韓宇石，王景霞，李志偉，戴 敏

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

AMT(機械式自動變速器)是車輛動力傳動系統(tǒng)中的關鍵部件之一，對車輛的行駛安全有重要影響.對AMT的故障診斷技術進行研究，可以在變速器工作異常時，為系統(tǒng)功能降級提供判斷依據(jù)，避免主要功能喪失，保證車輛運行安全;在維修時可為故障定位提供參考依據(jù)，有效降低維修難度，節(jié)約維修成本.AMT故障診斷技術的經(jīng)濟效益和社會效益正是從以上兩個方面體現(xiàn)出來.

而對于AMT系統(tǒng)來說，它的結(jié)構(gòu)復雜，自動化程度高，在沒有故障數(shù)據(jù)支持的情況下，僅依靠經(jīng)驗和更換部件的方式查找、定位故障的維修方法已經(jīng)不能滿足市場化的需要，是制約AMT技術推廣的一個瓶頸，因此提高故障自診斷功能成為AMT產(chǎn)品化道路上需要解決的問題之一.

1 AMT的故障類型

實現(xiàn)AMT故障自診斷主要有以下幾個難點:故障診斷程序是AMT控制軟件的一部分，需要在TCU中運行來實現(xiàn)診斷功能，而TCU中的單片機數(shù)學運算能力有限，這就要求整個算法不能過于復雜;由于任務目標不但是要實現(xiàn)故障診斷，同時還負責為系統(tǒng)的故障冗余和功能降級提供依據(jù)，所以需要保證判斷過程的實時性;AMT系統(tǒng)包含眾多部件，涉及到機械、電子、液壓等各個環(huán)節(jié)，是一個復雜的強耦合系統(tǒng)，各種部件互相作用、互相影響，故障形式和故障表現(xiàn)也是多種多樣的;在不增加傳感器的情況下，可獲得檢測信息的節(jié)點有限，需要通過子節(jié)點的信息進行反映.

對于使用電液控制方式的AMT系統(tǒng)來說主要有以下幾種故障:

1)輸入信號故障.

在AMT系統(tǒng)中，使用壓力傳感器、位移傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器獲取變速器及車速信息，同時通過CAN總線獲取發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機扭矩、油門踏板及整車狀態(tài)信息.這些信息源可能存在的故障如表1所示.

表1 輸入信號故障點及故障原因

2)驅(qū)動故障.

AMT系統(tǒng)通過電磁閥驅(qū)動液壓系統(tǒng)來控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，以某型AMT系統(tǒng)為例，包括比例流量閥、比例壓力閥、開關閥，硬件驅(qū)動都采用負端恒流控制的方式.雖然不同電磁閥的具體結(jié)構(gòu)不同，但是從故障分析角度來看，它們具有相同的故障分類，如表2所示.

表2 驅(qū)動故障點及故障原因

3)功能故障.

主要指系統(tǒng)供油、離合器和選換擋執(zhí)行機構(gòu)動作異常等導致系統(tǒng)性能降低或功能喪失的故障.如表3所示.

表3 功能故障點及故障原因

4)機械故障.

如果變速箱、離合器、供油系統(tǒng)和電磁閥等零部件出現(xiàn)機械故障，也會造成無法換擋的情況.如變速箱換擋撥叉卡滯，離合器位置調(diào)整不當，電磁閥閥芯堵塞等問題.如表4所示.

表4 機械故障點及故障原因

2 故障解耦合分析

根據(jù)AMT系統(tǒng)的特點，故障可分為3類:電氣故障、功能故障和機械故障，如圖1所示.其中電氣故障主要指傳感器、電磁閥的電氣健康狀態(tài)和數(shù)字化后的傳感器信號品質(zhì).功能故障是指AMT系統(tǒng)運行期間功能狀態(tài)異常，需要參考離合器、選換擋控制階段進行判斷.機械故障是指針對變速箱故障、執(zhí)行機構(gòu)故障、液壓系統(tǒng)故障等引起的問題.

圖1 AMT系統(tǒng)故障分類

為了解決故障耦合的問題，首先需要對整個系統(tǒng)進行分析并詳細了解各部件之間是否存在耦合關系及存在什么形式的耦合關系;部件之間的耦合信息是什么;信息傳遞路徑是什么樣的;如果路徑中某個節(jié)點出現(xiàn)故障，故障信息的表現(xiàn)形式是什么樣的;故障信息在子節(jié)點的表現(xiàn)形式是什么樣的.

零部件之間的耦合關系可分為以下幾種［1］:

1)直接耦合.

零部件之間直接或者只經(jīng)過一些非關鍵部件載體實現(xiàn)部件的信息傳遞，而這種傳遞不受其它零部件的影響，一旦這種信息傳遞異常，可推斷產(chǎn)生信息源的部件出現(xiàn)了故障.

2)間接耦合.

如果系統(tǒng)中兩個部件之間并沒有直接的信息交流，但部件A可以通過部件B將信息傳遞到部件C，從而引起部件C的變化.

3)V結(jié)構(gòu)耦合.

如果系統(tǒng)中兩個部件之間不存在信息交流，他們的信息都直接耦合到同一個部件上，這樣部件A和部件B兩者所產(chǎn)生的信息源都傳遞給共同的部件C，影響其狀態(tài).

4)不確定性耦合關系處理方法.

各部件之間有時并不容易通過分析判斷出屬于以上哪種耦合關系，但是又懷疑節(jié)點之間可能存在一定的耦合，這就需要進行信息的量化處理.可利用信息論分析零部件的不確定耦合關系.

通過對AMT系統(tǒng)進行耦合性分析，可以得出:在不考慮控制器板級故障的情況下，傳感器和電磁閥故障可以看作相互獨立，但與相應的功能存在耦合關系，是AMT故障的根節(jié)點;機械故障同樣是故障傳遞路徑的根節(jié)點，故障現(xiàn)象難于直接觀測，但是能通過功能故障反映出來;離合器控制機構(gòu)、選擋控制機構(gòu)及換擋控制機構(gòu)相互之間可認為是獨立的，與供油系統(tǒng)故障、電氣故障和機械故障存在耦合.

3 故障診斷結(jié)構(gòu)設計

從某型AMT產(chǎn)品故障原因的統(tǒng)計結(jié)果來看，電氣故障大約占到故障總量的70%到80%.這類故障相互之間沒有耦合，可采用分布式的故障診斷方法對每個故障點單獨進行判斷，診斷途徑以檢測電壓、電流信號的故障特征為主，相對來說針對性強、易于實現(xiàn)，故障判斷的準確性很高，并且算法簡單，可有效保證診斷的實時性.考慮到電氣故障是故障傳遞路徑的根節(jié)點，危害性大，任意節(jié)點出現(xiàn)問題都會影響系統(tǒng)的整體功能，所以可把該類故障獨立出來，優(yōu)先進行故障判斷，使結(jié)果不向下方傳遞，即在電氣故障出現(xiàn)后不進行其它故障判斷，在故障診斷結(jié)構(gòu)中定義為電氣監(jiān)測層.

為了對不同電氣故障點進行優(yōu)先級區(qū)分，可采用以下方法:

設電氣層中所有故障的集合為 E={E1，E2，…，En}，故障的先驗概率為

式中:i，j∈n;N(Ei)為故障發(fā)生次數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果.

故障的觀測值為

式中:Ei的故障狀態(tài) S(Ei)∈{0，1}.

對正在發(fā)生的故障按照觀測值大小順序排列，隊列中的序號即是該故障的優(yōu)先級.故障診斷程序優(yōu)先報送發(fā)生頻率高的故障信息;動態(tài)計算故障優(yōu)先級，同一個故障在不同序列里的位置會存在差異.

功能故障，是指機構(gòu)裝配、零部件加工誤差、機械磨損等問題引起的功能失效或性能降低，這類故障在重新標定參數(shù)后可以解決.機械故障，是指變速箱故障、執(zhí)行機構(gòu)故障、液壓系統(tǒng)故障等引起的問題.機械故障產(chǎn)生的原因不容易確定，在線診斷很難獲取特征信息，并且處于故障傳遞的根節(jié)點位置，與功能故障存在耦合關系，很容易出現(xiàn)定位失敗的問題.在AMT系統(tǒng)運行的過程中，由于系統(tǒng)的功能故障是可監(jiān)測的，可以設置觀測點，在不考慮故障原因的情況下每個觀測點單獨對某一功能狀態(tài)進行評估，可以減少判斷過程的復雜程度.根據(jù)不同系統(tǒng)功能的獨立性對故障進行隔離，在具有相關性的故障傳遞路徑上使用數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果和專家意見生成故障先驗概率來幫助定位.在故障診斷結(jié)構(gòu)中定義為故障推理層，通過先驗概率和條件概率進行推理，即已知在事件A發(fā)生時事件B的發(fā)生概率，計算在事件B發(fā)生的條件下事件A的發(fā)生概率，計算方法如式(3)、式(4)［2］所示.

確定條件概率后，在獨立性定義假設下，有貝葉斯公式:

AMT故障診斷解耦合推理的過程以圖2所示為例.圖中電氣監(jiān)測層的所有節(jié)點是可觀測的，采用獨立計算的方式進行判斷.如果電氣監(jiān)測層出現(xiàn)故障報警，則不進行故障推理層的計算.在故障推理層只有觀測點A、B、C、D可觀測，A是B、a1、a2的子節(jié)點，B是C、D的子節(jié)點，C是c1、c2的子節(jié)點，D是d1、d2的子節(jié)點.當某個觀測點的狀態(tài)是隱性時 (數(shù)值為0，無故障)，虛線代表的繼承關系斷開，不進行相關分支的條件概率推理.

圖2 AMT選擋動作異常的診斷過程

4 解耦合推理

以圖2所示為例，假設AMT系統(tǒng)出現(xiàn)無法選擋的情況，電氣監(jiān)測層無報警信息，故障推理層的觀測點 A、B、C、D都為顯性(數(shù)值為1，有故障)，在這種情況下對故障原因進行推理.

首先需要獲得故障集合內(nèi)所有故障節(jié)點的先驗概率.該項數(shù)值是后續(xù)推理計算的輸入信息，需要根據(jù)長期的故障信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)及專業(yè)領域?qū)＜?、技術人員的經(jīng)驗進行確定，如果先驗知識不準確將導致推理結(jié)果出現(xiàn)偏差.本例中故障點的相關信息如表5所示.

表5 故障點先驗概率

當觀測點的狀態(tài)為顯性，可以根據(jù)故障節(jié)點相關性對觀測點的先驗概率和條件概率進行計算，如表6所示.

表6 觀測點概率計算

使用公式(4)進行故障推理，結(jié)果如表7所示.

表7 故障推理結(jié)果

從故障推理結(jié)果可以看出，雖然參數(shù)標定錯誤的先驗概率大于供油系統(tǒng)故障，但是在4個觀測點都報警的情況下進行概率推理，供油系統(tǒng)故障的發(fā)生概率明顯高于參數(shù)標定錯誤，最有可能是導致故障的原因，該故障優(yōu)先級最高.

根據(jù)上述原理設計的AMT系統(tǒng)故障診斷程序在某型AMT產(chǎn)品上進行應用，取得比較好的效果，尤其在變速器本體出現(xiàn)機械問題時故障定位比較準確、判斷過程滿足實時性要求.圖3所示為實際應用中的一次故障判斷.AMT系統(tǒng)在掛倒擋時換擋動作失敗，通過故障點和故障原因得知，當前概率最大的原因是變速箱倒擋頂齒.駕駛員重新進行操作后掛擋成功、故障消失，證明故障原因判斷準確.

圖3 AMT系統(tǒng)故障實例

5 結(jié)論

在對AMT故障節(jié)點進行耦合性分析的基礎上，提出了具有兩層結(jié)構(gòu)的故障診斷解耦合設計方法，采用不同的算法進行電氣監(jiān)測層和故障推理層的故障判斷.故障率較高的傳感器和電磁閥在電氣監(jiān)測層中進行檢測，采用分布式計算方法，每個節(jié)點獨立運行，可有效減少輸入信息的數(shù)量、降低算法的復雜度，提高診斷的實時性和準確性;在故障推理層中根據(jù)觀測點的相關性對關系網(wǎng)絡進行動態(tài)劃分，單獨計算觀測點狀態(tài)，使用故障先驗概率密度動態(tài)計算的方法對故障進行解耦合推理，解決了AMT系統(tǒng)機械故障特征難以獲取的問題.該方法在實際應用中獲得了較好的效果，表明該方法正確可行.

［1］李海軍，馬登武，劉 宵，等.貝葉斯網(wǎng)絡理論在裝備故障診斷中的應用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2009.

［2］王雙成.貝葉斯網(wǎng)絡學習、推理與應用 ［M］.上海:立信會計出版社，2010.