基于改进AHP的汽车无级变速器故障诊断研究

汪杰强 刘志军 李泉

摘要：汽车无级变速器需要在运行过程中进行实时故障诊断，变速箱控制单元对出现的故障进行相应的失效处理和保护。针对无级变速器的信号特点，构造了无级变速器的可靠性层次结构模型，基于层次分析法对判断矩阵进行标度改进，利用TCU采集的CVT状态信息进行综合评价，评估传动系统的可靠性及失效风险，并利用量化的评价结果合理进行失效保护策略的设计。

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.

关键词：无级变速器;故障诊断;层次分析法;可靠性

Key words： continuously variable transmission;fault diagnosis;analytic hierarchy process;reliability

0  引言

汽车的安全性，尤其是配备了自动变速器的动力传动系统的安全性，是直接影响整车市场表现的重要因素。无级变速器（CVT）作为一种性能优异的自动变速器，在国内乘用汽车的市场占有率已达到20%以上[1]。作为无级变速器控制系统的“大脑”，变速器控制单元（TCU）的故障诊断和失效保护功能作为重要的软件功能，其对于变速器的故障诊断和据此采取的失效处理措施将直接影响汽车的运行可靠性和安全性。据统计，设计良好的TCU软硬件系统能有效的实时检测出传动系统的故障，并对变速器的工作状态进行有效评估，通过采取必要的失效保护措施，在一定程度上避免因汽车传动系统零部件的故障而导致的车辆行驶功能异常，进而保障车辆行驶的安全性[2]。自动变速器在运行过程中，TCU必须对变速器关键轴系的转速、各级油压、温度、电磁阀电流、传感器状态等参数进行实时监测，一旦出现传感器失效、油压异常、转速异常、通信、电源过欠压等故障时，故障诊断模块需发送故障代码至通信总线并实施相应的失效保护[3]。对于TCU故障诊断和功能安全目标见表1。

为实现对无级变速器各零部件的诊断和保护，TCU电路硬件除需具备各种电信号和传感器的检测功能外，还应有相应的故障保护处理硬件电路和执行器的失效保护控制软件，比如电磁阀电源的关断功能等。TCU的应用层软件不仅要负责变速器的功能控制，其故障诊断软件模块还要对CVT进行信号诊断和系统可靠性风险进行评估，并根据故障等级对变速器和动力总成实施必要的失效保护措施，最大程度的保证行车安全性[4]。

层次分析法（AHP）提供了一种只需少量信息即可对难以完全定量的复杂问题进行决策的方法[5，6]。同济大学康劲松等运用AHP理论，开展了车辆动力传动系统可靠性评估的研究[7]。本文通过改进常规AHP的标度确定方法，并将其引入到CVT的故障诊断中，用于汽车传动系统的可靠性风险评估及失效保护功能的实现。

1  CVT可靠性层次结构模型构建

TCU作为汽车动力总成系统中的关键部件，在CVT运行中需要对变速器的油压、各轴转速、油温、整车CAN通信等信号进行实时的故障诊断，这些信息构成了评价模型的准则层，并通过构建系统的可靠性模型，将具体的影响信号作为指标层，对传动系统的潜在失效风险进行评估。决策层设计的失效保护模式即对CVT及车辆采取有效的故障失效保护措施的依据，进而最大限度的保护动力传动系统及整车的行驶安全。以此构建的CVT可靠性递阶层次结构模型如图1所示。

2  标度取值改进及构造判断矩阵

常规AHP方法的重要性标度取值为整数，范围一般是1～9，在某些情况下存在不合理性。比如当A比B较为重要时，取A：B的值为1：3，即B的重要性是A的3倍，而当C的重要性明显大于A时，A：C的取值设为1：5，从而可计算出C：B=5：3（即1.67倍），从常规的重要性标度取值方案可以看出，较为重要为3倍，而从较重要到明显重要只有1.67倍，存在明显的不合理性。故将重要性标度的取值改进为分数标度，可以更加合理的表达各影响元素的重要性，表2为改进后的重要性标度表示法[8，9]。

将CVT可靠性层次结构模型的指标层元素对应的从属于准则层的元素，用成对比较法和重要性标度构造成对比较阵，直到决策层，得出判断矩阵为（aij）n×n，则该矩阵具有式（1）性质：

由于判断矩阵（aij）n×n是对称的，故只需填写aij=1及矩阵上三角或下三角的n（n-1）/2个元素即完成判断矩阵的搭建。

对于具有传递性的判断矩阵，使得式（2）成立，进而认为该矩陣具有完全一致性。

课题的研究对象为国内某自主品牌的CTF25型乘用汽车无级变速器，并搭载于上汽通用五菱公司的宝骏560车型，TCU故障诊断软件需要根据CVT的运行状态参数对变速器的风险进行评估，其评估结果是进行故障失效保护的重要依据，评价标准如表3所示。故障诊断软件模块将CVT状态参数及车辆其他参数进行实时的评价，并得出变速器的风险状态，如表4为实际评估出的两个运行状态下的评估结果。软件再根据不同状态下的风险系数进行决策，一旦故障发生，则需采取不同的失效保护措施以保证变速器的运行可靠性。

由于上述表4中系统对于两个监测时刻的评分差距不大，故采用9/9、9/7、9/8、9/6、9/5标度作为两个状态下对指标层C的重要性指标，并据此搭建判断矩阵A，如表5所示。

3  层次单排序（计算权向量）与检验

对于每一个准则层元素及它所支配的影响因素都可以得到一个比较判断矩阵，因此需根据比较判断矩阵求出各因素Wi对于准则B的相对权重排序。

对于判断矩阵的近似解，比较适合于TCU这类嵌入式单片机运算的方法为幂法，故先根据所需要的精度，经过若干次迭代计算，即可求出判断矩阵A的最大特征值及其对应的特征向量。

式（3）中：λmax是矩阵A的最大特征值，W为权重向量。

完成权重的计算后，还需对各层次的单准则排序进行一致性检验，得到如表6的结果。

从表6的计算结果可以看出，所有的CR值均小于0.1，认为比较判断矩阵的一致性可以接受，否则应对判断矩阵作适当的修正通过一致性检验时，求得的权重向量才有效。

4  层次总排序与检验

层次总排序及检验结果见表7-表8。

从总排序的结果可得出C.R.<0.1，可以认为评价模型在第3层水平上整个达到局部满意一致性。

5  结果分析及应用

在本文所例举的两次CVT检测状态下，状态1和状态2在油压和转速等参数方面的风险各有大小，如果采取传统的评价方法，很难具体得出哪个状态的风险更大，这为TCU软件的故障诊断和保护设计提出了很大的挑战。而利用改进的层次分析法，可以得到定量的评价结果，直观的看出状态2的总排序权重大于状态1，也就是变速器的运行状态可靠性变高了。

利用层次分析法得到的定量分析结果，再结合软件设置的风险等级阈值表9，可以根据不同的权重值，让出现可靠性问题及故障时的变速器进入相应的故障保护工作模式，能够更加科学合理的保证车辆行驶安全性，降低故障造成的进一步损失。

6  结论

在无级变速器TCU软硬件设计中，就故障诊断功能建立了CVT可靠性层次结构模型，并对重要性标度取值进行了改进。从层次排序结果来看，故障诊断软件可以对CVT运行状态及可靠性风险等级进行定量分析，结合故障失效保护策略，保证了故障诊断系统的合理有效性。

参考文献：

[1]葛安林.自动变速器（一）──自动变速器综述[J].汽车技术（5）：1-3.

[2]郭永亮，董趁心.钢带式CVT变速器的发展历程、结构原理及发展趋势[J].内燃机与配件，2019（16）.

[3]Chatterjee S， Sadhu S， Ghoshal T K. Improved estimation and fault detection scheme for a class of non-linear hybrid systems using time delayed adaptive CD state estimator. IET Signal Processing， 2017， 11（7）： 771-779.

[4]张强.决策理论与方法[M].大连：东北财经大学出版社，2009.

[5]李泉，周云山，王建德，等.改进AHP在CVT车辆驾驶性主观评价中的应用[J].机械科学与技术，2014，33（11）：1725-1728.

[6]郭金玉，张忠彬，孙庆云.层次分析法的研究与应用[J].中国安全科学学报，2008，18（5）：148-153.

[7]康劲松，康婷.基于FTA-AHP的FCEV动力系统可靠性影响因子及其权重研究[J].电源学报，2013（4）：1-7.

[8]李泉.鋰离子动力电池管理系统关键技术研究[D].湖南大学.

[9]范红军，陈友龙，李勋章.AHP方法在蓄电池指标控制中的应用[J].电器与能效管理技术，2015（18）：61-63.

[10]何龙，孙保群，罗冲，等.新型DCT典型故障的诊断策略研究[J].汽车技术，2017（5）：58-62.