陈 奇,张 振,樊 浩,徐 帆

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥 230009)



基于故障模型的AMT关键故障对系统的影响研究

陈 奇,张 振,樊 浩,徐 帆

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥 230009)

机械式自动变速器(automated manual transmission,AMT)是变速器中的一种,其操作性能和运行稳定性对汽车的安全行驶有重要影响。为了充分研究AMT出现故障时的特征和对系统产生的影响,文章利用功能分析和故障模式与影响分析(failure mode and effects analysis,FMEA)方法得到其关键故障,建立AMT故障模型,并基于该模型对上述关键故障进行仿真,获得该故障出现时系统的反应和表现。该文的研究对于AMT的前期设计和后期故障诊断具有一定的应用价值。

机械式自动变速器(AMT);故障模型;故障模式与影响分析(FMEA);故障分析;故障仿真

机械式自动变速器(automated manual transmission,AMT)具有传动效率高、体积小、成本低以及继承性好等优点[1]。AMT是由离合器、变速箱和1个嵌入式的变速器控制单元(transmission control unit,TCU)组成的复杂机电装置,其中TCU由传感器、处理器、执行机构组成,可根据驾驶员的意图来进行自动换挡[2]。AMT在可操作性上优于传统的手动变速器(manual transmission,MT),而比液力自动变速器(automatic transmission,AT)更为经济。AMT对车辆的性能和乘客的安全至关重要,如果某些故障未被检测和处理可能会造成非常危险的后果。这凸显了检测和鉴别故障的重要性,并促使车辆满足ISO 26262国际标准[2]。

为了提高AMT的可靠性和安全性,故障模式与影响分析(failure mode and effects analysis,FMEA)、故障检测与识别(fault detection and identification,FDI)、故障分析(fault analysis,FA)以及结构分析(structural analysis,SA)等故障诊断理论和技术被用于AMT研究。但是,关于AMT故障诊断的研究相对较少。文献[3]运用FMEA分析了AMT执行机构,并用硬件在环(hardware-in-the-loop,HIL)实验测试了部分故障;文献[4]提出了基于信息冗余的在线故障诊断方法,并分析影响AMT运行的故障;文献[5]以实现电控AMT故障诊断与故障处理为目标,采用 Simulink建立了AMT与故障诊断策略,开发了相应的故障诊断软件,可对故障诊断系统进行仿真研究;文献[6]以CAN总线实时采集变速器控制单元各传感器的状态数据作为诊断样本,来分析和判断故障是否发生;文献[7]提出了按照定性分析和定量分析的方法对故障诊断方法进行分类;文献[8]将FMEA和故障树分析方法应用于AMT控制系统;文献[9]介绍了运用软件的故障容错技术,提高了AMT控制系统的可靠性;文献[10]研究了故障诊断与检测技术;文献[11]提出了AMT故障诊断策略,并用Simulink/Labview模拟故障诊断对车辆运行的影响。上述文献均未讨论AMT关键故障对系统响应的影响。

为了得到AMT系统对关键故障的响应和表现,本文列举出对AMT正常运行有严重影响的故障,建立相应的故障模型,并模拟这些关键故障对系统的影响。

1 AMT结构和故障分析

1.1 AMT结构

本文所述的AMT由6挡手动变速箱和2个线性换挡执行器组成。该AMT被应用于某插电式混合电动汽车上[12]，其结构简图如图1所示。

图1 AMT结构简图

其中,变速箱把扭矩和转速从动力源传至车轮,2个分别放置在X、Y方向上的线性执行机构负责选挡与换挡。

线性执行机构的结构[13]如图2所示,是由电机、轮系、进给丝杆、执行杆、推拉绳以及L型杆6个主要部分构成。电机动力由这些部件传至变速箱完成换挡。执行机构是AMT的核心部分,也是本文的研究重点。

图2 AMT线性执行机构结构图

1.2 AMT故障分析

1.2.1 功能分析

AMT系统的故障有很多种,有些故障对AMT正常运行造成非常不利的影响,如换挡拨叉卡住、推拉绳断裂等;而有些故障在较短时间内对AMT的正常运行影响相对较小,如缺少润滑油、部分零件生锈等。所以首要任务是要找出对AMT正常运行有严重影响的故障。AMT各部分的结构和功能如图3所示。其中包括平行轴式变速箱(手动变速箱)、换挡执行器和控制器,本文暂不考虑控制器故障。

图3 结构和功能分析

1.2.2 FMEA分析

根据上述结构和功能分析图,针对各主要部件进行FEMA分析。FMEA是一种自下而上的分析方法,它采用归纳法来分析不同的故障模式。运用这种方法不仅可以对所有可能的故障进行识别和划分,而且能够根据这些故障对系统正常运行造成的影响大小程度进行打分排序。通常用3个指标来评价每个故障模型对系统的影响程度,即故障的严重程度S、故障发生的频率F和故障的易察觉性D,并用1～10进行打分。其中,S类中的1表示故障轻微,10表示故障非常严重;F类中的1表示故障很少发生,10表示故障经常发生;D类中的1表示轻易察觉到的故障,10表示很难察觉到的故障。RPN表示三者的乘积,为综合评价指标。当列出AMT所有可能的故障后,给每个故障1个综合分数,根据各故障的分数即可判断哪些是系统的严重故障。根据文献[3]和文献[13-19]可得AMT的一些故障,运用FMEA得到的AMT故障详细结果见表1所列。

表1 AMT的FMEA分析结果

经过上述FEMA分析,可得出AMT系统的关键性故障见表2所列。

表2 AMT关键故障

2 故障模型

AMT故障模型主要由系统模型和上述关键故障组成。系统模型主要由换挡执行器模型和齿轮箱模型组成。换挡执行器模型从经典的直流电机数学模型引申得到,即

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)式～(12)式由执行机构传动系的各部分位移转矩关系得到,即

(9)

(10)

(11)

(12)

其中,ST1、ST2为执行器终端输出位移;S为丝杆导程;R1、R2为L型换挡杆转臂长度;L1、L2为执行杆转臂长度;N1、N2、N3、N4为执行器中齿轮箱齿数;FS1、FS2为换挡拨叉负载;fKC1、fKC2为模拟推拉绳断裂故障变量;fFS1、fFS2为模拟换挡拨叉卡死故障变量；eg、eNo为各级齿轮的效率。

齿轮箱数学模型满足(13)式和(14)式,反映输出轴和输入轴转速转矩的关系,即

(13)

(14)

其中,ωg1、ωg2为输入与输出齿轮角速度;Tg1、Tg2为齿轮箱输出转矩;eG为轮系效率;GR为传动比;fGR为模拟轮系故障变量。

方程(1)～(14)即为包含了关键故障的系统模型,称之为故障模型。

3 故障仿真

3.1 AMT 控制方法

通过(1)～(14)式,可以在Matlab中建立Simulink模型,同时加上AMT控制单元,即可在Matlab中对模型进行仿真。AMT控制流程如图4所示。

图4 AMT控制流程图

图4中,GN为齿轮挡位;X-故障为X执行器错误;Y-故障为Y执行器错误;ea(t)为输入电压;X_pos和Y_pos分别为X和Y执行器中终端位移;xs和ys分别为X和Y换挡处的位移(执行器终端)。

在AMT上共有5个传感器,其中在2个线性执行器中有2个位移传感器和2个电流传感器。其中,位移传感器用来测量执行器终端的位移输出(即测量ST1,ST2),并提供闭环控制系统的反馈;电流传感器用来监测执行器的运行状态;另一个角速度传感器用来测量输出轴速度,用于换挡控制时的速度匹配。

在本文仿真中,这些传感器用来反映以上故障出现时的系统响应。

3.2 故障模拟方法

各故障变量及其值见表3所列。通过对故障进行仿真,可直观地反映故障出现时系统的响应,有助于了解这些故障对AMT系统的影响。

表3 故障变量及其值

表3列出的故障变量和当故障产生时的变量值说明如下。

(1) 短路。设置fRa1、fRa2为0,相当于电路中电流无穷大,用来模拟短路情况。

(2) 推拉绳断裂。设置fKC1、fKC2为0时,电机位移无法通过推拉绳传递至换挡杆,因此可用于模拟推拉绳断裂。

(3) 换挡拨叉卡住。设置fFS1、fFS2为无穷大，表示载荷也为无穷大,可用来表示换挡拨叉卡住的情况。

(4) 轮齿折断或轴承烧毁。轮齿折断或轴承烧毁会导致传动比不稳定,通常这些故障发生在一定时间内,可以假定故障是1个脉冲信号,用0→1→0表示。

(5) 特殊工况下1次挂挡到位率低。特殊工况下1次挂挡到位率低会导致换挡延迟一段时间,通常这类故障导致换挡延迟时间不定,可以假定故障是1个脉冲信号,用0→1→0表示,假设延迟时间为1 s。

(6) 同步锥环磨损严重。同步锥环磨损严重会导致传动比不稳定,这些故障发生在同步器工作一段时间后,假定故障是1个脉冲信号,用0→0.9→0表示。

3.3 故障仿真

假设换挡过程为0～5 s,换挡请求发生在第2秒。为了更好地反映故障发生时对换挡的影响,故障设置在换挡过程中(第2.1秒)。齿轮换挡请求和故障设定如图5所示,鉴于X方向与Y方向的换挡执行器结构相同,以下仿真仅对X方向执行器进行。

图5 齿轮换挡请求和故障设定

3.3.1 短路故障

当电源短路故障出现在换挡过程中(2.1 s),从位移、速度和电流传感器中仿真的数据如图6所示。

图6 短路故障仿真与系统响应

由图6a可以看出,当故障出现时,电流出现极大值,此时系统自我保护功能开始,即电源切断,此时电流为0(图6b),因此换挡无法进行(图6c)。

3.3.2 推拉绳断裂

当推拉绳断裂出现在换挡过程中(2.1 s),3个传感器的仿真数据如图7所示。

由图7a可以看出,当故障出现时,X方向位移停止,因此换挡失败。由图7b可以看出,故障出现时因为反馈的位置不变,所以系统处于死循环状态,此时电流维持在很小数值。由图7c可知没有换挡输出。

图7 推拉绳断裂仿真与系统响应

3.3.3 换挡拨叉卡住

当换挡拨叉卡住故障出现在换挡过程中(2.1 s),位移、速度和电流传感器中仿真的数据如图8所示。

由图8a可以看出,X执行器停止在一定位置,即当换挡拨叉卡住时,执行器无法提供足够大的动力,因此执行器在换挡拨叉卡住时无法再动作。由图8b可以看出,当换挡拨叉卡住时电流保持在很高的数值,如果时间较长有可能会将电机烧毁。由图8c可知换挡失败。

图8 换挡拨叉卡住仿真与系统响应

3.3.4 齿轮箱故障

齿轮箱的故障种类很多,在此假设故障为轮齿折断。由机械设计理论可知,轮齿折断传递出的信号为脉动信号,而正弦信号可看作脉动信号,因此选用正弦波来模拟轮齿折断。轮系故障仿真与系统响应如图9所示。

图9 轮系故障仿真与系统响应

由图9a和图9b可知,齿轮箱折断并未影响换挡,即换挡已经成功完成;但图9c的输出轴传感器显示,此时齿轮箱内部出现故障,且为脉动型故障,与引入的故障匹配,因此仿真结果正确。

3.3.5 特殊工况下1次挂挡到位率低

同步器啮合齿打齿异响故障仿真与系统响应如图10所示。由图10a和图10b可以看出,在特殊工况下1次挂挡到位率低的情况下,位移传感器和电流传感器响应正常;但图10c的输出轴传感器显示,此时脉冲信号出现延迟,即换挡会延迟相应的时间,与引入的故障匹配,因此仿真结果正确。

图10 同步器啮合齿打齿异响故障仿真与系统响应

3.3.6 同步锥环磨损严重

同步锥环磨损严重故障仿真与系统响应如图11所示。

由图11a和图11b可以看出,同步锥环磨损严重也可以成功换挡;但图11c的输出轴传感器显示,此时同步器出现故障,会引起输出的脉冲信号幅值减小,即输出速度不稳定,与引入的故障匹配,因此仿真结果正确。

图11 同步锥环磨损严重故障仿真与系统响应

4 结 论

本文针对一种常用的手自一体自动变速器,利用FMEA方法分析其存在的关键性故障;通过建立该变速器的故障模型,将上述关键性故障进行仿真和模拟,通过安装于该变速器上的3个传感器(执行器输出位移传感器、电流传感器和输出轴速度传感器)形象地显示了这些故障发生时系统的响应,为了解这些故障发生时的反映及对变速器的影响提供了理论数据。主要结论如下：

(1) 通过FA与FMEA方法可得到该款AMT(含执行器)的关键性故障有6类，具体如下:电路短路、推拉绳断裂、换挡拨叉卡死、轮齿折断、特殊工况下1次挂挡到位率低以及同步锥环磨损严重。

(2) 通过建立AMT执行器和变速箱的数学模型,将上述关键性故障引入到该数学模型中,建立了AMT故障模型。

(3) 通过在Matlab的Simulink中仿真,可得到关键故障中的2类故障(电路短路和推拉绳断裂)发生时,换挡无法实现,但此时电流保持在较低水平;换挡拨叉卡住故障发生时,换挡亦无法完成,但此时电流保持在较高水平,存在烧毁电机的潜在危险;齿轮箱发生故障时,换挡可完成,但输出速度存在错误;特殊工况下1次挂挡到位率低时,换挡时间推迟;同步锥环磨损严重,换挡可完成,但输出速度不稳定,输出速度减小。

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(责任编辑 胡亚敏)

Fault model-based research on system response to critical faults in AMT

CHEN Qi,ZHANG Zhen,FAN Hao,XU Fan

(School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Automated manual transmission(AMT) is a kind of automatic transmission, and its performance and stability plays an essential role in the safe operation of the car. In order to obtain the AMT fault characteristics and its influence on the powertrain system, the critical faults are acquired by using the methods of functional analysis and failure mode and effects analysis(FMEA). Then the AMT fault model is set up in MATLAB and the critical faults are simulated based on the model to acquire the system response and performance when the faults occur. The study has certain application value and prospect in the fault diagnosis and preliminary design for AMT.

automated manual transmission(AMT); fault model; failure mode and effects analysis(FMEA); fault analysis; fault simulation

2015-06-05；

2015-08-29

国家自然科学基金资助项目(51305116)

陈 奇(1979-)，男，安徽肥东人，博士，合肥工业大学副教授，硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.10.001

TH132.46

A

1003-5060(2016)10-1297-08