鄭長松，馮毓慶，汪 宇，何春平，黃靜秋

(1.北京理工大學機械與車輛學院，北京100081；2.江麓機電集團有限公司，湘潭411100)

綜合傳動裝置電控系統(tǒng)作為履帶車輛中的高度集成系統(tǒng)，不僅對車輛的動力性和可靠性有直接影響，而且對戰(zhàn)場上的機動性以及承載人員生命安全都有非常重要的影響[1].傳感器作為電控系統(tǒng)中必不可少的一部分，不僅可以實時采集和讀取車輛行駛的相關信息，同時也影響著車輛換擋時刻的選擇，動力性的發(fā)揮，是綜合傳動裝置的“神經(jīng)”[2].電控系統(tǒng)傳感器發(fā)生故障將直接影響綜合傳動裝置的正常運轉，導致履帶車輛失去戰(zhàn)場上的主動性.因此，對電控系統(tǒng)中傳感器的可靠性進行相關研究和分析，是保障車輛正常運行和進行高強度復雜工況作業(yè)的前提[3].

國內(nèi)學者針對車輛電控系統(tǒng)進行了大量的分析與研究.張偉[4]以機械式自動變速電控系統(tǒng)的故障診斷技術為例,系統(tǒng)介紹了自動變速電控系統(tǒng)故障診斷技術研究的內(nèi)容和方法,闡述了汽車故障診斷技術的發(fā)展方向.余卓平[5]研究了電動汽車動力學控制問題，表明集成電控是協(xié)調(diào)多個動力學控制的有效途徑.果大同[6]在俄569A綜合傳動電控系統(tǒng)的基礎上進行改進并提出了一套切實可行的電控改進方案.雷煌[7]結合電控系統(tǒng)中減壓閥輸出特性和發(fā)動機外特性，研究出適合特種車輛工作環(huán)境的防爆智能電控系統(tǒng)，提高了整車的動力性和操作舒適性.本研究以某型號綜合傳動裝置電控系統(tǒng)中的轉速和溫度傳感器為研究對象，根據(jù)其在定型試驗和樣車使用過程中出現(xiàn)的故障進行全面的FMECA分析，并針對主要問題作出優(yōu)化與改進.最后，在整個可靠性鑒定試驗過程中轉速和溫度傳感器未發(fā)生任何故障，有效提升了其可靠性.

1 FMECA分析原理

故障模式、影響及危害性分析(Failure Mode, Effect and Criticality Analysis，簡稱FMECA)是工程應用中最常用的可靠性分析方法之一，它是指分析系統(tǒng)中每一產(chǎn)品所有可能產(chǎn)生的故障模式及其對系統(tǒng)所造成的所有可能的影響，并按每一種故障模式發(fā)生的概率、檢測的難易程度以及其危害程度予以分類的一種歸納分析方法[8].FMECA的目的是通過系統(tǒng)分析，確定產(chǎn)品、零部件、設備等在設計和生產(chǎn)過程中所有可能的故障模式及其原因和影響，以便找出潛在的缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，并采取相應的改進措施.FMECA分析方法由故障模式、影響分析(FMEA)及危害性分析(CA)兩部分組成，F(xiàn)MEA屬于定性分析，而CA是在FMEA的基礎上依靠一定數(shù)據(jù)進行定量分析.因FMECA實用、高效的分析特點，目前已被廣泛應用于航空、航天、電子、電氣、機械和汽車等工業(yè)領域[9].

綜合傳動裝置電控系統(tǒng)結構復雜，同時承擔著為履帶裝甲車輛傳遞動力和改變速度的重要任務，要運用FMECA方法對其中的傳感器進行可靠性分析，必須首先選擇合理可行的FMECA方法[10].FMECA有硬件分析法、功能分析法,等等.考慮到某型號綜合傳動裝置電控系統(tǒng)中的產(chǎn)品設計資料比較完備以及分析的嚴密性，故選取硬件FMECA方法對其進行分析.對于CA分析，由于危害性矩陣圖法能將每一種故障模式的危害性程度直接在矩陣圖上表示出來，更為簡明直觀，比較適用于大型復雜系統(tǒng)的分析，因此本研究選取危害性矩陣圖法進行CA分析.

2 轉速傳感器FMECA分析

2.1 概要說明及任務剖面

轉速傳感器用于采集綜合傳動裝置上三軸和變矩器渦輪的轉速.三軸轉速信號通過CAN總線上傳至駕駛員任務終端并轉換成車速信息.同時，三軸轉速信號也影響液力變矩器自動解/閉鎖功能的控制.因此，當傳感器出現(xiàn)故障，則會引起變矩器異常的解/閉鎖操作，導致?lián)p壞傳動鏈上的薄弱環(huán)節(jié).

由于轉速傳感器系統(tǒng)較小，故將機械和電氣結構整合在一起進行分析，其功能框圖如圖1所示.轉速傳感器的貯存和工作溫度分別為-43～70 ℃，-43～120 ℃.

圖1 轉速傳感器功能框圖

2.2 FMECA分析

FMECA工作量的大小以及分析結果的有效與否都直接由約定分析層次決定.適當?shù)募s定分析層次不僅能減輕FMECA的工作量，更有助于找出系統(tǒng)中的缺陷及薄弱環(huán)節(jié).可靠性框圖用于表示產(chǎn)品各個單元故障如何導致產(chǎn)品故障的邏輯關系，即產(chǎn)品中任一單元發(fā)生故障后，導致產(chǎn)品需要進行維修或更換的邏輯關系，故其為串聯(lián)模型.根據(jù)轉速傳感器工作原理和各零部件功能，轉速傳感器的結構層次和可靠性框圖分別如圖2、圖3所示.

圖2 轉速傳感器結構層次

圖3 轉速傳感器可靠性框圖

2.2.1 故障模式與影響分析(FMEA)

轉速傳感器的可靠性指標要求為平均無故障間隔時間1 000 h.根據(jù)前期轉速傳感器在使用中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和可靠性增長分析，確定其可靠性增長重點子單元為殼體和緊固結構.轉速傳感器殼體和緊固結構對變速箱機構影響較大，特別是殼體斷裂和緊固結構松動造成的零部件脫落，將嚴重影響變速機構的可靠性.根據(jù)轉速傳感器使用和定型試驗過程中的故障情況，按照統(tǒng)一的故障模式編碼，得到如表1所示的轉速傳感器FMEA表.

表1 某型號綜合傳動裝置轉速傳感器FMEA

續(xù)表1

2.2.2 危害性分析(CA)

根據(jù)表1的FMEA分析，得到如圖4所示的轉速傳感器危害性矩陣圖，共22種故障模式，其中嚴酷度III類5種，嚴酷度Ⅳ類17種，無嚴酷度I、Ⅱ類.針對可能出現(xiàn)的危害性情況進行相應的設計改進，并對加工質(zhì)量和裝配工藝進行嚴格控制，如加強外殼的檢驗，選用高強度的接插件和緊固結構材料并在緊固時涂覆螺紋緊固劑以防止螺釘松動或脫落，這樣可以有效提升轉速傳感器的可靠性.

圖4 轉速傳感器危害性矩陣圖

3 溫度傳感器FMECA分析

3.1 概要說明及任務剖面

某型號綜合傳動裝置利用金屬鉑自身的溫度特性，通過鉑電阻溫度傳感器(簡稱溫度傳感器)來檢測變矩器出口油溫，其功能框圖如圖5所示.當被測介質(zhì)中存在溫度梯度時，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度.溫度傳感器的貯存和工作溫度分別為-43～70 ℃，-43～150 ℃.

圖5 溫度傳感器功能框圖

3.2 FMECA分析

根據(jù)溫度傳感器的工作原理和各零部件功能，可得溫度傳感器的結構層次和可靠性框圖分別如圖6、圖7所示.最低約定層次包括電氣結構中的PT1000鉑電阻和機械結構中的外殼、壓塞、插座、纖維板墊圈和橡膠墊圈.

圖6 溫度傳感器結構層次

3.2.1 故障模式與影響分析(FMEA)

溫度傳感器的可靠性指標要求為平均無故障間隔時間1 000 h.根據(jù)溫度傳感器在使用中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和可靠性增長分析，確定其可靠性增長重點子單元為殼體.溫度傳感器殼體對變速箱機構影響較大，特別是殼體斷裂造成的零部件脫落，將嚴重影響變速機構的可靠性.根據(jù)溫度傳感器使用和定型試驗過程中的故障情況，按照統(tǒng)一的故障模式編碼，得到溫度傳感器的FMEA如表2所示.

圖7 溫度傳感器可靠性框圖

表2 某型號綜合傳動裝置溫度傳感器FMEA

3.2.2 危害性分析(CA)

由表2中的FMEA分析，得到如圖8所示的溫度傳感器危害性矩陣圖，共7種故障模式，其中嚴酷度III類1種，嚴酷度Ⅳ類6種，無嚴酷度I、Ⅱ類.針對可能出現(xiàn)的危害性情況進行相應的設計改進，如加強外殼和原材料檢驗、將外殼接口處退刀槽改為錐形結構等措施，同時對關鍵產(chǎn)品的加工質(zhì)量和裝配工藝加強控制與管理.

圖8 溫度傳感器危害性矩陣圖

4 結 論

針對某型號綜合傳動裝置電控系統(tǒng)中的轉速和溫度傳感器，對其在車輛運行時可能出現(xiàn)的各種故障和可能引起的后果進行了全面的FMECA分析，并針對轉速和溫度傳感器各自存在的主要問題作出了優(yōu)化與改進.最后，在整個可靠性鑒定試驗過程中，轉速和溫度傳感器未發(fā)生任何故障.