浅析汽车状态监测与安全评价系统

理论研究

D01：10.19392/j. cnki. 1671-7341.201719192

浅析汽车状态监测与安全评价系统

孙漾洋

湖北工业大学湖北武汉430072

摘要：汽车状态监测和故障诊断是对汽车各部件技术状况进行评价的一门技术。汽车变速箱是汽车上容易出故障的总成

部件之一，它的运行状况直接影响到汽车运行性能和安全状况。本文以一台杭齿集团HC5S-90型重型汽车变速器为研究对象，开 发一种离线变速箱故障诊断设备。

关键词：汽车变速箱#信号处理#故障诊断汽车工业被确定为我国经济发展支柱产业之一，舒适、环 保、安全是汽车工业发展方向；汽车运行时所产生的振动与噪 声是评价汽车性能的重要指标之一，同时它直接影响着乘客的 乘座舒适性和行驶的安全性。变速器的性能和质量对汽车整 体性能影响非常大，也是容易发生故障的总成部件之一，一旦 发生故障，容易引起重大事故，甚至危及驾驶者的生命安全[1]。 目前，随着科技的进步，汽车变速器故障诊断方面的研究在逐 步展开，但仍相对较落后，缺乏被市场普遍认可的成熟的诊断 系统。国外已有相关系统成功商用，但是这类系统价格高，对 环境敏感，国内变速器生产商难以承担。所以，开发出满足国 内变速器厂商需求、准确诊断故障、性能稳定的汽车变速器故 障诊断与监测系统具有重要的现实意义。

一、汽车检测技术发展状况在现代社会，汽车逐渐成为人们日常生活和工作中不可或 缺的重要交通工具。由于汽车是一个复杂的系统，它的技术状 况和安全状况随着行驶里程的增加而不断下降。所以，维护汽 车的技术状况必须从两方面进行:不断进行汽车性能改良的研 究和使用先进的维护和修理技术，使汽车恢复技术状况。汽车 性能检测是对汽车在使用、维护中对汽车技术状况进行检测的 一门技术。加之人们对安全因素要求越来越高，有必要研制出 适应现代生活的、反应更快、工作更平稳、功能越多、更智能的 汽车监测、诊断系统出来。文献[2]指出，准确无误地诊断出故 障所在，是现代汽车维修的最高境界，同时，汽车安全性能检测 是汽车检测的重要发展趋势。

设备状态监测和故障诊断技术的一个重要发展方向是齿 轮箱的故障检测和诊断。是近年慢慢发展起来的一门新兴的、 综合性学科，是对传感器技术、测试技术、电子技术、信号处理 技术、模式识别、计算机技术、专家系统等多种理论和技术的综 合应用。设备状态监测和故障诊断技术涉及信号采集、信息分 析和处理）、模式识别、决策判断[3]，本质上是信息技术的一种 综合运用。

目前，现代机械设备故障检测与诊断技术，处于一个成熟 发展的技术阶段，它以传感技术和测试技术为基础，以信号处 理为技术手段。这个阶段的设备故障检测与诊断技术大量运 用于工程实践中，经济效益巨大。并且，设备故障检测与诊断 技术采用了众多先进成熟的科技成果，可以根据噪声、振动、温 度、光、电、力信息综合进行故障诊断，对应发展出噪声诊断、振 动诊断、红外热成像诊断、光谱诊断、铁谱诊断、无损检测等技 术。随着边缘科学的融合发展，机械设备的故障检测与诊断成 功运用神经网络、人工智能、灰色理论、小波分析、模糊数学等 新兴的学科的理论和技术。机械设备故障检测和诊断技术，已 开始从依靠个人经验和主观判断，逐渐进步到依靠科学的理想 的判断，实现从主观判断到客观评价的转变。实现从简单的诊 断发展到利用现代先进科技手段进行综合性、准确诊断的阶 段，但是，设备检测与故障诊断技术还未达到定量诊断的程度。 实践证明，紧密结合前沿技术，依靠计算机技术、软件技术、信

息技术进行综合性、准确诊断是机械设备故障诊断技术发展的

大趋势[4] [5] [6] [7]。二、 汽车变速箱故障诊断原理

变速箱是汽车三大重要部件之一，它的正常工作与否直接 影响到汽车的驾驶安全性。汽车运行时依赖变速箱传递发动 机扭矩，不同道路工况时需经常性地换挡，致使变速箱齿轮副、 轴、轴承等零部件容易发生故障。据统计，变速箱故障占据汽 车底盘故障的三分之一左右。所以，变速箱故障检测与诊断的 研究具有重要意义。现代变速箱故障检测和诊断技术包含三 个方面:变速箱故障数据处理、故障机理分析、故障诊断方法研 究。进行变速箱故障诊断的一个有效方法是:对变速箱进行振 动分析。因为变速器箱体振动信号中蕴藏着变速器的状态信 息。变速箱的振动分析包括:建立变速箱的动力学模型，以此 研究变速箱振动产生的机理，及各种典型故障与振动信号的关 系，研究提取故障特征的有效方法，如利用时频分析方法提取 故障特征[5]。

齿轮箱典型故障的特征提取与分析是一项基础性的、难度 很大的工作，能为齿轮故障的诊断提供理论依据，具有重大的 实现意义。本章节阐述了典型的齿轮异常和现象机理，介绍了 齿轮振动和典型齿轮故障的数学模型，研究了齿轮故障振动机 理，介绍和分析典型故障齿轮的频谱特征，包括齿形误差、齿轮 均匀磨损、齿轮偏心等，为齿轮故障诊断提供理论依据。同时， 为了更精确地提取齿轮故障特征，还需进行大量的试验工作和 故障机理研究工作。

三、 汽车变速箱振动信号采集系统硬件设计PC104是一种工业计算机总线标准，由于它与传统PC具 有良好的兼容性，以及灵活的模块化配置功能等特点，本课题 选用HCWA嵌人式模块作为硬件系统的处理核心。数据采集 系统由加速度传感器采集振动信号，经过低通滤波，A!转换， 后由HCWA模块进行处理，利用编写的基于数据采集系统以嵌人式PC104模块为处理核心，配以 PC104接口的AD转换模块，以及信号调理电路，再封装起来， 组成一台数据采集仪器，外接显示器、鼠标、键盘后，便可到现 场采集数据。并期望将显示器、鼠标、键盘、电源等整合到一 起，增强仪器便携性，形成的数据采集存储设备。采用 PC104嵌人式系统作为数据采集核心，相比较利用NI数据采 集卡及L1四、 汽车变速箱振动信号分析变速箱的故障常常产生冲击，调制带的频谱出现不同程度 的调制现象。这些调制边缘带具有许多有用的齿轮故障信息。 因此，齿轮振动信号的调制现象的仔细分析，如何有效区分不 同调制类型的振动特性的断裂之间，侧带特征的识别，在很大

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程度上决定了成功或失败的齿轮箱故障诊断。因此，研究调制 现象和边缘带的分布特性是一个重要的研究课题。

变速箱振动信号分析在PC机上完成，通过时域和频域下 的一系列处理，获取振动信号调制特点和故障特征，诊断汽车 变速箱故障，找出故障原因和可能部位，制定合理的故障排除 方案，并预测故障发展趋势，最终目标是创建汽车状态监测和 故障诊断的预测维修，可以减少停机损失、降低维修成本、 提高经济效益和社会效益。

主要利用MATLAB编写数据处理程序，对采集到的汽车变 速箱振动信号进行处理，并利用MATLAB的制图功能描绘出分 析处理结果，实现了基于MATLAB的振动信号处理和分析处理 方法的探求。探求出的振动分析处理方法有:任意频段的数字 滤波、功率谱密度函数分析、任意倍率的CZT细化谱分析、倒频 谱分析。利用MATLAB可以在较短的时间里运用和发展功率 谱分析、细化分析、倒谱分析等振动信号分析方法，建立基于 MATLAB的振动信号分析处理方法。实验结果证明这一套方 法可以诊断出变速箱故障，切实可行。

参考文献：[1 ]吴晓兵.基于灰色粗集模型的汽车变速器故障诊断方 法.北京理工大学学报,2000.10.

[2]刘道春.汽车检测行业的发展与未来.汽车工业研究，

科技风2017年10月上

Auto Industry Research，编辑部邮箱，2015(12).

[3]钟秉林，黄仁.机械故障诊断学（第三版）.北京：机械 工业出版社，2007.

[4 ] Esteban Canibano Alvarez; Javier Romo Garcia; Blanca Araujo Perez;Cesar Maestro Martin; Juan Carlos Merino Senovilla. Simulation of Advanced Lateral Safety Systems as a Cost Effective Tool to Estimate Potential Success. Advanced microsystems for au­tomotive applications 2012 ： Smart systems for safe， sustainable and netwrorlsed vehicles： 16th international forum on advanced micr­osystems for automotive applications (AMAA)，30-31 May 2012, BUrlin.

[5]周辉.齿轮故障的特征提取与模式识别技术研究[学 位论文].郑州：郑州大学，2005.

[6 ]潘飞.虚拟式一体化齿轮箱故障诊断仪的研究[学位 论文].重庆：重庆大学，2007.

[7 ]杨建国，姜立标，林波，孙中圣.变速器齿裂及轴承故障 建模与故障特征提取.汽车工程，2004，Vol. 26(2).[8 ]徐敏，黄昭毅.设备故障诊断手册——机械设备状态监 测和故障诊断.西安：西安交通大学出版社，1998.

作者简介：孙漾洋（19-)，山西运城人，湖北工业大学 2013级，硕士，电气与电子工程学院，控制工程专业。

(上接第212页）代办、代理过程中，失去了对业务合作伙伴的 用户服务分析系统，实现对客户数据的自动采集，支持按类别，

有效制约，出现“窜货”“洗卡”等现象屡禁不止。严重影响了 按地市、按营业区度、多视角查询展示，利用大数据进行分 企业品牌和服务的形象。对电信行业的社会责任、用户权益保 析、研判，反映出当前热点业务、热点问题、问题处理效率，分析

问题带来的影响，为及时采取预防、补救措施提供支撑，提高用 障责任，没有做到责权利的有机统一。造成负面影响到和被动

局面。户服务工作的质量和用户满意度。

(3) 用户知情权和选择权等基本权益得不到尊重。当前， 第三，加大业务及服务方面的管理力度，推动管理措施常

态化、制度化、形成长效机制。解决社会关注的难点问题，切实 伴随着大数据、互联网、智能化的广泛应用，电信运营商也在寻

求适应自己的出路，行业重组、企业合作频繁推进，与各个内容 维护用户权益。妥善化解服务纠纷，督促服务部门实打实地解

决用户提出的问题。进一步规范计费收费行为，加强计费系统 商家合作推出的繁杂多样的电信业务种类、以及全业务经营要

求的组合、融合等多样的资费套餐形式等。从用户的投诉及一 检测，收费公开透明，套餐简单清晰，整治不明扣费，强化增值 些现实情况说明，目前许多电信行业的服务问题都是在用户不 业务收费管理。真实准确进行业务宣传，靠达标的服务来赢得 知道情况下的“被选择”、“被消费”，违反用户对消费的知情权 用户的满意。以及对所需产品的选择权。这是我们当前工作中的主要弊端。第四，积极构建面向一线的问题响应与督办解决机制，推

(4) 产品创新不足，对已有的用户信息没有做到精准分析， 进倒三角服务支撑体系建设。还要辅之以必要的管理措施和 客户需求把握不准。受传统电信产品销售的观念影响，步伐跟 管控手段，从而保障服务水平、保护用户的权益。不上时代的发展，与现在新互联网企业之间有差距。产品开发 第五，对细分市场上要做到具体和独特。通过对市场细分 方式在知识化、信息化的环境下暴露出来的弊端十分突出。和定位准确，做到与用户的需求相一致。从而赢得用户的认可

(5) 在电信服务营销管理工作中，奖惩机制有待进一步强 和忠诚。

第六，对服务分销渠道的合理运用和科学有效管理。对各 化和完善。

面对新形势、新问题，提高服务营销的能力，提升用户对产 分销渠道运用的好才能满足用户的消费需求、竞争信息传递、 品的感知度和满意度，保护消费者的合法权益。努力开创电信 完善对用户的服务、承担部分风险。科学有效的管理是在适时 服务工作新局面。做出竞争反应的有力手段。

第一，进一步建立以客户体验为核心的企业文化。需要企 服务没有止境，要想在竞争激烈的市场中生存，不仅要产 业树立“以客户为核心”而不是“以产品为核心”的管理理念。 品好，同时服务也不能有稍微的懈怠。服务的好坏直接影响产 通过用户体验，将服务营销做到有形化和具体化。服务是有形 品的销售。电信产品特点是新、快、可持续等，所以要求在产品 产品的延伸和重要组成部分，能够给消费者带来更大的利益和 的售前、售中、售后都要根据用户需求提供适合、满意的服务。 更好的满足努力改善和提升电信营销整体水平，为电信事业大发展，为服

第二，建立完善服务创新的管理机制，利用技术手段开发务社会、服务民生做出积极贡献。

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