大功率液力機械變速器狀態監測與故障診斷系統

張 磊，徐振賢，段海金，李 瑾，王 勇，王鳳金，張 斌，單紅波，趙 娟，蔣 眾，馬俊巍

(1.北京航天發射技術研究所，北京 100076; 2.某駐泰安地區軍代室，山東 泰安 271000;3.北京市青年宮，北京 100035)

0 引言

大功率液力機械變速器包含液力變矩器和機械式變速器兩大總成，是特種車輛底盤動力傳動系統的關鍵部件。以往只有在自動變速器中才配有故障報警模塊，當發生故障報警時，自動變速器會限制駕駛員的使用或停機，實現自身的保護[1-8]。但對于大功率液力機械變速器，由于機械換擋采用手動模式，而變矩器自身的控制功能又相對簡單，無法限制駕駛員的操作，因此缺乏對液力機械變速器的故障診斷和預警功能，只有在液力機械變速器的功能完全喪失后，才能察覺到問題的發生，而此時帶來的嚴重影響，以及人員和費用的損失常常是難以估計的。

以往對自動變速箱的狀態監測和故障診斷主要有兩種方法，第一是采用鐵譜分析法[9-12]，即通過定期采集變速箱的油液并進行分析，判斷齒輪、軸承和離合器等零部件的磨損程度，從而指定維修或保養決策，但這種方法具有明顯的滯后性，對于突發的故障無法及時發現，而且很難進行隔離定位；第二種是采用振動分析法[13-20]，即通過對變速箱振動量的變化對比分析，判斷齒輪和軸承的工作狀態，但這種方法一方面由于需求外部的診斷設備，因此具有滯后性，另一方面需要積累形成關鍵零部件狀態異常時的振動故障庫，然后才能夠通過對比實現問題的判斷和定位。

由于某多軸超重型底盤具有高任務可靠性的使用要求，因此研究開發了大功率液力機械變速器健康監測和故障診斷系統，其主要包含變矩與閉鎖功能監測及報警模塊、換擋提示及報警模塊、油位監測及報警模塊、系統油壓監測及報警模塊和油溫監測及報警模塊五大部分，能夠滿足大功率液力機械變速器實時狀態監測和故障診斷的作用。

1 系統的組成與功能分析

液力機械變速器的健康監測與故障診斷系統，各模塊涉及到的傳感器類型和位置要求，如圖1所示。

圖1 液力機械變速器健康監測與故障診斷系統原理圖

大功率液力機械變速器包括液力變矩器、液力緩速器、主離合器和手動機械變速器四大部分。其中，液力變矩器具有變矩和閉鎖兩大功能，在車輛起步工況，變矩器用于增大發動機扭矩，減小主離合器滑磨，當車輛穩定行駛時，變矩器實現閉鎖，從而提高傳動效率。液力緩速器用于車輛下長坡時，輔助車輛制動，保證行車安全。作為液力變矩器的核心功能，通過“變矩與閉鎖功能監測及報警模塊”監測變矩與閉鎖的功能實現，通過“系統油壓監測及報警模塊”監測液壓控制系統包括變矩控制、閉鎖控制以及緩速器控制功能。通過“油溫監測及報警模塊”對油溫的監測和保護控制，避免液力緩速器長期工作超溫而導致零部件的損壞。

主離合器和手動機械變速器部分，用于通過駕駛員的手動操作，控制主離合器的分離與結合，配合變速箱檔位變化實現對輸出轉速和扭矩的控制。在變速器運轉過程中，換擋產生的沖擊載荷最大，因此通過“換擋提示及報警模塊”提示駕駛員進行正確的換擋，并通過對換擋過程的監測來評估對變速箱各部件沖擊載荷的影響，結合各關鍵部件的失效物理模型，評估其使用狀態和剩余壽命。“油位監測及報警模”用于變速器油位，從而保證齒輪、軸承和同步器等部件的潤滑，避免因潤滑不足而造成過熱失效。

2 系統硬件設計

2.1 變矩與閉鎖功能監測及報警模塊

變矩與閉鎖功能監測及報警模塊通過采集變矩器解閉鎖信號、變矩器泵輪轉速和渦輪轉速信息，實現對變矩和閉鎖功能的監測功能。

當該模塊發出報警時，可依據圖2進行FTA故障排查。

圖2 解閉鎖狀態監測報警FTA故障樹

其中，變矩與閉鎖控制功能檢查需要結合電控系統和“系統油壓監測及報警模塊”對液壓系統的監測結果進行綜合分析；而機械部分主離合器和閉鎖離合器的滑磨情況，則需要結合“換擋提示及報警模塊”對換擋的監測與相應失效物理模型，實現對磨損狀態的評估。

2.2 換擋提示及報警模塊

機械變速器通過駕駛員控制不同檔位的變化，來滿足車輛行程過程中對轉速和扭矩的需求。變速器換擋提示及報警模塊，主要用于監測變矩器渦輪轉速和變速器輸出轉速。

該模塊具有兩大功能，第一項是正常換擋提示功能，當采集到的變矩器渦輪轉速達到或超過發動機額定轉速時，會提示駕駛員進行升檔操作；當采集到的變矩器渦輪轉速低于發動機最大扭矩轉速時，提示駕駛員進行降檔操作。第二項是異常換擋報警功能，由于手動機械變速器對駕駛員換擋沒有約束，因此有可能出現駕駛員異常換擋，而導致降檔所掛入檔位與該檔位對應轉速不匹配的問題，此時會對變速器同步器產生損傷，而更嚴重是導致離合器超過極限轉速而發生失效。因此，需要對上述駕駛員的操作進行有效識別和提示，以減少人為操作造成的變速器損壞。

2.3 油位監測及報警模塊

為防止液力機械變速器在運轉過程中異常漏油或加油量不足，造成機械變速器的齒輪和軸承損壞，因此在功能上設計油位監測及報警模塊。

該模塊主要用于兩種工況條件下的油位監測和報警，第一是在液力機械變速器加油過程中，在初始加油過程中，變矩器會將潤滑油吸入變矩器內，而導致變速器內的油位下降，如果此時變速器未及時補油，則可能損壞變速器的齒輪、軸承和同步器等傳動關鍵部位；第二是底盤行駛過程中，液力機械變速器出現漏油，或變矩器閥板卡滯，也會導致變速箱側的油位降低，從而引發齒輪和軸承損壞等二次故障。

2.4 系統油壓監測及報警模塊

主油壓監測及報警模塊。液力機械變速器的液力與液壓工作原理，如圖3所示。

圖3 液力變矩器總成液壓控制原理圖

主油壓是變矩器內的系統壓力，當系統壓力升高時，會打開溢流閥而保護液壓系統，使用過程中依據圖4進行主油壓監測及報警FTA故障排查。

圖4 主油壓監測報警FTA故障樹

其中，對于由于低溫潤滑油阻過大產生的報警，需要溫度信號作為輔助判據，當油溫低于-15 ℃時，不進行報警。

當出現油壓過大報警時，應首先檢查變矩器外圍部件如管路、散熱器和緩速器閥，然后再檢查或清洗集成的液壓控制閥塊，包括背壓閥、閉鎖閥和溢流閥。

當出現油壓波動過大時，則需要檢查系統管路、接頭、通氣閥等是否漏氣。

當出現油壓過小時，首先對吸油濾網進行檢查，然后再檢查集成液壓控制閥塊和油路，最后排查齒輪泵。

2.5 油溫監測及報警模塊

為了避免液力機械變速器長期在高溫下運行，而損壞軸承和密封元件，因此需要設置油溫監測及報警模塊。當油溫高于120 ℃條件，會觸發高溫度報警。如果此時變矩器處于變矩工況，則會通過換擋提升系統，提示駕駛員進行降檔操作；而如果處于液力緩速器工作狀態，則會提示駕駛員注意油溫，當油溫高于130 ℃會對液力緩速器進行自動降檔。

3 試驗結果與分析

大功率液力機械變速箱搭載超重型底盤開展了30 000公里鑒定試驗，包括高原、高低溫等環境適應性試驗。由于配備了狀態監測與故障診斷系統，跑車試驗過程中未出現致命性故障，故障檢測率達到約90%。

3.1 變矩與閉鎖報警案例(閉鎖繼電器松動)

某特種車輛在累計行駛1萬公里后，閉鎖與報警模塊出現間隙性報警，根據解閉鎖狀態監測報警FTA故障樹進行排查(見圖3)，由于油壓監測模塊和換擋監測模塊均未報警，因此初步可以排除液壓系統故障和離合器滑磨的可能，而將問題集中在電控系統。

通過檢查發現，繼電器和配套插座及接觸器發生虛接，如圖5所示，導致繼電器的插頭與連接端子間歇連接失效，而導致變矩器閉鎖異常。

圖5 繼電器相關零件外形圖

更換變矩器繼電器及相應線纜后，變矩器回復正常狀態，故障現象消除。

3.2 換擋提示報警案例(同步器磨損)

在冬季低溫跑車試驗過程中，連續出現換擋提示系統報警。與駕駛員確認，由于冰雪路面，采用主制動容易出現車輛側滑風險，因此駕駛員通過強制降檔的方式，通過返拖發動機排氣制動來降低車速。

越級換擋會造成同步器、離合器和發動機的超速和超溫問題，從而加速傳動部件的磨損，結合典型部件的故障機理模型分析，當單個檔位越級或超速降檔達到一定限值時，同步器的失效風險最高，其次是主離合器。

在冬季跑車試驗后，經統計越級換擋和超速換擋次數達到約500次，接近失效物理模型的理論失效邊界，因此在低溫跑車試驗后，對變速箱進行拆解檢查，發現同步器有高溫發藍現象，說明由于速差過大導致過熱，同時，同步器齒也出現了打齒而產生的異常磨損，存在較大的失效風險，如圖6所示。

圖6 故障錐體和同步環實物

通過試驗證明，“換擋提示和報警模塊”可以在同步器失效之前及時地提示駕駛員進行檢查和維修，從而降低多軸超重型底盤使用風險。

3.3 油壓與油位的報警(控制閥板阻塞)

某特種車輛在長途機動行駛過程中，出現變矩器主油壓偏低和油位偏低兩項報警的情況。由主油壓系統報警故障樹的分析可知，主油壓偏低包括，油路濾網阻塞、齒輪泵異常、變矩器漏油、油路串通、溢流閥失效、背壓閥失效和閉鎖閥失效等多種可能，其中油路濾網阻塞、齒輪泵異常是由于變矩器供油系統異常導致的，但不會影響變速箱側的油位變化，而通過檢查也可以排除變矩器漏油的問題，因此問題集中定位于控制閥總成(包括溢流閥、背壓閥、閉鎖閥和油路)。

對控制閥總成進行檢查，發現變矩器內控制閥總成溢流閥、調壓閥閥口處存在多余物，見圖7所示。

圖7 閥件存在多余物

控制閥拆解后，檢查各零件，控制閥閥體內孔有輕微摩擦劃痕，閥芯表面有摩擦印痕，零件的磨損程度未見異常。在控制閥閥體閥孔與油道相交處，發現有毛刺存在。在變矩器調壓閥閥芯上，除了有摩擦印痕外，還有劃傷現象。

結合液壓原理可知，如圖3所示。當變矩器中多余物進入調壓閥配合間隙內，造成閥芯阻力增加或者閥芯卡滯，在低轉速時，溢流閥沒有開啟，油液通過變矩器調壓閥、背壓閥進入散熱器并返回油箱。在高轉速時，循環油泵流量增加，系統壓力升高，溢流閥異常開啟，由于變矩器調壓閥阻力增加，閥口開啟達不到設定值，大量的油液從溢流閥溢流回變矩器內的油箱，而進入變矩器調壓閥、背壓閥及散熱器的油液減少，變速箱的回油流量降低，因此出現了變速箱油位降低甚至報警的問題。

更換新的控制閥板后，液力機械變速箱恢復正常，報警故障消除。

3.4 油溫報警(駕駛員停車未摘空擋)

某特種車輛在停車檢查過程中，出現液力機械變速箱超溫報警。對換擋提示系統進行檢查發現，問題發生時，駕駛員未將變矩器摘空擋，導致變矩器的輸出軸不轉動，變矩器處于零速工況。因此，變矩器溫升較快，停車檢查約五分鐘，液力機械變速箱的油溫從80 ℃上升到120 ℃。

由于油溫報警較為及時，且時間不長，駕駛員就離開進行了糾正，因此未對系統尤其是密封元件產生過大損傷，可以正常使用。

4 結束語

采用狀態監測與故障診斷系統的大功率液力機械變速器，通過了各項臺架性能與可靠性試驗驗證，并隨某多軸超重型底盤開展了初步的性能測試，該系統能夠較為全面與及時的對液力機械變速器內部以及外部的各種故障進行有效監測和預警，對提高產品可靠性，預防突發故障的產生具有重要作用。