浅析汽车状态监测与安全评价系统

摘要：汽车状态监测和故障诊断是对汽车各部件技术状况进行评价的一门技术。汽车变速箱是汽车上容易出故障的总成部件之一，它的运行状况直接影响到汽车运行性能和安全状况。本文以一台杭齿集团HC5S90型重型汽车变速器为研究对象，开发一种离线变速箱故障诊断设备。

关键词：汽车变速箱；信号处理；故障诊断

汽车工业被确定为我国经济发展支柱产业之一，舒适、环保、安全是汽车工业发展方向；汽车运行时所产生的振动与噪声是评价汽车性能的重要指标之一，同时它直接影响着乘客的乘座舒适性和行驶的安全性。变速器的性能和质量对汽车整体性能影响非常大，也是容易发生故障的总成部件之一，一旦发生故障，容易引起重大事故，甚至危及驾驶者的生命安全[1]。目前，随着科技的进步，汽车变速器故障诊断方面的研究在逐步展开，但仍相对较落后，缺乏被市场普遍认可的成熟的诊断系统。国外已有相关系统成功商用，但是这类系统价格高，对环境敏感，国内变速器生产商难以承担。所以，开发出满足国内变速器厂商需求、准确诊断故障、性能稳定的汽车变速器故障诊断与监测系统具有重要的现实意义。

一、汽车检测技术发展状况

在现代社会，汽车逐渐成为人们日常生活和工作中不可或缺的重要交通工具。由于汽车是一个复杂的系统，它的技术状况和安全状况随着行驶里程的增加而不断下降。所以，维护汽车的技术状况必须从两方面进行：不断进行汽车性能改良的研究和使用先进的维护和修理技术，使汽车恢复技术状况。汽车性能检测是对汽车在使用、维护中对汽车技术状况进行检测的一门技术。加之人们对安全因素要求越来越高，有必要研制出适应现代生活的、反应更快、工作更平稳、功能越多、更智能的汽车监测、诊断系统出来。文献[2]指出，准确无误地诊断出故障所在，是现代汽车维修的最高境界，同时，汽车安全性能检测是汽车检测的重要发展趋势。

设备状态监测和故障诊断技术的一个重要发展方向是齿轮箱的故障检测和诊断。是近年慢慢发展起来的一门新兴的、综合性学科，是对传感器技术、测试技术、电子技术、信号处理技术、模式识别、计算机技术、专家系统等多种理论和技术的综合应用。设备状态监测和故障诊断技术涉及信号采集、信息分析和处理）、模式识别、决策判断[3]，本质上是信息技术的一种综合运用。

目前，现代机械设备故障检测与诊断技术，处于一个成熟发展的技术阶段，它以传感技术和测试技术为基础，以信号处理为技术手段。这个阶段的设备故障检测与诊断技术大量运用于工程实践中，经济效益巨大。并且，设备故障检测与诊断技术采用了众多先进成熟的科技成果，可以根据噪声、振动、温度、光、电、力信息综合进行故障诊断，对应发展出噪声诊断、振动诊断、红外热成像诊断、光谱诊断、铁谱诊断、无损检测等技术。随着边缘科学的融合发展，机械设备的故障检测与诊断成功运用神经网络、人工智能、灰色理论、小波分析、模糊数学等新兴的学科的理论和技术。机械设备故障检测和诊断技术，已开始从依靠个人经验和主观判断，逐渐进步到依靠科学的理想的判断，实现从主观判断到客观评价的转变。实现从简单的诊断发展到利用现代先进科技手段进行综合性、准确诊断的阶段，但是，设备检测与故障诊断技术还未达到定量诊断的程度。实践证明，紧密结合前沿技术，依靠计算机技术、软件技术、信息技术进行综合性、准确诊断是机械设备故障诊断技术发展的大趋势[4] [5] [6] [7]。

二、汽车变速箱故障诊断原理

变速箱是汽车三大重要部件之一，它的正常工作与否直接影响到汽车的驾驶安全性。汽车运行时依赖变速箱传递发动机扭矩，不同道路工况时需经常性地换挡，致使变速箱齿轮副、軸、轴承等零部件容易发生故障。据统计，变速箱故障占据汽车底盘故障的三分之一左右。所以，变速箱故障检测与诊断的研究具有重要意义。现代变速箱故障检测和诊断技术包含三个方面：变速箱故障数据处理、故障机理分析、故障诊断方法研究。进行变速箱故障诊断的一个有效方法是：对变速箱进行振动分析。因为变速器箱体振动信号中蕴藏着变速器的状态信息。变速箱的振动分析包括：建立变速箱的动力学模型，以此研究变速箱振动产生的机理，及各种典型故障与振动信号的关系，研究提取故障特征的有效方法，如利用时频分析方法提取故障特征[8] 。

齿轮箱典型故障的特征提取与分析是一项基础性的、难度很大的工作，能为齿轮故障的诊断提供理论依据，具有重大的实现意义。本章节阐述了典型的齿轮异常和现象机理，介绍了齿轮振动和典型齿轮故障的数学模型，研究了齿轮故障振动机理，介绍和分析典型故障齿轮的频谱特征，包括齿形误差、齿轮均匀磨损、齿轮偏心等，为齿轮故障诊断提供理论依据。同时，为了更精确地提取齿轮故障特征，还需进行大量的试验工作和故障机理研究工作。

三、汽车变速箱振动信号采集系统硬件设计

PC104是一种工业计算机总线标准，由于它与传统PC具有良好的兼容性，以及灵活的模块化配置功能等特点，本课题选用PC104嵌入式模块作为硬件系统的处理核心。数据采集系統由加速度传感器采集振动信号，经过低通滤波，AD转换，后由PC104模块进行处理，利用编写的基于VC++的数据采集应用程序，完成数据的采集和存储，承担起汽车“黑匣子”的功能。

数据采集系统以嵌入式PC104模块为处理核心，配以PC104接口的AD转换模块，以及信号调理电路，再封装起来，组成一台数据采集仪器，外接显示器、鼠标、键盘后，便可到现场采集数据。并期望将显示器、鼠标、键盘、电源等整合到一起，增强仪器便携性，形成独立的数据采集存储设备。采用PC104嵌入式系统作为数据采集核心，相比较利用NI数据采集卡及LabView编写采集处理软件，该系统具有开发成本低的特点，而且也可完成数据采集处理功能，只是本身硬件特性限制了系统处理速度。

四、汽车变速箱振动信号分析

变速箱的故障常常产生冲击，调制带的频谱出现不同程度的调制现象。这些调制边缘带具有许多有用的齿轮故障信息。因此，齿轮振动信号的调制现象的仔细分析，如何有效区分不同调制类型的振动特性的断裂之间，侧带特征的识别，在很大程度上决定了成功或失败的齿轮箱故障诊断。因此，研究调制现象和边缘带的分布特性是一个重要的研究课题。

变速箱振动信号分析在PC机上完成，通过时域和频域下的一系列处理，获取振动信号调制特点和故障特征，诊断汽车变速箱故障，找出故障原因和可能部位，制定合理的故障排除方案，并预测故障发展趋势，最终目标是创建汽车状态监测和故障诊断的预测维修体制，可以减少停机损失、降低维修成本、提高经济效益和社会效益。

主要利用MATLAB编写数据处理程序，对采集到的汽车变速箱振动信号进行处理，并利用MATLAB的制图功能描绘出分析处理结果，实现了基于MATLAB的振动信号处理和分析处理方法的探求。探求出的振动分析处理方法有：任意频段的数字滤波、功率谱密度函数分析、任意倍率的CZT细化谱分析、倒频谱分析。利用MATLAB可以在较短的时间里运用和发展功率谱分析、细化分析、倒谱分析等振动信号分析方法，建立基于MATLAB的振动信号分析处理方法。实验结果证明这一套方法可以诊断出变速箱故障，切实可行。

参考文献：

[1]吴晓兵.基于灰色粗集模型的汽车变速器故障诊断方法.北京理工大学学报，2000.10.

[2]刘道春.汽车检测行业的发展与未来.汽车工业研究，Auto Industry Research，编辑部邮箱，2015（12）.

[3]钟秉林，黄仁.机械故障诊断学（第三版）.北京：机械工业出版社，2007.

[4]Esteban Canibano Alvarez；Javier Romo Garcia；Blanca Araujo Perez；Cesar Maestro Martin；Juan Carlos Merino Senovilla. Simulation of Advanced Lateral Safety Systems as a Cost Effective Tool to Estimate Potential Success. Advanced microsystems for automotive applications 2012 ： Smart systems for safe， sustainable and networked vehicles： 16th international forum on advanced microsystems for automotive applications （AMAA）， 3031 May 2012， Berlin.

[5]周輝.齿轮故障的特征提取与模式识别技术研究[学位論文].郑州：郑州大学，2005.

[6]潘飞.虚拟式一体化齿轮箱故障诊断仪的研究[学位论文].重庆：重庆大学，2007.

[7]杨建国，姜立标，林波，孙中圣.变速器齿裂及轴承故障建模与故障特征提取.汽车工程，2004，Vol.26（2）.

[8]徐敏，黄昭毅.设备故障诊断手册——机械设备状态监测和故障诊断.西安：西安交通大学出版社，1998.

作者简介：孙漾洋（1989），山西运城人，湖北工业大学2013级，硕士，电气与电子工程学院，控制工程专业。