基于改進(jìn)AHP的汽車(chē)無(wú)級(jí)變速器故障診斷研究

汪杰強(qiáng) 劉志軍 李泉

摘要：汽車(chē)無(wú)級(jí)變速器需要在運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)故障診斷，變速箱控制單元對(duì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行相應(yīng)的失效處理和保護(hù)。針對(duì)無(wú)級(jí)變速器的信號(hào)特點(diǎn)，構(gòu)造了無(wú)級(jí)變速器的可靠性層次結(jié)構(gòu)模型，基于層次分析法對(duì)判斷矩陣進(jìn)行標(biāo)度改進(jìn)，利用TCU采集的CVT狀態(tài)信息進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，評(píng)估傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性及失效風(fēng)險(xiǎn)，并利用量化的評(píng)價(jià)結(jié)果合理進(jìn)行失效保護(hù)策略的設(shè)計(jì)。

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(guān)鍵詞：無(wú)級(jí)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(chē)的安全性，尤其是配備了自動(dòng)變速器的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的安全性，是直接影響整車(chē)市場(chǎng)表現(xiàn)的重要因素。無(wú)級(jí)變速器（CVT）作為一種性能優(yōu)異的自動(dòng)變速器，在國(guó)內(nèi)乘用汽車(chē)的市場(chǎng)占有率已達(dá)到20%以上[1]。作為無(wú)級(jí)變速器控制系統(tǒng)的“大腦”，變速器控制單元（TCU）的故障診斷和失效保護(hù)功能作為重要的軟件功能，其對(duì)于變速器的故障診斷和據(jù)此采取的失效處理措施將直接影響汽車(chē)的運(yùn)行可靠性和安全性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)良好的TCU軟硬件系統(tǒng)能有效的實(shí)時(shí)檢測(cè)出傳動(dòng)系統(tǒng)的故障，并對(duì)變速器的工作狀態(tài)進(jìn)行有效評(píng)估，通過(guò)采取必要的失效保護(hù)措施，在一定程度上避免因汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)零部件的故障而導(dǎo)致的車(chē)輛行駛功能異常，進(jìn)而保障車(chē)輛行駛的安全性[2]。自動(dòng)變速器在運(yùn)行過(guò)程中，TCU必須對(duì)變速器關(guān)鍵軸系的轉(zhuǎn)速、各級(jí)油壓、溫度、電磁閥電流、傳感器狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦出現(xiàn)傳感器失效、油壓異常、轉(zhuǎn)速異常、通信、電源過(guò)欠壓等故障時(shí)，故障診斷模塊需發(fā)送故障代碼至通信總線(xiàn)并實(shí)施相應(yīng)的失效保護(hù)[3]。對(duì)于TCU故障診斷和功能安全目標(biāo)見(jiàn)表1。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)級(jí)變速器各零部件的診斷和保護(hù)，TCU電路硬件除需具備各種電信號(hào)和傳感器的檢測(cè)功能外，還應(yīng)有相應(yīng)的故障保護(hù)處理硬件電路和執(zhí)行器的失效保護(hù)控制軟件，比如電磁閥電源的關(guān)斷功能等。TCU的應(yīng)用層軟件不僅要負(fù)責(zé)變速器的功能控制，其故障診斷軟件模塊還要對(duì)CVT進(jìn)行信號(hào)診斷和系統(tǒng)可靠性風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)故障等級(jí)對(duì)變速器和動(dòng)力總成實(shí)施必要的失效保護(hù)措施，最大程度的保證行車(chē)安全性[4]。

層次分析法（AHP）提供了一種只需少量信息即可對(duì)難以完全定量的復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行決策的方法[5，6]。同濟(jì)大學(xué)康勁松等運(yùn)用AHP理論，開(kāi)展了車(chē)輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性評(píng)估的研究[7]。本文通過(guò)改進(jìn)常規(guī)AHP的標(biāo)度確定方法，并將其引入到CVT的故障診斷中，用于汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及失效保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)。

1? CVT可靠性層次結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

TCU作為汽車(chē)動(dòng)力總成系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，在CVT運(yùn)行中需要對(duì)變速器的油壓、各軸轉(zhuǎn)速、油溫、整車(chē)CAN通信等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的故障診斷，這些信息構(gòu)成了評(píng)價(jià)模型的準(zhǔn)則層，并通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)的可靠性模型，將具體的影響信號(hào)作為指標(biāo)層，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的潛在失效風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。決策層設(shè)計(jì)的失效保護(hù)模式即對(duì)CVT及車(chē)輛采取有效的故障失效保護(hù)措施的依據(jù)，進(jìn)而最大限度的保護(hù)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)及整車(chē)的行駛安全。以此構(gòu)建的CVT可靠性遞階層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

2? 標(biāo)度取值改進(jìn)及構(gòu)造判斷矩陣

常規(guī)AHP方法的重要性標(biāo)度取值為整數(shù)，范圍一般是1～9，在某些情況下存在不合理性。比如當(dāng)A比B較為重要時(shí)，取A：B的值為1：3，即B的重要性是A的3倍，而當(dāng)C的重要性明顯大于A時(shí)，A：C的取值設(shè)為1：5，從而可計(jì)算出C：B=5：3（即1.67倍），從常規(guī)的重要性標(biāo)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(biāo)度的取值改進(jìn)為分?jǐn)?shù)標(biāo)度，可以更加合理的表達(dá)各影響元素的重要性，表2為改進(jìn)后的重要性標(biāo)度表示法[8，9]。

將CVT可靠性層次結(jié)構(gòu)模型的指標(biāo)層元素對(duì)應(yīng)的從屬于準(zhǔn)則層的元素，用成對(duì)比較法和重要性標(biāo)度構(gòu)造成對(duì)比較陣，直到?jīng)Q策層，得出判斷矩陣為（aij）n×n，則該矩陣具有式（1）性質(zhì)：

由于判斷矩陣（aij）n×n是對(duì)稱(chēng)的，故只需填寫(xiě)aij=1及矩陣上三角或下三角的n（n-1）/2個(gè)元素即完成判斷矩陣的搭建。

對(duì)于具有傳遞性的判斷矩陣，使得式（2）成立，進(jìn)而認(rèn)為該矩陣具有完全一致性。

課題的研究對(duì)象為國(guó)內(nèi)某自主品牌的CTF25型乘用汽車(chē)無(wú)級(jí)變速器，并搭載于上汽通用五菱公司的寶駿560車(chē)型，TCU故障診斷軟件需要根據(jù)CVT的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)對(duì)變速器的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，其評(píng)估結(jié)果是進(jìn)行故障失效保護(hù)的重要依據(jù)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。故障診斷軟件模塊將CVT狀態(tài)參數(shù)及車(chē)輛其他參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的評(píng)價(jià)，并得出變速器的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，如表4為實(shí)際評(píng)估出的兩個(gè)運(yùn)行狀態(tài)下的評(píng)估結(jié)果。軟件再根據(jù)不同狀態(tài)下的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)進(jìn)行決策，一旦故障發(fā)生，則需采取不同的失效保護(hù)措施以保證變速器的運(yùn)行可靠性。

由于上述表4中系統(tǒng)對(duì)于兩個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)刻的評(píng)分差距不大，故采用9/9、9/7、9/8、9/6、9/5標(biāo)度作為兩個(gè)狀態(tài)下對(duì)指標(biāo)層C的重要性指標(biāo)，并據(jù)此搭建判斷矩陣A，如表5所示。

3? 層次單排序（計(jì)算權(quán)向量）與檢驗(yàn)

對(duì)于每一個(gè)準(zhǔn)則層元素及它所支配的影響因素都可以得到一個(gè)比較判斷矩陣，因此需根據(jù)比較判斷矩陣求出各因素Wi對(duì)于準(zhǔn)則B的相對(duì)權(quán)重排序。

對(duì)于判斷矩陣的近似解，比較適合于TCU這類(lèi)嵌入式單片機(jī)運(yùn)算的方法為冪法，故先根據(jù)所需要的精度，經(jīng)過(guò)若干次迭代計(jì)算，即可求出判斷矩陣A的最大特征值及其對(duì)應(yīng)的特征向量。

式（3）中：λmax是矩陣A的最大特征值，W為權(quán)重向量。

完成權(quán)重的計(jì)算后，還需對(duì)各層次的單準(zhǔn)則排序進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，得到如表6的結(jié)果。

從表6的計(jì)算結(jié)果可以看出，所有的CR值均小于0.1，認(rèn)為比較判斷矩陣的一致性可以接受，否則應(yīng)對(duì)判斷矩陣作適當(dāng)?shù)男拚ㄟ^(guò)一致性檢驗(yàn)時(shí)，求得的權(quán)重向量才有效。

4? 層次總排序與檢驗(yàn)

層次總排序及檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7-表8。

從總排序的結(jié)果可得出C.R.<0.1，可以認(rèn)為評(píng)價(jià)模型在第3層水平上整個(gè)達(dá)到局部滿(mǎn)意一致性。

5? 結(jié)果分析及應(yīng)用

在本文所例舉的兩次CVT檢測(cè)狀態(tài)下，狀態(tài)1和狀態(tài)2在油壓和轉(zhuǎn)速等參數(shù)方面的風(fēng)險(xiǎn)各有大小，如果采取傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法，很難具體得出哪個(gè)狀態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)更大，這為T(mén)CU軟件的故障診斷和保護(hù)設(shè)計(jì)提出了很大的挑戰(zhàn)。而利用改進(jìn)的層次分析法，可以得到定量的評(píng)價(jià)結(jié)果，直觀(guān)的看出狀態(tài)2的總排序權(quán)重大于狀態(tài)1，也就是變速器的運(yùn)行狀態(tài)可靠性變高了。

利用層次分析法得到的定量分析結(jié)果，再結(jié)合軟件設(shè)置的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)閾值表9，可以根據(jù)不同的權(quán)重值，讓出現(xiàn)可靠性問(wèn)題及故障時(shí)的變速器進(jìn)入相應(yīng)的故障保護(hù)工作模式，能夠更加科學(xué)合理的保證車(chē)輛行駛安全性，降低故障造成的進(jìn)一步損失。

6? 結(jié)論

在無(wú)級(jí)變速器TCU軟硬件設(shè)計(jì)中，就故障診斷功能建立了CVT可靠性層次結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)重要性標(biāo)度取值進(jìn)行了改進(jìn)。從層次排序結(jié)果來(lái)看，故障診斷軟件可以對(duì)CVT運(yùn)行狀態(tài)及可靠性風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行定量分析，結(jié)合故障失效保護(hù)策略，保證了故障診斷系統(tǒng)的合理有效性。

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