降双离合器自动变速器故障诊断及处理研究

　　近些年，电控及通信技术飞速发展，主要有应用于汽车发动机的涡轮增压技术、应用于悬架系统的电动控制技术、应用于刹车装置的防抱死制动技术、应用于系统间的CAN总线网络技术以及双离合器自动变速器技术。上述新技术的应用使得汽车的性价比及舒适程度得到提升，但这些技术的实现则要求我们的控制系统要具有更优秀的控制准确度及可靠性。早在2010年的时候，汽车的产销量处于世界第一的是中国，当年产销的数据都大于1800万辆。随着车辆拥有量的增加，车辆用户越来越要求车辆的舒适性、自动换档等，并且自动变速器的使用变得越来越高。目前，在汽车上安装的自动变速器可分为自动变速器（简称AT）、无级变速器（CVT）和自动机械变速器四种类型。称为AMT）和双离合器变速器（DCT）[1-3]。在所说的几种变速器里，其中DCT发展很快，是被大家所认可的最佳的自动变速器，这是因为其具有高传动效率、换挡过程中冲击力不大且动力连续，同时兼具低油耗等优点。在某些方面，DCT并不能说完全优秀，无缺点，比如DCT是一种机械、电气和液压集成产品，在车辆行驶过程中发生故障的准确及时的故障诊断和预处理。为了提高车辆的可靠性和安全性，有必要提出相应的故障应对方案。为使DCT的控制性能的容错能力及使用维护效率得到提升，对该系统实行在线故障诊断、过程故障监测、保存告警信息及故障代码等措施显得尤为重要。本文主要研究DCT故障诊断和故障排除。以DCT组件为研究目标，探索适合DCT系统的在线故障诊断新方法，该方法融合了基于信号分析技术、冗余分析技术及状态反馈技术等故障诊断方法。具体实行过程中，若遇故障，会有对应的故障处理措施，并以已经约定好的故障代码来储存故障信息，为车辆的维护保养提供处置信息。通过本文的研究探索，能在一定程度上从理论上指导DCT的产业化发展，具有重要的实际意义。

　　1.2.1 DCT国外发展现状

　　早在20世纪30年代后期，动力换挡变速器这一概念第一次由德国专家Rudolph Franke提出。后来，关于双离合器自动变速器的专利授权第一次由KegReS.A.获得，基于当时技术不够成熟，要想实现大规模生产几乎不可能。20世纪90年代后，大众和博格华纳共同开发了新一代的直接变速箱（DSG）；2003，大众推出了图1.2所示的6速DSG变速器并开始形成规模化生产，使得双离合自动变速器应用于大众轿车成为可能。有了大众及博格沃纳汽车的示范之后，与DSG技术相仿的变速器先后在法拉利、雷诺及其他汽车公司得以实现。与此同时，具有独立知识产权的DCT样机在德国瑞威公司诞生；福特公司还开发了许多湿式双离合器自动变速器，这种变速器已应用于福特的许多车型，并已得到市场认可；舍夫勒的7速干式双离合器自动变速器有B级变速器。受大众青睐，应用于Sigtar模型如图1.3所示。目前，双离合器自动变速器可在福特福克斯，奥迪A6，大众MaGATON，大众新帕萨特，大众Laviga，大众速腾，和别克EnCORE。

　　1.2.2 DCT国内发展现状

　　受到历史发展的局限性限制，我们国家汽车工业起步晚，技术与国外相比差距较大，尤其在自动变速器自主研发方面。现如今，受到国外相关国家技术壁垒的制约，高技术含量的变速器核心技术被小部分国外汽车制造商及零部件供应商所掌控，无法为我们所用。许多国内汽车制造商和研究机构增加投资力度用于DCT系统的开发研制。2006年，乘用车的DCT技术被列为汽车行业在“十一五”期间内的重大科技项目；在2008年的时候，国家发展和改革委员会的领导下，中国友谊投资公司和由许多主要汽车公司组成的博格沃纳汽车公司，分别按一定比例，共同投资组建了博格华纳联合传动系统有限公司；早在2009年伊始，Geely在一次大型车展上展示了7速DCT。这也是我国首台具有自主知识产权所开发研制的DCT系统。2009年，江淮汽车有限公司在安徽省的资助扶持下，开始进行湿式DCT系统的研发。2010年年末，杭州依维柯公司生产了一条干DCT生产线，年产量100000台。2013，上汽公司在新发布的ROEWE 950上采用了自主研发的DCT；2015年底，JAC开发了一种技术先进的6速DCT，它不劣于国外产品，并将成功应用于一个模型。另外，清华大学等高校通过在对C公司及整车制造业的优势资源进行整合的基础上，对DCT的核心技术开展了较为深入的探究工作。进而为DCT技术的产业化奠定基础，为我国实现具有自主知识产权研发该系统提供技术保障。

　　2.1.1 DCT结构形式

　　DCT系统是在手动变速器的基础上发展而来的，系统内齿轮具有奇偶数之分，并分别与两个离合器各自的输入轴进行连接，换挡过程由离合器的切换来实现。DCT的结构根据轴与齿轮的排布构造的不同，可划分为两轴结构和三轴结构。三轴DCT具有短的轴向长度，适用于前驱动车辆。然而，它的机械结构是复杂的。双轴DCT机构比三轴DCT简单，但由于其长的轴向长度仅适用于后驱汽车。图2.1和图2.2示出了三轴和两轴DCTS。

　　

　　②传感器

　　在DCT系统中使用的主要传感器有：油门踏板传感器、发动机转速传感器、换档杆传感器、制动踏板位置传感器、变速箱液压系统主压力传感器、离合器压力传感器、换档拨叉位移传感器、速度传感器、离合器温度传感器、变速器。锡油温度传感器等。

　　1)加速踏板位移传感器

　　加速器踏板位移传感器的物理结构见图2.6，其作用在于感知驾驶员的操作意图。

　　该传感器的主要构件是旋转线性滑动电阻器。而滑动电阻器中的滑块由加速器踏板承担。在滑动电阻器上加载一定的电压值，此时踩下踏板，由滑动变阻器原理可知，处于两头的电阻值会改变，进而导致电压值改变。总所周知，滑动电阻器实为一个线性元件，为此加速踏板的实际张开程度可由测量滑块的端电压及阻力并进行线性变换来得到。在目前所使用的自动变速器里，油门踏板位移传感器信号主要由电子控制单元（ECU）收集，然后通过CAN总线将实际的油门开度传递到TCU。另外，换档杆传感器与换档拨叉位移传感器的工作原理和上述工作原理基本一致，在此不作介绍叙述。

　　2)转速传感器

　　与DCT系统相关联的速度传感器包括发动机转速传感器、变速器奇数轴速度传感器、变速器偶数轴速度传感器和变速器输出轴速度传感器。每个速度传感器是霍尔效应型，其中ECU收集发动机速度传感器信号，然后ECU通过CAN总线将发动机速度信息发送到TCU。图2.7示出霍尔效应型速度传感器的工作原理。

　　③执行机构

　　DCT系统主要包括以下执行器：

　　1）液压系统的主压力控制阀：逆比例阀，感知车辆和变速器的状态进而实现液压系统的主油路压力控制；

　　2）离合器控制阀：高速开关阀，实现离合器的状态及压力的过程监控；

　　3）离合器润滑阀：反比例阀，主要用来监控离合器的压力，避免温度超限；

　　4）换档电磁阀：一种普通开关阀，实现换挡回路的开关状态控制及齿轮的动作操控。

　　在本文中，我们将分析新型八速DCT如何通过使用从N块到D1块和D1块到D2块的两个移位过程，随着速度的增加实现自动传输。变速器在汽车的前面。在N块中，离合器C1和C2以及变速器中的制动适配器B1和B2的状态都是非闭合的。且同步器T1、T2和T3的位置状态不能进行功率传递。当汽车发动的时候，TCU发送D1停机控制指令，这个发送过程由电动液压伺服控制及执行系统来完成，通过该指令使变速器的机械变速器传动系统得以运转，其动力来源于发动机。NPUT轴此时，形成相应的D1。传动比的输出，同步器T1应转到左侧位置，中间轴上的同步器T2应到位，以完成D1齿轮的预置传动。此时，同步器T3保持中立位置，然后将中间轴上的制动B1接合（行星齿轮系的齿圈I与变速箱固定连接），以形成与D1齿轮的传动比相对应的功率输出。图2.10示出了D1块的动力传递路径：输入轴D1、D2、D5、D6齿轮G3-D1、D5齿轮G5中间轴I行星齿轮I中间轴I主减速齿轮G10主减速齿轮G16输出轴。当车辆用D1齿轮驱动时，同步器T1、T2、T3的位置分别位于左、右和中间状态，离合器C1、C2处于脱离状态，制动器B1、B2分别处于接合状态和脱离状态。随着车辆速度的增加，D1块移动到D2块中。在换档期间，TCU首先分析实时车辆速度和节气门开启信号，以确定D2块的换挡点。当换档时间接近时，立即发出D1 D2挡位指令，完成D2档位换档：向电动液压伺服控制执行系统发出换档指令，最后作用于机械传动系统，使同步器的位置同步。T3是从中立位置。在左边，D2预置是成功的，这可以缩短实际移位时间到达时所花费的移位时间。在等待TCU判断D1向上D2的实际换挡时间到达后，仅需发出控制指令使制动器B1慢慢脱开进而使D1动力传递结束。在这个过程的同一时刻，制动器B2发生衔接建立D2动力传递，这样使得整个换档过程中动力连续，从而大大提高换档效率。输电线路由原来的D1传输线路逐渐过渡到图2.11所示的D2传动输电线路：输入轴D1、D2、D5、D6驱动齿轮G2-D2、D6驱动齿轮G6中间轴II-行星齿轮II-中间轴II m。AI12减速齿轮G12-主减速齿轮G15-输出轴。在完成D2功率输出后，所要做的是去掉D1的齿轮预置，TCU要输出能让机械传动驱动系统启动的控制指令，即同步器T2返回到中性位置，然后D1齿轮TH。在D2块，整个换档的过程结束。综上所述，本文所探究的新型8速双离合自动变速器的换档过程可归纳为：预置“换挡”、“脱开档”功率输出、“换挡”动力输出、取消“换挡”（挡位滞退）。

　　根据以上分析，DCT变换方式大大提高了功率传输效率和换档品质。当车辆在换档完成后在D2齿轮中移动时，下一个换档是减速至D1或D3至D3。D1和D3齿轮都装在中间轴I上，齿轮预设的D1和D3都由同步器T2控制，所以同步器T2可以控制与相应的D1和D3齿轮啮合，完成D1和D3齿轮预置；当达到换档点时，THE D1和D3齿轮功率被控制。输出制动器是B1，它独立于控制D2的功率输出的制动器2。因此，由于两个制动器的交替组合和分离，可以在不中断的情况下保持变速过程中的动力传递。这正是研发新DCT系统的初衷。两相邻齿轮分别配装在两副轴上，相邻齿轮的齿轮预置和功率输出控制分别由不同的同步器和离合器控制。

　　故障树分析（FTA）能对系统的故障事件间的逻辑关系进行分析，并能够对其中的薄弱环节进行明示，是一种具有代表性的已系统知识为分析手段的故障诊断方法，也是图形推理法的一种。因此，在进行逻辑关系表示时，要用到某些规定的图形及标记。这里所说的标记及术语一般包含有逻辑门、事件及过渡符号等三类。关于标记及术语的介绍，如下所述。

　　（1）顶部事件：顾名思义，在故障树中，顶部事件位于顶部位置。在利用这种方法进行故障分析时，都是从顶部事件入手，并逐步递归开展。该类事件被定义成最严酷的故障事件，是最不愿意其发生的事件类型。通常以矩形来表示。

　　（2）中间事件：介于顶部事件与底部事件之间，作用在于承接上下关系。它既是逻辑门中的输入，也是另一个逻辑门的输出。通常用矩形来表示。

　　（3）底部事件：底部事件被称为底部事件，因为它位于整个故障树的底部。底部事件通常可分为基本事件和未经证实的事件，在某些情况下，它可诱发其它事件发生。

　　（4）基本事件：包含于底层事件范畴内。已确定或尚未确定但仍有待确定的底部事件是基本事件。它充当整个故障树的基本元素，通常以圆来表示。

　　（5）和AND门：要想逻辑门的输出事件发生，这种情况只有在所有相关输入事件都发生时才有效。

　　（6）或门：指的是在所有相关逻辑门输入事件中，只要有一个输入事件发生，那么输出事件就发生。

　　（7）非门：非门指的是逻辑门的输入事件与输出事件呈互相背离的关系。

　　综上，上述基本符号和术语，列于表3.1中。

　　在故障树构建过程中，首先需要确定顶部事件，然后从顶部事件开始，根据优先级顺序检测每个事件发生的所有可能原因，并且通过事件符号和日志准确地表示各种关联。IC门符号。我们所要达到的最终目的是把故障树的所列出的那些分支分析到每个事件。在进行故障树创建时，为了使其简化，要省略掉一些无关紧要的事件。另外，进行定性分析主要是为了得到最小割集。最小割集法主要分为上行链路方法和下行链路方法：上行链路方法是利用布尔算法来消除冗余部分直到扩展过程中的底部事件；下行链路方法是用输入EV代替输出。在事件的情况下，当门被选通时，输入被水平写入。当门被或选通时，将输入从割集中移出，直至全部转化成底部事件。通过运用相关操作方法使得结果变得更加的简单。定量分析法主要是为了计算发生顶部事件的可能性，而这个可能性主要是运用各个割集发生的可能性来进行运算。

　　由于全世界的汽车水平不断地在提高，安装能够判断自己出现故障的系统出现的概率也比较高。如果一个车子在发生故障的时候，维修人员就能够很快的通过这个系统的故障来判断到底是哪一个地方出现问题。可是，按照目前的技术水平，这个系统还是无法准确的判断机械故障。汽车里的一些器件出现问题，比如，最常见的自动变速器，它就有可能发生离合器磨损等等情况，又或者是发生油压不正常的情况，这时候自测系统就不能发挥正常功能。所以，如果车上安装了DCT系统，其故障自诊断功能就不能在变速器出问题时发挥作用，不能实现问题地方快速查找，那些存在的机械或液压系统问题就要依靠维修人员的专业知识或者已有经验来进行诊断了，通常情况下，所存在的技术风险及难度都很大。装备有DCTS的车辆需要在各种道路条件下频繁换挡（尤其是城市拥挤道路）。如前一节所述，DCT移位依赖于2个离合器、2个制动适配器和3个同步器。组合不同的逻辑动作，每个齿轮的动力在进行传递时，都有对应的机构与之适应。当我们在进行换挡操作时，离合器的状态在反复变化，这种变化包括咬接、断开或持续性半接触，这样的情况使得磨损增加且相应的摩擦系数也减小。同样地，当TCU进行相关指令发送后，同步器和其它相关执行机构就会在电磁阀的驱动作用下，进行反复动作，造成其运动量增加。在进行DCT换挡操作时，需要有多个部件联动进行，各传动机构对应的动力传递路径上的每个小故障都可能导致换档失败。综上所述，DCT换档过程中存在三种常见故障模式：挂轮不能行驶，传动不能上移，换档质量差。当齿轮被挡和上挡不能执行时，齿轮无法正常工作，会严重影响到车辆的正常运行。上面说到的故障模式就是我们通常讲的无移位模式。模糊故障树分析方法将被用于关注这一问题。

　　3.3.1故障树的建造

　　DCT系统出现移位不反馈可以从机械、电子及液压系统上进行原因分析。其中机械系统出现故障的点一般可能发生于同步器、离合器、制动器等。电子控制系统发生故障的点可能出现在的部位有，传感器、内部线路及相关控制单元等。而液压系统出现故障的点一般可能发生于液压不正常、油回路不密闭、阀体不畅通和电池阀异常。本小节主要从机械和液压系统入手，对其故障树进行重点分析。

　　故障树是建立在一个“移位无响应”故障。顶部事件定为“无移位”。以DCT系统的结构及工作原理为基础，利用演绎法按相关逻辑逐层推理，我们可以知道引起该顶部事件的原因，可以归结为三点。首先，该故障树中包括同步器不响应，离合器不响应，同步器和离合器响应但无输出三个中间事件，它们中的每一个都有引起顶部事件的可能性，三者是“或门”的关系。其次，对上述三个事件分别进行分析，它们中的每一个还可以具有两个或多个中间事件，对其进行逐个按顺序分析，直至所有底部事件都分析到。它总共有5个底部事件。这样，所有事件级别和它们的逻辑关系由相应的事件符号和逻辑门符号表示。由此产生的故障树如图3.2所示。具体的事件代码如表3.2所示。

　　鉴于方便讨论的因素，我们将DCT系统内四个转速传感器设为：发动机转速Ne、轴转速奇数N1、轴转速偶数N2、变速器输出轴转速NUTE。从DCT系统的特点出发，各速度信号间存在的解析冗余关系如下：

　　1)车辆静止阶段

　　2)车辆起步阶段

　　式2中，ig为对应挡位传动比。

　　3)车辆以奇数挡运行阶段

　　4)车辆以偶数挡运行阶段

　　在上面说到的某一运行区间内，倘若DCT故障诊断系统与转速传感器和其它转速信号间解析冗余关系不匹配，则相关传感器出现不正常情况的频率加一。当不正常次数超过200次时，DCT系统会将故障标志设为1。图4.6展示了其详细的诊断流程。

　　②转速传感器故障处理策略

　　当DCT系统监测到故障标志为1时，相关处理措施如下：

　　1）开启故障指示器，存储故障代码，由相关控制程序进入故障模式；

　　2）当发动机转速信号出现异常时，DCT系统以第一档工作。在车辆开启时，离合器在开环模式下进行衔接，而当轴速度传感器出现异常时，输出轴速度信号是DCT系统的使用对象；倘若输出轴的转速传感器异常不工作，DCT系统会通过可正常进行动力传递的轴予以输出转速计算。

　　3.2.3 CAN通信故障诊断及故障处理

　　①CAN通信故障诊断策略

　

　　当DCT系统检测到相关故障标志后，相关处理措施如下：

　　1）存储故障代码并由相关联的控制程序进入故障模式；

　　2）油门的踏板信号由DCT系统通过发动机节气门开启信号予以替代，此时运行在第二档。

　　通常情况下，DCT系统发出控制指令，同时也能获得相应的反馈信号，从而使故障诊断方法具有状态反馈特性，进而应用于主压力控制阀，离合器CONT。

　　3.3.1主压力控制阀故障诊断及故障处理

　　①主压力控制阀故障诊断策略

　　当主压力控制阀及传感器工作正常时，二者间的状态反馈信息为：主压力信号的控制指令是DCT系统向主压力控制阀输出的。主压力的控制压力标的在在0.5秒时间内是基本一致的。倘若在0.5秒内测得的主压力信号与标的压力值间差异较大且超出规定范围，同时出现次数多达20次，则DCT系统将故障标志设为1。图4.8展示的详细的排故流程。

　　由于已知的离合器摩擦系数、液压油粘度和油温，离合器变速器扭矩和离合器压力大致成比例。当DCT工作时，DCT控制系统将离合器需求转矩转换成相应的离合器目标控制压力，并控制离合器控制阀。因此，离合器目标控制压力与实际离合器压力和离合器状态之间存在以下状态反馈关系：

　　1）实际离合器压力应与离合器目标控制压力一致；

　　2）离合器的实际状态（分离、滑动、完全接合）应与离合器目标控制压力一致。

　　②离合器压力传感器故障处理策略

　　当DCT系统监测到的故障标志时，则该系统会以下列方式处理问题：

　　1)准确无误的开启该故障对应的指示灯，并对该故障的对应代码进行存储，同时让与故障相关的程序处于故障模式；

　　2）在对离合器进行控制时，不在利用故障传感器信号作为校正或反馈控制，而是利用其具体状况来实现控制使其啮合。

　　4.3.4离合器润滑阀故障诊断及故障处理

　　①离合器润滑阀故障诊断策略

　　离合器润滑阀的问题检修是通过DCT体系的离合器的润滑阀开启后，二个离合器的温度变化情况的状态来反应的。

　　若润滑阀开启后，时间＜30s，温度＞10℃，不正常事件书=4，则DCT问题诊断润滑阀发生问题标志变为1。如何排除问题及详情见图4.11。

　　②离合器润滑阀故障处理策略

　　当液压系统中的离合器发生润滑方面的故障，并标志是1，同时该标志被DCT系统检测到，则该系统会以下列方式处理问题：

　　1）准确无误的开启该故障对应的指示灯，并对该故障的对应代码进行存储，同时让与故障相关的程序处于故障模式；

　　2）DTC将暂停对润滑阀控制操作，会全负荷润滑并对离合器降温。

　　DCT是一种新型的自动变速器，它结合了MT和AT的优点，其换挡是由两个离合器间切换完成，从根源上避免了AMT在换挡中出现的电源无法供电问题。当下，DCT已是自动变速器方面的新星和热点，其载重率也在不断提高。研究DCT故障诊断和故障处理有助于提高DCT操作的安全性和稳定性，提高故障诊断率，缩短维修时间。本文在三种方法的基础上（1、信号分析的问题诊断方法，2、分析冗余的问题诊断法，3、状态反馈问题诊断法）对DCT组成进行探讨。对DCT、DCT控制系统和故障诊断系统各组成部分的故障诊断策略进行了协调策略。

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　　在进行毕业论文的这3个月里，是我整个大学生涯里涉及面最广、时间跨度最长、工作量最多的一个学习机会。老师说通过此次毕业论文能够把之前学习到的课程知识都进行有效的运用，如果能够将所有小课的精髓全部领悟，具备较强的逻辑能力，那么就可以高效地完成这个毕业论文。

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