基于改進AHP的汽車無級變速器故障診斷研究

汪杰強 劉志軍 李泉

摘要：汽車無級變速器需要在運行過程中進行實時故障診斷，變速箱控制單元對出現的故障進行相應的失效處理和保護。針對無級變速器的信號特點，構造了無級變速器的可靠性層次結構模型，基于層次分析法對判斷矩陣進行標度改進，利用TCU采集的CVT狀態信息進行綜合評價，評估傳動系統的可靠性及失效風險，并利用量化的評價結果合理進行失效保護策略的設計。

Abstract： The CVT needs real-time fault diagnosis in the process of operation， and the control unit of the transmission deals with and protects the faults. According to the signal characteristics of CVT， the reliability hierarchy model of CVT is constructed， the judgment matrix is improved based on AHP， the CVT state information collected by TCU is used for comprehensive evaluation， the reliability and failure risk of transmission system are evaluated， and the failure protection strategy is designed reasonably based on the quantitative evaluation results.

關鍵詞：無級變速器;故障診斷;層次分析法;可靠性

Key words： continuously variable transmission;fault diagnosis;analytic hierarchy process;reliability

0? 引言

汽車的安全性，尤其是配備了自動變速器的動力傳動系統的安全性，是直接影響整車市場表現的重要因素。無級變速器（CVT）作為一種性能優異的自動變速器，在國內乘用汽車的市場占有率已達到20%以上[1]。作為無級變速器控制系統的“大腦”，變速器控制單元（TCU）的故障診斷和失效保護功能作為重要的軟件功能，其對于變速器的故障診斷和據此采取的失效處理措施將直接影響汽車的運行可靠性和安全性。據統計，設計良好的TCU軟硬件系統能有效的實時檢測出傳動系統的故障，并對變速器的工作狀態進行有效評估，通過采取必要的失效保護措施，在一定程度上避免因汽車傳動系統零部件的故障而導致的車輛行駛功能異常，進而保障車輛行駛的安全性[2]。自動變速器在運行過程中，TCU必須對變速器關鍵軸系的轉速、各級油壓、溫度、電磁閥電流、傳感器狀態等參數進行實時監測，一旦出現傳感器失效、油壓異常、轉速異常、通信、電源過欠壓等故障時，故障診斷模塊需發送故障代碼至通信總線并實施相應的失效保護[3]。對于TCU故障診斷和功能安全目標見表1。

為實現對無級變速器各零部件的診斷和保護，TCU電路硬件除需具備各種電信號和傳感器的檢測功能外，還應有相應的故障保護處理硬件電路和執行器的失效保護控制軟件，比如電磁閥電源的關斷功能等。TCU的應用層軟件不僅要負責變速器的功能控制，其故障診斷軟件模塊還要對CVT進行信號診斷和系統可靠性風險進行評估，并根據故障等級對變速器和動力總成實施必要的失效保護措施，最大程度的保證行車安全性[4]。

層次分析法（AHP）提供了一種只需少量信息即可對難以完全定量的復雜問題進行決策的方法[5，6]。同濟大學康勁松等運用AHP理論，開展了車輛動力傳動系統可靠性評估的研究[7]。本文通過改進常規AHP的標度確定方法，并將其引入到CVT的故障診斷中，用于汽車傳動系統的可靠性風險評估及失效保護功能的實現。

1? CVT可靠性層次結構模型構建

TCU作為汽車動力總成系統中的關鍵部件，在CVT運行中需要對變速器的油壓、各軸轉速、油溫、整車CAN通信等信號進行實時的故障診斷，這些信息構成了評價模型的準則層，并通過構建系統的可靠性模型，將具體的影響信號作為指標層，對傳動系統的潛在失效風險進行評估。決策層設計的失效保護模式即對CVT及車輛采取有效的故障失效保護措施的依據，進而最大限度的保護動力傳動系統及整車的行駛安全。以此構建的CVT可靠性遞階層次結構模型如圖1所示。

2? 標度取值改進及構造判斷矩陣

常規AHP方法的重要性標度取值為整數，范圍一般是1～9，在某些情況下存在不合理性。比如當A比B較為重要時，取A：B的值為1：3，即B的重要性是A的3倍，而當C的重要性明顯大于A時，A：C的取值設為1：5，從而可計算出C：B=5：3（即1.67倍），從常規的重要性標度取值方案可以看出，較為重要為3倍，而從較重要到明顯重要只有1.67倍，存在明顯的不合理性。故將重要性標度的取值改進為分數標度，可以更加合理的表達各影響元素的重要性，表2為改進后的重要性標度表示法[8，9]。

將CVT可靠性層次結構模型的指標層元素對應的從屬于準則層的元素，用成對比較法和重要性標度構造成對比較陣，直到決策層，得出判斷矩陣為（aij）n×n，則該矩陣具有式（1）性質：

由于判斷矩陣（aij）n×n是對稱的，故只需填寫aij=1及矩陣上三角或下三角的n（n-1）/2個元素即完成判斷矩陣的搭建。

對于具有傳遞性的判斷矩陣，使得式（2）成立，進而認為該矩陣具有完全一致性。

課題的研究對象為國內某自主品牌的CTF25型乘用汽車無級變速器，并搭載于上汽通用五菱公司的寶駿560車型，TCU故障診斷軟件需要根據CVT的運行狀態參數對變速器的風險進行評估，其評估結果是進行故障失效保護的重要依據，評價標準如表3所示。故障診斷軟件模塊將CVT狀態參數及車輛其他參數進行實時的評價，并得出變速器的風險狀態，如表4為實際評估出的兩個運行狀態下的評估結果。軟件再根據不同狀態下的風險系數進行決策，一旦故障發生，則需采取不同的失效保護措施以保證變速器的運行可靠性。

由于上述表4中系統對于兩個監測時刻的評分差距不大，故采用9/9、9/7、9/8、9/6、9/5標度作為兩個狀態下對指標層C的重要性指標，并據此搭建判斷矩陣A，如表5所示。

3? 層次單排序（計算權向量）與檢驗

對于每一個準則層元素及它所支配的影響因素都可以得到一個比較判斷矩陣，因此需根據比較判斷矩陣求出各因素Wi對于準則B的相對權重排序。

對于判斷矩陣的近似解，比較適合于TCU這類嵌入式單片機運算的方法為冪法，故先根據所需要的精度，經過若干次迭代計算，即可求出判斷矩陣A的最大特征值及其對應的特征向量。

式（3）中：λmax是矩陣A的最大特征值，W為權重向量。

完成權重的計算后，還需對各層次的單準則排序進行一致性檢驗，得到如表6的結果。

從表6的計算結果可以看出，所有的CR值均小于0.1，認為比較判斷矩陣的一致性可以接受，否則應對判斷矩陣作適當的修正通過一致性檢驗時，求得的權重向量才有效。

4? 層次總排序與檢驗

層次總排序及檢驗結果見表7-表8。

從總排序的結果可得出C.R.<0.1，可以認為評價模型在第3層水平上整個達到局部滿意一致性。

5? 結果分析及應用

在本文所例舉的兩次CVT檢測狀態下，狀態1和狀態2在油壓和轉速等參數方面的風險各有大小，如果采取傳統的評價方法，很難具體得出哪個狀態的風險更大，這為TCU軟件的故障診斷和保護設計提出了很大的挑戰。而利用改進的層次分析法，可以得到定量的評價結果，直觀的看出狀態2的總排序權重大于狀態1，也就是變速器的運行狀態可靠性變高了。

利用層次分析法得到的定量分析結果，再結合軟件設置的風險等級閾值表9，可以根據不同的權重值，讓出現可靠性問題及故障時的變速器進入相應的故障保護工作模式，能夠更加科學合理的保證車輛行駛安全性，降低故障造成的進一步損失。

6? 結論

在無級變速器TCU軟硬件設計中，就故障診斷功能建立了CVT可靠性層次結構模型，并對重要性標度取值進行了改進。從層次排序結果來看，故障診斷軟件可以對CVT運行狀態及可靠性風險等級進行定量分析，結合故障失效保護策略，保證了故障診斷系統的合理有效性。

參考文獻：

[1]葛安林.自動變速器（一）──自動變速器綜述[J].汽車技術（5）：1-3.

[2]郭永亮，董趁心.鋼帶式CVT變速器的發展歷程、結構原理及發展趨勢[J].內燃機與配件，2019（16）.

[3]Chatterjee S， Sadhu S， Ghoshal T K. Improved estimation and fault detection scheme for a class of non-linear hybrid systems using time delayed adaptive CD state estimator. IET Signal Processing， 2017， 11（7）： 771-779.

[4]張強.決策理論與方法[M].大連：東北財經大學出版社，2009.

[5]李泉，周云山，王建德，等.改進AHP在CVT車輛駕駛性主觀評價中的應用[J].機械科學與技術，2014，33（11）：1725-1728.

[6]郭金玉，張忠彬，孫慶云.層次分析法的研究與應用[J].中國安全科學學報，2008，18（5）：148-153.

[7]康勁松，康婷.基于FTA-AHP的FCEV動力系統可靠性影響因子及其權重研究[J].電源學報，2013（4）：1-7.

[8]李泉.鋰離子動力電池管理系統關鍵技術研究[D].湖南大學.

[9]范紅軍，陳友龍，李勛章.AHP方法在蓄電池指標控制中的應用[J].電器與能效管理技術，2015（18）：61-63.

[10]何龍，孫保群，羅沖，等.新型DCT典型故障的診斷策略研究[J].汽車技術，2017（5）：58-62.