基于故障模型的AMT關鍵故障對系統的影響研究

陳 奇,張 振,樊 浩,徐 帆

(合肥工業大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥 230009)

?

基于故障模型的AMT關鍵故障對系統的影響研究

陳 奇,張 振,樊 浩,徐 帆

(合肥工業大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥 230009)

機械式自動變速器(automated manual transmission,AMT)是變速器中的一種,其操作性能和運行穩定性對汽車的安全行駛有重要影響。為了充分研究AMT出現故障時的特征和對系統產生的影響,文章利用功能分析和故障模式與影響分析(failure mode and effects analysis,FMEA)方法得到其關鍵故障,建立AMT故障模型,并基于該模型對上述關鍵故障進行仿真,獲得該故障出現時系統的反應和表現。該文的研究對于AMT的前期設計和后期故障診斷具有一定的應用價值。

機械式自動變速器(AMT);故障模型;故障模式與影響分析(FMEA);故障分析;故障仿真

機械式自動變速器(automated manual transmission,AMT)具有傳動效率高、體積小、成本低以及繼承性好等優點[1]。AMT是由離合器、變速箱和1個嵌入式的變速器控制單元(transmission control unit,TCU)組成的復雜機電裝置,其中TCU由傳感器、處理器、執行機構組成,可根據駕駛員的意圖來進行自動換擋[2]。AMT在可操作性上優于傳統的手動變速器(manual transmission,MT),而比液力自動變速器(automatic transmission,AT)更為經濟。AMT對車輛的性能和乘客的安全至關重要,如果某些故障未被檢測和處理可能會造成非常危險的后果。這凸顯了檢測和鑒別故障的重要性,并促使車輛滿足ISO 26262國際標準[2]。

為了提高AMT的可靠性和安全性,故障模式與影響分析(failure mode and effects analysis,FMEA)、故障檢測與識別(fault detection and identification,FDI)、故障分析(fault analysis,FA)以及結構分析(structural analysis,SA)等故障診斷理論和技術被用于AMT研究。但是,關于AMT故障診斷的研究相對較少。文獻[3]運用FMEA分析了AMT執行機構,并用硬件在環(hardware-in-the-loop,HIL)實驗測試了部分故障;文獻[4]提出了基于信息冗余的在線故障診斷方法,并分析影響AMT運行的故障;文獻[5]以實現電控AMT故障診斷與故障處理為目標,采用 Simulink建立了AMT與故障診斷策略,開發了相應的故障診斷軟件,可對故障診斷系統進行仿真研究;文獻[6]以CAN總線實時采集變速器控制單元各傳感器的狀態數據作為診斷樣本,來分析和判斷故障是否發生;文獻[7]提出了按照定性分析和定量分析的方法對故障診斷方法進行分類;文獻[8]將FMEA和故障樹分析方法應用于AMT控制系統;文獻[9]介紹了運用軟件的故障容錯技術,提高了AMT控制系統的可靠性;文獻[10]研究了故障診斷與檢測技術;文獻[11]提出了AMT故障診斷策略,并用Simulink/Labview模擬故障診斷對車輛運行的影響。上述文獻均未討論AMT關鍵故障對系統響應的影響。

為了得到AMT系統對關鍵故障的響應和表現,本文列舉出對AMT正常運行有嚴重影響的故障,建立相應的故障模型,并模擬這些關鍵故障對系統的影響。

1 AMT結構和故障分析

1.1 AMT結構

本文所述的AMT由6擋手動變速箱和2個線性換擋執行器組成。該AMT被應用于某插電式混合電動汽車上[12]，其結構簡圖如圖1所示。

圖1 AMT結構簡圖

其中,變速箱把扭矩和轉速從動力源傳至車輪,2個分別放置在X、Y方向上的線性執行機構負責選擋與換擋。

線性執行機構的結構[13]如圖2所示,是由電機、輪系、進給絲桿、執行桿、推拉繩以及L型桿6個主要部分構成。電機動力由這些部件傳至變速箱完成換擋。執行機構是AMT的核心部分,也是本文的研究重點。

圖2 AMT線性執行機構結構圖

1.2 AMT故障分析

1.2.1 功能分析

AMT系統的故障有很多種,有些故障對AMT正常運行造成非常不利的影響,如換擋撥叉卡住、推拉繩斷裂等;而有些故障在較短時間內對AMT的正常運行影響相對較小,如缺少潤滑油、部分零件生銹等。所以首要任務是要找出對AMT正常運行有嚴重影響的故障。AMT各部分的結構和功能如圖3所示。其中包括平行軸式變速箱(手動變速箱)、換擋執行器和控制器,本文暫不考慮控制器故障。

圖3 結構和功能分析

1.2.2 FMEA分析

根據上述結構和功能分析圖,針對各主要部件進行FEMA分析。FMEA是一種自下而上的分析方法,它采用歸納法來分析不同的故障模式。運用這種方法不僅可以對所有可能的故障進行識別和劃分,而且能夠根據這些故障對系統正常運行造成的影響大小程度進行打分排序。通常用3個指標來評價每個故障模型對系統的影響程度,即故障的嚴重程度S、故障發生的頻率F和故障的易察覺性D,并用1～10進行打分。其中,S類中的1表示故障輕微,10表示故障非常嚴重;F類中的1表示故障很少發生,10表示故障經常發生;D類中的1表示輕易察覺到的故障,10表示很難察覺到的故障。RPN表示三者的乘積,為綜合評價指標。當列出AMT所有可能的故障后,給每個故障1個綜合分數,根據各故障的分數即可判斷哪些是系統的嚴重故障。根據文獻[3]和文獻[13-19]可得AMT的一些故障,運用FMEA得到的AMT故障詳細結果見表1所列。

表1 AMT的FMEA分析結果

經過上述FEMA分析,可得出AMT系統的關鍵性故障見表2所列。

表2 AMT關鍵故障

2 故障模型

AMT故障模型主要由系統模型和上述關鍵故障組成。系統模型主要由換擋執行器模型和齒輪箱模型組成。換擋執行器模型從經典的直流電機數學模型引申得到,即

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)式～(12)式由執行機構傳動系的各部分位移轉矩關系得到,即

(9)

(10)

(11)

(12)

其中,ST1、ST2為執行器終端輸出位移;S為絲桿導程;R1、R2為L型換擋桿轉臂長度;L1、L2為執行桿轉臂長度;N1、N2、N3、N4為執行器中齒輪箱齒數;FS1、FS2為換擋撥叉負載;fKC1、fKC2為模擬推拉繩斷裂故障變量;fFS1、fFS2為模擬換擋撥叉卡死故障變量；eg、eNo為各級齒輪的效率。

齒輪箱數學模型滿足(13)式和(14)式,反映輸出軸和輸入軸轉速轉矩的關系,即

(13)

(14)

其中,ωg1、ωg2為輸入與輸出齒輪角速度;Tg1、Tg2為齒輪箱輸出轉矩;eG為輪系效率;GR為傳動比;fGR為模擬輪系故障變量。

方程(1)～(14)即為包含了關鍵故障的系統模型,稱之為故障模型。

3 故障仿真

3.1 AMT 控制方法

通過(1)～(14)式,可以在Matlab中建立Simulink模型,同時加上AMT控制單元,即可在Matlab中對模型進行仿真。AMT控制流程如圖4所示。

圖4 AMT控制流程圖

圖4中,GN為齒輪擋位;X-故障為X執行器錯誤;Y-故障為Y執行器錯誤;ea(t)為輸入電壓;X_pos和Y_pos分別為X和Y執行器中終端位移;xs和ys分別為X和Y換擋處的位移(執行器終端)。

在AMT上共有5個傳感器,其中在2個線性執行器中有2個位移傳感器和2個電流傳感器。其中,位移傳感器用來測量執行器終端的位移輸出(即測量ST1,ST2),并提供閉環控制系統的反饋;電流傳感器用來監測執行器的運行狀態;另一個角速度傳感器用來測量輸出軸速度,用于換擋控制時的速度匹配。

在本文仿真中,這些傳感器用來反映以上故障出現時的系統響應。

3.2 故障模擬方法

各故障變量及其值見表3所列。通過對故障進行仿真,可直觀地反映故障出現時系統的響應,有助于了解這些故障對AMT系統的影響。

表3 故障變量及其值

表3列出的故障變量和當故障產生時的變量值說明如下。

(1) 短路。設置fRa1、fRa2為0,相當于電路中電流無窮大,用來模擬短路情況。

(2) 推拉繩斷裂。設置fKC1、fKC2為0時,電機位移無法通過推拉繩傳遞至換擋桿,因此可用于模擬推拉繩斷裂。

(3) 換擋撥叉卡住。設置fFS1、fFS2為無窮大，表示載荷也為無窮大,可用來表示換擋撥叉卡住的情況。

(4) 輪齒折斷或軸承燒毀。輪齒折斷或軸承燒毀會導致傳動比不穩定,通常這些故障發生在一定時間內,可以假定故障是1個脈沖信號,用0→1→0表示。

(5) 特殊工況下1次掛擋到位率低。特殊工況下1次掛擋到位率低會導致換擋延遲一段時間,通常這類故障導致換擋延遲時間不定,可以假定故障是1個脈沖信號,用0→1→0表示,假設延遲時間為1 s。

(6) 同步錐環磨損嚴重。同步錐環磨損嚴重會導致傳動比不穩定,這些故障發生在同步器工作一段時間后,假定故障是1個脈沖信號,用0→0.9→0表示。

3.3 故障仿真

假設換擋過程為0～5 s,換擋請求發生在第2秒。為了更好地反映故障發生時對換擋的影響,故障設置在換擋過程中(第2.1秒)。齒輪換擋請求和故障設定如圖5所示,鑒于X方向與Y方向的換擋執行器結構相同,以下仿真僅對X方向執行器進行。

圖5 齒輪換擋請求和故障設定

3.3.1 短路故障

當電源短路故障出現在換擋過程中(2.1 s),從位移、速度和電流傳感器中仿真的數據如圖6所示。

圖6 短路故障仿真與系統響應

由圖6a可以看出,當故障出現時,電流出現極大值,此時系統自我保護功能開始,即電源切斷,此時電流為0(圖6b),因此換擋無法進行(圖6c)。

3.3.2 推拉繩斷裂

當推拉繩斷裂出現在換擋過程中(2.1 s),3個傳感器的仿真數據如圖7所示。

由圖7a可以看出,當故障出現時,X方向位移停止,因此換擋失敗。由圖7b可以看出,故障出現時因為反饋的位置不變,所以系統處于死循環狀態,此時電流維持在很小數值。由圖7c可知沒有換擋輸出。

圖7 推拉繩斷裂仿真與系統響應

3.3.3 換擋撥叉卡住

當換擋撥叉卡住故障出現在換擋過程中(2.1 s),位移、速度和電流傳感器中仿真的數據如圖8所示。

由圖8a可以看出,X執行器停止在一定位置,即當換擋撥叉卡住時,執行器無法提供足夠大的動力,因此執行器在換擋撥叉卡住時無法再動作。由圖8b可以看出,當換擋撥叉卡住時電流保持在很高的數值,如果時間較長有可能會將電機燒毀。由圖8c可知換擋失敗。

圖8 換擋撥叉卡住仿真與系統響應

3.3.4 齒輪箱故障

齒輪箱的故障種類很多,在此假設故障為輪齒折斷。由機械設計理論可知,輪齒折斷傳遞出的信號為脈動信號,而正弦信號可看作脈動信號,因此選用正弦波來模擬輪齒折斷。輪系故障仿真與系統響應如圖9所示。

圖9 輪系故障仿真與系統響應

由圖9a和圖9b可知,齒輪箱折斷并未影響換擋,即換擋已經成功完成;但圖9c的輸出軸傳感器顯示,此時齒輪箱內部出現故障,且為脈動型故障,與引入的故障匹配,因此仿真結果正確。

3.3.5 特殊工況下1次掛擋到位率低

同步器嚙合齒打齒異響故障仿真與系統響應如圖10所示。由圖10a和圖10b可以看出,在特殊工況下1次掛擋到位率低的情況下,位移傳感器和電流傳感器響應正常;但圖10c的輸出軸傳感器顯示,此時脈沖信號出現延遲,即換擋會延遲相應的時間,與引入的故障匹配,因此仿真結果正確。

圖10 同步器嚙合齒打齒異響故障仿真與系統響應

3.3.6 同步錐環磨損嚴重

同步錐環磨損嚴重故障仿真與系統響應如圖11所示。

由圖11a和圖11b可以看出,同步錐環磨損嚴重也可以成功換擋;但圖11c的輸出軸傳感器顯示,此時同步器出現故障,會引起輸出的脈沖信號幅值減小,即輸出速度不穩定,與引入的故障匹配,因此仿真結果正確。

圖11 同步錐環磨損嚴重故障仿真與系統響應

4 結 論

本文針對一種常用的手自一體自動變速器,利用FMEA方法分析其存在的關鍵性故障;通過建立該變速器的故障模型,將上述關鍵性故障進行仿真和模擬,通過安裝于該變速器上的3個傳感器(執行器輸出位移傳感器、電流傳感器和輸出軸速度傳感器)形象地顯示了這些故障發生時系統的響應,為了解這些故障發生時的反映及對變速器的影響提供了理論數據。主要結論如下：

(1) 通過FA與FMEA方法可得到該款AMT(含執行器)的關鍵性故障有6類，具體如下:電路短路、推拉繩斷裂、換擋撥叉卡死、輪齒折斷、特殊工況下1次掛擋到位率低以及同步錐環磨損嚴重。

(2) 通過建立AMT執行器和變速箱的數學模型,將上述關鍵性故障引入到該數學模型中,建立了AMT故障模型。

(3) 通過在Matlab的Simulink中仿真,可得到關鍵故障中的2類故障(電路短路和推拉繩斷裂)發生時,換擋無法實現,但此時電流保持在較低水平;換擋撥叉卡住故障發生時,換擋亦無法完成,但此時電流保持在較高水平,存在燒毀電機的潛在危險;齒輪箱發生故障時,換擋可完成,但輸出速度存在錯誤;特殊工況下1次掛擋到位率低時,換擋時間推遲;同步錐環磨損嚴重,換擋可完成,但輸出速度不穩定,輸出速度減小。

[1] 劉拂曉,趙韓,江昊.純電動汽車AMT換擋規律及仿真研究[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2013,36(11):1281-1284，1363.

[2] International Organization for Standardization.Automotive safety integrity level:ISO26262—2011[S].[S.l]:International Organization for Standardization,2011.

[3] ZHONG Z M,ZHOU C M,CAO P B.AMT failed mode analysis by integration of hardware-in-loop and DFMEA[C]//2012 2nd International Conference on Consumer Electronics,Communications and Networks.[S.l.]:IEEE,2012:134-137.

[4] QIN G H,GE A L,LI H S.On-board fault diagnosis of automated manual transmission control system control systems technology[J].Transactions on Control Systems Technology,2004,12(4):564-568.

[5] 顧永明.AMT 故障診斷與故障處理的研究[D].重慶:重慶大學,2007.

[6] 劉應吉,張天俠,聞邦椿,等.基于CAN總線和PSA模型的AMT在線故障診斷系統[J].農業機械學報,2008,39(6):132-136,122.

[7] 周東華,胡艷艷.動態系統的故障診斷技術[J].自動化學報,2009,35(6):748-758.

[8] ZHANG H K,LI W J,CHEN W.Model-based hazard analysis method on automotive programmable electronic system[C]//2010 3rd International Conference on Biomedical Engineering and Informatics.[S.l.]:IEEE,2010:2658-2661.

[9] YIN X F,XUE D L,TAN J X.A study on the fault tolerant methods for the control software of automatic mechanical transmission[J].SAE Transactions,2005,114(7):335-339.

[10] PENG J X,LIU H O,HU Y H et al.Research on fault detection and diagnosis strategy based on AMT system behavior[C]//International Conference on Vehicular Electronics and Safety.[S.l.]:IEEE,2012:186-190.

[11] TENG Y Q,TANG L,DING J Q.AMT fault diagnosis technology based on simulink and LabVIEW[J].Sensors and Transducers,2013,25(Special Issue):118-124.

[12] BOVEE K,HYDE A,MIDLAM-MOHLER S,et al.Design of a parallel-series PHEV for the EcoCAR 2 competition[J].SAE International Journal of Fuels and Lubricants,2012,5(3):1317-1344.

[13] MA T.Model-based control design and experimental validation of an automated manual transmission[D].Columbus:Ohio State University,2013.

[14] CHEN Q, AHMED Q,RIZZONI G.Sensor placement analysis for fault detectability and isolability of an automated manual transmission[C]//ASME 2014 Dynamic Systems and Control Conference.San Antonio:American Society of Mechanical Engineers,2014:V003T39A002.

[15] 邱冬.AMT 變速的混合動力汽車可靠性及容錯研究 [D].上海:同濟大學,2008.

[16] 劉成武,劉珂路.機械自動變速器機械故障診斷決策研究[J].湖北汽車工業學院學報,2011,25(2):12-15.

[17] 高煒,姜卓.電控機械自動變速器(AMT)故障診斷與處理的研究[J].中國科技博覽,2010(36):8-9.

[18] 張俊智,盧青春.機械式自動變速器(AMT)電控系統的診斷[J].汽車技術,1999(4):34-36.

[19] 韓偉,原鑫.氣動AMT故障容錯系統的研究[J].湖北汽車工業學院學報,2012,26(2):12-15.

(責任編輯 胡亞敏)

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

國家自然科學基金資助項目(51305116)

陳 奇(1979-)，男，安徽肥東人，博士，合肥工業大學副教授，碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.10.001

TH132.46

A

1003-5060(2016)10-1297-08