如何实现自动变速箱跛行模式

背 景

随着自动变速箱的档位数越来越多，采用的传感器和执行器也越来越多，自动变速箱在不同工况下出现的故障概率将会增加。传统应对故障的机械跛行只能以某个固定前进档位行驶，换挡冲击大，且在某些故障下还会造成变速箱本体二次损坏的危险。而新型的电子跛行控制策略能针对不同故障确定多个安全档位，提高车辆的行驶能力，降低整车排放。

基于以上需求，结合自身在汽车电子控制领域的技术优势和能力储备，以自动变速箱为对象，于2014 年开始了故障诊断和跛行处理的研究与开发。前后进行了大量的理论分析、BM 测试、需求定义、台架测试、整车测试等，通过项目开发与应用，从无到有，从局部到全面，刷写了国内相关研究和开发应用的空白，形成了较为完整的液力机械式自动变速箱故障诊断与跛行处理系统，提升了公司在自动变速箱控制及功能安全领域的竞争力。

图 1 AT自动变速箱故障诊断与跛行处理系统

变速箱跛行模式的作用

跛行模式( LimpHome) : 是指汽车的电子控制设备在检测到系统或部件故障时，能保证车辆安全性，并具备基本的行驶能力。该模式保证汽车能自动点亮相关指示灯，并安全行驶至维修地点维修，避免故障车辆在行驶过程中可能导致的严重安全事故。

对于自动变速箱来说，其跛行模式是指车辆至少具有一个可用的前进档、一个倒车档行驶的模式。

图 2 跛行回家功能的作用

对于没有跛行模式的自动变速箱来说，在故障发生后若没有相应的检测或处理措施，则可能造成变速箱本体损坏、车辆紧急刹车而引发碰撞和翻车事故等。

图3 无跛行功能的危险

变速箱跛行模式的分类

自动变速箱的跛行模式是对变速箱动力总成发生不同故障的处理方式，广义上来说，每一种故障类型都有其对应的跛行模式。

对于不同类型的自动变速箱来说，相同故障可能造成不同严重程度的后果；对于同一类型的自动变速箱来说，不同故障也可能造成不同严重程度的后果。根据故障后自动变速箱可用的安全档位数，可分为以下几种跛行模式。

图 4 变速箱跛行模式分类

液控跛行的控制实现

传统的跛行模式采用高边驱动HSD全部关闭的方式，此时所有电磁阀不可控，由液压回路的特点自动形成某个故障档位，这种跛行模式也叫液控跛行或机械跛行方案。液控跛行方案中，手柄位置决定了手动阀的位置，而手动阀的位置决定了主油路的切换方式，这样根据驾驶员的实际档位请求决定液压回路的形成。如手柄分别在P、R、N、D四个位置时，主油路的切换方式如下图所示：

图5 AT变速箱手动阀油路

在主油路打开的前提下，液压系统的电磁阀特性（常开阀/常闭阀）决定了离合器的结合与分离，进而决定了实际形成的档位。

传统液控跛行方案完全是由液压系统决定的，因此对液压系统的设计要求较高，此外这种机械化跛行方案的单一性显然不能满足所有的故障类型，且驾驶舒适性差、安全性不高。

电控跛行的控制实现

随着自动变速箱的档位数增加，采用的传感器和执行器也越来越多，自动变速箱在不同工况下出现的故障概率将会增加。此外，随着电控技术的发展，驾驶员对车辆行驶安全性和舒适性的提高，自动变速箱发生故障后的处理措施也将越来越多样化。

变速箱的故障按照故障等级可分为：

轻度故障：这类故障一般对变速箱的档位形成影响不大；

中度故障：这类故障影响车辆在部分工况或部分档位下的行驶能力；

严重故障：这类故障影响大部分工况的换挡能力，或对车辆正常行驶有很高风险。

变速箱的故障按照故障类型可分为：

传感器类故障：如转速传感器、油温传感器等；

执行器类故障：如电磁阀、选换挡电机、机械阀等；

功能性类故障：如离合器压力故障，换挡失败故障等。

图6跛行模式决策

根据故障等级和故障类型进行跛行模式决策，设计对应的跛行模式控制方案。下面以手柄位置故障的跛行控制策略来说明电控跛行方案的实现。

手柄位置信号反应了驾驶员的行驶意图，也是自动变速箱控制器（TCU）执行换挡的重要命令。当手柄位置信号故障时，TCU不再能识别到准确的手柄位置信号，错误控制可能使车辆无法行驶甚至发生事故危险；此外故障的手柄位置信号可能在仪表面板和手柄位置灯错误显示，给驾驶员造成错误的指示，这时驾驶员若在高速前进时误拨手柄入R档，则会使变速箱输出轴被强制反转，造成箱体损坏，甚至造成车辆翻车等危险。

图 7 手柄位置对换挡控制的影响

手柄位置故障的电控跛行方案为：

低速时，以驾驶员意图为优先，实现前进档、倒档功能。选择某个较低前进档与倒档的共用执行器控制方式，根据手柄的实际位置决定前进档和倒档的形成；

高速时，以安全行驶为优先，由于手柄信号异常可能导致驾驶员误拨手柄，需要在高车速时进行D->R换挡保护，即在高速前进时，即使驾驶员误拨手柄至R位置，也不能形成倒档。因此当车速较高时，换入较高前进档控制，该较高前进档与倒档没有共同执行器控制方式，这样既能实现多个前进档行驶，也能实现手柄故障后的D->R换挡保护。

总结 

基于前面对电控跛行方案和传统液控跛行方案的说明与比较，可以看出新型的电控跛行方案具有以下优点：

电控跛行方案的多样化可灵活应对不同类型和不同严重程度的变速箱故障；

电控跛行方案的跛行档位的前进档不再只是一个，根据车速大小可实现两个或多个档位之间的切换，提高了车辆的行驶能力，也降低了在跛行模式下的尾气排放；

考虑各个故障类型可能发生的危险情况，通过换挡控制进入安全档位，以电控方式应对不同的行驶工况，提高车辆的行驶安全性。