汽车变速器故障诊断测试平台的设计与实现

王永亮

摘 要： 主要讨论了汽车变速器故障诊断测试平台的设计及实现方案。该方案既借鉴传统的试验方法又结合最新的电功率封闭的设计思路，在控制上采用两级控制方案，完整实现了试验台的现场控制、数据采集、存储和分析处理功能，为变速器实时故障诊断方法的研究提供了一个良好的研究平台。

关键词： 汽车变速器；故障诊断；电功率封闭

中图分类号： TB

文献标识码： A

文章编号： 16723198（2013）06017002

0 引言

汽车变速器是汽车底盘传动系中的重要组成部分，其功能主要包括改变传动比、实现汽车倒退行驶、切断动力传递等方面，变速器性能的好坏直接影响到汽车传动系的性能，关系到整车的质量。正是因为汽车变速器在汽车总成中的重要地位，所以汽车变速器的故障诊断技术一直都倍受关注。目前德国的DISCOM和Reilhofer KG公司已有相应的振动分析诊断产品面市，但其功能和通用性仍然需要进一步完善，并且由于价格昂贵，并不适用于我国的大部分变速器生产厂商。我国目前已有少数科研机构对变速器故障诊断系统开展了研究，但是其精度和知识发现能力都有待提高。成熟的故障诊断系统在实际生产过程中的应用还不多见，我国许多变速器生产厂家还是采用非常原始的手段来对故障进行检测，即通过听取变速器试运转过程中是否有异响来判断，这种方式很大程度上依赖于操作人员的经验，具有很强的主观性和不规范性。所以开发出一种实用的汽车变速器故障诊断系统具有十分重要的意义。

1 试验平台的总体结构设计和工作原理

本文设计的汽车变速器故障诊断测试平台是一个用来对汽车变速器故障诊断方法进行有效性测试和改良的平台。该测试平台能够驱动变速器运转，可以模拟实际路况下的变速器运行工况，可以对汽车变速器的某些基本性能指标进行测试。这也是汽车变速器故障诊断测试平台所必备的前提条件。测试平台为汽车变速器故障诊断方法的研究建立起数据采集通道，可以采集汽车变速器运转过程中的各种参数，例如振动、噪声及温度等，作为故障诊断的实时数据，可为各种不同故障诊断方法提供一个一致性的测试平台。

本文所开发的汽车变速器故障诊断测试平台由机械台架、测控系统两大部分组成。图1所示为测试平台的总体结构，机械台架采用了卧式台架结构，主要由平台本体、床头动力驱动部分和加载电机部分组成。其中由床头动力驱动部分驱动变速器运转，通过加载电机为变速器施加载荷以模拟实际运行工况。测试平台还包括用于汽车变速器上下测试平台的输送辊道、自动举升装置及夹紧装置。

目前在汽车行业中，用于汽车变速器性能检测的试验台主要有机械功率封闭试验台和电功率封闭试验台两种。由于机械功率封闭试验台存在加工量大、机械结构复杂、传动效率低、能量损耗大、通用性较差等缺点，已逐渐被淘汰。本测试平台采用的是最新的电功率封闭式系统设计。这里电功率封闭是指驱动部分和加载部分都采用电机带动，由于驱动部分输入功率和转矩较加载电机大，所以使得加载电机工作于发电状态，所发的电通过直流母线回馈至供电回路，从而起到节能的作用。图2为电功率封闭的电路图。

汽车变速器故障测试平台的工作原理是将需要测试的变速器经过输送辊道输送至测试平台，由自动举升装置将其举升到位，再由夹紧装置将其夹紧。将变速器的输入轴和输出轴与测试平台连接完毕即可进行运转试验。通过测量变速器的输入、输出功率，然后得到变速器的传动效率。

在实际运转时，通过驱动电机在电磁离合器的作用下与变速器接合，使变速器运转。在需要测试加载时，通过变频器控制负载电机在变速器输出端对其加载，此时可以通过安装在驱动和加载端的扭矩传感器测得两端的扭矩，经过与转速相乘后即可得到输入输出端各自的功率，由两端的功率可计算出传动的效率。汽车变速器故障测试平台还可实现换档调节，对不同的档位进行运转测试。除了对各档位的加减载工况进行测试以外，还可以同时测出变速器的输入转速、输出转速、噪声、传动比等参数。通过测得的数据来判断变速器的故障问题。

2 测试平台测控系统的组成

任何一套机电液一体化设备都离不开完整的控制系统，控制系统的设计也直接决定该测试平台的使用性能。本汽车变速器故障诊断测试平台的测控系统包括两大部分：一是平台的控制系统；二是平台的数据采集测试系统。

图3所示为测控系统结构示意图，平台的控制系统主要由逻辑控制单元、电机驱动单元、人机接口单元、执行单元等组成。逻辑控制单元主要由主控PLC、数字I/O模块、模拟量模块以及通讯模块等组成；电机驱动单元由交流变频驱动器、编码器及变频交流电机等组成；人机接口单元主要由触摸屏（HMI）组成；执行单元主要由液压系统和开关单元组成。

汽车变速器故障诊断测试平台的数据采集测试系统主要由传感器、信号处理单元、数据采集卡和上位机测试软件组成。测控系统采用两层结构，上位机通过PROFIBUS-DP现场总线网络与PLC逻辑控制单元和电机驱动器相互通讯，收集测试运转过程中的基本信息，而作为故障诊断的振动、转速等信号采用单独的采集通道进行采集，实现独立的处理。

3 测试平台的测控软件设计

汽车变速器故障诊断测试平台测控软件分为两大部分：一部分是控制系统软件；另一部分是测试系统软件。

PLC中的控制程序是控制系统软件的主体，主要完成PLC系统与上位机的信息交互、测试平台的主控、故障报警发布及与其它控制设备的通信等功能。控制系统的工作要根据上位机软件或人机界面（触摸屏）提供的指令、现场检测到的开关及模拟量信号，发出相应的动作指令，这一系列的动作指令驱动执行机构完成对应动作，实现测试内容。

采用NI公司的LABVIEW系统作为变速器故障诊断的开发平台，先期以PCI4474和PCI-6601数据采集卡为应用基础，将两卡所采集的速度和振动信号作同步处理，并在此基础上对振动信号作频谱分析和小波分析，得到变速器不同工作状态下的特征向量，并建立起变速器运行的特征库及典型故障的特征库。在此基础上据此平台对故障诊断方法进行有效性测试并进行改进。图4为平台数据采集及故障诊断方案。

4 结束语

该设计方案针对变速器这一特殊产品进行，功能包括变速器的性能检测和故障诊断检测两部分。实践应用表明，测试平台在操控性和功能实现的灵活性等方面较以往传统的试验台都有很大的提高。在系统功能上较以往单一的试验台又进行了补充，可以作为变速器故障诊断的检测平台。依据此平台可以对变速器实时运转数据进行采集处理，并可以在此平台上开发不同的故障诊断方法同时进行相应的比较验证，以实现更优的变速器故障诊断技术。通过检验的故障诊断方法可以直接嵌入到汽车的电子控制单元当中，在车辆的运行过程中对变速器状态进行监控及报警等。从这个角度上，此测试平台的建设具有很强的实践意义。

参考文献

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