基于AMESim的AT液压控制系统可靠性分析.pdf

2 0 1 1 年 2月 第 3 9卷 第3期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAUL I CS F e b ． 2 0 1 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 3 ． 0 4 4 基于 A M E S i m的 A T液压控制系统可靠性分析 胡 宁 ，陈真 1 ．上海工程技 术大学，上海 2 0 0 3 3 6；2 ．上海汽车集团公 司技术中心，上海 2 0 0 0 3 0 摘要建立自动变速器供油调压和流量控制子系统稳态数学模型和 A ME S i m环境下的仿真模型，提供一种 自动变速器 液压控制系统可靠性分析的模拟仿真方法，即利用 A M E S i m对 自动变速器液压控制系统进行正常工况下和元件失效情况下 的仿真研究，通过比较仿真结果确定元件失效对系统的影响。该方法为开发自动变速器故障诊断专家系统提供参考。 关键 词 A ME S i m；液压控 制系统 ；仿 真 ；可靠性分析 中图分类号 U 4 6 3 文献标 识码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 31 4 5 3 Re I i a bi l i t y Ana l y s i s f o r Hy dr a ul i c Co nt r o l l e d Sy s t e m o f AT Ba s e d o n AM ESi m HU Ni n g ， CHEN Z h e n 1 ． S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g S c i e n c e ，S h a n g h a i 2 0 0 3 3 6 ，C h i n a ； 2 ． A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g A c a d e my o f S h a n g h a i A u t o m o t i v e I n d u s t r y C o r p o r a t i o n ，S h a n g h a i 2 0 0 0 3 0 ，C h i n a Ab s t r ac t Th e s t a t i c ma t he ma t i c mo d e l an d t h e s i mul a t e d mo d e l i n AMES i m f o r o i l s up p l y， p r e s s u r e r e g ul a t i n g a n d flo w c o nt r o l s u b s y s t e m o f A T we r e s e t u p ． A s i mu l a t i o n me a n s t o a n a l y z e r e l i a b i l i t y o f h y d r a u l i c s y s t e m o f A T w a s p r o v i d e d ． N a me l y ， t h e h y d r a u l i c s y s t e m s t a t u s e s o f AT we r e s i mu l a t e d u n d e r n o r ma l a n d c o mp o n e n t d i s a b l e d wo r k i n g c o n d i t i o n b y AMES i m． T h e e ff e c t s o f d i s a b l e d c o mp o n e n t o n t h e s y s t e m c o u l d b e c o n fi rm e d b y c o mp a r i n g s i mu l a t i o n r e s u l t s ． I t p r o v i d e s r e f e r e n c e f o r d e v e l o p i n g f a i l u r e d i a g n o s t i c e x p e r t s y s t e m o fAT． Ke y wo r d s AME S i m； Hy d r a u l i c c o n t r o l l e d s y s t e m ； S i mu l a t i o n； R e l i a b i l i t y a n a l y s i s 自动变速 器 A T 集机械 、液压 、电子于一体 ， 以液压系统作为变矩器传力 、变速器换挡 、品质控制 主要执行机构 ，故障诊断的难度居于现代汽车各大总 成之首 ⋯。液 压系统结构复 杂 ，且元件结构封闭在 阀 体内，既没有机械传动系统直观，也不像电气元件那 样可 以方便地测取相关参数 ，方便地实现 自诊断 。这 种液压系统失效的隐蔽性是导致液压系统故障诊断困 难 的直接原因 。在 自动变速器产品开发设计 阶段 ，对 其进行有效的可靠性分析是保证产品质量不可缺少的 重要过程。自动变速器液压控制系统 自身结构和组成 的复杂性，潜在的功能失效模式具有多样性 、不确定 性和随机性，所以对其进行可靠性分析难度较大并且 工作 量较大。针对这些实 际问题 ，提 出了采用模拟仿 真的方法对 自动变速 器 液压 控制 系 统进行 可 靠性 分 析 。A M E S i m A d v a n c e d Mo d e l i n g E n v i r o n m e n t f o r P e r - f o r m i n g S i m u l a t i o n s o f E n g i n e e r i n g S y s t e m s 是 法 国 I m a g i n e公司推出的液压／ 机械系统建模 、仿 真及动力 学分析软件，利用 A M E S i m软件可以对 自动变速器工 作过程进行有效的仿真 ，也可以利用该软件系统在 液压领域强大的建模 、分析功能，对 自动变速器液压 控制系统建立有效的模型，通过系统故障参数设定， 分别对 自动变速器液压控制系统在正常工况和液压元 件失效情况下进行仿真模拟，经仿真结果比较 ，以确 定液压元件失效对系统的影响。 通过 A M E S i m对 自动变速器液压控制 系统进行有 效的模拟仿真分析 ，确定液压元件失效对系统的影 响 ，对 自动变速器液压控制系统的可靠性分析提供了 一 种模拟仿真的方法。同时为开发 自动变速器故障诊 断专家系统奠定了基础 ，是 自动变速器液压控制系统 故障分析的一种行 之有效 的方法 。 1 自动变速器液压控制系统 目前，自动变速器主要采用电液控制，其中液压 控制 系统起 到了重要作用 。 自动变速器液压控制系统 结构非 常复 杂 ，根据各部分功能 ，把液压控制系统分 为供油调压 和流量控制子 系统 、换挡控制子系统 、换 挡品质控制子系统和液力变矩器油路子系统。变速器 油压 由油泵经压力调节子系统 、换挡控 制子系统进入 执行器 离合器和制动器液压缸 ，同时换挡品质 控制子系统对蓄能器液压缸产生背压，以获得较好的 换挡品质，执行器作用于行星齿轮机构的相应机构完 成换 挡动作 。文献 [ 34 ]对 自动变速 器 电液控 制 系统各子系统部分 典型液压元器 件建立 了稳态工况下 收稿 日期 2 0 0 91 23 0 作者简介胡宁 1 9 5 9 一 ，男 ，教授，主要研究方向为车辆动力学与汽车故障分析技术。电话 1 3 9 1 7 3 1 8 0 6 8 ，Em a i l h un i n g _1 95 9 y a ho o ． c o n．e n。 1 4 6 机床与液压 第 3 9卷 的数学模型 。但是考虑到 自动变速器液压控制 系统实 际工作情况 比较复杂 ，稳态工况 的数学模 型不能全面 准确描述其实 际工作情况 。利用 A M E S i m软件实现 自 动变速器液压控制系统工作 的动态模拟仿真 ，弥补了 稳态模型不符合实际工况 的缺陷 。下面就某型 电控 自 动变速器供油调压和流量控制子系统分别分析其稳态 数学模 型与 A M E S i m环境 中的可靠性模拟仿 真方法 。 1 ． 1 稳 态数 学模 型 供 油调压和流量 控制子 系统 主要 由油 泵 、限压 安全阀 、减压 阀 、比例 压 力 阀 和 主 调压 阀等组 成 ， 如图 1 示 。供 油调压 和流量控 制 子系统 主要 负责 提 供压力 油源 ，保证变 矩器 供油 ，向整个 油压控 制 系 统提供 一定压力和足 够流量 的油 液 ，按需 调节 压力 和流 量 。 PRN 1 J I ， l 一 转矩 信 号调节 闽 TS R闽 2 一 j盘力 控制 电磁 阀 ps c阀 3 一 减压 阀 AF V阀 4 一 主控 制 阀5 一 限压 安全 阀 图 1 供油调压和流量控制子系统 图 2是 比例压力 阀模型 。比例压力 阀由压力控制 电磁 阀 P r e s s C o n t r o l S o l e n o i d V a l v e ，P C S阀 和转 矩信号调 节 阀 T o r q u e S i g n a l R e g u l a t i o n V a l v e ，T S R 阀组成 。压力控制 电磁 阀是 P WM控制 的 电磁 比例 先导阀。控制器控制占空比，使占空比与油门开度成 反 比，而 电磁线圈的平均 电流强度及 电磁力随着 占空 比的增加而增 加 ，P C S阀 的输 出油路 压力 P 随着平 均电流增大而降低 ， 即可 以通过 占空 比调节输 出油压 P 。其稳态数学模型可 以表示为 P AT 1 p A1 2FT S P 。 P A T ， 一F T s ／ A 式 中 为 T S R阀左端作用 面积 ； A 为 T S R阀右端作用 面积 ； F 为 T S R阀弹簧力 。 P CS 阀TS R阀 图 2比例压力阀 主调 压 阀 由 调 压 阀 P r e s s u r e R e gul a t o r V a l v e ， P R V阀和两个增 力 阀芯 倒 挡增力 阀芯 、系统增 力阀芯组成 。当预选 杆处 于不 同的位 置时 ，作 用 在主调压 阀上的油压有所不 同，预选杆在 各个不 同挡 位时稳态数学模型可以表示为 p 孚 N np 加 0D ／D／ 2 L 式 中 P 为主油路油压 ； F为主调压 阀弹簧刚度 ； 为倒挡油压 ； P 为转矩信号调节 阀输 出油压 ； P L O 为低挡油压 ； 一 2 半 为 油压P 作用的面 积。 q - 1 ． 2 A M E S i m 环境 下的动 态模 型 文献 [ 5 ]根据液压元 件结构特征 ，利用 A ME S i m软件 中液 压标 准元 件库 和液 压 元件设 计 库 H y d r a u l i c C o m p o n e n t D e s i g n ，H C D 建立 了该 型 电控 自 动变速器的减压 阀 A F V阀 、比例压力 阀和主控制 阀模型，按照系统结构组建了供油调压和流量控制子 系统 ，并且进行了动态响应分析 。 图 3 、 4分别是 减压 阀 和 比例 压力 阀在 A M E S i m 仿真环境下的模型。 图 3 减 压阀 A M E S i m模 型 图4 比例阀 A M E S i m模型 第 3期 胡宁 等基于 A ME S i m的A T液压控制系统可靠性分析 1 4 7 2可靠性分析 对产 品进 行可靠 性 分析 是提 高产 品质 量 的有 效 途径 。故 障模式 、影响及后 果分析 F ME C A 和故 障树分析 F T A理论作为可靠性分析的手段 ，广 泛应用 于汽车 、航天 航 空 、船 舶等 领域 。但 是 ，应 用 F ME C A、F T A对 系统进 行可靠性 分析 时 ，随着 系 统复杂 度 的增 大 ，分 析 的难 度 和 工 作 量 也 相 应 增 大。针对 复杂 的系 统 ，特 别像 自动 变速 器 集 机 械 、 液压和 电子 于一体 的系 统 ，借 助有 效 的领 域模 拟仿 真软 件 ，对 系统分别进 行 正常 工作 情况 下 和元 件失 效情 况下 的模 拟仿 真 ，最后 比较 仿真 结果 ，可 以相 对比较简便地得到元件失效与其 引起的系统故障之 间的联 系 。 A M E S i m作为专门用于液压 、机 械系统 建模 、仿 真及动力学分析的优秀软件 ，为流体动力 、机械 、控 制系统提供 了一个 完善的仿 真环境 。 恰当地设置 能够表示元 件失效 的参数，借 助 A ME S i m的批 处理功 能对 自动变速器供油 调压和 流量 控制子 系统在正常工作情况和元件失效情况分别进行 模拟 ，最后综合分析模拟结果 ，建立 自动变速器供油 调压和流量控制子系统故障与其构成液压元件失效的 联系 。 供油调压和流量控制子系统在变速器液压控 制系 统 中主要起供油调压作用 ，故选取供 油调压 和流量控 制子系统输出压力P 为主要研究对象。 2 ． 1 可调排量油泵回位弹簧失效 设置 可调排量油泵 回位 弹簧 的刚度系数为一个非 零 的无穷 小 的数 ，即可表 示 回位 弹簧 因无 弹性 而失 效 。图 5所示 ，为系统 正常工作 和可 调排量 油泵 回位 弹簧失效情况下 的模拟仿真结果 。很明显 ，当可调排 量油泵 回位弹簧失效时 ，供 油调压 和流量控 制子 系统 输 出的油压突然下降至接近 0 ，不 能满足 自动变 速器 正常工作 油压需要 ，汽 车将 出现起步 困难 ，换挡执行 器打滑等 现象 。 2 ． 2 压 力控 制 电磁 阀 P C S阀 失效 设置压力控制 电磁 阀的输入信 号为 0 ，即可表示 压力控制 电磁阀丧失 功能 ，其输 出油压 P 也必 为 0 。 在建立稳 态数学 模 型时 ，可 以知道 转矩 信号 调 节 阀 T S R阀输出油压P 由压力控制电磁阀输出油压 P 控制，故压力控制电磁阀失效必然影响转矩信号调节 阀输出油压 P 。图 6所示为在正常工作状态和压力控 制电磁 阀失效 情况下转 矩信 号调 节 阀输 出油压 P 的 仿真结果 。当压力控制 电磁 阀失效时 ，转矩信号调节 阀输出油压恒为 0 。而转矩信号调节阀输出油压又控 制换 挡品质控制系统的蓄能器阀 ，故压力控制 电磁阀 P C S阀失效会引起一定 的换挡 冲击 。 图 5 可调排量油泵回位弹 图 6 P C S阀失效时 簧失效时仿真结果P 。 仿真结果 压力控 制 电磁 阀失效对 系统输 出油压 P 的影 响 如 图 7所示 。 因压 力 控制 电磁 阀失 效 ，系统输 出 主 压力 P 有所下 降 ，可 能导致换挡 执行机构 打滑等现 象 。 ／ 一 一 ／ ，／ ／ f 一 一 正 常 工 作 状 态 ⋯ 压力控制 电磁阀失效 图 7 P C S阀失效时 系统输 出P 。 仿 真结果 依据上述方 法利用 A ME S i m对 自动变速器整个 液 压控制系统进行 可靠性模拟仿真 ，最终可 以建立液压 元器件失效 与液压控制 系统故 障的联 系。 3结束语 借助 A M E S i m仿真 软件平 台对 自动变速器液压控 制系统进行模拟仿真 ，确定液压元件失效所 引起 的系 统故障 ，可 以作为 自动变速器液压控 制系统可靠性分 析的一种模拟仿 真方法 。这种 方法弥补 了对 系统进行 稳态分析时不能准确描 述系统 动态特性 的缺 陷，并且 可以大大减少对 复杂液压 系统进行故 障模式 、影响分 析 F M E A的时间 ，同时也 为 自动变速 器故障诊断 专家 系统 的研发奠定 了基础 。 参考文献 【 1 】稽伟， 等． 自动变速器故障诊断与检测[ M] ． 北京 机械 工业出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 2 】陈真， 许亮 ， 胡宁， 等． 自动变速器模拟仿真技术[ J ] ． 机 床与液压， 2 0 0 7 8 2 0 42 0 6 ． 【 3 】胡宁． 基于计算机的电液自控系统可靠性分析[ J ] ． 机 床与液压 ， 2 0 0 4 5 3 4 3 6 ． 【 4 】胡宁． 电液控制系统故障的计算机诊断分析方法 [ J ] ． 液压 与气动 ， 2 0 0 4 1 6 2 6 5 ． 【 5 】叶伟． 自 动变速器液压系统分析及研究[ D ] ． 上海 同济 大学 ， 2 0 o 4 ． ．