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1、基于CAN总线的拖拉机无级变速箱故障 诊断系统研究龚洪浪湖北职业技术学院摘要：基于CAN总线的无级变速箱故障诊断系统是针对农用拖拉机设计的集监测、预警 及故障诊断于一身的监控系统，其以MCU微处理器为核心，主要包括CAN总线电 路、信息采集、人机交互、智能控制、报警及故障检测等模块，主耍作用是完成 对传感器网络节点的数据釆集、分析和处理。实验表明：测试结果与农用拖拉机 变速箱实际故障情况相符，能够精确检测变速箱故障，为维修人员现场和远程 维修提供了便利。关键词：拖拉机;变速箱;故障诊断;CAN总线;作者简介：粪洪浪(1968-),男，湖北孝感人，副教授，(E-mail) 1968ghlsina
2、. com。收稿日期：2016-12-11基金：湖北省人文社会科学项目(16G295)Research on the Fault DiagnosisSystem of the Tractor Based on CAN BUSGong HonglangHubei Polytechnic Institute;Abstract：This paper studied the fault diagnosis system of CVT based on CAN BUS, designed for agricultural tractors in monitoring, early warning and
3、 fault diagnosis in a monitoring system. The system used MCU microprocessor as the core, mainly included CAN bus circuit, information acquisition, human-computer interaction, intelligent control, alarm and fault detection module. The main function of these modules is to complete the data acquisition
4、, analysis and processing of sensor network node. The experimental results showed that the test results are consistent with the actual fault of the agricultural tractor gearbox, which can accurately detect the fault of the gearbox, and provide convenience for the maintenance personnel on site and re
5、mote maintenance.Keyword：agricultural tractor; gearbox; fault diagnosis; CAN BUS;Received： 2016-12-110引言“十二五”期间，随着我M信息化、工业化和城镇化发展步伐的加快，以及机械 自动化、计算机控制系统和测试计量行业的不断发展，使得智能控制被广泛应用 到农业生产、工业生产和高等研究等各个领域。农用拖拉机无无级变速箱任何部 件出现故障问题，都导致变速箱无法工作，从而降低拖拉机的工作效率。本文棊 于CAN总线的农用拖拉机无级变速箱的故障诊断系统，主耍包括CAN总线电路、 信息采集、人机交互显示屏、M
6、智能控制、GPRS无线传输、JTAG接口协议电 路和USB电路等模块，以实现对农用拖拉机无级变速箱的故障诊断。1 CAN总线技术及其测量原理1. 1 CAN总线技术控制器局域网总线(CAN, Controller Area Network) )4于现场总线的拖畴，是 一种用于具有国际标准的有效支持分布式控制或实时控制的串行总线，已被 TSO制定为国际标准。它是一种多主总线，可以使用双绞线或同轴电缆来传输信 号，是被公认为最有前途的一种现场总线。CAN是20世纪80年代由Robert Bosch 公司研发的一种申行总线通信协议，其通信速率可达1Mbps。由于其设计成本 低、通讯可靠、实时性好，可
7、以监测出任何错误，因此应用范围非常广，不仅应 用于高速网络和多线路网络等领域，也被广泛应用于各种监测和执行设备之间 的通讯系统。1.2 CAN总线结构CAN总线参考模型分层结构主要包括物理层和数据链路层。其中，物理层有位编 码、位定时、同步3种方式;数据链路层又分为逻辑链路控制子层LLC和媒体访 问控制子层MAC两种。其结构如图1所示。合适戻b辑钰凍控制+切.1.(按收滤波 超级垣知 恢复管埋媒体汸问栉抒子GMAL:数诏封装/拆装 帧编码媒体比闷软师 错误碰 出错标定 应今牺迎层物理戻位编码 位定时 I船图 1 CAN 总线模型分层结构图 Fig. 1 The layered structur
8、e of CAN BUS model卜载原图1.3 CAN总线测量原理农用拖拉机无级变速箱的故障诊断系统的测量采用CAN采集信号，主要是利用 两个信号采集器收集传感器网络信号，并传输给计算机，实现计算、显示和状态 指示、声光报警等功能。CAN总线括控制器和收发器两部分，主机通过ISA来 访问控制器进行数据传输。CAN总线测量原理如图2所示，CAN总线和传感器网 络数据交换示意如图3所示。CAN总线CAN收c=cCAN1-计算机ISA总线下载原图图 2 CAN 总线测量原理图 Fig. 2 Schematic diagram of CAN BUS1 2()inArtli9EQN总线图3 CAN总
9、线和传感器网络数据交换示意图Fig. 3 Schematic diagram of data exchange between CAN BUS and sensor network下载原图2无级变速箱故障类型2.1无级变速箱内部结构农用拖拉机无级变速箱种类比较多，结构和差也较大，但大多包括齿轮、动力 轴、动力轴承、液压泵和外壳5部分，其内部结构示意如图4所示。齿轮迭择叉GearSelectorFork接引擎FROM ENGINE3格差速STO DIFFERENTIAL轴环Collar副抽Layshaft图4无级变速箱内部结构示意图Fig. 4 Schematic diagram of the
10、internal structure of continuously variable transmission 下载原图无级变速箱在进行挡位切换时，驾驶员首先需要踩死离合器，然后拨动档位柄 进行换挡操作，改变齿轮副传动和输出扭矩，从而改变车速。2.2无级变速箱故障类型农用拖拉机无级变速箱结构复杂，可分为机械与液压两个子系统，其内部零部 件多，连续工作时间长，工作环境差，所以故障率高。无级变速箱任何部件出现 故障问题，都导致变速箱无法工作。另外，变速箱零部件联系密切，某一零部件 出现问题，会影响其他部件的性能。例如，传动轴工作不正常，会导致轴承、轴 环或齿轮产生不同程度损伤;反之，齿轮工作不正
11、常，会对传动轴产生不正常冲 击，也会引起传动轴故障。无级变速箱零部件出现故障比重如表1所示。表1无级变速箱零部件出现故障比重Table 1 The fault proportion of the components of the continuously variable transmission卜载原表出现故障的零部件故障比重/ %齿轮58传动轴承21传动轴9液压泵8紧固件3油箱1在无级变速箱所有零部件中，齿轮、传动承轴和传动轴故障比重比较大，达到了 总数的79%。因此，对农用拖拉机无级变速箱故障检测的重点在齿轮和传动承轴 上。变速箱齿轮工艺结构复杂，在高速、重载环境下工作时间长，故障率很
12、大，是最 容易出现问题的零部件。变速箱齿轮故障主要包括磨损、点蚀、断齿、胶合和加 工装配故障等。变速箱传动轴承结构简单，但作用很大，可以减小传动摩擦因数和固定传动轴。 若其出现故障会使变速箱工作不稳定，大大提高变数箱震动系数，影响整体的 平稳性。变速箱传动轴承故障主要包括疲劳剥落、磨损、胶合、腐蚀、变形和加 工装配故障等。变速箱齿轮和传动轴故障及原因之间关系如图5所示。轴我1.交合轴承变形轴承腐蚀图5变速箱齿轮和传动轴故障及原因关系图Fig. 5 The fault and cause relationship of transmission gear and transmission sha
13、ft下载原图3无级变速箱故障诊断系统的设计3.1系统硬件结构设计基于CAN总线的农用拖拉机无级变速箱故障诊断系统只有变速箱数据接收与故 障诊断报警的软硬件控制设备。该系统通过CAN总线与车上传感器网络进行连接, 并将采集到的转速信号、车速和车身振动信号传给嵌入式控制器MCU,控制器对 这些有用信号进行分析判断，解读变速器故障信息，最后将可能引起事故的故 障信息在人机交互界面显示和报警，让操作员提前采取措施避免造成人员伤亡 和财产损失。另外，系统会将这个数据信息上传至SD卡存储器，方面维修人员 进行维修和保养。如果有需要可以通过GPRS无线数据传输模块将信息传送给云 平台，再经过云平台将故障诊断
14、信息传送给远程服务器，将数据信息存入数据 库，供相关单位奔询，实现对农用拖拉机无级变速箱的故障诊断。同时，还可以 将CAN总线上的信息经嵌入式控制器处理后，通过互联网采取客户端的方式实 现对农用拖拉机的远程检测与管理。基于CAN总线的农用拖拉机无级变速箱故障 诊断系统硬件结构如图6所示。CAX收发狀发动机misUSBCAN HCAN电源V1(.：LGPRS.TTAG硬件栌架阁系统蟀体叫終图6无级变速箱战障诊断系统硬件结构图Fig. 6 The hardware structure of the fault diagnosis system of continuously variable transmission 下载 原图无级变速箱故障诊断系统硬件平台是整个系统重要部分之一，是CAN总线数据 采集和故障判断系统的基础。该系统硬件模块主要包括CAN总线电路、信息采集、 人机交互显示屏、M智能控制模块、GPRS无线传输模块、JTAG接门协议电路 和USB电路等。这些模块的主要作用是完成传感器网络节点的数据采集、分析、 处理和控制等功能。3.2系统软件设计无级变速箱故障诊断系统是通过编写程序来实现系统硬件平台的预定功能，它 与硬件系统相对应，主要是实现硬件系统中关键电路的
