基于FMEA分析法的汽车线控制动系统的故障分析

作者：    来源：汽车零部件

欢迎访问e展厅 展厅 3 传动/转向/制动系统展厅 变速箱, 离合器, 制动系统... 线控制动系统（Brake-By-Wire，简称BBW系统）是一个包括机械、电子等多种类型的元部件和控制软件在内的复杂控制系统。与传统的制动系统相比，它可以缩短制动响应时间，减轻整车质量，减少燃油消耗，还更易于与其他辅助功能（如ABS、ASR、EBD、ESP、BA）实现快速集成。但是由于这种电子控制系统是没有机械后备的，一旦出现故障，可能会给人类带来极大的危险。从某种意义来说，BBW系统必须比机械制动系统的故障率更低，否则难以推广和应用。因此，可靠性和安全性是BBW系统面临的最大挑战。如果将BBW系统的可靠性完全归结为元器件的可靠性和制造工艺水平，而不考虑系统设计对可靠性的作用，这种方法十分不完善。在BBW系统功能日益复杂的情况下，并不能很好地解决其可靠性问题。因此，将FMEA分析法运用到BBW系统的可靠性分析是一种有效的方法，可以以此来提高系统的可靠性。 1 BBW制动系统的结构及原理 BBW系统是一种没有机械或液压后备的电子制动机构，驾驶员的控制命令直接通过通信网络传输给电机执行机构，从而进行制动控制。它集成了一系列智能制动控制系统。提供如防抱死控制、车辆稳定性控制、电子制动力分配、助力制动、牵引力控制等现有制动系统的功能，并通过车载网络把子系统有机结合成一个完整的功能体系。BBW系统的工作流程如图1所示。它采用一个电子踏板取代了原有的机械制动踏板，用以接受驾驶员的制动意图。电子控制单元通过接收踏板、轮速和总线上的其他信号，进行内部运算，计算出制动力，并经过车载网络传送给四个车轮制动控制器，从而控制电子执行器实现减速、制动和驻车功能。并将信号反馈给驾驶员，同时ECU还对电源进行管理。这种结构不仅使汽车结构发生根本性变革，更重要的是它改善了汽车的主动和被动安全性。 按照BBW系统的工作流程，BBW系统结构如图2所示。可将BBW分成三个模块：主控模块、车轮制动模块以及电源管理模块。同时整个系统在相应的位置还安装有用来采集信号的各种传感器元件（如电子踏板）。 2 基于FMEA分析法的BBW系统的故障分析 2.1 FMEA分析法 故障模式与效果分析（FMEA）方法是指在系统的设计过程中，通过对系统的各组成元件潜在的各种故障模式及其对系统功能的影响进行分析，并把每一个潜在的故障模式按它的严酷程度进行分类，以提高系统可靠性的一种设计分析方法。对于BBW系统这样复杂的系统，在短时间内寻找某一故障发生的原因，往往相当困难，FMEA方法是一种定性分析方法，不需要高深的数学理论，而且容易掌握，对汽车维修、检测和可靠性分析很有使用价值，故受到汽车行业的高度重视，它比依赖于数学的定量分析方法更接近现实发展情况，可以把问题简单化，因此非常适合于BBW系统的可靠性研究。 在BBW系统中，如果系统不能良好地完成制动功能，则会发生制动失效、制动不灵、制动跑偏、自发制动和制动拖滞等故障。因此，为了在设计阶段研究BBW系统的安全可靠性，通过FMEA分析法可以得出BBW系统的五种工况的故障模式、最终影响及其严酷度。 2.2 BBW系统制动失控故障分析 制动失控主要表现为在汽车行驶中驾驶员发出制动命令，汽车不减速，即使连续几次制动也无明显反应。产生此类故障的主要原因、最终影响和严酷度如表1所示。 2.3 BBW系统制动不灵故障分析 制动不灵主要表现为汽车行驶中驾驶员迅速将制动踏板踩到底，汽车不能立即减速、停车，各车轮的制动明显滞后，即制动距离和制动时间过长。产生此类故障的主要原因、最终影响及严酷度如表2所示。 2.4 BBW的系统制动跑偏故障分析 制动跑偏主要表现为制动时，同轴两车轮不能同时制动，汽车不能沿直行方向停车而偏向一侧。产生此类故障的原因如表3所示。 2.5 BBW系统自发制动故障分析 自发制动主要表现为驾驶员未发出制动命令，汽车突然制动，这类故障的主要原因、最终影响及严酷度如表4所示。 2.6 BBW系统制动拖滞故障分析 制动迟滞主要表现为在行车中踩下制动踏板后，再抬起踏板，不能迅速解除制动，而仍有制动作用。产生这类故障的原因、最终影响及严酷度如表5所示。 2.7 BBW系统故障预防措施 上述基于FMEA分析法对BBW系统五种故障工况进行分析，得到了可能造成BBW系统故障的各种原因，从而能找出系统的薄弱环节并进行改进。主要有以下几点： ⑴ BBW系统中五种工况的FMEA分析中都会出现一些机械方面的故障，可以通过人们的经验直接检查出来。例如，制动踏板行程长及机械结构受损、齿轮磨损、丝杠受损等，通过观察就可以找到故障所在，进行及时的调整和处理。 ⑵ 在BBW系统中，摩擦片的磨损和过热也是导致故障的一个重要原因，通过一定的设备可以检测摩擦材料的性能，并加以改进，对分析系统故障有极大的帮助作用。 ⑶ 通过分析也可以看到电磁干扰对系统造成故障的权重也很大，甚至会直接造成制动失效和自发制动两种灾难性故障，因此需要采取措施进行预防。具体措施如下： ① 通过屏蔽技术来减小设备之间或设备内部各部分之间的辐射干扰； ② 通过滤波来抑制干扰源，消除干扰耦合，增强接收电路的抗干扰能力； ③ 通过接地来建立两点之间的导电通路，其中一点通常是系统的电气或电子元件，另一点是参考点。接地是电子系统中的一个重要问题，整个系统能否稳定工作，与接地有很大关系； ④ 在整个系统中，程序跑飞也是造成系统故障的主要原因之一。 需要采取的措施：在端口输出时，对输出操作进行校验，如果是正常输出，则验证将会通过，否则，将禁止端口数据输出。 3 结论 随着汽车技术及通信网络技术的发展，BBW系统无疑将成为未来汽车的发展方向。但是，安全性和可靠性是BBW系统所要解决的首要问题，因此提高BBW系统的可靠性是将来汽车发展领域的一个重要课题。笔者运用了故障模式与效果（FMEA）分析法对BBW系统的严酷度较高的五种工况（制动失效、制动不灵、制动跑偏、自发制动和制动拖滞）进行可靠性分析，针对BBW系统使用和开发过程中出现的薄弱环节与故障，提供了技术上可能的策略和思路，实施后取得了良好的效果。目前国内外多家公司正在进行相关的研究与实验，为BBW系统的实现提供了理论基础。众多的先进技术应用于汽车线控制动系统，必将更大地改善汽车的安全性和可靠性，相信在不久的将来，线控制动技术会有更加飞速的发展。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/15/2011)