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[交流]汽车诊断技术在现代维修中的应用
目录
1.摘要
1.1汽车诊断
1.1.1汽车诊断仪器与装置
1.1.2汽车故障诊断系统
1.1.3汽车诊断的目的
1.2汽车故障及其诊断策略
1.2.1汽车群体特征
1.2.2汽车故障
1.2.3汽车故障诊断策略
1.3汽车诊断参数
1.3.1诊断参数的类型
1.3.2诊断参数的选择
1.3.3诊断参数的标准
1.3.4汽车常用诊断参数
1.4常用发动机诊断仪器
1.5常用底盘诊断仪器和设备
1.6参考文献
汽车诊断技术在汽车维修中的应用
摘要
现代汽车工业已经进入成熟的发展阶段，世界各大汽车制造商为进一步地争夺汽车销售市场，不断加强开发投资力度，试图以提高汽车安全性、降低能耗、改善舒适性和增加功能等来推动汽车工业向高附加值方向发展，其最重要的标志就是汽车产品的机电一体化。
当大量采用电子元件及其计算机控制技术后，汽车产品的质量、安全性和排放性得到了提高。
同时，当汽车出现故障时，也毫无疑问地带来了故障诊断复杂化等新问题。
如，在汽车行驶性能上，应考虑防抱死制动装置与其它各种安全控制装置的协调；在转向性能上，要注意动力转向和四轮转向在性能上的协调等。
而且，当涉及到汽车故障诊断问题时，除了各控制系统之间的相互联系与协调之外，对车内诊断系统和非车载诊断系统之间的相互协调也提出了更高的要求。
关键词：
故障诊断、车内诊断系统、非车载诊断系统、汽车故障、汽车诊断
1.1汽车诊断
汽车诊断（Diagnostics），是指确定汽车故障的起因，即在汽车不解体或仅拆下个别零件的条件下，查找故障零件部位和查明故障原因的过程。
诊断技术，是指能用于发现和分析故障元件及故障区域的技术。
实际上，广义的诊断包括状态监测，故障检查以及性能预测三个方面。
按汽车诊断技术的复杂程度，与汽车技术发展水平相对应的诊断方法可分为人工经验诊断、简单仪器诊断、精密监测诊断和人工智能诊断四种。
人工经验诊断：
20世纪50年代以前，汽车结构较简单、电器设备较少，依人工经验就能完成故障诊断工作。
目前，人工经验诊断方法对某些复杂故障的诊断仍十分有效。
简单仪器诊断。
20世纪50年代初至70年代末，由于汽车的结构日趋复杂，电器设备也在逐步增多。
因此，在汽车故障诊断过程中就必须借助真空表、压力表、万用表和示波器等仪器对有关总成和零件进行检测，以确定其技术状态。
精密监测诊断：
20世纪80年代初至90年代初，由于汽车的电子化程度越来越高，动态的随机故障以及控制系统功能性故障日益增多。
以计算机技术为核心的各种精密检测手段被广泛应用，使车辆状态的检测水平和准确程度有了很大的提高，故障诊断的准确率也有了很大提高。
如各种发动机分析仪、电脑检测仪以及各种电子化检测仪表等都是进行精密检测所必备的仪器。
人工智能诊断：
20世纪90年代开始，由于汽车的电子装备日趋增多，而且车型及其控制技术又不尽相同。
因此，在汽车维修中，故障诊断就成为关键性问题。
应用人工智能理论与技术以及现代的信息技术开发出的各种系统将有助于故障诊断问题的解决。
1.1.1汽车诊断仪器与装置
按汽车诊断方式，诊断设备分为车内诊断（OnBoardDiagnostics，简写OBD）装置和非车载诊断（OffBoardDiagnostics）仪器。
前者是利用所有装在车上的诊断装置进行诊断；后者是利用独立于车辆的诊断设备或仪器进行诊断。
非车载诊断仪器
1972年，德国大众汽车公司展出了其开发出推出了使用微机的诊断仪器，它是利用车辆上装设的诊断用传感器和诊断用联接器与外部的诊断用微机相联，能够检查88个项目并可打印结果。
这种诊断方法的出现对汽车公司和诊断设备制造商都产生了重要影响。
1986年，美国通用汽车公司推出了TECH-1型诊断仪器。
它是与车内诊断装置相结合的“通用型”诊断仪器，主要针对通用汽车不同年款的各种车型。
它是一种便携式检测仪，不仅能显示车内诊断装置的诊断结果，而且还可向电子控制单元（ECU）输入控制参数，同时还可对运行状态进行监测，并具有与外部大型计算机接口功能及诊断结果的打印输出功能。
1987年，日本丰田汽车公司推出了Diagmonitor型诊断仪；1990年，又推出了DiagnosisReader型诊断仪。
1987年，日本三菱汽车公司推出了MUT型多用途故障诊断试验器。
1989年，日本日产汽车公司也推出了Consult型诊断仪。
除上述汽车公司专用的非车载诊断仪器外，还有福特汽车公司的STAR；克莱斯勒汽车公司的DBR等专用诊断仪器设备。
当前，非车载诊断仪器的主流技术是采用串行通讯方式与车内ECU进行数据交换。
应用串行通讯的诊断仪器，其输入输出信号的监控由ECU进行。
因此，对于每一个系统的变化只需改变软件，而诊断仪的硬件则可以在所有系统中通用。
即使汽车的车型不同，只要更换软件，则就可以继续使用相应的诊断装置。
车内诊断装置
车内诊断装置具备故障识别、报警、存储、处理等基本功能。
故障辨别。
输入ECU的信号处于正常状态时，其量值在一定的范围内；当输入信号超出正常范围时，ECU就诊断系统处于异常。
故障分类。
通过诊断用程序检测输出输入信号的异常情况，并将其分为不影响正常行驶的轻微故障、引起功能下降的一般故障以及影响安全的重大故障。
故障报警。
一般是通过设置在仪表盘内的报警灯闪亮，向操作者报警。
故障存储。
将故障以故障代码的方式存储在ECU的RAM中。
故障处理。
当发生轻微故障时，为了不防碍车辆正常行使，由ECU进行相应的调控。
当发生重大故障时，为了确保必要的最低功能，保险系统即时生效，进入工作状态。
例如，当进气温度传感器状态异常时，计算机能采用标准值进行控制，以保证通常的行驶性能。
又如，当判断出点火系统状态异常时，如果继续运转，则可能使催化剂过热，这时应直接使发动机停止运转。
再如，当微机本身发生故障时，由WDT进行监控。
在微机停止工作的同时，将控制过程切换到备用电路，并按预先设置的喷油时间和点火提前角保证最低限度的功能。
利用车内诊断装置能判断出一般用户难以发现的故障，对主动安全起到了重要作用。
并且，在正确判断故障部位的情况下又进一步提高了排除故障的可能性。
1.1.2汽车故障诊断系统
目前，车内诊断装置、非车载诊断设备或仪器也仅解决了状态监测或硬件直接相关的单一独立的物理故障，它们对功能性、多元性、综合性故障的诊断还存在着一些问题。
20世纪70年代后期，汽车诊断技术由非车载诊断向车内诊断方向发展。
20世纪80年代后期，非车载诊断与车内诊断技术相互结合，使诊断技术有了很大的发展。
这种全新的诊断方式是非车载诊断装置通过车上特定接口获取车内自诊断信息和车辆状态数据。
此外，非车载诊断设备或仪器还可利用计算机网络获取各汽车公司的技术资料，并作为专家系统的知识资源。
汽车诊断系统，是由诊断装置（车内）或诊断设备仪器（非车载）、维修信息系统以及诊断专家系统组成。
有关汽车故障诊断专家系统的开发与研究，已作为人工智能（AI）的应用领域之一。
进入20世纪90年代，开始出现了“专家系统工具”的研究。
这种“专家系统工具”具有知识获取支援功能的专用编辑器，不需要智能语言，从而解决了过去存在的知识库效率低的缺点。
汽车诊断专家系统的功能与特点，概括地说就是“由计算机存储的专家知识，按照需要可以调用，即使初学者也能近似地如专家一样进行故障诊断”。
目前，汽车故障诊断专家系统与其他诊断方式相比，具有以下特点：
•车内诊断和非车载诊断主要局限于汽车电器系统，而专家系统可以适用于电器和机械两方面的诊断；
•专家系统能利用车内诊断和非车载诊断的数据和信息，并可以与检测子系统联接，有效地提高了诊断效率和精度；
•专家系统能与信息系统相联，在不断充实知识库的同时，通过改进各诊断系统的相互关系，可以充分发挥专家系统的优点。
1.1.3汽车诊断的目的
汽车诊断是汽车运用过程的一个重要组成部分，主要是确定在用汽车的技术状况是否正常，找出异常状况的故障原因及其部位。
汽车只有在技术状况正常的情况下，才能可靠运行并充分发挥其性能，保证行驶过程中的安全性、经济性和排放性。
汽车外部状况可以通过目视检查来确定其状态，但在不解体的情况下，对其内部状况的判断却是十分复杂的工作。
如果将汽车的总成或机构通过分解的方式进行检查，不仅费工费时，而且还可能对其可靠性和性能产生不利的影响。
因此，采用汽车诊断技术对汽车技术状进行监测、检查汽车维修质量和判断汽车故障，是十分有效的方法。
汽车诊断工作重点如下：
•对汽车的技术状态进行全面检查，确定汽车技术状况与标准状态相差的程度，从而决定汽车能否适合继续行驶，或采取何种维修措施保持和恢复技术状况；
•确定汽车的具体故障原因和寻找确切故障部位，制定合理的故障排除方案；
•预测汽车技术状态的变化趋势，在掌握汽车技术状况变化规律的前提下，确定适时的诊断周期或实现按需维修模式。
1.2汽车故障及其诊断策略
研究汽车技术状态变化、故障发生过程和产生机理是进行汽车诊断的前提条件。
汽车可以看成是由大量子系统组成的复杂系统。
应用系统理论可扩大对汽车、总成或零部件故障性质的理解深度以及对故障复杂性的认识程度。
一辆汽车是由发动机、传动系、行驶系、转向系、制动系以及电器系统等组成，而这些子系统又可以进一步划分为总成、机构或装置。
例如，发动机就是由曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系、冷却系、润滑系、起动系、排气净化装置以及电器与电子控制装置等组成，它们又是由一系列机械零部件或电子元器件组成。
零部件或元器件是组成汽车这个系统的最基本元素，它们之间的不同联系组合方式形成了系统的不同功能。
汽车诊断的终极目标就是确定零部件或元器件的状态，找出故障的部位。
汽车的功能即系统的功能，它又是由各子系统功能决定的。
但功能系统与结构系统在组成逻辑上其关系可能是不同的。
例如，结构上是串联的系统，功能上可能是并联的。
这种结构与功能在组成逻辑关系上的转换，在故障诊断中应该引起特别注意，因为它对故障的排除存在着隐患。
汽车的故障即系统故障，其产生同样也会受到相应子系统故障的影响。
而且从系统组成的逻辑关系上来看，结构系统的逻辑关系在系统级上与功能系统一致，而在元件级上可能不一致，并且在系统的状态空间中故障事件与功能事件是互斥，它们从不同的角度说明系统的状态。
功能表征了系统的状态，系统状态的变化表现为系统的故障症兆，故障症兆的产生原因又与结构相关，当系统正常时，结构没有故障，功能正常，系统处于平衡状态；受使用过程中外界条件的干扰，系统可能出现不平衡的故障状态；若采取维修手段就可能使其恢复到原来的正常平衡状态，或不采取维修手段，就可能向失效的平衡状态发展。
对汽车系统故障的诊断，就是在系统不平衡状态下或者说是故障原因未知的情况下，找出故障的部位。
即通过监测功能状态发现故障，然后确定故障部位，并由结构来分析来确定功能，从而进一步确认故障。
故障诊断过程实际上就是这样的不断重复的循环过程。
其推理过程是功能—故障—结构—功能，而验证过程是功能—结构—故障—功能。
图1 使用过程中系统提高的动态变化的形象描述
1.2.1汽车群体特征
汽车作为群体来描述时，具有功能的一致性、原理的变异性、组成的相似性、性能的多元性、结构的多样性、状态的时变性以及描述的复杂性等基本特征，不仅对汽车故障诊断有指导意义，而且也是汽车的故障诊断系统建立过程中的必须考虑的因素。
汽车作为一种主要的交通运输工具，其主要功能从群体上是一致的，即汽车应以一定的运行速度和客货载量安全、可靠地完成运输工作。
功能的一致性对同一种类型的车辆而言。
汽车群体原理的变异性最突出表现就是汽车的发动机。
根据所用燃料的种类，最常见的是汽油发动机和柴油发动机。
而且，汽油发动机又可分为化油器式和汽油喷射式。
同样类型的发动机尽管在结构和尺寸上千差万别，但其工作原理又有相对一致性，这使故障诊断的求解过程得到简化。
除发动机外，汽车的其他总成或系统也具有工作原理绝对变异性和相对一致性。
工作原理可以作为故障诊断专家系统中知识库的深知识，用于逻辑推理，并且工作原理又是将功能与结构相互连接的最直接知识，也是确定故障部位的必要条件。
汽车群体在结构上的变化和差异是进行故障诊断的最大障碍。
某个总成在结构上的不同可能导致故障模式的变化，它不仅增加了故障诊断求解过程的复杂性，而且可能导致知识库的“爆炸”。
由于故障诊断的最终结果是定位在具体的结构上，因此，汽车结构的多样性将增加故障诊断的难度。
汽车不仅需要具有足够的动力性和良好的燃料经济性，而且还要具有最佳的安全性和排放性。
性能的多元性将导致故障的多元性。
性能的多元性使性能之间的相互影响和相互作用的关系复杂化，导致了故障推理空间的增大和推理逻辑关系的复杂等问题。
1.2.2汽车故障
由于汽车结构和原理变得越来越复杂，使故障诊断的难度增大。
在汽车结构和原理比较简单时期，仅凭手摸、眼看、耳听和实践经验就可以进行故障诊断，而现在必须借助相应的技术方法和信息支持才能完成故障诊断工作。
根据故障现象或者故障模式与故障的原因和部位之间的映射关系对故障进行诊断。
诊断过程是由现象观测、症兆提取、状态分类和原因或部位确定等阶段组成。
对故障现象观测之后，首先提出假设的初始故障模式，然后有针对性地进行特征参数提取，再根据特征参数检验是否符合假设的故障模式，最终确定故障原因和部位。
表1列出了汽车常见具体故障的名称及表现形式。
分类特征 分类对象 故障名称 故障表现形式或原因
具
体
描
述 机
械
零
件 磨损 零件尺寸或形状变化
变形 零件形状或相对位置变化
断裂 零件由于疲劳或超负荷造成的破断
腐蚀 零件由于化学或电化学的原因造成的表面剥落
松旷 零件配合间隙增加或过盈量消失
卡滞 由于配合件尺寸或形状的变化所造成运动受阻碍
泄露 存储和传输气液器件破损或密封不严造成的泄漏
堵塞 气液传输器件的通道不通或不畅
电
子
器
件 短路 器件电阻为零
断路 器件电阻为无限大
烧蚀 电流过大造成的器件损坏、端子和导线的氧化
击穿 电压过高造成的器件损坏
漂移 电器工作参数不稳定的现象
过热 电流过大或散热不良造成的器件温度升高
老化 电器工作参数由于长时间工作而改变
系
统
性
能 失速 发动机自动熄火的现象
无力 汽车或发动机动力不足
缓升 汽车或发动机升速缓慢
迟滞 汽车或发动机等总成对控制指令的响应时间长
抖动 汽车或发动机等总成速度忽高忽低的现象
波动 汽车或发动机速度在一定范围内变化的现象
打滑 汽车速度不随发动机转速升高而增加的现象
过热 发动机或其它总成工作状态失调引起的温度升高
振动 汽车、发动机等总成受不平衡力作用而产生的振动
异响 工作过程中不正常的噪音
超标 不符合标准（如汽车或发动机的燃料消耗高）
失标 设定的标准值（参数或位置）发生变化
失信 无信号、无电压、无电流、无压力等
失控 汽车、发动机或其它总成工作状态不能控制
失效 汽车、发动机或其它总成不能工作的状态
1.2.3汽车故障诊断策略
汽车故障诊断策略实质上涉及狭义策略和广义策略两方面的问题。
狭义策略，是指采用何种方法确定故障原因与部位；广义策略，是指采用何种规则进行故障诊断或者说怎样进行故障诊断，包括时间、场地、仪器、方法等多项内容。
所以，就汽车的故障诊断策略的内容及对象来说，不仅要确定对功能有影响的已出现的故障原因和部位，而且还要解决好潜在故障、隐藏故障和多重故障的诊断问题。
由于汽车的使用特点，人们目前只注重对狭义诊断方法的研究，而忽视了对广义诊断策略的探讨。
对汽车故障诊断策略的研究其核心是策略的优化，它既要解决诊断系统总体结构的优化，又要考虑诊断方法的优化以及诊断过程的优化等问题。
其最终目的就是在最短的时间内，及时并准确地发现和确定故障的原因及部位。
1.3汽车诊断参数
当汽车发生故障时，需要对汽车进行诊断。
下面将概括地介绍诊断参数的类型、诊断参数的选择和汽车常用诊断参数。
现代汽车发动机主要是往复活塞式内燃机。
它主要由曲柄连杆机构、配气机构、点火系、供给系、冷却系和润滑系等组成。
而且随着电子技术在汽车上的广泛应用，以计算机为核心的电控系统已成为发动机的主要系统之一。
因此，为了实现对发动机、总成及其机构技术状态与故障的诊断，人们研究开发了各种类型的诊断仪器。
1.3.1诊断参数的类型
诊断参数是确定汽车技术状况的主要依据。
在不解体条件下，直接测量检验对象的结构参数常受到限制。
例如，气缸磨损情况，曲轴轴承间隙和齿轮啮合情况等。
因此，在确定汽车技术状况时，必须采用与结构参数有联系的并能足够表达结构技术状况的直接或间接诊断参数来判断。
汽车主要常见故障症状、相应诊断参数及其诊断对象之间的对应关系，见表2。
表2汽车主要故障与诊断参数之间的对应关系
故障症兆 诊 断 参 数 诊断对象
性能变化 功率、转速下降、各缸功率平衡、加速度、加速时间；制动距离、制动力、制动减速度 发动机、制动器、蓄电池
工作尺寸变化 线性间隙、角度间隙、自由行程、工作行程 前桥、后桥、转向机构、离合器操纵机构
密封性变化 气缸压缩压力、曲轴箱窜气量、轮胎压力 发动机气缸、压气机、轮胎
循环过程参数变化 起动电压与电流、点火电压、点火电流、悬架振动参数指标、离合器滑转率 发动机气缸、点火系、起动系、发电机、悬架、离合器
声学参数变化 振动幅值、振动频率、振动相位、幅频特性、声级 发动机、传动系、柴油机供给装置
工作介质成分变化 粘度、酸值、碱度、含水量、添加剂含量、磨损颗粒组成及浓度 发动机、润滑系、变速器、主减速器、冷却系
排气成分变化 CO、CH、NOX、、烟度、颗粒排放度 发动机点火系、燃料供给系、排放净化装置
热状态变化 温度、温度变化速度 冷却系、轮滑系、传动装置、车轮轴承、离合器
机械效率变化 滑行距离、传动系统阻力矩、转向轮转向阻力矩 传动系、转向系、车轮轴承、发动机
表面形态变化 可见变形、油漆脱落、渗漏、划痕、轮胎磨损 汽车各总成
每种诊断参数都有不同的含义，通常决定一个复杂系统的技术状态需要进行综合诊断。
根据不同的需求，采用不同的诊断参数，并进行从整机性能的总体诊断到总成或零件的深入诊断。
诊断参数可以是工作过程参数、伴随过程参数、几何尺寸参数或者由此派生的间接参数。
工作过程参数，如制动距离、发动机功率、离合器滑转率等，是表征总成或系统技术状况的总体信息，它们是对故障进一步深入诊断的基础。
伴随过程参数，如发热、噪声、振动等，是表征有关诊断对象的技术状态的局部信息，适应于对复杂系统的深入诊断。
几何尺寸参数，如间隙、同心度、工作行程、自由行程等，是表征机械机构或配合副之间的相对几何尺寸关系，是诊断对象实体状态的直接信息。
此外，为了提高诊断精度，根据诊断条件还可以采用派生参数，如求被测物理量对时间的一阶、二阶导数等。
在进行故障诊断时，工作时间也是分析故障产生原因时所须考虑的重要因素之一。
诊断参数可能是相对稳定变化的或者是周期性变化的物理量。
对于相对稳定变化的诊断参数，只要定期测量它的数值，就可以根据物理量与行驶里程之间的函数关系预测诊断参数的变化程度。
根据许用标准值确定可能工作时间，从而分析故障产生是否与时间因素。
对于周期性变化的诊断参数，一般无法确定物理量与行驶里程之间的函数关系。
因此，很难预测其可能工作时间，无法从时间角度来分析故障产生原因。
1.3.2诊断参数的选择
汽车在使用过程中，诊断参数值的变化规律与汽车技术状况变化规律之间有一定的关系。
为保证对汽车诊故障诊断的准确性、方便性和经济性，要求诊断参数必须具有灵敏性、稳定性、单值性和信息性。
1.3.3诊断参数的标准
为了实现对汽车、总成和机构的技术状态进行定量评价，并达到确定汽车的维修周期、工艺方法和预测工作时间的目的。
只有诊断参数还不够，还必须建立诊断标准及其体系。
所谓的汽车诊断标准是表征汽车、总成或机构工作能力状态的一系列诊断参数的界限值。
诊断标准是汽车诊断研究中的关键而复杂的问题。
根据诊断标准制定的来源，诊断标准可以分成国家标准、厂商标准和企业标准三类。
1.3.4汽车常用诊断参数
为确定车辆的技术状态，分析故障产生原因及其预测汽车技术状态变化趋势，对汽整、总成或机构的进行诊断时，常用的诊断参数，见表3。
表3汽车诊断常用参数
序号 诊断对象 诊断目的 诊断参数 备 注
1 发动机总成 发动机总体性能 功率，kW
曲轴角加速度，rad/s2
单缸断火时功率下降率，％
单缸断火时转速下降率，％
油耗，L/h
排放废气中co、CH和NOx含量 对于电喷发动机可以采用单缸断油的方式检测功率或转速下降率
2 气缸活塞组 气缸与活塞磨损
活塞环安装状态 曲轴箱窜气量，L/min
曲轴箱气体压力，kPa
气缸间隙，mm
气缸压力，MPa 气缸间隙可采用检测振动信号参数的方法测量；
3 曲柄连杆机构 主轴径与轴承磨
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