新型DCT典型故障的诊断策略研究

何龙 孙保群 罗冲 黄帅

（合肥工业大学，汽车工程技术研究院，合肥 230009）

新型DCT典型故障的诊断策略研究

何龙 孙保群 罗冲 黄帅

（合肥工业大学，汽车工程技术研究院，合肥 230009）

针对一款新型DCT分析其高发故障。介绍了国内外台架试验故障诊断方法的现状，并鉴于汽车故障自诊断系统的盲区，选取离合器打滑、换挡电磁阀故障和油源低压故障这3种典型故障进行重点研究，分别制定故障诊断策略，而且借助计算机软件建立Simulink/Stateflow诊断模型。建立包含故障诊断系统的整车Simulink模型并进行仿真验证，结果表明故障诊断策略可行。

1 前言

DCT较传统自动变速器的优势显著，国内各大汽车厂商及科研院所纷纷加大投入开展对DCT的研究，近些年也逐渐取得了一些成果。合肥工业大学在总结传统DCT设计经验的基础上，设计出了一款新型DCT并完成样机的制造。DCT装配在目标车型后，在大量的道路试验中总体表现良好，偶有故障发生。由于DCT结构复杂，个别部件故障率高且不易拆检，因而本文针对该款新型DCT的故障诊断进行研究。

在传统故障诊断领域，变速器试验台架的应用十分广泛。国内研究现状下，已有的试验台架只能检测液压控制换挡的自动变速器，若需检测电控自动变速器则需另外配置检测系统[1]。国外关于自动变速器测试技术相对我国已十分完善，但其设备成本太高。文中选取故障率高的元器件进行重点研究，基于MATLAB/Simulink/Stateflow建立故障诊断模型，最后将故障诊断模型加入整车模型中，并设置故障源进行仿真研究，对所提出的故障诊断策略进行验证。

2 新型DCT简介

2.1 基本结构及工作原理

新型DCT采用并联行星轮系设计，每个行星轮系上各有一个离合器和制动器（功能相当于离合器），通过离合器、制动器的结合与分离来实现行星轮系的壳体与齿圈的固连与否，以形成不同传动比。其结构上采用单输入轴和双中间轴的设计，每根轴上有一个同步器，通过切换同步器的左、中、右选位，实现不同的动力传递路线。新型DCT基本结构如图1所示，其中Ⅰ为定轴传动轮系，Ⅱ和Ⅲ为并联行星轮系[2]。

由图1可知，DCT中共有2个离合器、2个制动器和3个同步器，通过7个执行元件的不同逻辑动作组合[3]，可以实现8个前进挡和2个倒挡之间的挡位切换，实现发动机动力的选择性输出。各挡位对应的换挡执行元件状态如表1所列。

图1 新型DCT结构示意

1.输入轴 2.D3、D4、D7、D8挡主动齿轮G1 3.D1、D2、D5、D6挡主动齿轮G2 4.同步器T1 5.倒挡输入齿轮G3 6.中间轴I 7.D3、D7挡被动齿轮G4 8.中间轴I同步器T2 9.D1、D5挡被动齿轮G5 10.中间轴II 11.D4、D8挡被动齿轮G6 12.中间轴II同步器T3 13.D2、D6挡被动齿轮G7 14.倒挡轴 15.倒挡轴齿轮G8 16.倒挡轴齿轮G9 17.中间轴I主减速器主动齿轮G10 18.行星轮系I 19.行星轮系I行星轮G11 20.行星轮系I行星架 21.行星轮系I太阳轮G12 22.行星轮系I齿圈 23.制动器B1 24.离合器C1 25.中间轴II主减速器主动齿轮G13 26.行星轮系II 27.行星轮系II行星轮G14 28.行星轮系II行星架 29.行星轮系II太阳轮G15 30.行星轮系II齿圈 31.离合器C2 32.制动器B2 33.主减速器被动齿轮G16 34.输出轴

表1 各挡位执行元件状态

汽车起步前变速器处于空挡，离合器和制动器处于分离状态，同步器也都处于中位，以N挡挂入D1挡为例来分析工作原理。当汽车起步，变速器要挂入D1挡，此时TCU发出控制命令至换挡执行系统，动力由发动机输出经输入轴传入变速器，在驱动力作用下同步器T1到左位、T2到右位、T3保持中位，接着制动器B1结合（行星轮系的齿圈与变速器壳体固连），D1挡挂挡完毕。动力传递路线为：输入轴—D1、D2、D5、D6挡主动齿轮G3—D1、D5挡被动齿轮G5—中间轴I—行星轮系I—中间轴I主减速器主动齿轮G10—主减速器被动齿轮G16—输出轴。

2.2 特点

与传统DCT相比，新型DCT具有以下特点：

a.结合了AT的行星轮系与DCT的双离合概念，是一种新型的双离合自动变速器；

b.采用行星轮系机构，通过离合器、制动器的结合与分离实现行星轮系的壳体与齿圈是否固连，以形成不同传动比，可以减小变速器的径向尺寸，结构更加紧凑[4]；

c.采用双中间轴的结构设计，避免了空心轴结构，降低了对加工精度的要求；

d.采用后置式的双离合器与双制动器（其功能相当于离合器），在离合器结合转速小的情况下，能有效降低磨损；高挡位时行星轮系直接传动，降低了齿轮之间的磨损程度，有利于延长其使用寿命。

3 新型DCT故障诊断对象

随着汽车技术的不断发展，故障自诊断系统的应用越来越多，当车辆发生故障时，维修人员可以方便地获取故障码并确定故障点。但是，对于各种机械故障，自诊断系统起不到诊断作用。例如，当自动变速器出现离合器片磨损、液压控制系统油压异常以及换挡执行器运动不良等故障时，自诊断系统就无法发挥作用。因此，装配DCT的车辆在变速器出现上述故障时就无法使用故障自诊断系统来定位故障点。

装配DCT的车辆在各种路况下，尤其是城市拥堵路段，离合器反复结合、分离或者保持半联动状态，难免会造成离合器片磨损使得摩擦系数减小的情况。因此，离合器是DCT中故障率较高的零部件之一。换挡执行机构频繁接收到TCU发出的控制命令并迅速执行，也是易出现故障的。DCT换挡执行机构都是由电磁阀驱动，一般情况下故障的根源都在电磁阀，而电磁阀又是由液压油驱动的，所以油路故障也是很常见的。由上述分析可知，这些高发故障又恰恰是故障自诊断系统的盲区。

因此，鉴于故障自诊断系统的诊断盲区，结合该新型DCT特点，选取离合器、换挡执行机构这两个故障高发部件进行故障诊断分析，并且针对其中的离合器打滑、换挡电磁阀故障和油源低压故障这3种典型故障的诊断进行详细分析并建模[5]。

4 故障诊断策略与Stateflow建模

4.1 离合器打滑故障及建模

离合器片的过度磨损会导致打滑故障，使得主从动盘之间的传动效率极大的降低，进而影响离合器所连接转轴的转速。故障诊断策略为：在离合器结合状态下，计算出离合器从动盘与主动盘转速比值，如果比值长时间低于80%，则诊断离合器存在打滑故障。其中，主动盘转速可通过离合器所在中间轴转速得到；因为离合器结合时行星轮系为直接传动，传动比是1，所以从动盘转速可通过输出轴转速与主减速器传动比计算得到。建立离合器打滑故障Stateflow诊断模型，该模型由离合器正常模块、离合器故障模块和两个等待状态组成。Stateflow状态图被激活时，执行默认转移进入离合器正常状态，当确定离合器结合换挡完成时，进入下一个节点判断从动盘与主动盘转速比值是否低于限定值，DCT主减速器传动比为3.824。如果结果连续多次低于限定值0.8，则输出故障标志fault_clutch=1。之后继续检测，故障排除时系统重新进入离合器正常状态并输出正常标志fault_clutch=0。

4.2 换挡电磁阀故障及建模

换挡电磁阀是二位三通常闭型开关电磁阀，在换挡过程中，电磁阀接收来自TCU的换挡命令，控制各换挡液压油路通断，通过拨叉带动同步器结合完成摘挡与挂挡动作。当换挡电磁阀正常工作时，换挡命令发出后电磁阀打开，拨叉会迅速到达指定位置，时间大约为0.3 s。如果发生故障，拨叉则不能在限定时间内完成动作。因此故障诊断策略为：电磁阀接收到TCU换挡指令打开之后，检测拨叉能否在1s内到达指定位置，若不能，则故障次数累积1次，次数累积到3次时，输出故障标志1；故障排除后继续检测，当连续3次换挡正常时，输出正常标志0。建立换挡电磁阀故障Stateflow诊断模型，该模型由电磁阀正常模块、电磁阀故障模块和两个等待状态组成。Stateflow状态图被激活时，执行默认转移进入换挡电磁阀正常状态，当换挡进行时，同步器位置传感器输出电压从0跃升为5V，可以利用计时器采集输出电压跃升所用时间（拨叉动作时间）来进行判断，其中计时器由时钟信号模块（Clock）和使能子系统模块建立。如果电压跃升用时大于1 s，并且异常情况出现次数超过限定值3，则判定故障并输出故障标记fault_magnetic_valve=1。故障排除后继续检测，如果拨叉动作时间持续处于正常范围（time＜1&&time＞0），则进入换挡电磁阀正常状态。

4.3 油源低压故障及建模

电液控制系统的液压动力源由电机、齿轮泵、限压阀和蓄能器等组成，油液通过电机齿轮泵吸入，并将能量贮存在蓄能器中，使系统压力维持在正常工作压力范围内。油源低压故障是指由于电机、齿轮泵或蓄能器等部件出现故障，导致系统压力偏离正常工作压力，整个DCT系统不能得到稳定的液压动力源[6]。油源系统压力正常值范围为50～70 MPa。故障诊断策略为：通过压力传感器采集油源压力值，检测其是否在正常值范围内，若连续多次出现异常，则认定为故障。建立油源低压故障Stateflow诊断模型，该模型由油源压力正常模块、油源压力故障模块和两个等待状态组成。Stateflow状态图被激活时，执行默认转移进入油源压力正常状态，换挡进行时，判断压力传感器采集到的油源压力值，如果压力值不在正常范围内（pressure_sr＜500&&pressure_sr＞0），并且异常情况出现次数超过限定值3，则判定为故障并输出故障标记fault_oil_pressure=1。故障排除后继续检测，如果判断油源压力值持续处于正常范围内（pressure_sr＞500&&pressure_sr＜700），则再次进入油源压力正常状态。

5 整体建模及故障诊断策略验证

为了对提出的故障诊断策略进行验证，需要进行DCT整车系统建模与仿真。Simulink中所包含的sim-Driveline模块库是专门为车辆动力学建模而设计的，可以从中直接选取发动机、离合器、行星齿轮系和车轮等模块，模块间以力矩为传递信号，可以模拟各种车辆动力学系统。因此，选取simDriveline模块库来进行DCT整车系统模型的建立与仿真。

5.1 DCT建模

根据DCT结构组成，选取对应模块并连接，所建模型如图2所示。该模型主要由两个离合器和奇偶数挡模型组成。离合器模型中P端口是控制压力接口，B端口是主动轴接口，F端口是从动轴接口[7]；奇偶数挡模型中各包含同步器及行星轮系模型，同步器选用同步器模块，行星轮系选用行星齿轮模块。信号转换器将Simulink输入信号转换为物理信号，确保各元件模型之间信号传输的通畅。当输入控制信号时，各元件即可相应动作，实现目标挡位的切换。

图2 双离合器自动变速器故障诊断模型

5.2 包含故障诊断系统的整车建模

发动机模型是整个汽车系统模型的基础，其选用simDriveline中的发动机模块；车体模型和轮胎模型则分别选用车身模块和轮胎模块。依据目标车型来设置各模块的仿真参数。

变速器控制系统是实现自动变速控制的核心，所建变速器控制系统模型是由换挡策略模块和离合器控制模块组成的[8]。换挡策略模块的建模采用Stateflow状态图，其中包含挡位状态和挡位选择状态两个并行状态。挡位状态中列出了8个挡位子状态，它们之间的状态转移事件为升挡或者降挡；挡位选择状态中列出了在挡、预升挡、预降挡、升挡和降挡5个子状态，它们之间的转移事件为车速信号与离合器状态信号。离合器控制模块依据输入的油门开度信号和离合器动作信号，输出相应的离合器压力控制信号。

故障诊断模型的建立也采用Stateflow状态图，并将前文建立的离合器打滑、电磁阀故障和油源低压故障诊断模型作为3个并行子状态嵌入其中。给模型添加Simulink数据端口，通过输入输出Simulink信号与整个模型连通成为整体。这些数据端口中包含5个输入端口和3个输出端口。其中有2个输入端口分别采集连接离合器的输入输出轴转速，为了简化模型，另外3个输入端口选用了From模块，其分别与相关封装系统中的Goto模块相对应：ShiftInProcess输入信号对应变速器控制系统中挡位选择状态图的在挡状态输出信号；time输入信号对应DCT模型中同步器位置传感器连接的Clock集成模块的输出信号；p1_dem输入信号对应变速器控制系统中的压力传感器输出信号。3个输出端口则全部连接Display模块，利于仿真时直观地观测故障诊断结果。

将各模型连接起来，simDriveline模型间是以力矩传递的，其它模型间传递Simulink信号，因此需要利用信号转换器模块实现信号转换。包含故障诊断系统的整车模型如图3所示。

5.3 故障诊断策略的仿真验证

利用图3中所建立模型对前文提出的故障诊断策略进行验证。在仿真之前，需要针对这3种典型故障分别在模型中设置故障源：在与离合器相连的Slip sensor模块中输入滑移率为0.7，设置打滑故障源；利用Pulse Generator模拟故障发生时的同步器位置传感器输出信号，设置换挡电磁阀故障源；利用Pulse Generator模拟故障发生时的油压传感器输出信号，设置油源低压故障源。以换挡电磁阀故障诊断策略的仿真验证为例进行详细阐述。

未设置故障源的仿真：保持油门开度为30%，仿真时间设置为30 s，运行模型。由于此时换挡电磁阀未发生故障，所以换挡电磁阀故障的输出端口Display模块显示为0，挡位切换正常进行，模型中当前挡位的Scope模块显示如图4所示。

人为设置偶数挡挡位的换挡电磁阀故障，即利用Pulse Generator模块模拟产生电磁阀常闭输入信号，从而使得同步器换挡拨叉无法动作。同样保持油门开度为30%，仿真时间设置为30 s，运行模型。仿真结束后，观察得Display显示为1，表明换挡电磁阀发生故障，同时观察当前挡位Scope模块，显示如图5所示。可知，挡位不能切换到2挡及更高挡位，这是由偶数挡挡位电磁阀的故障导致。

上述仿真过程验证了所制定故障诊断策略的可行性。当DCT的上述典型故障发生时，故障信号可以及时输出，进而能迅速观测到故障并确定故障点[9]。

图3 双离合器自动变速器故障诊断整车模型

图4 仿真过程当前挡位变化示意

图5 仿真过程当前挡位变化示意

6 结束语

针对一款新型DCT在车辆行驶过程中极易出现的3种典型故障，分别制定了详细的故障诊断策略并建立了对应的Stateflow诊断模型。为了验证故障诊断策略，基于Simulink/simDriveline建立了DCT模型及整车模型，并且将故障诊断模型整合加入其中。人为设置故障源后运行模型，观测并分析仿真结果，验证了故障诊断策略是有效可行的，且提高了DCT故障诊断的效率。

1 齐忠志.自动变速器检测试验台设计与研制：[学位论文].广州：华南理工大学，2015.

2 汪韶杰，孙保群，李余格.具有并联行星轮系的变速器.中国,201310476907，2013-12-25.

3 董铸荣，杨臻，郭进国.基于台架试验的汽车自动变速器故障诊断分析方法研究.汽车技术，2012（6）：44～47.

4 余建飞，吴光强.双离合器自动变速器故障诊断及容错控制.测试技术，2011，30（2）:42～46.

5 李康力.双离合器自动变速器故障诊断及故障处理研究：[学位论文].重庆：重庆大学，2011.

6 李海波.混合动力客车动力总成故障诊断与容错研究：[学位论文].大连：大连理工大学，2014.

7 李磊，江斌，孙保群，等.新型双离合变速器的液压控制系统逻辑分析.机床与液压，2015（17）:16～19.

8 朱耀文，王其东，孙保群.选择性输出的双离合器自动变速器建模及仿真分析.合肥工业大学学报（自然科学版）, 2012（2）:157～160.

9 胡健.新型双离合自动变速器的动力学仿真与优化设计：[学位论文].合肥：合肥工业大学，2014.

（责任编辑 晨 曦）

修改稿收到日期为2016年7月14日。

Research on Typical Fault Diagnosis Strategies of New DCT

He Long,Sun Baoqun,Luo Chong,Huang Shuai
（Automobile Technical Institute,Hefei University of Technology,Hefei,230009）

In this paper,a new Dual Clutch Transmission（DCT）which broke down frequently was analyzed.The present situation of DCT failure diagnosis methods through rig test both in China and abroad was introduced.In consideration of blind spot of vehicle fault self-diagnosis system,three typical faults，i.e.clutch slip,shift solenoid valve fault and oil source low pressure,etc.,were researched,and fault diagnosis strategies were developed respectively,Simulink/ Stateflow diagnosis model was built with computer software.Vehicle Simulink model containing fault diagnosis system was constructed and verified via simulation,then the results proved feasibility of this fault diagnosis strategies.

DCT,Fault diagnosis,Modeling with Simulink

DCT 故障诊断 Simulink建模

U463.22+1

A

1000-3703（2017）05-0058-05