張 磊，徐振賢，段海金，李 瑾，王 勇，王鳳金，張 斌，單紅波，趙 娟，蔣 眾，馬俊巍

(1.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076; 2.某駐泰安地區(qū)軍代室，山東 泰安 271000;3.北京市青年宮，北京 100035)

0 引言

大功率液力機(jī)械變速器包含液力變矩器和機(jī)械式變速器兩大總成，是特種車(chē)輛底盤(pán)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。以往只有在自動(dòng)變速器中才配有故障報(bào)警模塊，當(dāng)發(fā)生故障報(bào)警時(shí)，自動(dòng)變速器會(huì)限制駕駛員的使用或停機(jī)，實(shí)現(xiàn)自身的保護(hù)[1-8]。但對(duì)于大功率液力機(jī)械變速器，由于機(jī)械換擋采用手動(dòng)模式，而變矩器自身的控制功能又相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)法限制駕駛員的操作，因此缺乏對(duì)液力機(jī)械變速器的故障診斷和預(yù)警功能，只有在液力機(jī)械變速器的功能完全喪失后，才能察覺(jué)到問(wèn)題的發(fā)生，而此時(shí)帶來(lái)的嚴(yán)重影響，以及人員和費(fèi)用的損失常常是難以估計(jì)的。

以往對(duì)自動(dòng)變速箱的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷主要有兩種方法，第一是采用鐵譜分析法[9-12]，即通過(guò)定期采集變速箱的油液并進(jìn)行分析，判斷齒輪、軸承和離合器等零部件的磨損程度，從而指定維修或保養(yǎng)決策，但這種方法具有明顯的滯后性，對(duì)于突發(fā)的故障無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，而且很難進(jìn)行隔離定位；第二種是采用振動(dòng)分析法[13-20]，即通過(guò)對(duì)變速箱振動(dòng)量的變化對(duì)比分析，判斷齒輪和軸承的工作狀態(tài)，但這種方法一方面由于需求外部的診斷設(shè)備，因此具有滯后性，另一方面需要積累形成關(guān)鍵零部件狀態(tài)異常時(shí)的振動(dòng)故障庫(kù)，然后才能夠通過(guò)對(duì)比實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的判斷和定位。

由于某多軸超重型底盤(pán)具有高任務(wù)可靠性的使用要求，因此研究開(kāi)發(fā)了大功率液力機(jī)械變速器健康監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，其主要包含變矩與閉鎖功能監(jiān)測(cè)及報(bào)警模塊、換擋提示及報(bào)警模塊、油位監(jiān)測(cè)及報(bào)警模塊、系統(tǒng)油壓監(jiān)測(cè)及報(bào)警模塊和油溫監(jiān)測(cè)及報(bào)警模塊五大部分，能夠滿足大功率液力機(jī)械變速器實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的作用。

1 系統(tǒng)的組成與功能分析

液力機(jī)械變速器的健康監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，各模塊涉及到的傳感器類(lèi)型和位置要求，如圖1所示。

圖1 液力機(jī)械變速器健康監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)原理圖

大功率液力機(jī)械變速器包括液力變矩器、液力緩速器、主離合器和手動(dòng)機(jī)械變速器四大部分。其中，液力變矩器具有變矩和閉鎖兩大功能，在車(chē)輛起步工況，變矩器用于增大發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，減小主離合器滑磨，當(dāng)車(chē)輛穩(wěn)定行駛時(shí)，變矩器實(shí)現(xiàn)閉鎖，從而提高傳動(dòng)效率。液力緩速器用于車(chē)輛下長(zhǎng)坡時(shí)，輔助車(chē)輛制動(dòng)，保證行車(chē)安全。作為液力變矩器的核心功能，通過(guò)“變矩與閉鎖功能監(jiān)測(cè)及報(bào)警模塊”監(jiān)測(cè)變矩與閉鎖的功能實(shí)現(xiàn)，通過(guò)“系統(tǒng)油壓監(jiān)測(cè)及報(bào)警模塊”監(jiān)測(cè)液壓控制系統(tǒng)包括變矩控制、閉鎖控制以及緩速器控制功能。通過(guò)“油溫監(jiān)測(cè)及報(bào)警模塊”對(duì)油溫的監(jiān)測(cè)和保護(hù)控制，避免液力緩速器長(zhǎng)期工作超溫而導(dǎo)致零部件的損壞。

主離合器和手動(dòng)機(jī)械變速器部分，用于通過(guò)駕駛員的手動(dòng)操作，控制主離合器的分離與結(jié)合，配合變速箱檔位變化實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出轉(zhuǎn)速和扭矩的控制。在變速器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，換擋產(chǎn)生的沖擊載荷最大，因此通過(guò)“換擋提示及報(bào)警模塊”提示駕駛員進(jìn)行正確的換擋，并通過(guò)對(duì)換擋過(guò)程的監(jiān)測(cè)來(lái)評(píng)估對(duì)變速箱各部件沖擊載荷的影響，結(jié)合各關(guān)鍵部件的失效物理模型，評(píng)估其使用狀態(tài)和剩余壽命。“油位監(jiān)測(cè)及報(bào)警?！庇糜谧兯倨饔臀唬瑥亩ＷC齒輪、軸承和同步器等部件的潤(rùn)滑，避免因潤(rùn)滑不足而造成過(guò)熱失效。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 變矩與閉鎖功能監(jiān)測(cè)及報(bào)警模塊

變矩與閉鎖功能監(jiān)測(cè)及報(bào)警模塊通過(guò)采集變矩器解閉鎖信號(hào)、變矩器泵輪轉(zhuǎn)速和渦輪轉(zhuǎn)速信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)變矩和閉鎖功能的監(jiān)測(cè)功能。

當(dāng)該模塊發(fā)出報(bào)警時(shí)，可依據(jù)圖2進(jìn)行FTA故障排查。

圖2 解閉鎖狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)警FTA故障樹(shù)

其中，變矩與閉鎖控制功能檢查需要結(jié)合電控系統(tǒng)和“系統(tǒng)油壓監(jiān)測(cè)及報(bào)警模塊”對(duì)液壓系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合分析；而機(jī)械部分主離合器和閉鎖離合器的滑磨情況，則需要結(jié)合“換擋提示及報(bào)警模塊”對(duì)換擋的監(jiān)測(cè)與相應(yīng)失效物理模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)磨損狀態(tài)的評(píng)估。

2.2 換擋提示及報(bào)警模塊

機(jī)械變速器通過(guò)駕駛員控制不同檔位的變化，來(lái)滿足車(chē)輛行程過(guò)程中對(duì)轉(zhuǎn)速和扭矩的需求。變速器換擋提示及報(bào)警模塊，主要用于監(jiān)測(cè)變矩器渦輪轉(zhuǎn)速和變速器輸出轉(zhuǎn)速。

該模塊具有兩大功能，第一項(xiàng)是正常換擋提示功能，當(dāng)采集到的變矩器渦輪轉(zhuǎn)速達(dá)到或超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，會(huì)提示駕駛員進(jìn)行升檔操作；當(dāng)采集到的變矩器渦輪轉(zhuǎn)速低于發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速時(shí)，提示駕駛員進(jìn)行降檔操作。第二項(xiàng)是異常換擋報(bào)警功能，由于手動(dòng)機(jī)械變速器對(duì)駕駛員換擋沒(méi)有約束，因此有可能出現(xiàn)駕駛員異常換擋，而導(dǎo)致降檔所掛入檔位與該檔位對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速不匹配的問(wèn)題，此時(shí)會(huì)對(duì)變速器同步器產(chǎn)生損傷，而更嚴(yán)重是導(dǎo)致離合器超過(guò)極限轉(zhuǎn)速而發(fā)生失效。因此，需要對(duì)上述駕駛員的操作進(jìn)行有效識(shí)別和提示，以減少人為操作造成的變速器損壞。

2.3 油位監(jiān)測(cè)及報(bào)警模塊

為防止液力機(jī)械變速器在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中異常漏油或加油量不足，造成機(jī)械變速器的齒輪和軸承損壞，因此在功能上設(shè)計(jì)油位監(jiān)測(cè)及報(bào)警模塊。

該模塊主要用于兩種工況條件下的油位監(jiān)測(cè)和報(bào)警，第一是在液力機(jī)械變速器加油過(guò)程中，在初始加油過(guò)程中，變矩器會(huì)將潤(rùn)滑油吸入變矩器內(nèi)，而導(dǎo)致變速器內(nèi)的油位下降，如果此時(shí)變速器未及時(shí)補(bǔ)油，則可能損壞變速器的齒輪、軸承和同步器等傳動(dòng)關(guān)鍵部位；第二是底盤(pán)行駛過(guò)程中，液力機(jī)械變速器出現(xiàn)漏油，或變矩器閥板卡滯，也會(huì)導(dǎo)致變速箱側(cè)的油位降低，從而引發(fā)齒輪和軸承損壞等二次故障。

2.4 系統(tǒng)油壓監(jiān)測(cè)及報(bào)警模塊

主油壓監(jiān)測(cè)及報(bào)警模塊。液力機(jī)械變速器的液力與液壓工作原理，如圖3所示。

圖3 液力變矩器總成液壓控制原理圖

主油壓是變矩器內(nèi)的系統(tǒng)壓力，當(dāng)系統(tǒng)壓力升高時(shí)，會(huì)打開(kāi)溢流閥而保護(hù)液壓系統(tǒng)，使用過(guò)程中依據(jù)圖4進(jìn)行主油壓監(jiān)測(cè)及報(bào)警FTA故障排查。

圖4 主油壓監(jiān)測(cè)報(bào)警FTA故障樹(shù)

其中，對(duì)于由于低溫潤(rùn)滑油阻過(guò)大產(chǎn)生的報(bào)警，需要溫度信號(hào)作為輔助判據(jù)，當(dāng)油溫低于-15 ℃時(shí)，不進(jìn)行報(bào)警。

當(dāng)出現(xiàn)油壓過(guò)大報(bào)警時(shí)，應(yīng)首先檢查變矩器外圍部件如管路、散熱器和緩速器閥，然后再檢查或清洗集成的液壓控制閥塊，包括背壓閥、閉鎖閥和溢流閥。

當(dāng)出現(xiàn)油壓波動(dòng)過(guò)大時(shí)，則需要檢查系統(tǒng)管路、接頭、通氣閥等是否漏氣。

當(dāng)出現(xiàn)油壓過(guò)小時(shí)，首先對(duì)吸油濾網(wǎng)進(jìn)行檢查，然后再檢查集成液壓控制閥塊和油路，最后排查齒輪泵。

2.5 油溫監(jiān)測(cè)及報(bào)警模塊

為了避免液力機(jī)械變速器長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行，而損壞軸承和密封元件，因此需要設(shè)置油溫監(jiān)測(cè)及報(bào)警模塊。當(dāng)油溫高于120 ℃條件，會(huì)觸發(fā)高溫度報(bào)警。如果此時(shí)變矩器處于變矩工況，則會(huì)通過(guò)換擋提升系統(tǒng)，提示駕駛員進(jìn)行降檔操作；而如果處于液力緩速器工作狀態(tài)，則會(huì)提示駕駛員注意油溫，當(dāng)油溫高于130 ℃會(huì)對(duì)液力緩速器進(jìn)行自動(dòng)降檔。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

大功率液力機(jī)械變速箱搭載超重型底盤(pán)開(kāi)展了30 000公里鑒定試驗(yàn)，包括高原、高低溫等環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)。由于配備了狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，跑車(chē)試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)致命性故障，故障檢測(cè)率達(dá)到約90%。

3.1 變矩與閉鎖報(bào)警案例(閉鎖繼電器松動(dòng))

某特種車(chē)輛在累計(jì)行駛1萬(wàn)公里后，閉鎖與報(bào)警模塊出現(xiàn)間隙性報(bào)警，根據(jù)解閉鎖狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)警FTA故障樹(shù)進(jìn)行排查(見(jiàn)圖3)，由于油壓監(jiān)測(cè)模塊和換擋監(jiān)測(cè)模塊均未報(bào)警，因此初步可以排除液壓系統(tǒng)故障和離合器滑磨的可能，而將問(wèn)題集中在電控系統(tǒng)。

通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，繼電器和配套插座及接觸器發(fā)生虛接，如圖5所示，導(dǎo)致繼電器的插頭與連接端子間歇連接失效，而導(dǎo)致變矩器閉鎖異常。

圖5 繼電器相關(guān)零件外形圖

更換變矩器繼電器及相應(yīng)線纜后，變矩器回復(fù)正常狀態(tài)，故障現(xiàn)象消除。

3.2 換擋提示報(bào)警案例(同步器磨損)

在冬季低溫跑車(chē)試驗(yàn)過(guò)程中，連續(xù)出現(xiàn)換擋提示系統(tǒng)報(bào)警。與駕駛員確認(rèn)，由于冰雪路面，采用主制動(dòng)容易出現(xiàn)車(chē)輛側(cè)滑風(fēng)險(xiǎn)，因此駕駛員通過(guò)強(qiáng)制降檔的方式，通過(guò)返拖發(fā)動(dòng)機(jī)排氣制動(dòng)來(lái)降低車(chē)速。

越級(jí)換擋會(huì)造成同步器、離合器和發(fā)動(dòng)機(jī)的超速和超溫問(wèn)題，從而加速傳動(dòng)部件的磨損，結(jié)合典型部件的故障機(jī)理模型分析，當(dāng)單個(gè)檔位越級(jí)或超速降檔達(dá)到一定限值時(shí)，同步器的失效風(fēng)險(xiǎn)最高，其次是主離合器。

在冬季跑車(chē)試驗(yàn)后，經(jīng)統(tǒng)計(jì)越級(jí)換擋和超速換擋次數(shù)達(dá)到約500次，接近失效物理模型的理論失效邊界，因此在低溫跑車(chē)試驗(yàn)后，對(duì)變速箱進(jìn)行拆解檢查，發(fā)現(xiàn)同步器有高溫發(fā)藍(lán)現(xiàn)象，說(shuō)明由于速差過(guò)大導(dǎo)致過(guò)熱，同時(shí)，同步器齒也出現(xiàn)了打齒而產(chǎn)生的異常磨損，存在較大的失效風(fēng)險(xiǎn)，如圖6所示。

圖6 故障錐體和同步環(huán)實(shí)物

通過(guò)試驗(yàn)證明，“換擋提示和報(bào)警模塊”可以在同步器失效之前及時(shí)地提示駕駛員進(jìn)行檢查和維修，從而降低多軸超重型底盤(pán)使用風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 油壓與油位的報(bào)警(控制閥板阻塞)

某特種車(chē)輛在長(zhǎng)途機(jī)動(dòng)行駛過(guò)程中，出現(xiàn)變矩器主油壓偏低和油位偏低兩項(xiàng)報(bào)警的情況。由主油壓系統(tǒng)報(bào)警故障樹(shù)的分析可知，主油壓偏低包括，油路濾網(wǎng)阻塞、齒輪泵異常、變矩器漏油、油路串通、溢流閥失效、背壓閥失效和閉鎖閥失效等多種可能，其中油路濾網(wǎng)阻塞、齒輪泵異常是由于變矩器供油系統(tǒng)異常導(dǎo)致的，但不會(huì)影響變速箱側(cè)的油位變化，而通過(guò)檢查也可以排除變矩器漏油的問(wèn)題，因此問(wèn)題集中定位于控制閥總成(包括溢流閥、背壓閥、閉鎖閥和油路)。

對(duì)控制閥總成進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)變矩器內(nèi)控制閥總成溢流閥、調(diào)壓閥閥口處存在多余物，見(jiàn)圖7所示。

圖7 閥件存在多余物

控制閥拆解后，檢查各零件，控制閥閥體內(nèi)孔有輕微摩擦劃痕，閥芯表面有摩擦印痕，零件的磨損程度未見(jiàn)異常。在控制閥閥體閥孔與油道相交處，發(fā)現(xiàn)有毛刺存在。在變矩器調(diào)壓閥閥芯上，除了有摩擦印痕外，還有劃傷現(xiàn)象。

結(jié)合液壓原理可知，如圖3所示。當(dāng)變矩器中多余物進(jìn)入調(diào)壓閥配合間隙內(nèi)，造成閥芯阻力增加或者閥芯卡滯，在低轉(zhuǎn)速時(shí)，溢流閥沒(méi)有開(kāi)啟，油液通過(guò)變矩器調(diào)壓閥、背壓閥進(jìn)入散熱器并返回油箱。在高轉(zhuǎn)速時(shí)，循環(huán)油泵流量增加，系統(tǒng)壓力升高，溢流閥異常開(kāi)啟，由于變矩器調(diào)壓閥阻力增加，閥口開(kāi)啟達(dá)不到設(shè)定值，大量的油液從溢流閥溢流回變矩器內(nèi)的油箱，而進(jìn)入變矩器調(diào)壓閥、背壓閥及散熱器的油液減少，變速箱的回油流量降低，因此出現(xiàn)了變速箱油位降低甚至報(bào)警的問(wèn)題。

更換新的控制閥板后，液力機(jī)械變速箱恢復(fù)正常，報(bào)警故障消除。

3.4 油溫報(bào)警(駕駛員停車(chē)未摘空擋)

某特種車(chē)輛在停車(chē)檢查過(guò)程中，出現(xiàn)液力機(jī)械變速箱超溫報(bào)警。對(duì)換擋提示系統(tǒng)進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，問(wèn)題發(fā)生時(shí)，駕駛員未將變矩器摘空擋，導(dǎo)致變矩器的輸出軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，變矩器處于零速工況。因此，變矩器溫升較快，停車(chē)檢查約五分鐘，液力機(jī)械變速箱的油溫從80 ℃上升到120 ℃。

由于油溫報(bào)警較為及時(shí)，且時(shí)間不長(zhǎng)，駕駛員就離開(kāi)進(jìn)行了糾正，因此未對(duì)系統(tǒng)尤其是密封元件產(chǎn)生過(guò)大損傷，可以正常使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的大功率液力機(jī)械變速器，通過(guò)了各項(xiàng)臺(tái)架性能與可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，并隨某多軸超重型底盤(pán)開(kāi)展了初步的性能測(cè)試，該系統(tǒng)能夠較為全面與及時(shí)的對(duì)液力機(jī)械變速器內(nèi)部以及外部的各種故障進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)和預(yù)警，對(duì)提高產(chǎn)品可靠性，預(yù)防突發(fā)故障的產(chǎn)生具有重要作用。