引言

挖掘機維修往往充滿挑戰(zhàn)。

一方面，發(fā)動機與液壓系統(tǒng)之間的電路配置復雜，通用診斷工具少，維修難度大。另一方面，核心部件通常被多層防護板遮蓋，拆裝不便，零部件價格昂貴，誤換代價高。不過不用擔心，虹科Pico汽車示波器同樣能幫助你高效診斷工程機械故障。

01

故障現(xiàn)象

一臺日立 Zaxis 135挖掘機，客戶反饋發(fā)動機轉(zhuǎn)速無法提高，導致機器無法移動，被困在工地上。同時，儀表臺上出現(xiàn)多個故障警告。

圖1 日立 Zaxis 135挖掘機

02

故障診斷

初步檢查

查閱操作手冊后，在設備的服務菜單中發(fā)現(xiàn)部分隱藏信息，內(nèi)容類似串行數(shù)據(jù)。其中，發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速均顯示為空白，但油溫、冷卻液溫度等其他發(fā)動機數(shù)據(jù)卻可以正常顯示。菜單中的另一個項實用功能是查看液壓泵壓力（廠商已在液壓系統(tǒng)中加裝了壓力傳感器）。但遺憾的是，這個數(shù)值同樣是空白的！

由此可知，顯示屏能夠接收到部分發(fā)動機相關部件的信號，說明通信沒有完全中斷，但轉(zhuǎn)速和壓力相關的數(shù)據(jù)卻完全缺失。

圖2 顯示屏上轉(zhuǎn)速信息缺失報錯

圖3 發(fā)動機故障警告

基礎信號驗證

作為共軌柴油發(fā)動機，理論上，發(fā)動機能啟動并運轉(zhuǎn)，則其曲軸位置傳感器的信號應當正常。但維修工作不能想當然，我們?nèi)杂斜匾獙ηS信號進行驗證。

找到了曲軸位置傳感器的信號線，安裝了通用轉(zhuǎn)接線。如圖4，我們分別采集了曲軸傳感器信號（1）、凸輪軸位置傳感器信號（2）和1號噴油器電流（3）。

圖4 故障挖掘機的曲位、凸位信號與噴油電流

當然，我們在此處采集凸輪軸位置信號與噴油電流的目的，是為了保存一套正常運作時的波形，用于以后的對比驗證。你還可以將采集到的波形，上傳至波形庫、存儲到云端，方便未來隨時調(diào)用。

從圖4的波形來看，基礎信號均正常，發(fā)動機控制系統(tǒng)的核心部分沒有問題。既然如此，那問題很有可能出在信息傳輸環(huán)節(jié)。于是，我們將排查重點轉(zhuǎn)向設備的通訊系統(tǒng)。

發(fā)動機電控單元（ECU）需要將發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號傳輸?shù)今{駛室的顯示屏上，但目前顯示屏的目標轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速均無數(shù)據(jù)顯示。這些信息是如何傳遞的？答案是 CAN 總線。

如圖5，我們找到了這臺挖掘機設備的接線圖。

圖5 故障挖掘機的接線圖

當然，我們用不上整張接線圖。如圖6，稍加簡化，我們只需要關注CAN總線、相關控制單元以及用來調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速（RPM）的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕。

圖6 簡化后的接線圖

Engine Speed Control Dial: 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕

Information display (INF) : 信息顯示屏（INF）

ICF: 儀表組合控制單元。

Machine Control ECU(MCU): 機器控制ECU（MCU）

Engine ECU - ECM :發(fā)動機控制ECU（ECM）

如圖所示，操作員通過轉(zhuǎn)速控制旋鈕發(fā)出指令，這個指令同時發(fā)送給信息顯示屏和機器控制ECU（即MCU）。然后機器控制ECU通過CAN總線將轉(zhuǎn)速請求發(fā)送給發(fā)動機ECU（即ECM），同時相關數(shù)據(jù)也會發(fā)送到顯示屏。這也解釋了為何部分發(fā)動機數(shù)據(jù)仍能正常顯示：因為這些數(shù)據(jù)是通過網(wǎng)絡共享傳輸?shù)摹?/p>

CAN總線波形測試分析

有了推測，接下來需要實際驗證。如圖7，使用虹科Pico示波器，將探頭連接到CAN總線上，觀察各個ECU之間的通信情況。在大多數(shù)帶OBD接口的車輛上，找到CAN總線并不難，但工程機械就沒那么方便了。經(jīng)過一番尋找，我們找到了正確的線路并開始監(jiān)測，并發(fā)現(xiàn)了非常有意思的結(jié)果。

圖7 將探針連接到CAN總線上

圖8是我們采集到的CAN總線波形。其中，藍色的A通道為CAN高信號，紅色的B通道為CAN低信號。CAN總線傳輸使用的是差分信號，因此我們也添加了數(shù)學通道來輔助分析：

? 粉色：A+B通道（CAN高+CAN低）

?紫色：A-B通道（CAN高-CAN低）

正常情況下，CAN高+CAN低為5V，CAN高-CAN低應為規(guī)則方波。而在故障挖掘機的某些數(shù)據(jù)包上，A+B通道出現(xiàn)了異常：

? 前三個數(shù)據(jù)包在傳輸時有輕微干擾，但仍保持在正常的5V范圍內(nèi)

? 后面四個數(shù)據(jù)包的電壓則明顯被拉高了

圖8 故障挖掘機的CAN總線波形

放大對比這兩組數(shù)據(jù)包，差異更加明顯。第二組數(shù)據(jù)包在A+B通道中有明顯的失真，看起來很亂，而A-B則相對平穩(wěn)。這表明CAN總線上確實存在異常，但還不能確定具體是哪個部件的問題。

圖9 放大故障挖掘機的CAN總線波形

檢查轉(zhuǎn)速控制旋鈕

既然不能完全確定CAN總線的問題，我們決定從另一個角度入手——檢查轉(zhuǎn)速控制旋鈕本身。

這是一個簡單的三線設備：5V電源、接地和信號輸出。如果它不能向及其控制ECU輸出信號，自然就不會有轉(zhuǎn)速變化的請求。

圖10 轉(zhuǎn)速控制旋鈕

打開點火開關后，用萬用表測量旋鈕的供電，卻發(fā)現(xiàn)5V供電缺失！

如圖6，不只是轉(zhuǎn)速控制旋鈕使用這個5V供電，液壓泵壓力傳感器也用同一個電源。這就解釋了為什么儀表盤上的泵壓力讀數(shù)也是空白的。

問題逐漸清晰了：缺少5V供電導致轉(zhuǎn)速控制旋鈕無法工作，進而無法控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速。那么，這個5V電源是從哪里來的呢？答案是：機器控制ECU。

定位故障部件

圖11 機器控制ECU所在位置

檢查機器控制ECU的電源和接地，均正常。但是它應該輸出的5V參考電壓卻不存在。所有證據(jù)都指向同一個結(jié)論：機器控制ECU本身損壞了。

這是所有維修人員都不愿面對的時刻——需要更換一個昂貴的控制單元。但基于我們收集的所有證據(jù)，這是唯一合理的結(jié)論。

故障排除

訂購并安裝了新的機器控制ECU后，故障徹底解決：

1.原本缺失的5V參考電壓恢復正常

2.信息顯示屏上的故障代碼全部消失

3.轉(zhuǎn)速控制旋鈕可以正常工作

4.發(fā)動機轉(zhuǎn)速可以正常調(diào)節(jié)

5.液壓泵壓力讀數(shù)也恢復顯示

故障總結(jié)

我們想再討論兩個問題：

1、CAN總線到底正不正常？

更換好MCU后，我們再次在同一個位置測試了CAN總線信號，如圖12?？梢钥吹?，CAN H和CAN L的波形與之前測的極為相似，且CAN高+CAN低依然偏離了5V基準線。A-B差分信號依舊非常規(guī)律，可以被正確解碼。但注意，此時總線上的通訊量相較于故障時明顯增加。

圖12 正常車的CAN總線波形

我參考了論壇上一篇關于ECU電氣特征的帖子，其中提到：“報文/有效載荷傳輸期間，總線上呈現(xiàn)的顯性電壓（CAN H 為 3.5V、CAN L 為 1.5V）會因ECU內(nèi)部的廠商公差、連接情況、部件差異及其在總線上的物理位置不同，成為發(fā)送該報文的CAN控制器獨有的特征?！?對于工程機械而言，ECU的這種獨特特征會更加明顯——因為一臺設備的制造涉及多個不同廠商：發(fā)動機ECU可能來自奔馳、五十鈴或斗山，信息顯示屏可能出自任意一家供應商，而機器ECU則由整機廠商集成。

因此，在修復故障以后，我們可以將之歸入已知的正常波形之列。這也是為什么我們建議大家形成隨手采集正常波形的習慣——為未來的維修做準備，避免走彎路。

2、機器控制ECU到底為什么損壞？

初步檢測拆下來的舊機器控制ECU，可以發(fā)現(xiàn)其表面布滿灰塵（圖13），但并未發(fā)現(xiàn)任何元件完全燒毀。電路板上還有一個元件存在腐蝕（圖14）。

圖13 機器控制ECU電路板灰塵密布

圖14 電路板上元件腐蝕

虹科汽修好品