自动变速器液压控制系统的故障分析

自动变速器液压控制系统的故障分析

0fmea可靠性分析方法自动取电器集机械、能源、电子于一体，主要采用复杂的能源系统。由于结构复杂，故障诊断的难度是现代车辆所有部件的第一个。基于此,在自动变速器产品开发设计阶段,对其进行有效的可靠性分析是保证产品质量不可缺少的重要过程。故障模式、影响分析(FMEA)是进行可靠性设计的一种分析方法,用于预防和控制故障,提高产品的可靠性。该方法简单、实用、费用低、效果明显、适用于各种产品的全寿命周期,越来越多地被用于汽车、航天航空、船舶等领域。在自动变速器开发设计阶段根据产品概念设计,利用FMEA方法对自动变速器进行可靠性分析,可以有效提高产品质量。通常FMEA仅仅考虑系统中单一元部件的故障模式及其对系统产生的影响。对于由多个元部件组成的复杂系统,考虑所有元部件故障模式的组合将产生“组合爆炸”,因而是不切实际的。但是,某些重要元部件故障模式的组合给系统带来的影响又是必须关注的。针对这一问题,提出基于风险顺序数(RPN,RiskPriorityNumber)的多故障模式分析方法可以更有效地实现对复杂系统的故障模式、影响分析。1自动变压器液压系统的组成对自动变速器液压系统进行故障模式、影响分析,首先必须对其进行合理建模,分析其各组成单元的结构与功能。目前,自动变速器主要采用电液控制,其中液压系统起到了重要作用。自动变速器液压系统非常复杂,根据各部分功能,把液压系统分为供油调压和流量控制子系统、换档控制子系统、换档品质控制子系统和液力变矩器油路子系统。变速器油压由油泵经压力调节子系统、换档控制子系统进入执行器(离合器和制动器)液压缸,同时换档品质控制子系统对蓄能器液压缸产生背压,以获得较好的换档品质,执行器作用于行星齿轮机构的相应机构完成换档动作。文献对自动变速器电液控制系统各子系统典型控制元器件工作原理建立了数学模型。1.1pcs阀控制原理该系统主要由油泵、限压安全阀、减压阀、比例压力阀和主控制阀等组成。供油调压和流量控制子系统主要负责提供系统所需的油路压力及流量。图1是典型比例压力阀模型,比例压力阀由压力控制电磁阀(PCS阀,PressControlSolenoidValve)和转矩信号调节阀(TSR阀,TorqueSignalRegulationValve)组成。压力控制电磁阀是PWM控制的电磁比例先导阀。控制器控制占空比,使占空比与油门开度成反比,而电磁线圈的平均电流强度及电磁力随着占空比的增加而增加,PCS阀的输出油路压力pc随着平均电流增大而降低。即可以通过占空比调节输出油压pc。转矩信号调节阀受PCS阀输出油压信号pc控制。其数学模型可以表示为(式中AT1、AT2分别为TSR阀芯左端和右端作用面积,FTS为TSR阀的弹簧恢复力):pcAT1=psAT2+FTSps=(pcAT1-FTS)/AT21.2pshift导通换档控制子系统主要由换档电磁阀和换档阀组成。主要功能是切换各档位执行器液压缸油路,实现换档。图2所示是换档控制阀工作原理示意图,换档电磁阀通电,主油路油压pline与pshift导通,换档阀在换档电磁阀的油压信号pshift作用下,导通主油路油压至pclutch。可以对换档电磁阀和换档阀建立如下数学模型(式中Fs为换档阀弹簧恢复力,S为压力pshift在阀端部的作用面积):pshift={pline(通电)0(断电)pclutch={pline(pshift⋅S＞Fs时)0(pshift⋅S<Fs时)1.3ss控制系统换档品质控制子系统主要由蓄能器阀(图3所示)调节蓄能器背压,以转矩信号调节阀输出油压ps为控制依据,将主油路油压调制成所需蓄能器背压pACC,实现车辆换档时具有良好的换档感觉,减少换档带来的冲击。其数学模型可以表示为(式中A1、A2分别为蓄能器阀左右端面作用面积,Fs为蓄能器阀弹簧恢复力):pACC=(psA1+Fs)/A21.4液压控制系统通用模型这里液力变矩器油路子系统主要指液力变矩器离合器闭锁(TCC)控制油路,主要由比例电磁阀、控制阀和调节供油阀组成。实现液力变矩器的闭锁控制。TCC比例电磁阀将来自换档控制子系统的离合器结合油压p2C转换为作用于调节供油阀和控制阀的油压信号pCS(图4)。TCC比例电磁阀、调节供油阀和控制阀的模型如下(式中A、FS分别为TCC调节供油阀端部作用面积和弹簧恢复力):pCS={p2C(通电)0(断电)pRA={pCS-FSA(pCS>Fs时)0(pCS=0时)pAΡΡ={pRA(pCS=p2C时)pCL(pCS=0时)自动变速器液压控制系统主要是由上述分析的4个子系统组成的。可以从各组成子系统结构和功能两个方面分析元部件故障模式及其对系统的影响。图5所示是液压控制系统通用模型。对于自动变速器液压系统而言,输入X1、X2、…、Xn是系统设定油路,自油泵输出分几个层次输入系统,其油压是已知的。输出Y1、Y2、…、Ym是受控油路,其油压通过操纵和控制是可以改变的,以满足工作需要。控制信号Z1、Z2、…、Zk来自手控阀、系统内部反馈油压信号或自动变速器ECU信号,用于调节系统压力、控制阀位,实现系统所需油压强度和油路通断,用控制函数f(Zij)表示其控制作用。输出Yi(i=1,2,…,m)可以表示为:Yi=i=m,j=n∑i=j=1f(Ζij)Xj2故障模式组合对自动变速器液压系统建立模型,分析各组成部分的功能之后,对系统进行故障模式、影响分析。借助故障模式、影响分析(FMEA),实现系统由因到果地分析,即从元件失效到系统故障的分析,找出所有潜在的故障模式并分析其系统产生的影响,从而预先采取必要的措施,以提高产品和过程的质量和可靠性。在FMEA分析中,对元部件故障模式要进行3个方面的评价。即严重度数(S)、频度数(O)和不易探测度数(D)。严重度数(S)是指潜在故障模式发生时对系统带来的影响的严重程度,仅用于后果分析。频度数(D)是指故障模式可能出现的概率。主要根据经验,尤其是与以往的设计对比,估计潜在故障模式发生的可能性大小。不可探测度数(D)即发现潜在故障模式起因或机理的难易性。美国SAE对这三项内容都具有相关的推荐方法。此外,风险顺序数(RPN,RiskPriorityNumber)用于排列元部件风险性大小。其值等于严重度数(S)、频度数(O)和不易探测度数(D)的乘积:RPN=(S)×(O)×(D)。传统的FMEA是针对某一个元部件的故障对系统进行分析的。但多个元件同时发生故障在实际中是常见的,并且多个元部件同时故障,引起的系统故障可能并不是单个元部件故障所能引起的。故考虑多个元部件同时故障对系统带来的影响是必须的。但是对于一个由众多元部件组成的大系统而言,其元器件故障模式组合数很大,将出现“组合爆炸”。一个拥有n个元部件故障模式系统,其故障模式组合共有2n-1类型。在实际中,不可能对所有的组合故障模式进行分析。由于风险顺序数(RPN)值表示故障模式风险大小,对于风险顺序数值大的故障模式应重点关注,同时也应该考虑其与其它风险顺序数较大的故障模式之间的组合效应。设定一个系统的RPN临界值CRPN。对于故障模式X,若XRPN>CRPN,则考虑其与其它RPN值大于系统RPN临界值的故障模式的组合;否则,不予考虑。本质上,系统存在一些元部件的故障模式之间是相互矛盾的。即这几种故障模式不可能同时出现。还要考虑的一种现象是假设N个故障模式组合对系统的影响效果与其中这N个故障模式中少于N个的故障模式组合对系统的影响效果相同,这种情况下,考虑前者(N个故障模式组合)是没有必要的。令Df为故障模式f对系统带来的影响的集合。对于两个故障模式X,Y的组合X∧Y,若满足:DX∧Y=DX或DX∧Y=DY或DX∧Y=DX∪DY则就可以不用考虑X和Y的组合X∧Y。对于多个故障模式的组合也是一样。经过上述方法可以排除大量对系统来说风险相对较小的故障模式组合后,剩下的故障模式组合又不失考虑相对风险较大的故障模式组合。根据文献提出的自动变速器故障功能分析法,分析液压控制系统各元件故障模式。表1是典型电控自动变速器液压控制系统的FMEA表。表2是应用上述基于风险顺序数的多故障模式、影响分析方法,列举了表1中所列潜在故障模式组合效应的