基于Go法的汽车EPS系统可靠性分析

基于Go法的汽车EPS系统可靠性 基于Go法的汽车EPS系统可靠性分析 2011年第l2期 (总第245期) 农业装备与车辆 AGRICULTURALEQUIPMENT&VEHICLEENGINEERING No.1220l1 (Totally245) doi:10.39694.issn.1673—3142.2011.12.011 基于Go法的汽车EPS系统可靠性分析 游专,何仁,蒋廷雨. (1.淮安信息职业技术学院汽车工程系,江苏淮安223003;2.江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013; 3难安市农业机械安全监理所,江苏淮安223000) 摘要:针对现有汽车EPS系统可靠性评估传统方法的局限性,应用GO法对EPS系统进行可靠性分析.阐述了 汽车EPS系统GO法的具体分析步骤.建立了相应GO图模型,进行了定性分析和精确的定量分析.通过与FTA 分析和FMEA分析法对同一EPS的分析对比验证了GO法在汽车EPS进行可靠性分析中的实用性和正确性 结果表明应用GO法进行汽车EPS可靠性分析,是一种具有实际操作意义的解决.可以减少计算工作量和 降低建模差错. 关键词:汽车EPS系统;GO法;可靠性分析;FrA;FMEA 中图分类号:U463.46文献标识码:A文章编号:1673—3142(2011)12—0033—04 ReliabilityAnalysisofVehicle'sEPSSystemBasedonGoMethodology YouZhuan,HeRen,JiangTingyu (1.DepartmentofAutomobileEngineering,HuManCollegeofInformationTechnology,Hu aian223003,China; 2.SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China; 3.HuaianSupervisionofAgriculturalMachinerySafety,Huaian223000,China) Abstract:Inviewofthelimitationsofexistingtraditionalvehicle'sEPSsystemreliabilityevaluationmethods.thesystem reliabilityisana~zedbytheGOmethodology.SpecificanalysisstepsofGOmethodologyaredescribed,andthecorresponding GOdiagrammodelisbuih,aprecisequantitativeanalysisandqualitativeanalysisisgiven.Finally,comparingthesameEPS withtheFaultTreeAnalysisanalyzingandEffectsAnalysisanalyzing.verifyavailabilityandaccuracyoftheGOmethodr reliabilityanalysisintheVehicle'sEPS.TheresultsshowthatitisakindofpracticalsensesolutionsthroughtheGOmethodology toanalyzethereliabilityofVehicle'sEPS.TheGOmethodologycanreducetheworkloadandreducethemodelingelTOI'S. Keywords:vehicleSEPSsystem;Gomethodology;reliabilityanalysis;FI'A;FMEA 0前言 汽车电控电动助力转向(ElectricPowerSteer— ing,简称EPS)和以往助力转向系统相比具有效率 高,能耗少,路感可以通过软件调节,对环境几乎 没有污染,可以独立于发动机工作,装配性好等优 点,汽车转向系统可靠性直接影响到汽车的操纵 稳定性,它对于确保车辆的安全行驶,减少交通事 故以及保护驾驶员的人身安全起着重要的作用. 目前,汽车EPS可靠性评估方法大致可分为可靠 性试验法[]和FMEA,FTA法[]两类.汽车可靠性 试验是完成汽车产品可靠性检验的有效途径,但 收稿日期:2011-11-08 基金项目:江苏省淮安市科技支撑工业项目(HAG2010022), 江苏省汽车工程重点实验室开放基金资助项目(QC201003). 作者简介:游专(1977一),女,江苏盐城人,副教授,博士,主要从事 汽车机电一体化究. 一 32一 是它往往是具有严重损耗或破坏性的试验.因此 在实际使用中难以避免试验周期长,高费用,费时 等问题:FTA分析是一种图形演绎分析法.其缺点是大型的故障树不易理解,且往往非单一解,包含 复杂的逻辑关系.FMEA分析的特点是通过系统 的全面分析.找出危害度较大的零部件,但一般不 能考虑失效的综合效应,随着系统的扩大.相应的 计算处理速度也很慢[. 而GO法(goalorientedmethodology)由美国 Kaman科学公司在20世纪6O年代提出,是一种 以成功为导向的系统概率分析技术,对于有多状 态,有时序系统,尤其是有实际物流如气流,液流, 电流的生产过程的安全性分析更为合适,本文将 首次应用GO法对汽车EPS系统,一个非常复杂 的机电一体化系统进行可靠性分析,阐述汽车 EPS系统GO法的具体分析步骤,采用信号流和 游专等:基于GO法的汽车EPS系统可靠性分析2011年12月 操作符建立GO图模型, 和定性分析. 1GO法分析原理 并进行精确的定量分析数据,最终进行GO运算. 2EPS系统工作原理及GO法建模 GO法的发展是基于决策树理论.它是把系统 原理图,流程图或工程图直接按一定规则翻译成 GO图.主要步骤是建立GO图和进行GO运算[引. 1.1GO法操作符 GO法定义了17种标准操作符E引.涉及到的 操作符如图1所示,它们也是汽车EPS系统可靠 性分析中常用的典型操作符.其中:s表示系统输 A;R表示系统输出. 两状态单元 信号发生器信号发生器 S与门 ;兰 图1GO法操作符符号示意图 类型1操作符——两状态单元(可模拟转向 轴,各类传感器等仅用正常和失效两个状态就可 描述的一些零件). 类型4操作符——多信号发生器(没有输入 信号.只有输出信号,它产生2个或多个不独立的 信号,作为系统的输入). 类型5操作符——信号发生器(可模拟转向 盘,点火开关信号等系统的输入信号). 类型6操作符——有信号而导通的元件(可 模拟点火开关等除了要有主输入信号,还要有次 输入信号(动作信号)使元件动作接通,才能允许 主输入信号通过的元件). 类型10操作符——与门(表示输入输出信号 间的逻辑关系,输出信号状态值是输入信号中的 最大状态值). 类型l3操作符——多路输入输出器(可模拟 ECU的多路输人输出). 1.2GO法分析流程 基于GO法的汽车EPS可靠性分析过程为先 进行汽车EPS系统分析并定义,规定系统的范围. 然后根据汽车EPS系统组成,控制框图建立GO 图,分析其功能,确定系统的成功准则.确定系统 的输入和输出边界.并输入系统中的单元及特征 2.1工作原理 由图2可知,EPS系统主要包括机械式转向 机构,转向助力装置和电子控制系统三大部分组 成.其工作原理是:驾驶员操纵转向盘转向时,转 矩传感器不断地测出转向轴上的转向以及转矩大 小,ECU根据转矩传感器检测到的转矩电压信 号,转动方向和车速信号等,确定助力转矩大小和 方向,调整转向辅助动力的大小.电动机的转矩由 电磁离合器通过减速器减速增矩后.加在汽车的 转向机构上,使之得到一个与汽车工况相适应的 转向作用力.汽车不转向时,电子控制单元不向电 动机控制器发出指令,电动机不工作E6].EPS系统 控制框图如图3所示. 图2EPS系统组峨图 输入控制单元 外l茎塑墨茎厂再i丽]i 至匝 厂n聂Li .=二:::二:========:j面丽磊一l苎堕墅li……………一;}回正作用控制Ji_l坚呈 Ii f茎塑垄望1广—五磊磊] 霉厂i ..::::::::.::.::.:.::..:::::::::. 图3EPS系统控制框图 2-2GO图模型建立 基于GO法的各系统分析和运算以成功为准 则,如果成功准则不同,那么系统分析和计算结果 也不同.对于汽车EPS系统,其成功准则就是转向 时各元件工作正常,保证转向成功.基于图2,3建 立EPS系统的GO图模型. 在图4中,点火开关启动信号和车速传感器 信号属于EPS系统范围之外,连同蓄电池.转向轴 均作为EPS系统的输入,都用单信号发生器代表: 一 33— 2011年第12期农业装备与车辆工程 点火开关要有启动信号作为条件信号来启动,本 身有正常和故障两个状态.用有信号而导通的元 件代表;转向轴,转角传感器,转矩传感器,电流信 号,电动机,减速机构,转向器和转向横拉杆分别 由其他信号介入而启动,本身有正常和故障两个 状态,因此可用两状态单元代表;电磁离合器的信 号来自于电动机和ECU发出的电磁离合器控制 信号,因此用与门代表之间的逻辑关系;ECU接受 车速传感器信号,转矩传感器检测到的转矩电压 信号,转向盘转向传感器信号,同时输出电流信号 给电动机和电磁离合器控制信号给电磁离合器, 输出相应大小和方向的转向助力转矩.从而产生 辅助动力. 图4EPS系统GO图 给定各单元的成功概率.就可计算出整个系 统的成功概率.输入EPS系统GO图各操作符的 类型,单元名称以及失效概率按编号列于表l. 表1EPS系统中的单元及特征数据 3EPS系统GO法分析 3.1定性分析 最小割集发生概率可用于评价最小割集的重 要度,用此方法对图4所示GO图模型进行定性 分析,如表2所示. —— 34—— 表2EPS系统最小割集分析结果 由于汽车EPS系统是一个串联系统,无两阶 及以上割集,这样系统的最小割集全为一阶割集, l5个最小割集发生概率的总和为0.23.这是系统 故障概率的近似值.即EPS系统可靠性为0.77.通 常最小割集的发生概率都很小,近似假设最小割 集相互独立.用发生概率的总和作为系统故障概 率的上限结果是可信的E. 3.2有共有信号系统的修正定量分析 系统GO图中某操作符的输出信号连接到两 个或多个操作符.作为它们的输入信号,那么该输 入信号定义为共有信号|5_. 假设某个多输入操作符有个输入信号S = l,有一个输出信号R;操作符的计算公式展 开后为[]: Ae=N(A,A,…,删)(1) 当输入信号只包含1个共有信号|s时,第 个输入信号的状态累积概率一般可以表示为 As,=ao一&,=l,…,(2) 考虑s是共有信号,将的高次项用一次 项替换进行修正,修正为: A=A0+?qA鼬=I (3) 按照上面所述方法对图4所示的汽车EPS系 统GO模型进行计算,即可得到该系统的成功概 率的修正值: (1):0.9750541(4) (下转第38页) 2011年第12期农业装备与车辆工程 3.3悬架参数,轮胎刚度对轮胎动载荷的影响 从图8中看出,悬架刚度,阻尼系数和轮胎刚 度的变化对轮胎动载荷功率谱密度峰值影响较 频率/Hz (c)不同轮胎刚度的轮胎动载荷功率谱密度 图8不同悬架参数,轮胎刚度的轮胎动载荷功率谱密度 大.从(a)中看出,悬架刚度的增加使得轮胎动载 荷功率谱密度峰值增大,这对车辆的平顺性不利. 从(b)中看出,随着阻尼系数的增加,轮胎动载荷 功率谱密度峰值减小,但在高频共振区情况相反. 从(c)中看出,轮胎刚度的增加使得轮胎动载荷功 率谱密度峰值减小. 由此可见,适当降低悬架刚度,增大阻尼系数 和轮胎刚度有利于提高悬架性能. 4结论 利用Matlab/Simulink建立二自由度车辆仿 真模型和随机路面模型,得到了车身垂直加速度 曲线,悬架动挠度曲线,轮胎动载荷曲线,并分析 了悬架刚度,阻尼比,轮胎刚度的变化对车辆悬架 系统性能的影响规律.为车辆的优化提供了 参考. 参考文献 [1]5,1文桥,别俊民.不可轻视的汽车悬架系统[J].汽车运用, 2011(3):25. 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