综合传动装置转速和温度传感器FMECA分析

郑长松，冯毓庆，汪 宇，何春平，黄静秋

(1.北京理工大学机械与车辆学院，北京100081；2.江麓机电集团有限公司，湘潭411100)

综合传动装置电控系统作为履带车辆中的高度集成系统，不仅对车辆的动力性和可靠性有直接影响，而且对战场上的机动性以及承载人员生命安全都有非常重要的影响[1].传感器作为电控系统中必不可少的一部分，不仅可以实时采集和读取车辆行驶的相关信息，同时也影响着车辆换挡时刻的选择，动力性的发挥，是综合传动装置的“神经”[2].电控系统传感器发生故障将直接影响综合传动装置的正常运转，导致履带车辆失去战场上的主动性.因此，对电控系统中传感器的可靠性进行相关研究和分析，是保障车辆正常运行和进行高强度复杂工况作业的前提[3].

国内学者针对车辆电控系统进行了大量的分析与研究.张伟[4]以机械式自动变速电控系统的故障诊断技术为例,系统介绍了自动变速电控系统故障诊断技术研究的内容和方法,阐述了汽车故障诊断技术的发展方向.余卓平[5]研究了电动汽车动力学控制问题，表明集成电控是协调多个动力学控制的有效途径.果大同[6]在俄569A综合传动电控系统的基础上进行改进并提出了一套切实可行的电控改进方案.雷煌[7]结合电控系统中减压阀输出特性和发动机外特性，研究出适合特种车辆工作环境的防爆智能电控系统，提高了整车的动力性和操作舒适性.本研究以某型号综合传动装置电控系统中的转速和温度传感器为研究对象，根据其在定型试验和样车使用过程中出现的故障进行全面的FMECA分析，并针对主要问题作出优化与改进.最后，在整个可靠性鉴定试验过程中转速和温度传感器未发生任何故障，有效提升了其可靠性.

1 FMECA分析原理

故障模式、影响及危害性分析(Failure Mode, Effect and Criticality Analysis，简称FMECA)是工程应用中最常用的可靠性分析方法之一，它是指分析系统中每一产品所有可能产生的故障模式及其对系统所造成的所有可能的影响，并按每一种故障模式发生的概率、检测的难易程度以及其危害程度予以分类的一种归纳分析方法[8].FMECA的目的是通过系统分析，确定产品、零部件、设备等在设计和生产过程中所有可能的故障模式及其原因和影响，以便找出潜在的缺陷和薄弱环节，并采取相应的改进措施.FMECA分析方法由故障模式、影响分析(FMEA)及危害性分析(CA)两部分组成，FMEA属于定性分析，而CA是在FMEA的基础上依靠一定数据进行定量分析.因FMECA实用、高效的分析特点，目前已被广泛应用于航空、航天、电子、电气、机械和汽车等工业领域[9].

综合传动装置电控系统结构复杂，同时承担着为履带装甲车辆传递动力和改变速度的重要任务，要运用FMECA方法对其中的传感器进行可靠性分析，必须首先选择合理可行的FMECA方法[10].FMECA有硬件分析法、功能分析法,等等.考虑到某型号综合传动装置电控系统中的产品设计资料比较完备以及分析的严密性，故选取硬件FMECA方法对其进行分析.对于CA分析，由于危害性矩阵图法能将每一种故障模式的危害性程度直接在矩阵图上表示出来，更为简明直观，比较适用于大型复杂系统的分析，因此本研究选取危害性矩阵图法进行CA分析.

2 转速传感器FMECA分析

2.1 概要说明及任务剖面

转速传感器用于采集综合传动装置上三轴和变矩器涡轮的转速.三轴转速信号通过CAN总线上传至驾驶员任务终端并转换成车速信息.同时，三轴转速信号也影响液力变矩器自动解/闭锁功能的控制.因此，当传感器出现故障，则会引起变矩器异常的解/闭锁操作，导致损坏传动链上的薄弱环节.

由于转速传感器系统较小，故将机械和电气结构整合在一起进行分析，其功能框图如图1所示.转速传感器的贮存和工作温度分别为-43～70 ℃，-43～120 ℃.

图1 转速传感器功能框图

2.2 FMECA分析

FMECA工作量的大小以及分析结果的有效与否都直接由约定分析层次决定.适当的约定分析层次不仅能减轻FMECA的工作量，更有助于找出系统中的缺陷及薄弱环节.可靠性框图用于表示产品各个单元故障如何导致产品故障的逻辑关系，即产品中任一单元发生故障后，导致产品需要进行维修或更换的逻辑关系，故其为串联模型.根据转速传感器工作原理和各零部件功能，转速传感器的结构层次和可靠性框图分别如图2、图3所示.

图2 转速传感器结构层次

图3 转速传感器可靠性框图

2.2.1 故障模式与影响分析(FMEA)

转速传感器的可靠性指标要求为平均无故障间隔时间1 000 h.根据前期转速传感器在使用中的统计数据和可靠性增长分析，确定其可靠性增长重点子单元为壳体和紧固结构.转速传感器壳体和紧固结构对变速箱机构影响较大，特别是壳体断裂和紧固结构松动造成的零部件脱落，将严重影响变速机构的可靠性.根据转速传感器使用和定型试验过程中的故障情况，按照统一的故障模式编码，得到如表1所示的转速传感器FMEA表.

表1 某型号综合传动装置转速传感器FMEA

续表1

2.2.2 危害性分析(CA)

根据表1的FMEA分析，得到如图4所示的转速传感器危害性矩阵图，共22种故障模式，其中严酷度III类5种，严酷度Ⅳ类17种，无严酷度I、Ⅱ类.针对可能出现的危害性情况进行相应的设计改进，并对加工质量和装配工艺进行严格控制，如加强外壳的检验，选用高强度的接插件和紧固结构材料并在紧固时涂覆螺纹紧固剂以防止螺钉松动或脱落，这样可以有效提升转速传感器的可靠性.

图4 转速传感器危害性矩阵图

3 温度传感器FMECA分析

3.1 概要说明及任务剖面

某型号综合传动装置利用金属铂自身的温度特性，通过铂电阻温度传感器(简称温度传感器)来检测变矩器出口油温，其功能框图如图5所示.当被测介质中存在温度梯度时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度.温度传感器的贮存和工作温度分别为-43～70 ℃，-43～150 ℃.

图5 温度传感器功能框图

3.2 FMECA分析

根据温度传感器的工作原理和各零部件功能，可得温度传感器的结构层次和可靠性框图分别如图6、图7所示.最低约定层次包括电气结构中的PT1000铂电阻和机械结构中的外壳、压塞、插座、纤维板垫圈和橡胶垫圈.

图6 温度传感器结构层次

3.2.1 故障模式与影响分析(FMEA)

温度传感器的可靠性指标要求为平均无故障间隔时间1 000 h.根据温度传感器在使用中的统计数据和可靠性增长分析，确定其可靠性增长重点子单元为壳体.温度传感器壳体对变速箱机构影响较大，特别是壳体断裂造成的零部件脱落，将严重影响变速机构的可靠性.根据温度传感器使用和定型试验过程中的故障情况，按照统一的故障模式编码，得到温度传感器的FMEA如表2所示.

图7 温度传感器可靠性框图

表2 某型号综合传动装置温度传感器FMEA

3.2.2 危害性分析(CA)

由表2中的FMEA分析，得到如图8所示的温度传感器危害性矩阵图，共7种故障模式，其中严酷度III类1种，严酷度Ⅳ类6种，无严酷度I、Ⅱ类.针对可能出现的危害性情况进行相应的设计改进，如加强外壳和原材料检验、将外壳接口处退刀槽改为锥形结构等措施，同时对关键产品的加工质量和装配工艺加强控制与管理.

图8 温度传感器危害性矩阵图

4 结 论

针对某型号综合传动装置电控系统中的转速和温度传感器，对其在车辆运行时可能出现的各种故障和可能引起的后果进行了全面的FMECA分析，并针对转速和温度传感器各自存在的主要问题作出了优化与改进.最后，在整个可靠性鉴定试验过程中，转速和温度传感器未发生任何故障.