刘维生，马金旭，徐 明，赵双学

（一汽奔腾轿车有限公司奔腾开发院，吉林 长春 130012）

随着汽车智能化的快速发展，电子换挡系统的应用已经成为趋势。目前电子换挡系统不再只是高端品牌的特有产品，在国产中端车型上也被广泛应用。通过整车CAN总线信号通信的形式代替传统机械换挡拉丝来实现挡位切换，大大提高了驾驶员操作的轻便性和舒适性，此外在智能驾驶辅助方面电子换挡系统也是必不可少的一部分。由于电信号指令传输的应用，整个系统的换挡失效模式及原因相比传统机械换挡更加复杂和多样化，本文针对各类电子换挡系统构成、原理及各类换挡失效故障进行阐述和分析。

1 电子换挡系统构成及工作原理

1.1 电子换挡系统构成

电子换挡系统主要由电子换挡器总成、执行器控制单元总成、换挡执行器总成构成 （图1）。其中电子换挡器总成EGSM集成了电子换挡器、解锁按键、挡位显示模块，主要功能为识别驾驶员操作动作，向整车总线发出驾驶员动作指令信号；执行器控制单元ACM主要功能为接收到驾驶员操作指令信号后，综合整车环境状态对驾驶员操作的合理性进行判断，生成目标挡位后控制执行器电机切换挡位；换挡执行器ARC由换挡电机、减速机构、执行器位置传感器组成，主要功能为执行换挡命令，通过机械传动切换变速器换挡轴，实现挡位切换。

图1 电子换挡系统构成

1.2 电子换挡系统基本原理

电子换挡系统的换挡行为是一个较为复杂的信号转化、传递、执行、反馈的闭环动作，下面基于换挡信息流向对电子换挡系统的基本原理进行阐述，系统架构原理见图2。

图2 电子换挡系统架构原理图

首先，驾驶员有换挡需求时会按照系统设定的操作逻辑操作电子换挡器总成的换挡手柄，如按下解锁按键、前推或后拉换挡手柄等动作，电子换挡控制器通过霍尔传感器将驾驶员的前推后拉换挡手柄的动作指令转化为手柄操作电信号并传输到CAN总线上，同时也会将解锁按键的状态信号传输至CAN总线用于下一级控制器的换挡逻辑判断。

接下来换挡执行器控制单元ACM从CAN总线上接收到换挡操作信号、解锁信号以及整车其他环境信号 （制动信号、车速信号、加速踏板信号等），按照设定判断逻辑综合以上信号对驾驶员的换挡操作行为进行合理性判断，如果判断通过则控制换挡执行器ARC执行机械的换挡动作，如果判断失败则不响应驾驶员的换挡操作并通过仪表对驾驶员的不当操作进行提示。

换挡执行器执行完ACM的换挡指令后，内部传感器会对执行后结果进行采集并反馈给ACM，形成闭环校验机制，同时变速器控制单元会将当前挡位信号传输至CAN总线，电子换挡器总成读取挡位信号，通过换挡手柄上挡位显示模块指示整车的当前挡位状态，给驾驶员一个挡位信息反馈，形成整个换挡操作的闭环。

2 换挡失效问题分类及原因

通过以上电子换挡系统工作原理的描述可知，整个换挡过程各控制器间存在较多的信号交互，在换挡信息流传递过程中，每一个环节的失效或故障都可能影响整个换挡系统的功能实现。下面分别从换挡系统外部故障和内部故障两个方面进行故障分析。

2.1 换挡系统外部故障

1） 供电电压过压/欠压故障 电子换挡系统正常运转工作的供电来源是车辆蓄电池，通常电子换挡系统内各零部件的正常工作电压范围为9~16V，当蓄电池电源输入电压超出9~16V的范围一定时长时，电子换挡器和换挡执行器控制单元内部电气元件会停止工作，导致换挡失效，整车表现为换挡操作无法正常执行，挡位指示模块无法显示挡位，仪表会提示电子换挡系统故障。当整车供电恢复到正常范围时，换挡系统所有功能恢复正常。

2） 环境信号输入故障 电子换挡系统正常执行驾驶员换挡操作前，需要采集整车总线上多个表征整车环境状态的信号，用于判断驾驶员当前的操作是否符合设定的功能逻辑。如整车车速信号、车辆行驶方向信号、制动踏板信号、油门踏板信号、整车供电模式信号、当前挡位信号、主驾驶安全带状态信号、主驾驶侧车门状态信号等，以上每条信号的状态都会影响换挡系统对应功能的实现。例如，整车车速过高（具体阀值以策略设定为准） 的情况下，处于整车安全和变速器结构保护的原因，通常不允许驾驶员换入P挡；未踩下制动踏板的情况下，为了规避驾驶员误碰操作的风险，通常不允许驾驶员换出P挡。基于以上两个例子的情况，整车环境信号的采集对换挡逻辑的正常实施至关重要，所以，如果各环境信号输入错误值或丢失状态，将无法实施对应的换挡逻辑判断，从而导致对应的功能失效。

3） 总线BUSOFF故障 整车各系统间信号交互的载体是CAN总线网络，电子换挡系统中电子换挡器和换挡执行器控制单元作为CAN总线节点也会读取和发送相应的报文到总线上，总线故障也是导致换挡系统功能失效的重要原因之一。常见导致总线Busoff故障的原因如下［1］：源控制器电压不稳定，过高或过低都会导致通信故障；CAN主干线束问题、源控制器本身硬件或软件问题、源控制器插接件进水接触不良；其它控制器的故障导致总线负载率升高、错误帧增加，从而影响了源控制器的特定报文被超时发送，导致发生报文丢失的故障。

2.2 换挡系统内部故障

2.2.1 电子换挡器总成故障

电子换挡器内部是通过线性霍尔传感器将驾驶员操作换挡手柄的动作转化成电压信号进行识别换挡意图［2］。通常总成内会布置双路线性霍尔传感器，形成校验机制，来提高操作识别的可靠性。线性霍尔传感器故障分为以下两种：第1类故障为双路霍尔传感器同时发生采集到的挡杆位置数据为错误状态，即双路数据均不在设定的正确范围内，无法正确反映驾驶员操作挡杆所处的位置。第2类故障为当双路传感器采集到的挡杆位置数据均在正确范围内，但是在双路进行校验的过程中，数据差值超出了设定的偏差范围，系统判定双路传感器校验失败，也无法判定数据的有效性。以上两种霍尔传感器故障均会导致换挡功能失效，无法响应驾驶员操作，同时系统会记录相应故障码，并通过仪表提示驾驶员故障状态。

2.2.2 换挡杆卡滞故障

电子换挡器通常采用复位式 （图3），其中X0位置为换挡杆的初始位置，也是唯一的稳态位置，即在不施加外力的情况下在此位置保持停留；F2、F1、R1、R2位置均为非稳态位置，驾驶员将挡杆从X0推动至F2、F1、R1、R2中任意位置后释放挡杆均会回弹至稳态X0位置。换挡卡滞故障为换挡器内部机构或硬件损坏的原因导致霍尔传感器识别到的换挡杆位置状态在非稳态位置保持停留一定时间没有复位至稳态X0位置 （此时长参数可标定），系统判定为挡杆卡滞故障，此时无法响应驾驶员操作，同时系统会记录相应故障码，并通过仪表提示驾驶员故障状态。

2.2.3 换挡执行器控制单元故障

换挡执行器控制单元在完成换挡指令逻辑判断后，会驱动换挡执行器电机进行换挡操作，执行完换挡操作后，换挡执行器内的传感器会将执行后的机械位置状态反馈给换挡执行器控制单元，进行执行结果与执行目标的比对校验，形成闭环控制。当换挡执行器反馈的当前挡位状态与目标挡位在设定的时间内未校验成功 （具体时间可标定），系统将判定换挡超时，此时无法响应驾驶员操作，同时系统会记录相应故障码，并通过仪表提示驾驶员故障状态。

图3 复位式电子换挡器总成示意图

2.2.4 换挡执行器故障

1） 换挡执行器卡滞故障 换挡执行器主要由执行电机及减速齿轮机构构成，由于机械结构损坏或内部杂物或电机外部负载过大等原因可能会导致执行器运行受阻，发生卡滞故障。发生此类故障时，换挡执行器控制单元会对执行器状态进行监测，第1个卡滞判断条件为：当进行换挡动作过程中执行器电机电流大于设定阀值；第2个判断条件为执行器输出端旋转角速度低于设定阀值 （可标定）。满足以上两个条件，控制单元判定执行器卡滞故障发生，此时无法响应驾驶员操作，同时系统会记录相应故障码，并通过仪表提示驾驶员故障状态。

2） 换挡执行器传动失效故障 当换挡执行器内部的齿轮传动机构发生断齿、磨损或其他机械结构损坏的失效模式时，换挡执行器控制单元会通过对执行器的状态监测从而判断是否发生执行器传动失效故障。首先对执行电机的工作电流进行监测，如果该电流在电机的正常工作电流范围内，说明执行电机为正常工作，未发生堵转或卡滞等故障；其次通过传感器对执行器输出端旋转角速度进行监测，如果旋转角速度低于设定的阀值，则可以判断电机的扭矩输出并未转化为执行器的扭矩输出，此时认为电机与执行器输出端之间的传动机构发生失效，此时无法响应驾驶员操作，同时系统会记录相应故障码，并通过仪表提示驾驶员故障状态。

3） 电机驱动电路开路、短路故障 当换挡执行器中执行电机的驱动电路处于开路或短路的状态时，执行电机无法正常执行换挡执行器控制单元的驱动控制，会导致换挡失效。当发生开路故障时，控制器监测的电机回路电流会小于设定的阀值 （趋于0），同时驱动电机的占空比会大于设定阀值，此时系统判定发生开路故障；相反当控制器监测的电机回路电流大于设定的阀值且驱动电机的占空比小于设定阀值时，系统会判定发生短路故障。此时无法响应驾驶员操作，同时系统会记录相应故障码，并通过仪表提示驾驶员故障状态。

3 结束语

本文仅浅析了导致换挡功能失效比较典型的故障案例，不同车型的故障模式会随着系统设计的不同而更加多样化。在汽车智能化快速发展的趋势下，电子换挡系统不再只是实现基础换挡功能，它的产生和应用对人性化设计和智能驾驶领域都有着重要意义［3］。对电子换挡系统故障的梳理及分析，有利于整个系统故障状态的掌控和故障处理，同时能够对汽车电子换挡系统的安全性、可靠性设计起到一定的指导作用。