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自动变速器控制单元测试系统的设计

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摘 要

该系统以A601V自动变速器﹑A341E自动变速器﹑4T80E自动变速器为基础，在不影响电控发动机及自动变速器各种性能的前提下，对电控系统进行改造，最终设计了一套可综合进行三种不同车系的自动变速器实验、教学、科研及实际故障检测的平台。对汽车维修行业的从业人员或汽车相关专业的学生来说，是十分有益的，也是十分必要的。教师在利用实验台进行授课时，学生更容易理解，记忆也更深刻，学习效率将大幅高。

设计说明书对自动变速器的结构组成进行了讲解，对其工作原理进行了深入的分析，最主要的是对实验台的设计过程进行了全面的总结和详细的说明。实验台的总体设计工作包括实验台台架结构的设计、实验台面板的设计、实验台面板控制图的设计、故障点和故障现象模拟的设计。

关键词：自动变速器整合实验台；实验教学系统；设计与制作

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ABSTRACT

The system based on A6 01V Automatic Transmission， A341E Automatic Transmission ，4T-80E general-purpose automatic transmission ,Without prejudice to the engine and electronically controlled automatic transmission under the premise of a variety of performance, the transformation of electronic control systems, and ultimately designed a set of integrated systems of three different cars automatic transmission experiments, teaching, scientific research and practical platform for fault detection of the vehicle maintenance industry professionals or students car-related is very beneficial, but also very necessary. Teachers in the use of test-bed for the medium of instruction, students more easily understand and remember more profound, learning efficiency will be significantly high.

Design specification of the structure of the automatic transmission on the composition of its working principle of an in-depth analysis, the most important test-bed for the design process of concluding a comprehensive and detailed explanation. Experimental work includes the design bench test structure design, the design of test panels, test-bed panel control chart design, fault and fault simulation of the design phenomenon.

Key Words：Automatic transmission integration test-bed；Experimental teaching system design and production

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目 录

1 引言 ............................................................... 1 1.1设计的目的与意义 .................................................................................................... 2 1.2设计与制作的主要工作 ............................................................................................ 2 2自动变速器电控系统的结构组成和工作原理分析 .......................... 3 2.1自动变速器电控系统的结构组成 ............................................................................ 3

2.1.1自动变速器传感器的种类 ......................................................................... 3 2.1.2自动变速器ECU .......................................................................................... 3 2.1.3自动变速器执行元件及控制开关 ............................................................. 3 2.2自动变速器电控系统工作原理 ................................................................................ 4 3实验台总体设计方案 ................................................. 7 3.1实验台的功用和设计思路 ........................................................................................ 7 3.1.1实验台的功用 ........................................................................................................ 7 3.1.2实验台设计思路 .................................................................................................... 7 3.2元件的故障设计 ........................................................................................................ 8

3.2.1故障点的设计 ............................................................................................. 8 3.2.2元件的模拟信号设置和断路﹑短路等现象分析 ................................... 11 3.3自动变速器故障的自诊断与故障代码 .................................................................. 13

3.3.1自动变速器故障的自诊断 ....................................................................... 13 3.3.2故障代码 ................................................................................................... 14

4电路图的设计 ...................................................... 21 5接线图的设计 ...................................................... 23 5.1 换档电磁阀接线图设计 ......................................................................................... 23 5.2 故障开关及测点的设计 ......................................................................................... 24 5.3节气门及油温﹑冷却液温度传感器的采集和接线图的设计 .............................. 24 5.4 转速采集及显示电路设计 ..................................................................................... 26 6实验台的台架设计 .................................................. 27 6.1实验台控制面板设计 .............................................................................................. 27 6.2实验台台架设计 ...................................................................................................... 28 6.3电动机的设计 .......................................................................................................... 28 6.3.1模拟转速传感器和自动变速器输入轴转速传感器电机的选择 ...................... 28

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6.3.2车速传感器电机的选择 ...................................................................................... 29 总 结 ............................................................ 30 参考文献 ............................................................ 31 附录 ................................................................ 32 致 谢 ............................................................ 46

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1 引言

现代化的汽车产品是机械与电子紧密结合的产物。近十多年来，随着电子信息技术的迅猛发展和人们对汽车的动力性、舒适性、经济性及环保等方面要求的不断提高，电子技术被越来越多地引入到汽车装置上，使汽车越来越智能化。所谓“智能化”，就是将先进的电子信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、自动控制技术、计算机处理技术等有效地整合，集成运用于汽车装置，实现大范围、全方位发挥作用的实时、准确、安全、高效、环保的综合运行系统。在电池动力和代用燃料动力汽车技术还不十分完善的今天，以燃烧汽油为动力的汽车依然是当今汽车工业的主导产品。随着汽车工业的发展，全球汽车产量逐年增长，石油需求量也飞速增长，而石油又是不可再生的资源，这就导致了汽油价格的飙升，从而使节油汽车日益受到广大普通用户的关注。因此，运用高科技手段微电子控制(简称电控)技术，使每一滴油都能充分有效地燃烧干净，便成为世界各大汽车公司竞相追求的目标。同时，随着环境保护愈来愈受到人们的关注，汽车在尾气排放方面的要求也越来越严格，这也推动了汽车发动机电控技术的发展。与此同时，汽车电控化、电子化和智能化也带来许多问题，使得汽车的故障变得越来越复杂，除了以前相对简单的机械故障外，还包括了更为复杂的电控系统故障，这就要求与之相适应的更为先进的故障诊断技术，以前简单的诊断技术,己经不能满足当今逐渐电控化的汽车的需要

[1][2][3]

。

1.1设计的目的与意义

自动变速器的复杂程度在当今轿车上是最高的。自动变速器的飞速发展及其普 遍应用已成为当今轿车发展的一个方向。目前自动变速器上采用的电子控制系统， 许多采用的是模糊控制理论，使变速器在经济模式和动力模式之间存在滑动换档曲 线，在不同的道路条件下，自动变速器的换档更加随意、更加柔顺。这样，自动变 速器的结构及其工作原理变得越来越复杂，这给维修人员增添了许多技术难题，也给汽车专业的学生在学习和实验时带来许多不便。

电控技术作为新兴的技术，特别是在国内，应用时间较短。人们对发动机、变 速器电控技术的原理、工作特性以及实际中会产生的问题还没有深刻的理解；其次， 由于发动机、变速器引入了电子控制技术，它们的故障日趋复杂化，因此以前人工 故障诊断法已经无法满足维修的要求。当前，制约我国汽车维修行业发展的主要因 素是人才和技术的缺乏。许多从事汽车维修多年的技工，检测或诊断机械故障得心 应手，但对于电控发动机故障，则感到力不从心，不知从何下手，这是因为许多维 修工依然是凭“经验维修”，而不是“数据维修”；诊断汽车电控故障依然靠“换件诊断”，而不是“技术诊断”。这样造成的错诊误断、错换部件等现象层出不穷，维

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修费用也居高不下。与此同时，我国与汽车有关的各类院校教学内容、教学手段和教学模式陈旧，大部分高等院校对电控发动机知识的讲解还只是停留在书本知识的传授上。虽然学生的理论知识比较丰富，但是由于很少有实践机会，学生对老师讲解的电控发动机、自动变速器知识认识不深刻，记忆不牢固，对故障的了解只是停留在老师介绍的个别情况上，至于这些故障产生的原因以及其他发动机的情况还不能融会贯通。为此，基于上面的分析，为促进我国汽车检测与诊断技术的发展和丰富国内汽车专业的教学、科研设备，确定了本课题的研究内容，即在我校现有设备的基础上，通过改进和重新设计，开发变速器测控实验教学系统。其主要的思路是通过对汽自动变速器的结构和原理分析并可以设置电控动机及变速器主要传感器、执行器、控制线路以及电控单元等信号的常见故障；另外，它还可以模拟自动变速器的主控信号，使实验及教学能互动进行。该系统可以为使用者提供非常方便的检测接口、直观的电路显示以及非常丰富的检测内容。相关企业的技术人员以及相关专业的大专院校学生通过在试验平台上的反复模拟试验，可以加强对电控发动机及自动变速器的结构、控制原理以及故障诊断原理的认识，提高使用和维修水平。因此发动机及变速器测控实验教学系统的开发有着较大的实用价值和应用前景，它可广泛应用于各大专院校、科研院所及汽车维修企业单位，因此也具有广阔的市场前景[4][5][6]。

1.2设计与制作的主要工作

1）确定基本组成结构及个装置的的选型和布置方案，其中包括传感器的选择及布置。 2）设计结构原理图：自动变速器电控系统的试验台工作原理及其性能匹配，包括驱动设备变频调速原理，传感器的模拟与输出原理。 3）线路设计。

4）熟路与输出的产生方法。

5）通过一些实验，确定故障的测试方法。

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2自动变速器电控系统的结构组成和工作原理分析

2.1自动变速器电控系统的结构组成 2.1.1自动变速器传感器的种类

1．节气门位置传感器 功用：是将发动机的负荷（对应于节气门的开度）转换为电信号输入ECU，作为确定变速器换档时机和变矩器锁止时机的主要信号之一，一般采用线型输出型节气门传感器，带有怠速开关，多与发动机节气门位置传感器功用[7]。

2.机油温度传感器：检测自动变速器液压油的温度。以作为ECU控制进行换档控制，油压控制和锁止离合器控制的控制信号。

3.发动机转速传感器: 自动变速器控制ECU利用发动机转速信号与变速器输入轴转速信号进行比较以判断锁止离合器的打滑状态，从而调整适合的变矩器锁止离合器控制电磁阀的调制脉冲，传递方式可分为专线和数据总线两种，型式有电磁式和霍尔式。

4.自动变速器输入轴转速传感器：结构和车速传感器相同；向ECU输入行星齿轮变速器输入轴的转速信号，更精确的控制换档过程，还有就是把信号和来自发动机控制系统的发动机信号进行比较计算出变矩器的传动比，使油路压力的控制优化。改善换档品质。

5.车速传感器：产生频率与车速成正比的信号电压，并输入ECU作为确定变速器换档时机和变速器锁止主要信号之一。对于装有自动定速巡航装置的车辆，它还用于速度调节。

6.冷却液温度传感器：当发动机温度较低时，ECU可以防止液力变矩器进入锁止状态，保证汽车正常操控性能。低温信号会延迟升档时间。若温度过高，ECU将提前进入锁止液力变矩器。 2.1.2 自动变速器ECU

它是汽车电子控制装置的中枢电路元件，主要具有译码指令和进行数据处理能力的中央处理器CPU，用于存储程序和数据处理器，以及具有与外部传感器﹑控制开关﹑和执行器进行数据交换的输入和输出接口组成[8]。 2.1.3 自动变速器执行元件及控制开关

1．电磁阀：1）功用根据变速器ECU的指令接通﹑切断或部分接通﹑部分切断液压回路，以实现一自动变速器的换档﹑变矩器锁止﹑主油压调节﹑发动机制动等项目内容的控制;2）可分为换档电磁阀﹑锁止电磁阀﹑油压控制电磁阀等，工作方式有开

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关式电磁阀和脉宽调制式电磁阀。

2.模式先择开关：用于选择变速器的控制模式，即选择自动变速器的换档规律，一满足不同的行使要求。

3.多功能开关：用于向自动变速器控制单元传递操纵手柄的位置信息，进行以下控制：

1）将操纵手柄的机械位置（P﹑R﹑N﹑D﹑3﹑2）传递给自动变速器控制单元。 2）通过继电器J207控制发动机在非P﹑N挡位置不能启动。 3）当操纵手柄在D﹑5﹑4是向巡航控制系统提供电压。 4）倒车时接通倒车灯。

4．超速档开关：用来控制自动变速器超速档，只有在超速档开关打开后，自动变速器随车速升高而升档，直到升入最高档。

5．制动灯开关：用以判断制动踏板是否踩下，如果被踩下，制动灯电路接通，同时将信号输给ECU以解除锁止离合器接合，防止突然制动时发动机熄火。

6．强制降挡开关：检测加速踏板是否超过节气门全开的位置，当加速踏板超过节气门全开的位置时，强制降挡开关接通，并向电子控制装置ECU输送信号。这时ECU按设定的换档程序控制换档，并使变速器自动下降一个档位，以提高汽车的加速性。

7．Tiptronic开关（手动换档开关）：用于电子控制装置根据根据被接触的触点。测得操纵手柄的的位置，从而按照不同的程序控制自动变速器的工作。

8.选档指示器：用于显示档位所处的位置。

2.2自动变速器电控系统工作原理

电子控制系统的作用是控制换档工作点和锁止离合器的工作情况。其组成包括传感器、计算机ECU和执行器三个部分。传感器（如图2-1）由节气门位置传感器、车速传感器、水温传感器和变速器工作型式选择开关、空档起动开关、制动灯开关、O/D主控开关等组成.它们将探测到的信息以电信号的形式送给ECU、ECU则根据这些信号来确定换档时刻和锁止时刻. 执行器包括三个电磁阀。电磁阀有ECU控制，并改变液压阀的油压[9][10]。

电子控制系统的控制原理如下：

1.换档时机控制：在ECU内存储着变速杆的各个位置（D、2和L）和变速器型即（NORMAL即标准型, 或POWER即动力型）最优换档模式。以此为基准, 再考虑车速传感器发来的车速信号和节气门传感器发来的节气门开度信号。ECU 便在适当的时刻打开或关闭1号和2号电磁阀, 从而操纵各个换档阀, 接通或关断通往各换档离合器和制动器的油路，实现变速器的加、减档。

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图2-1 自动变速器电子控制系统原理

2.超速档控制：如果O/D主控开关打开, 变速杆又在“D ” 位时, 就有可能以超速档行驶。然而在下列两种情况下, 电子控制系统将阻止挂入超速档:

（1） 在使用巡驶控制系统行驶时, 如界实际车速降低到低于设定车速约而汽

车仍在超速档运行时, 巡驶控制系统计算机便将信号送给发动机和电子控制变速器, 从而脱开超速档, 并在实际车速达到存贮器内设定的车速之前阻止变速器换回到超速档上。

（2） 水温低于60℃ , 电控系统也将阻止变速器挂人超速档。

3.锁止控制：ECU的存储器内存有锁止离合器工作模式。以此模式为基准, 根据 车速信号和节气门开度信号, ECU接通或关闭锁止电磁阀, 从而通过锁止继电器阀进行油路转换, 使锁止离合器啮合或脱开。为了避免发动机熄火, 在制动时制动开关接通和节气门全关时,ECU就关闭锁止电磁阀, 使锁止离合器强制分离。为了改善综合运行性能和加速变速器升温, 在冷却水温低于60℃时,ECU也关闭锁止电磁阀, 使锁止离合器分离。此外, 为减轻换档冲击, 在加、减档过程中, ECU将暂时脱开锁止离合器[11]。

4.自动模式选择控制：在有模式选择的电控自动变速器上，驾驶员可以通过该开关改变自动变速器的控制模式，可选择经济模式，动力模式和普通模式。在不同的模式下，自动变速器的换档规律有所不同，以便满足不同的行使要求。例如，经济模式是一获得最小的燃油消耗为目的进行换档控制，因此换档车速相对较低，动力性指标下降；动力模式则是以满足最大动力性为目的的换档控制，经济性放在次要的位置。因

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此换档车速相对较高，又油耗也稍微增加。电子控制装置在进行自动模式选择控制时，主要考虑自动变速器操纵手柄的位置及加速踏板被踩下的速度，以判断驾驶员的操作目的，自动选择控制模式：

1）当自动变速器操纵手柄位于前进低档时，电子控制只选择动力模式。 2）在前进档D位，当加速踏板被踩下较低时，电子控制选择经济模式，当加速踏板被踩下的速度超过控制程序所设定的值时，电子控制有经济模式转化为动力模式。

3）在前进档D位，电子控制装置选择动力模式时一旦节气门开度低于1／8时换档规律有动力模式转化为经济模式

5.换档品质控制：改善换档质量，提高汽车的乘坐舒适性。目前常见的改善换档品质的特殊功能控制功能有以下几种：

1）换档油压控制：在升档或降挡的瞬间，电子控制装置通过油路压力调节适当降低主油路压力阀以降低主油路压力，以减小换档的冲击，以改善换档品质的目的

2)减矩控制：在换档的瞬间，通过延迟发动机的点火时间或减少喷油量，暂时减小发动机的输出扭矩，以减小换档冲击和汽车加速出现的波动3）N-D换档控制 6.使用输入轴转速传感器的控制：点子控制装置通过这一个传感器可以检测自动变速器的输入轴转速传感器的转速，并以此计算出变矩器的传动比以及自动变速器稍微传动比。从而使点子控制装置更精确的控制自动变速器的工作。特别是点子控制装置在进行换档油压控制。减矩控制和锁止控制时用这一参数进行计算，可使它们更精确，从而获得最佳的换档时机和乘坐舒适性。

7.巡航控制：能自动控制车速，使汽车接受选定的车速稳定行使，无需驾驶员反复调节节气门开度。

8.故障自诊断：在点子控制装置中设有专门的故障自诊断电路，它在汽车行使过程中，不停的观察自动变速器的电子控制系统中所有传感器和执行器的工作情况。通常一旦发现某个传感器或执行器的故障或者工作不正常时仪表板上的自动变速器故障指示灯的闪亮以提醒驾驶员立即将汽车送至修理厂维修。同时将检测到的故障一故障码的形式存储在点子控制装置的存储器内，只要不拆除汽车需点此，故障码就会一直保存在点至控制装置中。

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3实验台总体设计方案

3.1实验台的功用和设计思路

3.1.1实验台的功用

本实验台的目的是为教学提供形象，直观的用于自动变速器控制单元原理的展示的教学工具。也是为实验提供丰富内容的工具，可以大大减轻检测操作人员的劳动强度，改善操作环境，提高教学﹑实验工作的工作效率和测试精度。

实验台最大程度的接近实际故障，可以通过故障开关进行控制。不但可以在有故障、无故障两种状态之间进行切换，而且可以通过部分模拟代替的装置手动调节传感器的信号反馈，也可以设置部分搭铁﹑短路等故障测得ECU的工作情况。通过对传感器输入电压值的模拟可以使传感器工作在不同的电压下，配合工作指示灯观察电控系统执行元件和传感器的工作状况。在实训教学的过程中，教师可通过实验台对自动变速器控制单元结构组成及工作原理进行讲解。同时可进行故障设置，使学生了解故障现象并可利用电脑故障诊断仪和万用表进行故障诊断与排除的训练。 3.1.2实验台设计思路

于是在设计自动变速器控制单元测试系统实验台时，考虑到功能实用和经济两方面。为了能够充分的体现出本实验台能让学习者快速掌握自动变速器控制单元原理，所以实验台采用的大多数传感器为简单的模拟信号，而不在是靠复杂的实际物件采集。为此学生能容易的看到其工作状况。

以此为设计的出发点，本设计的总体设计方案定为：

(1) 确定以奥迪A6、自动变速器A341E、通用4T80-E为基础，设计出综合三种自动变速控制单元的测试试验台。

(2) 确定实验台的整体结构及整体设计方案：电路图、接线图、台架及框架图，及故障点﹑故障代码的设计。

(3) 实验电路图的设计：选用在三种自动变速器中复杂点的电子控制电路为基础模板，在其电路图基础上在添加其他两种自动变速器与其不同的部分。

(4) 接线图的设计：接线图电路、故障开关的设计、各种传感器及控制部件的采集和接线设计等

(5) 故障点和检测点根据发动机传感器与ECU之间的连线位置确定。

(6) 实验台架的设计。设计实验台架的整体结构图，根据自动变速器电子控制单元的传感器的尺寸及安装时布置位置等确定支撑台架的大小。根据支撑台架确定面板的宽，隐蔽式故障点设置在面板侧面，并有罩盖。

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3.2元件的故障设计

3.2.1故障点的设计

图3-1 故障开关

自动变速器电控系统物件放在实验台支撑架内，将传感器上的线经过故障开关接上，再对照检测在ECU端子进行端子匹配，测量出所需要的线的长度连接。故障点的制作根据设计完成的隐蔽故障点图挖去隐蔽故障开关板的故障开关的位置。可以使用与开关相同尺寸的套子进行冲压，可自行完成。把所有的开关安装隐蔽故障开关板上，进入到开关线路焊接阶段。将仪表检测点等装入前面板上，再连接后部控制。将稳压电源接入到仪表中，各部分线路连接完整。

本实验台共设置了35个故障点，选用旋转式控制开关（如图3-1），大多数为关﹑断模式，顺时针转向为ON－OFF，其中部分开关有三种模式，即设有三种故障现象如机油温度传感器﹑水温传感器﹑节气门位置传感器等设置为短路﹑断路﹑正极接地（顺时针变化顺序）。所设开关其对应故障如下（表3-1）[14][15]。

表3-1 自动变速器部分故障设置列表

序号 K1 K2 名称 30号供给线 发动机冷却液温度传感器G62 K3 发动机冷却液温度传注解 蓄电池正极与ECU26之间的断路故障 发动机冷却液温度传感器G62端子1与ECU38－39端子之间的断路，接地或正级短路故障 发动机冷却液温度传感器G62端子2与ECU38－39端子之间10

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感器G62 K4 的断路故障 机油温度传感器G93 机油温度传感器G931端子1与ECU端子之间E21-22的断路故障 K5 机油温度传感器G93 机油温度传感器G93 端子2与ECU端子之间E21-22的断路故障 K6 K7 K8 K9 K10 K11 K12 K13 K14 K15 电磁阀ECU供电线 电磁阀ECU供电线 电磁阀N88 电磁阀N89 电磁阀N90 电磁阀N215 电磁阀N216 电磁阀N217 电磁阀N218 变速器输入传感器G182 所有电磁阀与ECU端子E52之间的断路故障 所有电磁阀与ECU端子E53之间的断路故障 电磁阀N88端子2与ECU端子E52－30之间的断路故障 电磁阀N89端子2与ECU端子E52-33之间的断路故障 电磁阀N89端子2与ECU端子E52-32之间的断路故障 电磁阀N215端子2与ECU端子E53-5之间的断路故障 电磁阀N216端子2与ECU端子E53-1之间的断路故障 电磁阀N217端子2与ECU端子E53-29之间的断路故障 电磁阀N218端子2与ECU端子E53-4之间的断路故障 变速器输入传感器G182端子1与 ECU端子E16－44之间的断路故障 变速器输入传感器G182端子2与ECU端子E16－44之间的断路故障 车速传感器端子1与ECU端子E14－42之间的断路故障 车速传感器端子2与ECU端子E14－42之间的断路故障 K16 变速器输入传感器G182 K17 K18 车速传感器G22 车速传感器G22 11

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K19 K20 K21 转速传感器G28 转速传感器G28 节气门位置传感器VTA 转速传感器G28端子1与ECU端子E7－24之间的断路故障 转速传感器G28端子2与ECU端子E7－24之间的断路故障 节气门位置传感器端子3与ECU端子E49之间的断路故障 K22 K23 K24 K25 K26 K27 节气门位置传感器VC 多功能开关F125 多功能开关F125 多功能开关F125 节气门位置传感器端子1与ECU端子E50之间的断路故障 多功能开关F125端子L3与ECU端子E37之间的断路故障 多功能开关F125端子L1与ECU端子E36之间的断路故障 多功能开关F125端子L2与ECU端子E8之间的断路故障 多功能开关F125 多功能开关F125端子L4与ECU端子E9之间的断路故障 Tiptronic手动换档 Tiptronic手动换档开关端子3与ECU端子E13之间的断路故开关 障 K28 Tiptronic手动换档 Tiptronic手动换档开关端子4与ECU端子E46之间的断路故开关 障 Tiptronic手动换档开关5与ECU端子E47之间的断路故障 K29 Tiptronic手动换档 开关 K30 变速杆锁止电磁铁N110 变速杆锁止电磁铁N110之间的断路故障 K31 Tiptronic手动换档 开关 Tiptronic手动换档 开关搭铁先故障 K32 K33 点火开关 起动锁止继电器 15号线短路 起动锁止继电器与多功能开关F125接口断路 12

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