車載狀態監測與故障診斷系統應用探討

劉居榮 彭 誠 劉子勵

（北京福田戴姆勒汽車有限公司技術中心，中國 北京101400）

0 引言

中國汽車工業協會發布的數據顯示中國汽車銷售意外加速增長，2013年汽車產、銷2211.68萬輛和2198.41萬輛，根據公安部提供的數據，截至2013年底，我國汽車保有量達1.37億輛。汽車在帶給我們方便快捷的同時也帶來了能源消耗環境污染及交通安全事故，如何充分發揮汽車的功能以及減少其負面效應是我們汽車行業的當務之急。從制造角度來看，我們可以嚴把質量關，提高產品質量水平，推廣應用新技術，增加汽車技術含量，從而提高汽車的可靠性；當然我們也可以從車輛使用維護過程中挖掘潛力，采用各種檢測、測量、監視、分析和判別方法，掌握汽車的運行狀態，對汽車做出評估來達到我們的目的；機械設備狀態監測和故障診斷技術在保障石化、冶金、鋼鐵和電力等流程工業中的機械設備安全、可靠和高效運行方面起到了重要的作用，近年來一直是一個重要的研究方向，現在是可以把它借鑒到汽車行業的時候了。

1 車輛維修狀況分析

1.1 故障維修

目前我們普遍采用的一種維修方法，等到車輛出現了故障并且被發現了才進行維修，其受人為因素影響很大，部分車輛問題能夠被及時判斷，并及時維修而不至于發展成大故障，而另一部分車輛問題被粗心大意的人忽略，得不到及時維修進而演化成零部件受損，造成半路拋錨，甚至釀成交通事故。

圖1 正態分布性質

1.2 預防性維修

即定期維修也稱做定期保養，在車輛行駛一定的里程或經過一段時間，在車輛還沒有出現故障時就進行維護的一種方式，這對減少汽車故障起到了積極的作用，目前所有的汽車生產企業在車輛售后服務說明中都有詳細的規定，例如北京福田戴姆勒汽車有限公司規定：免費強制保養期限及里程為，自購車之日（按發票購車日期）60天內或行駛里程(2000－2500)千米(以先到者為限）；定期保養期限及里程為，公路用車每8000－10000千米或3個月保養一次（以先到者為限）；非公路用車每2個月保養一次。保養中主要消耗品更換情況為：發動機機油每行駛1至2萬千米（視發動機型號不同及車輛使用條件不同而定）或每6個月更換一次。看到這個保養規定我們許多人一定會認為所有的車輛都不會出現故障了，其實不然，盡管我們已在生產過程采用了精益生產原理進行質量控制，從正態分布性質圖（圖1）我們可以看到還會有0.03%左右的車輛會出現故障，對全國而言就是有四百多萬輛車在帶病運行（假設車輛都按要求進行定期維修），反之就有99.97%的車輛進行了過渡維修，也浪費了大量的石油資源，例如發動機機油，我們的更換周期比國外同類車輛短一半左右，也就是說我們的消耗量是人家的一倍。對于一些需要拆解的定期維修，由于受到人員技術素質和設備條件的影響，也可能產生越修越壞的現象，而對于一些精密偶合件，可能產生破壞其配合效果，造成性能下降。

1.3 狀態維修

一種新的維修方式，由定期維修變成定期檢測車輛的運行狀態，根據車輛狀態變化的程度，在故障發生前的某個時間內做好檢修準備，有針對性地、有計劃地安排停工修理，即按需維修也是本文探討的重點。

2 車載狀態監測與故障診斷應用分析

2.1 狀態監測應用基礎分析

隨著新技術的不斷推廣，汽車電子的發展主要集中在動力總成、底盤控制、車身控制、主被動安全、汽車網絡、通信系統、安全與防盜等方面，并呈現出功能多樣化、技術一體化、系統集成化和通信網絡化的特點。汽車電子控制系統ECU電控單元、CBCU中央控制單元、ABS防抱死、ASR驅動防滑、EBD制動力分配、ESP電子穩定、GPS導航、CAN總線、TPMS胎壓監測、OBD故障診斷、CCS巡航、行駛記錄等已經接近普及（圖2）。

圖2 汽車電控系統模塊

汽車信息系統越來越龐大，遠遠超出如車速、里程、油壓、冷卻液溫度等相關范圍，逐漸向全面反映車輛狀態和行駛動態等功能發展。智能車身電子系統等提高駕駛舒適性的系統也在逐步推廣，例如，自動座椅調節系統、電子門鎖與防盜系統、全自動空調系統、智能前燈系統、汽車夜視系統等包括導航系統、語音識別系統等多媒體數碼產品將逐步應用到重卡的高端車上，通過電子智能傳感器把信號送入系統中央控制器后，可以根據乘員的衣著和心理反應進行自動調節氣流溫度、流量、流動方向等，滿足各個乘員的舒適性。近幾年廣泛在大型客車、牽引半掛車、危險品運輸車上應用的行駛記錄儀，就可以記錄最近24～240小時的行車曲線，能夠記錄車輛行駛過程中的連續量車速、轉速、水溫、油壓、氣壓一、氣壓二、電壓和油量。能夠記錄車輛行駛過程中的報警量車速報警、轉速報警、水溫報警、氣壓一報警、氣壓二報警、電壓報警、油量報警、機油濾報警、燃油濾報警、水位報警、倉溫報警。能夠記錄車輛行駛過程中的開關量左轉向、右轉向、遠光、前霧、后霧、倒車、制動、胎壓、緩速、喇叭、車門動作等。由此可見汽車電子的逐漸發展，功能的日益強大，成本步步降低，這就為車載狀態監測系統應用奠定了扎實的基礎。

2.2 狀態監測的數據處理系統

車載數據處理系統是進行狀態監測的基礎，應能夠盡可能地節省投資，具備可靠性、實用的功能，操作簡便，較好的可擴展性和自開發性能。

對于已經具備多模塊電子控制系統的車型，或具備其中一個模塊控制系統的車型可以通過升級軟件，增加功能來處理狀態監測的數據；對于不具備上述條件的車型可以增加一個狀態監測模塊，來實現狀態監測與故障診斷的功能，并在故障臨界狀態時進行報警；實時或定期進行數據存儲及傳送，由車輛管理者、售后服務部門、研發部門進行后方評估，以確定對車輛的保養維修。

2.3 狀態監測的信息采集

狀態監測可以開展的內容很多，綜合各方面因素后認為先從節約資源與保障安全兩個方面開始，然后再逐步擴充（圖3）。

圖3 信息采集簡圖

2.3.1 節約資源，減少污染，降低費用

發動機是汽車的心臟，其工作狀態對整車的油耗、排放、動力起關鍵性的作用，通過對發動機氣缸壓力、油耗、排氣排放物、機油粘度、機油品質、機油中磨損顆粒物、主軸頸跳動或震動的信息采集，來分析判斷發動機的工作狀況，其中氣缸壓力、油耗、排放物在許多電控發動機上都已經具備了這些功能，我們只需要把這些信息轉移到狀態監測模塊進行處理就可以了，對于機油的監測可在油底殼里加裝相應的傳感器，主軸頸軸瓦處安裝跳動監測傳感器采集信息。

車輛的齒輪是主要部件，齒輪起著傳遞扭矩的作用，它們的異常振動是引起車輛故障的重要因素，因此進行齒輪異常振動信息采集，是對車輛齒輪狀態監測的一種方式。齒輪箱振動信號的一個重要組成部分是齒輪嚙合振動，它可通過任何介質和路徑傳播到齒輪箱甚至車輛的任何部件。在任何情況下，只要齒輪狀態發生變化，就會引起齒輪振動信號產生相應的變化。例如變速箱、分動箱、驅動橋、轉向助力泵等，利用傳感器在其箱體的外殼就可以測得反映齒輪狀態特征的振動信號。同樣軸承也是汽車的重要零件之一，軸承支撐著車輛的旋轉部件，承載著車輛的重量，發生磨損故障時，軸承零件的間隙會隨著磨損的加劇而不斷增大，這樣會導致在車輛運行時增大軸承的振動，在軸承的周圍增加傳感器就可以采集到信息。

2.3.2 減少事故，保障安全

在車輛行駛中，最難預防的就是爆胎問題，它會引起交通事故，對汽車輪胎氣壓監測，防止車輪爆胎。對制動蹄片、制動轂、制動盤磨損情況進行監測，防止其功能失效剎車失靈。對于制動鼓或制動盤、輪轂軸承溫度進行監測防止其溫度過高引起的火災，對于懸架系統可通過監測板簧變形來采集車輛載荷情況，以防止過度超載引起零部件損壞。

2.4 狀態監測的遠程通訊與遠程支持

因為汽車的流動性極強，所以車載狀態監測與故障診斷系統沒有像石油、化工、電力、鋼鐵等行業那樣應用廣泛，但隨著互聯網及移動通訊技術的發展，特別是移動3G、4G技術的普及推廣，為車載狀態監測與故障診斷系統遠程數據傳輸奠定了基礎。圖4展示了數據傳輸的基本模式。

車載中央處理單元接收各監測傳感器信息，進行處理并存儲，實時或定期通過衛星或手機將數據傳輸到車隊管理部門、汽車售后服務站、汽車制造企業研發部門數據庫，按照車輛VIN代碼自動存入該車數據庫，研發部門用針對各種車型編制運算程序，進行運算、分析、判斷，對車輛運行狀況作出評估。

3 結論

車載狀態監測與故障診斷系統能及時、正確、有效地對車輛的各種異常或故障狀態作出診斷，預防或消除故障；同時對車輛的運行維護進行必要的指導。確保可靠性、安全性和有效性。

制定合理的監測維修制度，保證車輛發揮最大設計能力,同時在允許的條件下充分挖掘車輛潛力，延長其服役期及使用壽命，降低車輛全壽命周期費用。

圖4 通訊簡圖

遠程狀態監測與故障診斷系統是設備診斷技術與通信技術、網絡技術、計算機技術以及控制技術相結合的產物，能夠方便地實現企業內部、行業內部、甚至更大范圍的診斷數據和知識的共享，用車企業界則可以利用它為生產企業研究機構提供寶貴的現場數據，能夠有效地組織異地專家會診等，這樣既解決了車輛使用企業技術力量不足和技術水平提高的問題又有利于研發機構更準確、更有效的獲得車輛運行的第一手資料，通過檢測、分析、性能評估等，為車輛修改結構、優化設計、合理制造及生產過程提供數據和信息，充實理論和技術研究。

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