李志偉，韓宇石，王景霞，王 葉，衣 超

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

為提高車輛的安全性和可靠性，應對AMT系統自身狀態(tài)進行故障監(jiān)測和診斷隔離，當故障發(fā)生時根據故障類型采用相應的容錯措施，實現功能降級控制，使故障車輛仍具有一定的行駛能力，避免對人員和設備造成傷害.其中，在離合器控制和換擋過程中，轉速信號是AMT控制系統的重要參數之一，轉速信號的正確性對AMT系統的安全性至關重要，因此開展AMT系統轉速信號的故障容錯技術研究.

1 自動機械變速器工作原理

自動機械變速器(Automated Mechanical Transmission，AMT)是在定軸式機械變速器的基礎上，通過加裝電控系統和執(zhí)行機構，實現自動換擋過程.AMT系統以電子控制單元(Transmission Control Unit，TCU)為核心，通過采集駕駛員的操縱(油門踏板、制動踏板)和車輛運行狀態(tài)(車速、發(fā)動機轉速、變速器輸入軸轉速)，采用相應的控制規(guī)律，發(fā)出控制指令，借助于執(zhí)行機構，完成離合器分離、接合以及變速器選、換擋動作，實現換擋過程的自動化，AMT系統原理如圖1所示.

圖1 AMT系統原理圖

2 轉速信號故障診斷

2.1 轉速信號故障對AMT系統的影響

在AMT系統運行過程中，轉速傳感器信號是AMT換擋及離合器控制的重要參數，其中包括發(fā)動機轉速、變速器輸入軸轉速和輸出軸轉速.變速器輸入軸轉速用于離合器過程控制，離合器接合過程理論上可以分為3個階段，即空行程階段、滑磨階段和同步接合階段.若輸入軸轉速出現故障，TCU無法判斷發(fā)動機和輸入軸轉速的同步狀態(tài)，系統將一直處于滑磨階段，車輛無法實現正常起步，并導致離合器異常磨損或燒蝕.輸出軸轉速信號用于擋位決策和換擋過程中的發(fā)動機調速控制，若輸入軸轉速出現故障，AMT系統會出現亂擋或發(fā)動機調速失效等情況，嚴重影響AMT車輛的行駛安全性.

2.2 轉速信號的故障診斷策略研究

根據信號的物理特性，轉速信號值應處于一個合適范圍內，且是一個連續(xù)變化的過程，當不滿足允許條件時，TCU判定轉速信號出現故障，轉速傳感器信號不正常主要表現在以下3個方面:

1)轉速信號值超出了正常范圍，如發(fā)動機和輸入軸轉速在0～2800 r/min之間，輸出軸轉速在0～3900 r/min之間;

2)轉速信號值突變，即信號的變化率較大，正常情況下前后兩個采樣周期的轉速差不會超過100 r/min;

3)轉速信號值一直維持在某一個值不變，因為正常的情況下轉速信號值都在最大值和最小值之間波動.

基于轉速信號的時頻特性，搭建了轉速故障診斷的控制模型，如圖2所示.其中INP_SignalIn是轉速信號數值，MaxSpeed為轉速信號時域最大值，MinSpeed為時域最小值，MaxdltSpeed為轉速信號變化率上限，ConstantThr為可接受變化范圍，其余參數為轉速信號故障檢測和診斷結果的狀態(tài)參數.

圖2 轉速實時故障診斷模型

2.3 轉速故障的解析冗余方法研究

解析冗余是指系統中部件的輸入、輸出在功能上具有的冗余性.利用不同部件間的解析冗余關系對某部件進行故障診斷.當某部件發(fā)生故障時，將其全部或部分功能由具有解析冗余關系的其他部件來代替完成.基于解析冗余先驗知識的故障容錯是提高系統可靠性的有效方法.

在AMT系統工作過程中，在離合器接合、變速器擋位為非空擋的情況下發(fā)動機轉速Ne、輸入軸轉速N1和輸出軸轉速N2之間存在著如下解析冗余關系:

式中:i傳為發(fā)動機與變速器之間傳動比，ig為變速器某擋位的傳動比.

用△Ni來表示上述3個等式的差值，即:

假設兩個或兩個以上傳感器信號故障是極小概率事件，因此主要研究單個轉速信號故障的情況，從而形成相應的專家知識庫，如表1所示.

表1 轉速信號故障診斷解析冗余邏輯表

3 轉速信號故障容錯策略

當轉速出現故障時，應用發(fā)動機轉速Ne、輸入軸轉速N1和輸出軸轉速N2之間的解析冗余關系，對故障轉速信號進行重構.若解析關系不成立時，則將故障轉速信號設定為故障發(fā)生之前的常量，從而實現降級處理，保證AMT控制系統的最低需求.其中發(fā)動機轉速通過整車CAN總線獲得，隸屬于其它部件，故不對其進行故障容錯.當輸入軸轉速信號出現故障時，將輸出軸轉速乘以當前擋位傳動比代替輸入軸轉速，若處于換擋過程則應用換擋前一時刻的輸入軸轉速值;當輸出軸轉速出現故障時，將輸入軸轉速除以當前擋位傳動比代替輸出軸轉速，若處于換擋過程則應用換擋前一時刻的輸出軸轉速值.轉速信號故障容錯策略模型如圖3所示.

圖3 轉速故障容錯策略模型

4 試驗驗證

將所設計的AMT轉速信號故障診斷和容錯策略在某輪式車輛上進行了試驗驗證.輸入軸轉速故障診斷及容錯試驗數據曲線如圖4所示，圖(a)為目標擋位和實際擋位，圖(b)為輸出軸轉速信號，圖(c)為發(fā)動機轉速和輸入軸冗余轉速.試驗前，拔除輸入軸轉速傳感器的插頭，傳感器的信號值一直為零.啟動發(fā)動機，由于離合器處于接合狀態(tài)，故此時的輸入軸轉速等于發(fā)動機轉速，運用轉速信號時域閾值和冗余解析關系，判斷出輸入軸轉速信號異常.駕駛員推動手柄換上起步擋車輛開始起步，TCU計算輸出軸轉速乘以起步擋傳動比的值，并將其替代輸入軸轉速信號.在換擋過程中，由于輸入軸和輸出軸的轉速冗余關系不成立，因此輸入軸替代值采用換擋前一時刻的轉速值，換擋結束后，恢復為輸出軸轉速冗余值.同理，也對輸出軸轉速傳感器故障進行了試驗驗證.試驗結果表明，AMT轉速故障診斷和容錯策略能實時監(jiān)測各轉速信號并對故障進行在線識別，并通過CAN總線向整車發(fā)送故障報警信息，從而保證發(fā)生轉速信號故障時車輛能夠正常行駛，極大地提高了AMT系統的可靠性和可維修性.

圖4 輸入軸轉速故障診斷及容錯試驗數據曲線

5 結論

根據自動機械變速器的工作原理，研究和設計了AMT系統轉速信號故障診斷及容錯策略，在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下搭建了某輪式車輛AMT轉速故障診斷與容錯模型，并進行了試驗驗證，結果表明轉速信號故障容錯策略能有效地實現故障診斷和信號重構功能，大大提高了AMT系統的安全性和維修性.

［1］蘇玉剛，曹長修，楊志剛.機械自動變速器的故障自診斷和容錯控制［J］.重慶交通學院學報，2002，(2):103-107.

［2］黃 華，席軍強，周圣硯，等.氣動AMT系統故障診斷研究［J］.北京理工大學學報，2009，(7):587-591.