自動變速器液壓控制系統(tǒng)的故障分析

自動變速器液壓控制系統(tǒng)的故障分析

0fmea可靠性分析方法自動取電器集機(jī)械、能源、電子于一體，主要采用復(fù)雜的能源系統(tǒng)。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障診斷的難度是現(xiàn)代車輛所有部件的第一個?；诖?在自動變速器產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)階段,對其進(jìn)行有效的可靠性分析是保證產(chǎn)品質(zhì)量不可缺少的重要過程。故障模式、影響分析(FMEA)是進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)的一種分析方法,用于預(yù)防和控制故障,提高產(chǎn)品的可靠性。該方法簡單、實(shí)用、費(fèi)用低、效果明顯、適用于各種產(chǎn)品的全壽命周期,越來越多地被用于汽車、航天航空、船舶等領(lǐng)域。在自動變速器開發(fā)設(shè)計(jì)階段根據(jù)產(chǎn)品概念設(shè)計(jì),利用FMEA方法對自動變速器進(jìn)行可靠性分析,可以有效提高產(chǎn)品質(zhì)量。通常FMEA僅僅考慮系統(tǒng)中單一元部件的故障模式及其對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。對于由多個元部件組成的復(fù)雜系統(tǒng),考慮所有元部件故障模式的組合將產(chǎn)生“組合爆炸”,因而是不切實(shí)際的。但是,某些重要元部件故障模式的組合給系統(tǒng)帶來的影響又是必須關(guān)注的。針對這一問題,提出基于風(fēng)險順序數(shù)(RPN,RiskPriorityNumber)的多故障模式分析方法可以更有效地實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)的故障模式、影響分析。1自動變壓器液壓系統(tǒng)的組成對自動變速器液壓系統(tǒng)進(jìn)行故障模式、影響分析,首先必須對其進(jìn)行合理建模,分析其各組成單元的結(jié)構(gòu)與功能。目前,自動變速器主要采用電液控制,其中液壓系統(tǒng)起到了重要作用。自動變速器液壓系統(tǒng)非常復(fù)雜,根據(jù)各部分功能,把液壓系統(tǒng)分為供油調(diào)壓和流量控制子系統(tǒng)、換檔控制子系統(tǒng)、換檔品質(zhì)控制子系統(tǒng)和液力變矩器油路子系統(tǒng)。變速器油壓由油泵經(jīng)壓力調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、換檔控制子系統(tǒng)進(jìn)入執(zhí)行器(離合器和制動器)液壓缸,同時換檔品質(zhì)控制子系統(tǒng)對蓄能器液壓缸產(chǎn)生背壓,以獲得較好的換檔品質(zhì),執(zhí)行器作用于行星齒輪機(jī)構(gòu)的相應(yīng)機(jī)構(gòu)完成換檔動作。文獻(xiàn)對自動變速器電液控制系統(tǒng)各子系統(tǒng)典型控制元器件工作原理建立了數(shù)學(xué)模型。1.1pcs閥控制原理該系統(tǒng)主要由油泵、限壓安全閥、減壓閥、比例壓力閥和主控制閥等組成。供油調(diào)壓和流量控制子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)提供系統(tǒng)所需的油路壓力及流量。圖1是典型比例壓力閥模型,比例壓力閥由壓力控制電磁閥(PCS閥,PressControlSolenoidValve)和轉(zhuǎn)矩信號調(diào)節(jié)閥(TSR閥,TorqueSignalRegulationValve)組成。壓力控制電磁閥是PWM控制的電磁比例先導(dǎo)閥。控制器控制占空比,使占空比與油門開度成反比,而電磁線圈的平均電流強(qiáng)度及電磁力隨著占空比的增加而增加,PCS閥的輸出油路壓力pc隨著平均電流增大而降低。即可以通過占空比調(diào)節(jié)輸出油壓pc。轉(zhuǎn)矩信號調(diào)節(jié)閥受PCS閥輸出油壓信號pc控制。其數(shù)學(xué)模型可以表示為(式中AT1、AT2分別為TSR閥芯左端和右端作用面積,FTS為TSR閥的彈簧恢復(fù)力):pcAT1=psAT2+FTSps=(pcAT1-FTS)/AT21.2pshift導(dǎo)通換檔控制子系統(tǒng)主要由換檔電磁閥和換檔閥組成。主要功能是切換各檔位執(zhí)行器液壓缸油路,實(shí)現(xiàn)換檔。圖2所示是換檔控制閥工作原理示意圖,換檔電磁閥通電,主油路油壓pline與pshift導(dǎo)通,換檔閥在換檔電磁閥的油壓信號pshift作用下,導(dǎo)通主油路油壓至pclutch?？梢詫Q檔電磁閥和換檔閥建立如下數(shù)學(xué)模型(式中Fs為換檔閥彈簧恢復(fù)力,S為壓力pshift在閥端部的作用面積):pshift={pline(通電)0(斷電)pclutch={pline(pshift?S＞Fs時)0(pshift?S<Fs時)1.3ss控制系統(tǒng)換檔品質(zhì)控制子系統(tǒng)主要由蓄能器閥(圖3所示)調(diào)節(jié)蓄能器背壓,以轉(zhuǎn)矩信號調(diào)節(jié)閥輸出油壓ps為控制依據(jù),將主油路油壓調(diào)制成所需蓄能器背壓pACC,實(shí)現(xiàn)車輛換檔時具有良好的換檔感覺,減少換檔帶來的沖擊。其數(shù)學(xué)模型可以表示為(式中A1、A2分別為蓄能器閥左右端面作用面積,Fs為蓄能器閥彈簧恢復(fù)力):pACC=(psA1+Fs)/A21.4液壓控制系統(tǒng)通用模型這里液力變矩器油路子系統(tǒng)主要指液力變矩器離合器閉鎖(TCC)控制油路,主要由比例電磁閥、控制閥和調(diào)節(jié)供油閥組成。實(shí)現(xiàn)液力變矩器的閉鎖控制。TCC比例電磁閥將來自換檔控制子系統(tǒng)的離合器結(jié)合油壓p2C轉(zhuǎn)換為作用于調(diào)節(jié)供油閥和控制閥的油壓信號pCS(圖4)。TCC比例電磁閥、調(diào)節(jié)供油閥和控制閥的模型如下(式中A、FS分別為TCC調(diào)節(jié)供油閥端部作用面積和彈簧恢復(fù)力):pCS={p2C(通電)0(斷電)pRA={pCS-FSA(pCS>Fs時)0(pCS=0時)pAΡΡ={pRA(pCS=p2C時)pCL(pCS=0時)自動變速器液壓控制系統(tǒng)主要是由上述分析的4個子系統(tǒng)組成的?？梢詮母鹘M成子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能兩個方面分析元部件故障模式及其對系統(tǒng)的影響。圖5所示是液壓控制系統(tǒng)通用模型。對于自動變速器液壓系統(tǒng)而言,輸入X1、X2、…、Xn是系統(tǒng)設(shè)定油路,自油泵輸出分幾個層次輸入系統(tǒng),其油壓是已知的。輸出Y1、Y2、…、Ym是受控油路,其油壓通過操縱和控制是可以改變的,以滿足工作需要。控制信號Z1、Z2、…、Zk來自手控閥、系統(tǒng)內(nèi)部反饋油壓信號或自動變速器ECU信號,用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力、控制閥位,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需油壓強(qiáng)度和油路通斷,用控制函數(shù)f(Zij)表示其控制作用。輸出Yi(i=1,2,…,m)可以表示為:Yi=i=m,j=n∑i=j=1f(Ζij)Xj2故障模式組合對自動變速器液壓系統(tǒng)建立模型,分析各組成部分的功能之后,對系統(tǒng)進(jìn)行故障模式、影響分析。借助故障模式、影響分析(FMEA),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)由因到果地分析,即從元件失效到系統(tǒng)故障的分析,找出所有潛在的故障模式并分析其系統(tǒng)產(chǎn)生的影響,從而預(yù)先采取必要的措施,以提高產(chǎn)品和過程的質(zhì)量和可靠性。在FMEA分析中,對元部件故障模式要進(jìn)行3個方面的評價。即嚴(yán)重度數(shù)(S)、頻度數(shù)(O)和不易探測度數(shù)(D)。嚴(yán)重度數(shù)(S)是指潛在故障模式發(fā)生時對系統(tǒng)帶來的影響的嚴(yán)重程度,僅用于后果分析。頻度數(shù)(D)是指故障模式可能出現(xiàn)的概率。主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn),尤其是與以往的設(shè)計(jì)對比,估計(jì)潛在故障模式發(fā)生的可能性大小。不可探測度數(shù)(D)即發(fā)現(xiàn)潛在故障模式起因或機(jī)理的難易性。美國SAE對這三項(xiàng)內(nèi)容都具有相關(guān)的推薦方法。此外,風(fēng)險順序數(shù)(RPN,RiskPriorityNumber)用于排列元部件風(fēng)險性大小。其值等于嚴(yán)重度數(shù)(S)、頻度數(shù)(O)和不易探測度數(shù)(D)的乘積:RPN=(S)×(O)×(D)。傳統(tǒng)的FMEA是針對某一個元部件的故障對系統(tǒng)進(jìn)行分析的。但多個元件同時發(fā)生故障在實(shí)際中是常見的,并且多個元部件同時故障,引起的系統(tǒng)故障可能并不是單個元部件故障所能引起的。故考慮多個元部件同時故障對系統(tǒng)帶來的影響是必須的。但是對于一個由眾多元部件組成的大系統(tǒng)而言,其元器件故障模式組合數(shù)很大,將出現(xiàn)“組合爆炸”。一個擁有n個元部件故障模式系統(tǒng),其故障模式組合共有2n-1類型。在實(shí)際中,不可能對所有的組合故障模式進(jìn)行分析。由于風(fēng)險順序數(shù)(RPN)值表示故障模式風(fēng)險大小,對于風(fēng)險順序數(shù)值大的故障模式應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注,同時也應(yīng)該考慮其與其它風(fēng)險順序數(shù)較大的故障模式之間的組合效應(yīng)。設(shè)定一個系統(tǒng)的RPN臨界值CRPN。對于故障模式X,若XRPN>CRPN,則考慮其與其它RPN值大于系統(tǒng)RPN臨界值的故障模式的組合;否則,不予考慮。本質(zhì)上,系統(tǒng)存在一些元部件的故障模式之間是相互矛盾的。即這幾種故障模式不可能同時出現(xiàn)。還要考慮的一種現(xiàn)象是假設(shè)N個故障模式組合對系統(tǒng)的影響效果與其中這N個故障模式中少于N個的故障模式組合對系統(tǒng)的影響效果相同,這種情況下,考慮前者(N個故障模式組合)是沒有必要的。令Df為故障模式f對系統(tǒng)帶來的影響的集合。對于兩個故障模式X,Y的組合X∧Y,若滿足:DX∧Y=DX或DX∧Y=DY或DX∧Y=DX∪DY則就可以不用考慮X和Y的組合X∧Y。對于多個故障模式的組合也是一樣。經(jīng)過上述方法可以排除大量對系統(tǒng)來說風(fēng)險相對較小的故障模式組合后,剩下的故障模式組合又不失考慮相對風(fēng)險較大的故障模式組合。根據(jù)文獻(xiàn)提出的自動變速器故障功能分析法,分析液壓控制系統(tǒng)各元件故障模式。表1是典型電控自動變速器液壓控制系統(tǒng)的FMEA表。表2是應(yīng)用上述基于風(fēng)險順序數(shù)的多故障模式、影響分析方法,列舉了表1中所列潛在故障模式組合效應(yīng)的