机械式汽车变速器综合试验台实验方法及故障诊断

李桂

摘 要：随着机械式汽车变速器在现代交通工具中的广泛应用，其性能的优化和故障诊断技术的发展成为汽车工业中的关键研究领域，机械式变速器因其结构的复杂性及对精确操作的要求，常面临着各种故障和性能退化问题。本文就机械式汽车变速器综合试验台的实验方法及故障诊断进行了系统的展开探讨，以期望为变速器的维护和修复提供科学依据，同时为汽车工程技术的发展贡献实践成果。

关键词：机械式汽车 变速器 综合试验台 故障诊断

机械式汽车变速器直接影响到汽车的驾驶体验和能效，随着汽车工业的快速发展及用户对汽车性能要求的不断提高，变速器的设计、制造和维护技术亦持续进步，但由于机械式变速器结构的复杂性和操作环境的苛刻性，其故障率相较其他汽车部件依然居高不下，直接影响了汽车的可靠性和安全性。传统上，变速器的故障诊断多依赖于技术人员的经验和传统的试错方法，这种方式往往耗时长、效率低下，且难以达到预期的精准度。因此，如何快速且准确地诊断出变速器的具体故障成为了行业迫切需要解决的问题[1]。控制理论指出，通过对系统的动态响应进行分析，可以有效地识别出系统中的异常行为，进而准确定位故障源。通过分析变速器的振动信号和声音信号，可以对其内部机械状态进行实时监控，实现故障的早期发现和快速诊断[2]。综上，本研究将围绕机械式汽车变速器综合试验台实验方法及故障诊断展开研究，以期通过理论与实践的结合，推动变速器故障诊断技术的进一步发展。

1 机械式汽车变速器概述

1.1 变速器的基本结构与工作原理

机械式变速器主要包括输入轴、输出轴、齿轮群、同步器以及控制机构等部件，具体可见表1。

表1中部件协同工作，使变速器能够根据车辆的行驶条件和驾驶者的需求，选择合适的齿轮比。输入轴接受来自发动机的动力，并通过齿轮群的不同组合将动力以适当的速度和扭矩输出到输出轴，再传递至车轮；同步器在齿轮切换过程中发挥关键作用，确保齿轮间的平滑过渡，避免因速度不匹配造成的损伤；控制机构则根据驾驶者的输入，选择合适的齿轮，实现从启动到加速再到高速行驶的动力传输[3]。

1.2 变速器的类型及特点

机械式汽车变速器根据其设计和功能的不同可以分为以下几种主要类型：

每种类型的变速器都具有其独特的结构特点和应用优势，适应不同的驾驶需求和车辆性能标准。手动变速器（MT）以其简单可靠的结构和成本效益高的优点，长期以来一直是汽车变速器的主流选择；自动变速器（AT）通过自动化的齿轮切换机制，简化了驾驶操作，提高了驾驶舒适性，适合城市频繁停启的驾驶环境；无级变速器（CVT）通过提供连续的有效齿轮比，使得发动机能够在最优转速下运行，从而提高燃油效率和驾驶平滑性；双离合变速器（DCT）结合了手动变速器和自动变速器的优点，能够在不失去动力的情况下快速切换齿轮[4]。

2 综合试验台的设计与构建

2.1 试验台的设计原理

试验台的设计旨在通过控制精确、环境可模拟、并能够实时监控数据的系统，来模拟真实车辆的驾驶条件，设计原理涵盖从基本的机械结构模拟到复杂的故障模拟和数据记录。构建试验台需要确保其能够准确地重现机械变速器的操作环境，这涉及到精确的动力输出模拟，需要试验台能够提供与汽车发动机相仿的转速和扭矩。因此，试验台需要装备电动机和控制系统，这些系统能够模拟不同的驾驶情况，如起步、加速、巡航及制动等，电动机的选择和配置必须能够覆盖变速器在实际使用中可能遇到的最大负荷和最高速度。同时，试验台还应集成高级传感器和数据采集系统，用以捕捉在运行过程中变速器的各项关键性能指标，如温度、压力、振动和噪声等。在此基础上，试验台应设计灵活的控制系统，使操作者能够根据需要调整测试参数，模拟不同的驾驶和环境条件，设计的灵活性允许对变速器进行全面的测试，能模拟特定条件下的故障场景，以便研究变速器在特定故障状态下的表现。

2.2 主要组成部件及其功能

机械式汽车变速器综合试验台的设计集成多种组件，每个组件都扮演着关键的角色以保证整个系统的功能完整性和实验的准确性，具体可见下表3。

表3中组件共同构成了一个高效能的试验平台，能够模拟和分析变速器在各种操作条件下的性能[5]。

2.3 试验台的集成与调试

集成过程开始于各个主要组件的物理安装，包括电动机、载荷模拟器、传感器系统等核心部件的安装。电动机的安装需要确保其能够与变速器的输入轴对齐精准，以避免运行中产生额外的机械负荷或振动，通常需要使用高精度的测量工具和技术来进行，载荷模拟器的安装则需要考虑到其能够模拟的负载范围与变速器的实际工作负载相匹配，包括在不同的驾驶模拟场景下，如爬坡或下坡，载荷模拟器都能准确反映实际情况。调试过程则是细致的系统参数调整和功能验证过程。调试团队需要对控制系统进行编程，设定电动机的操作参数，如转速、扭矩输出以及反应时间，以确保这些设置能够精确模拟实际驾驶中的变速器行为。同时，传感器系统必须确保各传感器的准确性和反应速度，能够实时捕捉数据并反馈给控制系统。如温度和压力传感器需要进行校准，确保其读数的准确性和重复性，以便在后续的测试中提供可靠的数据支持。

3 实验方法

3.1 实验准备与设定

实验准备与设定是确保机械式汽车变速器综合试验台能够有效运行和产出可靠数据的基础步骤。本研究首先明确测试的目标和需求，包括确定要测试的变速器类型、预期的运行条件以及需要收集的数据类型。基于此制定详细的实验流程和时间表，包括各阶段的测试点、所需时间以及数据记录频率。设备的设置则需要根据实验设计进行调整，确保所有设备参数与测试要求相符。这包括调节电动机的输出特性（如扭矩和转速）、设置载荷模拟器以模拟不同的驾驶情况，以及配置传感器系统以准确测量变速器的性能指标，如温度、压力、振动等。每个设备的设置都应遵循制造商的规定和最佳实践，以保证测试的准确性和重复性。

3.2 实验操作流程

具体实验之前，首先应首先进行彻底的设备检查，确保所有设备，包括电动机、载荷模拟器、传感器系统及安全装置均已正确安装并且处于完好状态，此阶段的主要任务是验证所有的机械和电子组件是否符合技术规范，并且系统的各个部分是否能够协同工作。实验参数应基于预定的实验目的和所需模拟的具体驾驶场景；系统检测包括对控制系统的测试以确保所有控制命令可以准确执行，系统检测可以保证实验的安全性，同时也可以确保数据的可靠性和实验的重复性；关机和数据保存需要按照既定程序逐步减少负载并关闭电源，同时确保所有数据被安全记录并保存。

实验操作流程可如下图所示：

4 故障诊断技术

4.1 故障诊断方法

故障诊断方法依赖于对变速器内部机械动态的深入理解，以及精确的数据分析技术，以识别并解决潜在的问题，常见机械式汽车变速器故障诊断方法如下表4所示。

这些故障诊断技术可以提高问题诊断的准确性，增强预防性维护的能力，使得维修工作可以更有针对性地执行，从而减少意外停机和维修成本。通过实施这些先进的监测和分析技术，变速器的维护变得更为科学和高效。

4.2 故障诊断流程

故障诊断流程旨在确保通过精确和有条理的步骤快速准确地识别和解决机械式汽车变速器的故障。故障诊断流程通常从故障的初步识别开始，这涉及对变速器的基本检查，同时监听异常的噪声；在此基础上，使用诊断工具，如故障诊断仪读取变速器控制单元中的故障码，这些故障码能够提供关于问题性质和位置的初步信息；初步信息收集完成后进行更深入的系统测试，包括振动分析和声发射检测，这些测试可以详细揭示故障的性质和具体位置。数据分析阶段使用专门的分析软件，对收集到的数据进行详细分析，比对历史数据和故障数据库，以精确地确定故障原因和严重性。分析结果将直接支持维修决策，确保采取的措施能够针对性地解决问题，避免不必要的维护成本和时间浪费。

4.3 故障模拟及分析

故障模拟及分析允许工程师在实际发生故障前预测和验证潜在问题，通过模拟可能发生的故障场景，可以更深入地了解变速器在特定条件下的行为，从而提高对复杂故障的诊断能力和精准度。故障模拟涉及设置变速器在控制环境中运行，同时人为地引入一些已知的故障条件。具体而言，可以通过软件控制系统在变速器的控制单元中故意设置错误的参数，或是物理上调整变速器内部组件的配置，以此来观察变速器如何响应这些非标准操作。这能够模拟出如同步器不当操作、齿轮磨损、润滑油失效等常见故障的效果。对于数据收集与分析而言，故障模拟过程中收集的数据比常规操作时的数据更为丰富，包括从基本的性能参数如温度、压力、转速到更复杂的振动和声发射数据。这些数据经过专门的分析软件处理后，可以详细揭示出故障发生时的具体表现和变速器的反应机制。如通过分析在故障状态下变速器产生的振动频谱，工程师可以识别出特定齿轮的损伤位置和程度，或是轴承的异常磨损情况。

5 实验结果与分析

本实验选取常见的机械式汽车变速器故障类型，通过综合试验台进行了系统的模拟和测试，旨在评估变速器在各种工况下的性能表现，并利用高精度传感器系统实时监控变速器的关键操作参数。

5.1 实验数据分析

实验结果如表5所示。

转速和温度数据提供了关于变速器在故障状态下运行效率的重要信息。如润滑油失效时的高温度和较高转速表明由于润滑不充分导致的摩擦增加，会导致更快的部件磨损。相比之下，齿轮磨损在较低的温度和转速下也显示出较高的故障发现率，反映了即使在较不激烈的操作条件下，齿轮的磨损也会严重影响变速器的性能。振动级别和压力的测量进一步揭示了内部机械状态和结构完整性。不同类型的故障都会在特定的频率上产生特征性的振动模式。振动级别的微妙变化可以早期预示故障发展，是诊断过程中不可或缺的诊断指标。故障发现率发，在不同的故障模拟下，故障发现率有所差异，反映了诊断系统在识别各类故障时的灵敏度和效率。如齿轮磨损的高发现率表明诊断系统对此类故障的检测能力较强，而润滑油失效的较低发现率则提示需要进一步优化诊断算法或传感器的灵敏度。

5.2 故障诊断效率与准确性评估

表6为五种不同故障类型的诊断时间、诊断准确率、修复时间及修复成功率指标：

检测时间反映了系统响应故障的速度，其中“轴承损坏”的检测时间最短，显示出系统对此类故障的反应更为迅速，而“润滑油失效”则需要较长时间来诊断，这由于其故障特征不如机械损伤那样立即显著。诊断准确率是评估故障诊断技术有效性的直接指标。此数据中，“齿轮磨损”和“轴承损坏”的诊断准确率较高，说明诊断系统在处理这类机械性损伤方面表现优异。相反，“输出轴异常”的准确率相对较低，这需要对这类故障的诊断算法进行改进。修复时间和修复成功率则提供了故障处理的效率和效果的信息。如“轴承损坏”的修复时间最短且成功率达到100%，对于这类故障，维修流程已经非常成熟和有效。而“润滑油失效”的修复时间较长且成功率较低，因此，此类故障涉及的系统调整和部件更换更为复杂。

6 结语

本研究评估了机械式汽车变速器在综合试验台上的性能及其在各种故障模拟条件下的响应。实验结果验证了试验台的功能和故障模拟的有效性，且通过详尽的数据收集与分析，深入探讨了不同故障类型的诊断过程及其效率和准确性。故障诊断方法的应用显示出高度的准确率，在齿轮磨损和轴承损坏的检测中表现出极高的敏感性和可靠性。本研究的成果为变速器的设计改进、故障预防和维护策略的优化提供了科学依据。通过持续的技术创新和系统优化，本研究期望能够显著提升机械式变速器的操作效率和可靠性，从而推动汽车工业的持续发展和技术进步。

参考文献：

[1]吴茂瑞，倪俊芳，张浩.汽车变速器齿轮修形对齿轮疲劳寿命的影响研究[J].科技创新与应用，2024，14（11）：107-110.

[2]宋志峰，逯云杰.汽车变速器花键轴冷精锻成形有限元分析及试验研究[J].锻压技术，2024，49（02）：37-44+52.

[3]肖献法.汽车变速器、分动器的现行技术标准[J].商用汽车，2023（03）：77.

[4]张永强.机械式汽车变速器综合试验台实验方法及故障诊断[J].实验室科学，2015，18（01）：52-54.

[5]邓杰，高月华.汽车变速器机械性能综合试验台的研制[J].装备制造技术，2009（05）：9-10+48.