統(tǒng)間信號交互的載體是CAN總線網(wǎng)絡(luò)，電子換擋系統(tǒng)中電子換擋器和換擋執(zhí)行器控制單元作為CAN總線節(jié)點也會讀取和發(fā)送相應(yīng)的報文到總線上，總線故障也是導(dǎo)致?lián)Q擋系統(tǒng)功能失效的重要原因之一。常見導(dǎo)致總線Busoff故障的原因如下［1］：源控制器電壓不穩(wěn)定，過高或過低都會導(dǎo)致通信故障；CAN主干線束問題、源控制器本身硬件或軟件問題、源控制器插接件進(jìn)水接觸不良；其它控制器的故障導(dǎo)致總線負(fù)載率升高、錯誤幀增加，從而影響了源控制器的特定報文被超時發(fā)送，導(dǎo)致發(fā)生報文丟失的故障。

2.2 換擋系統(tǒng)內(nèi)部故障

2.2.1 電子換擋器總成故障

電子換擋器內(nèi)部是通過線性霍爾傳感器將駕駛員操作換擋手柄的動作轉(zhuǎn)化成電壓信號進(jìn)行識別換擋意圖［2］。通?？偝蓛?nèi)會布置雙路線性霍爾傳感器，形成校驗機(jī)制，來提高操作識別的可靠性。線性霍爾傳感器故障分為以下兩種：第1類故障為雙路霍爾傳感器同時發(fā)生采集到的擋桿位置數(shù)據(jù)為錯誤狀態(tài)，即雙路數(shù)據(jù)均不在設(shè)定的正確范圍內(nèi)，無法正確反映駕駛員操作擋桿所處的位置。第2類故障為當(dāng)雙路傳感器采集到的擋桿位置數(shù)據(jù)均在正確范圍內(nèi)，但是在雙路進(jìn)行校驗的過程中，數(shù)據(jù)差值超出了設(shè)定的偏差范圍，系統(tǒng)判定雙路傳感器校驗失敗，也無法判定數(shù)據(jù)的有效性。以上兩種霍爾傳感器故障均會導(dǎo)致?lián)Q擋功能失效，無法響應(yīng)駕駛員操作，同時系統(tǒng)會記錄相應(yīng)故障碼，并通過儀表提示駕駛員故障狀態(tài)。

2.2.2 換擋桿卡滯故障

電子換擋器通常采用復(fù)位式 （圖3），其中X0位置為換擋桿的初始位置，也是唯一的穩(wěn)態(tài)位置，即在不施加外力的情況下在此位置保持停留；F2、F1、R1、R2位置均為非穩(wěn)態(tài)位置，駕駛員將擋桿從X0推動至F2、F1、R1、R2中任意位置后釋放擋桿均會回彈至穩(wěn)態(tài)X0位置。換擋卡滯故障為換擋器內(nèi)部機(jī)構(gòu)或硬件損壞的原因?qū)е禄魻杺鞲衅髯R別到的換擋桿位置狀態(tài)在非穩(wěn)態(tài)位置保持停留一定時間沒有復(fù)位至穩(wěn)態(tài)X0位置 （此時長參數(shù)可標(biāo)定），系統(tǒng)判定為擋桿卡滯故障，此時無法響應(yīng)駕駛員操作，同時系統(tǒng)會記錄相應(yīng)故障碼，并通過儀表提示駕駛員故障狀態(tài)。

2.2.3 換擋執(zhí)行器控制單元故障

換擋執(zhí)行器控制單元在完成換擋指令邏輯判斷后，會驅(qū)動換擋執(zhí)行器電機(jī)進(jìn)行換擋操作，執(zhí)行完換擋操作后，換擋執(zhí)行器內(nèi)的傳感器會將執(zhí)行后的機(jī)械位置狀態(tài)反饋給換擋執(zhí)行器控制單元，進(jìn)行執(zhí)行結(jié)果與執(zhí)行目標(biāo)的比對校驗，形成閉環(huán)控制。當(dāng)換擋執(zhí)行器反饋的當(dāng)前擋位狀態(tài)與目標(biāo)擋位在設(shè)定的時間內(nèi)未校驗成功 （具體時間可標(biāo)定），系統(tǒng)將判定換擋超時，此時無法響應(yīng)駕駛員操作，同時系統(tǒng)會記錄相應(yīng)故障碼，并通過儀表提示駕駛員故障狀態(tài)。

圖3 復(fù)位式電子換擋器總成示意圖

2.2.4 換擋執(zhí)行器故障

1） 換擋執(zhí)行器卡滯故障 換擋執(zhí)行器主要由執(zhí)行電機(jī)及減速齒輪機(jī)構(gòu)構(gòu)成，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞或內(nèi)部雜物或電機(jī)外部負(fù)載過大等原因可能會導(dǎo)致執(zhí)行器運行受阻，發(fā)生卡滯故障。發(fā)生此類故障時，換擋執(zhí)行器控制單元會對執(zhí)行器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，第1個卡滯判斷條件為：當(dāng)進(jìn)行換擋動作過程中執(zhí)行器電機(jī)電流大于設(shè)定閥值；第2個判斷條件為執(zhí)行器輸出端旋轉(zhuǎn)角速度低于設(shè)定閥值 （可標(biāo)定）。滿足以上兩個條件，控制單元判定執(zhí)行器卡滯故障發(fā)生，此時無法響應(yīng)駕駛員操作，同時系統(tǒng)會記錄相應(yīng)故障碼，并通過儀表提示駕駛員故障狀態(tài)。

2） 換擋執(zhí)行器傳動失效故障 當(dāng)換擋執(zhí)行器內(nèi)部的齒輪傳動機(jī)構(gòu)發(fā)生斷齒、磨損或其他機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞的失效模式時，換擋執(zhí)行器控制單元會通過對執(zhí)行器的狀態(tài)監(jiān)測從而判斷是否發(fā)生執(zhí)行器傳動失效故障。首先對執(zhí)行電機(jī)的工作電流進(jìn)行監(jiān)測，如果該電流在電機(jī)的正常工作電流范圍內(nèi)，說明執(zhí)行電機(jī)為正常工作，未發(fā)生堵轉(zhuǎn)或卡滯等故障；其次通過傳感器對執(zhí)行器輸出端旋轉(zhuǎn)角速度進(jìn)行監(jiān)測，如果旋轉(zhuǎn)角速度低于設(shè)定的閥值，則可以判斷電機(jī)的扭矩輸出并未轉(zhuǎn)化為執(zhí)行器的扭矩輸出，此時認(rèn)為電機(jī)與執(zhí)行器輸出端之間的傳動機(jī)構(gòu)發(fā)生失效，此時無法響應(yīng)駕駛員操作，同時系統(tǒng)會記錄相應(yīng)故障碼，并通過儀表提示駕駛員故障狀態(tài)。

3） 電機(jī)驅(qū)動電路開路、短路故障 當(dāng)換擋執(zhí)行器中執(zhí)行電機(jī)的驅(qū)動電路處于開路或短路的狀態(tài)時，執(zhí)行電機(jī)無法正常執(zhí)行換擋執(zhí)行器控制單元的驅(qū)動控制，會導(dǎo)致?lián)Q擋失效。當(dāng)發(fā)生開路故障時，控制器監(jiān)測的電機(jī)回路電流會小于設(shè)定的閥值 （趨于0），同時驅(qū)動電機(jī)的占空比會大于設(shè)定閥值，此時系統(tǒng)判定發(fā)生開路故障；相反當(dāng)控制器監(jiān)測的電機(jī)回路電流大于設(shè)定的閥值且驅(qū)動電機(jī)的占空比小于設(shè)定閥值時，系統(tǒng)會判定發(fā)生短路故障。此時無法響應(yīng)駕駛員操作，同時系統(tǒng)會記錄相應(yīng)故障碼，并通過儀表提示駕駛員故障狀態(tài)。

3 結(jié)束語

本文僅淺析了導(dǎo)致?lián)Q擋功能失效比較典型的故障案例，不同車型的故障模式會隨著系統(tǒng)設(shè)計的不同而更加多樣化。在汽車智能化快速發(fā)展的趨勢下，電子換擋系統(tǒng)不再只是實現(xiàn)基礎(chǔ)換擋功能，它的產(chǎn)生和應(yīng)用對人性化設(shè)計和智能駕駛領(lǐng)域都有著重要意義［3］。對電子換擋系統(tǒng)故障的梳理及分析，有利于整個系統(tǒng)故障狀態(tài)的掌控和故障處理，同時能夠?qū)ζ囯娮訐Q擋系統(tǒng)的安全性、可靠性設(shè)計起到一定的指導(dǎo)作用。