汽车自动变速器故障诊断系统虚拟仪器的设计

杨旭志，高俊文，廖中文

（广东农工商职业技术学院 机电系，广东 广州 510507）

汽车自动变速器故障诊断系统虚拟仪器的设计

杨旭志，高俊文，廖中文

（广东农工商职业技术学院 机电系，广东 广州 510507）

通过对汽车自动变速器的故障分析，为了实现汽车电控自动变速器故障诊断的自动化和智能化，本文设计的虚拟仪器，可对自动变速器运行工况进行实时数据采集，采集的数据包括发动机转速、节气门开度、车速、主轴转速、冷却液温度和3个换挡电磁阀通断情况，经过与专业诊断仪器的对比，验证了采集数据的准确性，后续结合神经网络技术可实现对采集数据的分析并且能直接给出故障诊断结果。

自动变速器；虚拟仪器；故障诊断

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-105-03

引言

自动变速器作为汽车底盘传动系统的重要组成部分，目前已经发展成为集机械技术、液压技术和电子技术为一体的机电设备，由于自身结构及工作原理的复杂性，因此故障诊断及维修起来相对困难。传统的油压试验、失速试验、时滞试验等检测诊断方法已不能满足现代自动变速器维修的需求。由于虚拟仪器自动化程度高，功能多，并可按用户需求设计，开发时间短，作为开发自动变速器故障诊断的软件有许多的优点。与此同时，神经网络技术能够查阅大型数据库，找出所包含的信息模式，其“自学习”能力非常强，对解决复杂的非线性问题有很大的优势。因此，利用虚拟仪器技术和神经网络系统，可对变速器进行实时数据采集，并对数据进行分析后给出诊断结果，这样可使自动变速器故障诊断实现自动化和智能化。本文设计的虚拟仪器可为神经网络采集训练数据样本以及实现数据检测功能。

1、自动变速器故障分析

自动变速器故障通常分为液压系统故障、机械系统故障和电子控制系统故障三个方面。

1.1 液压系统故障

油泵和系统油压过低、过高，油路堵塞、漏油，油路控制阀阻塞，换档阀、压力控制阀等阀体卡住、损坏等。液压系统故障是常见故障，出现上述故障时，可伴随有前进档打滑和颤动、不能升档或升档滞后、各档位车均不动等现象。这些故障现象可由自动变速器输入、输出轴传感器信号、节气门开度、档位、发动机转速、水温等信号的非线性关系表征。

1.2 机械系统故障

湿式多片式离合器（制动器）摩擦片、钢片和压板磨损、打滑、间隙过大，液力变矩器单向离合器打滑以及传动部件机械损坏等。当出现这类故障时，自动变速器会出现打滑、档位变换不顺、无发动机制动等现象。这种现象可以反映于发动机转速、节气门开度、车速、档位等信号的关系。

1.3 电子控制系统故障

电控单元（ECU）故障、传感器故障、执行器故障以及控制电路故障等。当变速器控制单元检测出电脑控制系统出现故障或信号不正常时，仪表板上的故障指示灯开始闪烁。当电子控制系统出现故障，即表明某些传感器或执行器出现故障，这些故障可以直接从它们各自的信号得知。

2、研究方案的提出

自动变速器在运转时，可从相关传感器和执行器的信号和工作情况掌握其运行工况，其换档过程主要依靠节气门开度信号和车速信号来控制的，一定的油门开度和相应的车速则对应某一档位。当发生故障时，自动变速器将不能按照原先设定的程序，正确地根据油门和车速等输入信号及时进行档位切换，致使自动变速器的档位实际变换时刻和发动机转速、节气门开度、车速、主轴（输入轴）转速等信号、换挡电磁阀等执行器输出信号存在其它不确定的对应关系，而这些不确定的对应关系又反映于不同的故障类别与上述参数的特征规律中。根据这种特点，可以用神经网络的方法来从中抽取出各自的特征规律，得出数学模型，从而识别出对应于这种特征规律的故障。因此本文设计的虚拟仪器可方便快捷的实现自动变速器实时数据的采集与检测，为后续运用神经网络实现自动变速器故障诊断打下坚实的基础。

3、虚拟仪器的设计

本文研究对象是老款广州本田雅阁2.3L VTI轿车，装配的MAXA型电控自动变速器。其电子控制系统由变速器控制模块（PCM），传感器，3个换挡控制电磁阀、2个A/T离合器压力控制电磁阀、1个锁止控制电磁阀等执行器组成。行驶过程中，当PCM接受到各传感器的输入信号需要实施换挡时，PCM将控制换挡电磁阀A、B、C以及A/T离合器压力控制电磁阀A、B等执行器作相应动作，前三者将变换换挡阀的位置确定所选择的挡位，后两者则调节其自身的压力。

3.1 传感器信号测量与分析

为了能反映自动变速器故障规律对应的特征参数作为后续神经网络的输入向量，本文选取的信号有发动机转速信号、节气门开度信号、车速信号、主轴转速信号、冷却液温度信号和3个换挡电磁阀通断信号。

（1）节气门位置传感器

雅阁轿车采用的节气门位置传感器为线性输出型。随着节气门开度的变化，节气门位置传感器输出的电压信号也将变化。PCM将据此信号对燃油喷射及其他控制。开度数值由金德KT600电脑诊断仪读取，电压信号由万用表读取，拟合曲线如图1。

由回归结果，关系式可取：y≈20x-10.15。编程时，操作界面的开度信号是由这关系式计算得出的，不同的电压值对应不同的节气门开度。在采集时，可以直接把传感器输出的电压信号送入数据采集卡模拟输入端，不需要调理信号。

（2）冷却液温度传感器

发动机冷却液温度传感器（CTS）内部设有一负温度系数热敏电阻。当发动机冷却液温度升高时，热敏电阻阻值下降。热敏电阻阻值随温度的这种变化，将引起CTS电压值的变化，所以，不同的电压值对应不同的温度。读数的读取工具也是金德KT600和万用表，拟合曲线如图2。此信号的测量原理跟节气门开度信号相同，把CTS的输出电压信号直接通过数据采集卡读入电脑，系统会根据公式显示相应的冷却液温度。

（3）点火控制模块

点火控制模块是发动机点火系统的重要部件。由于发动机曲轴每转两圈，各气缸火花塞点火1次，即ECU向ICM发出4个脉冲信号，根据这个关系，有发动机转速n等于两倍的ICM脉冲信号个数N，所以，只要能测出N，就能推算出发动机转速。本来发动机是根据曲轴位置传感器（CKP）信号确定其转速的，但是CKP传感器是电磁感应式的，产生的信号经过一些处理才能让LabVIEW计算出脉冲个数，为了避免麻烦，本文没有利用此信号计算发动机转速。而是通过测量ICM信号确定发动机转速的，因为此脉冲信号是一个方波脉冲信号，最高最低值为5伏和0伏，如图3所示。

（4）主轴、中间轴转速传感器

本田雅阁MAXA型自动变速器有主轴、中间轴传感器，都是电磁感应式传感器，分别装在变速器的输入轴、输出轴上，信号波形如图4所示。它们在各个档位的脉冲数之比是一定的，也就是说两个传感器的转速比是一定的。其车速是根据中间轴传感器信号获得的，它的频率与车速有固定的关系。对于这种信号的采集及其频率的测量，用模拟输入的方法通过LabVIEW编程是很容易实现的，只要知道车速与频率的关系，就能推算出车速。为了得到车速与输出轴转速传感器输出频率的关系，由此做了多次实验。车速由金德KT600诊断仪读取，设为y；频率由编制的虚拟仪器读取，设为x。从拟合曲线图5可以得知，车速与输出频率的关系为：y≈0.03x-1。这是诊断系统测量车速数据的计算公式。

3.2 执行器及其信号测量分析

本田MAXA型电控自动变速器的执行器有换档控制电磁阀A/B/C，A/T离合器压力控制电磁阀A/B和锁止控制电磁阀，共6个。PCM根据各个传感器的信号，通过控制这些电磁阀执行器而实现准确平顺的换档和最佳的锁止定时。本文方案是讨论变速器发生故障时所处档位、换档时刻等状况与其他传感器的关系，所以没有介入锁止电磁阀的执行情况。换档控制电磁阀A/B/C的通断决定了变速器的档位，ON表示通电，OFF表示截至。这样的信号可以看作是开关量数字信号，接通时符合逻辑高电平2～5V，截至时有逻辑低电平0～0.8V。因为本文数据采集卡的量程范围是-10～10V，所以在此电磁阀信号采集进数据采集卡前，必须分压到合适范围才行。用两个10K欧姆的电阻串联再与信号并联，这样的话在进入通过数据采集卡（DAQ）前信号电压大概为6V左右。这种分压法不会影响数字信号的时刻性，只是减小了幅值而已。三个换档电磁阀的信号采集都要作此简单的调理。

3.3 数据采集卡

本文所采用的数据采集卡是NI公司的M系列6251，由于NI公司的硬件与它的图形编程软LabVIEW有很好的兼容性，因此用户无须担心硬件的驱动问题，都有配套软件的，只需在应用前作些简单的设置即可。本文用到了模拟输入5路，数据输入3路，共8路信号。这些信号都是来自传感器和执行器两端电压信号，通过数据采集卡连接附件68-pin的端子板经传输电缆进入。

3.4 系统软件操作界面

本文设计的虚拟仪器操作系统界面见图6所示，主要功能是数据采集并显示和数据记录控制等。显示部分包括节气门开度、发动机转速、冷却液（水）温度、主轴/中间轴转速、车速、电磁阀通断等。

数据采集系统编制完成后，需要通过实验来调试、改良和验证仪器的测量精度。为此，用编制的虚拟仪器系统测量的传感器数据与金德KT600测得的数据进行相比，发现误差在国标要求的±2%之内，达到实验的要求。而对于换档电磁阀信号，与万用表检验测量对比，系统的正确率达100%。

4、结论

本文设计的虚拟仪器可准确的采集自动变速器运行工况中发动机转速信号、节气门开度信号、车速信号、主轴转速信号、冷却液温度信号和3个换挡电磁阀通断信号，后续在LabVIEW软件中调用Matlab神经网络工具，可实现对自动变速器故障诊断的自动化和智能化。

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Development of Automatic Transmission Fault Diagnosis Based on Virtual Instrument

Yang Xuzhi, Gao Junwen, Liao Zhongwen
（Department of Mechanical and Electrical, Guangdong AIB Polytechnic College, Guangdong Guangzhou 510507）

Based on the fault analysis of automobile automatic transmission, in order to realize the automation and intelligent automatic transmission fault diagnosis,virtual instrument is designed in this paper, which can perform real-time data acquisition for automatic transmission operating conditions, including the engine speed, throttle opening, vehicle speed, spindle speed, coolant temperature and 3 shift the electromagnetic valve to break the situation of data acquisition, through the comparison with the professional diagnosis instrument, to verify the accuracy of the data collection, the follow-up combined with neural network technology can realize the analysis of collected data and can directly give the result of fault diagnosis.

automatic transmission; virtual instrument; fault diagnosis

U463.2

A

1671-7988(2015)02-105-03

杨旭志，硕士研究生，就职于广东农工商职业技术学院机电系，研究方向汽车检测与维修技术。