故障树分析法在汽车液压系统故障诊断中 的应用作者：文/ 彭高宏来源：时代汽车 2017年第3期彭高宏广州工程技术职业学院 广东省广州市 510075摘 要： 介绍了基于故障树分析法的汽车液压系统故障诊断的方法。以汽车液压式动力转 向系统的典型故障“动力转向沉重”为例建立了故障树，并依据故障树得到的最小割集，结合 汽车故障诊断的基本原则，对这一故障进行了诊断。结果表明此方法简单、可靠、实用，在汽 车液压系统故障诊断中有较好的推广应用价值。关键词：故障树分析；汽车液压系统；动力转向沉重；故障诊断1 引言液压系统以其重量轻、体积小、布置灵活、运动惯性小、反应速度快等优点，在汽车中得 到了广泛的应用。但由于液压系统结构复杂、精度要求高、密封要求严，再加上液压系统故障 的隐蔽性、多发性和不确定性，导致液压系统的故障发生率相对较高，故障诊断和排除的难度 也就相对较大。机电维修实践证明，故障树分析法能够将液压系统故障现象和故障原因之间的 逻辑关系“树型图”化，直观明了，有利于液压系统的故障诊断和排除。本文采用故障树分析 法对汽车液压式动力转向系统的典型故障“转向沉重”进行了有益的探索，结果表明此法对汽 车液压系统故障能够快速、准确地找到故障原因和部位，从而减少维修的盲目性和缩短维修的 周期。2故障树分析法（FAT ）简介2.1 故障树分析法的含义故障树分析法（Fault Tree Analysis，简称FTA）是1961年由美国贝尔实验室的华生 （HAWatson）和汉塞尔（D. F. Haasl）首先提出1。其后，在宇航、核能、电子、机械、化工、采矿 等领域得到了广泛的应用。故障树分析法是一种需要整体、综合、定量地考虑系统异常行为的系统方法2，是一种图 形演绎方法，是一种由系统到部件再到零件的“下降型”分析方法，是故障事件在一定条件下 发生的逻辑规律它是用一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图故障树，清晰地说明系统是怎 样失效的3，即是怎样发生故障的，能将系统的故障树与组成系统的各零部件的故障有机地联 系在一起，可以找出系统的全部可能的故障状态，即原因和部位。具体来说，就是以所研究的 系统中最不愿意发生的事情作为故障树的顶事件，并找出造成该顶事件发生的直接全部因素； 然后以这些直接因素作为中间事件，再找出造成这些中间事件发生的全部直接因素；如此类推， 直到不能展开为止。这些不能展开的因素为故障树的基本事件或底事件。故障树分析的步骤一般可表示为：选择顶事件f构建故障树f定性分析f定量分析4。对 于汽车故障诊断来说，其具体步骤可概括为：熟悉系统构造一选择顶事件一进行故障分析一构 建故障树f故障定性分析f故障定量分析或按照汽车故障诊断原则进行分析。2.2 故障树分析法的特点（1）故障树分析法不仅能对系统故障进行定性分析，而且也能进行定量分析。但是定量分 析需要获取足够的零部件故障概率。（2）故障树分析法不仅能分析由单一构件所引起的系统故障，而且也能分析多个构件所引 起的系统故障。（3）因为故障树分析法使用的是一个逻辑图，因此，不论是设计人员或是使用和维修人员 都容易掌握和运用。（4）由于故障树是一种逻辑门所构成的逻辑图，因此适合于用计算机来分析，而且对于复 杂系统的故障树的构成和分析，也只有在应用计算机的条件下才能实现。（5）运用故障树分析法需要构建故障树，其工作繁重，难度较大，因而对分析人员的要求 也较高。（6）在构建故障树时要运用逻辑运算，在其未被一般分析人员充分掌握的情况下，很容易 发生错误，很有可能把重大影响系统故障的事件漏掉；同时，由于每个分析人员所取的研究范 围各有不同，所得结论的可信度也可能有所不同。综上所述，建立正确合理的故障树是运用故障树分析法对汽车液压系统故障进行分析的前 提，故障树的建立需要维修人员对汽车液压系统的基本结构、工作原理和常见故障有充分认识， 对汽车故障诊断与检修有丰富经验，特别是能灵活地运用汽车故障诊断的基本原则。3 系统构造分析液压技术在汽车上的应用主要有液压式动力转向系统、液压式离合器操作装置、液压式制 动系统、液力式自动变速器等等。本文以液压式动力转向系统为例来阐释故障树分析法在汽车 液压系统故障诊断中的应用。3.1 液压式动力转向装置的结构分析汽车液压式动力转向装置分为常压式和常流式两种。常流式在汽车不转向时转向控制阀中 的滑阀或转阀保持在中间位置，油液从油罐吸入油泵，经转向控制阀回到油罐，一直处于循环 流动的不工作状态，具有结构简单、寿命长、泄漏少、耗功小等优点，所以被广泛应用于各种 货车和轿车。按照转向控制阀的结构不同常流式又分为滑阀式和转阀式两种。液压式动力转向装置是利用液压技术将发动机的机械能（动力）传递到转向传动机构，以 帮助执行转向操作的转向助力装置。它加装在机械转向系统之上，构成液压式动力转向系统。 它一般由动力转向油罐、油管、油泵、油缸、控制阀，以及其它控制装置等组成。图15 所 示的是液压常流滑阀式动力转向装置的基本组成。3.2 液压式动力转向装置的回路分析由于液压式动力转向装置基本结构和液压回路比较复杂，本文仅以液压常流滑阀式动力转 向装置为例对其工作原理作简单介绍：如图1、图2 所示，汽车直线行驶时，转向控制阀中的滑阀在回位弹簧的作用下保持在中 间位置，自油泵送出的油液分别流入转向油缸的L腔和R腔，然后流回油罐。这时，滑阀与阀 体各环槽与槽肩之间的间隙大小相等，油路通畅，L、R腔油压相等，转向油缸不起加力作用， 液压回路处于低压状态，油泵负荷很小，消耗发动机功率小。汽车右转向时，驾驶员通过转向盘使转向器的转向螺杆向右转动，带动滑阀压缩回位弹簧 而向右轴方向移动，左端间隙消除。油泵送来的油液流入L腔，形成高压油区，R腔的油液流 回油罐，成为低压油区。在L、R腔油压差的作用下，转向油缸中的活塞向右移动，并通过活塞 杆使转向摇臂逆时针摆动，起到向右转向加力的作用。动力转向装置能使转向轮的偏转角随转向盘转角的增大而增大，转向盘保持不动而转向轮 的偏转角也保持不动，转向油缸活塞上的作用力用来克服转向轮的回正力矩，使转向轮的偏转 角维持不动。即具有“随动”作用。如继续转动转向盘则重复上述过程。松开转向盘，滑阀在回位弹簧和反作用柱塞上的油压的作用下回到中间位置，转向油缸停 止工作。转向轮在前轮定位产生的回正力矩的作用下自动回正，通过转向螺母带动转向螺杆反 向转动，使转向盘回到直线行驶位置。汽车左转向的液压回路与汽车右转向时的方向相反，原理相同，如图2 所示。4 液压式动力转向装置的故障分析一般来说，汽车动力转向故障与其机械转向故障的现象很相似，主要有转向沉重、行驶跑 偏、回正不良、转向异响等常见故障。下面以“动力转向沉重”为顶事件进行分析。4.1 “动力转向沉重”的故障现象装备动力转向系统的汽车在发动机、底盘（除转向系统之外）、车身、电器设备工作正常， 以及路面、天气、交通状况等正常的条件下，在行驶过程中，驾驶员按照行驶需要转向时，突 然或逐渐感到转动转向盘沉重费力，也即动力转向装置不助力。但是汽车仍然能按照驾驶员的 操纵实现正常的转向，也即机械转向系统的工作正常。4.2 “动力转向沉重”的故障原因（1）辅助元件和工作介质故障。下列原因会造成系统油压过低或回路阻塞。例如，罐缺油 或油量不足；油管接头泄漏；油管中有空气、油管路和油滤清器堵塞；转向压力开关损坏，发 动机电控单元不能取得动力转向信号，发动机不能提速。（2）油泵总成故障（在汽车维修中，部件俗称为总成）。下列原因会造成系统油压过低。 例如，油泵密封垫损坏；转向油泵皮带打滑，油泵转速降低；转向油泵磨损，内部泄漏；油泵 辅助阀故障；安全阀故障；安全阀卡死在打开位置；安全阀弹簧失效；安全阀关闭不严；溢流 阀故障；溢流阀卡死在打开位置；溢流阀弹簧失效；溢流阀关闭不严。（3）转向控制阀总成故障。下列原因会造成转向控制阀工作异常。例如，密封垫损坏，外 部泄漏；转向控制阀阀心阀体磨损，内部泄漏，阀心卡死在中间位置或回位弹簧损坏，阀心回 位不良；单向阀卡死在打开位置、弹簧失效、关闭不严。(4) 转向油缸总成故障。下列原因会造成转向油缸工作异常。例如，转向油缸缸体磨损和 活塞0形密封圈磨损或损坏，内部泄漏；推杆磨损或变形和推杆0形密封圈磨损或损坏，外部 泄漏。5 “动力转向沉重”的故障树诊断5.1 建立“动力转向沉重”故障树根据故障树分析法的原理和特点，汽车故障诊断的基本 原则，以及汽车动力转向系统的基本构造和液压回路，采用演绎法建立故障树，经简化和修正 后，得到如图3 所示的“动力转向沉重”故障树。图中的相关符号含义是： 表示“顶事件或 中间事件”，o表示“基本事件或底事件”，表示“未展开事件”，表示“或门”。在图3中，顶事件TO表示动力转向沉重故障；中间事件Ml表示辅助元件和工作介质故 障；M2表示油泵总成故障；M3转向控制阀总成故障；M4表示转向油缸总成故障；M5表示油 管故障；M6表示油泵故障；M7表示油泵辅助阀故障；M8表示转向控制阀故障；M9表示单向 阀故障；M10表示安全阀故障；M11表示溢流阀故障。底事件X1表示油罐缺油或油量不足；X2 表示油管接头泄漏；X3表示油管中有空气而回路阻塞；X4表示油管路、油滤清器堵塞；X5表 示转向压力开关损坏，发动机电控单元不能取得动力转向信号，发动机不能提速； X6 表示转向 油泵总成密封垫损坏，外部泄漏；X7表示转向油泵皮带打滑，油泵转速降低；X8表示转向油 泵磨损，内部泄漏；X9表示安全阀卡死在打开位置；X10表示安全阀弹簧失效；X11表示安全 阀关闭不严；X12表示溢流阀卡死在打开位置；X13表示溢流阀弹簧失效；X14表示溢流阀关 闭不严；X15表示转向控制阀总成密封垫损坏，外部泄漏；X16表示转向控制阀阀心、阀体磨 损，内部泄漏；X17表示转向控制阀阀心卡死在中间位置；X18表示转向控制阀阀心回位弹簧 损坏，阀心回位不良；X19表示单向阀卡死在打开位置；X20表示单向阀弹簧失效；X21表示 单向阀关闭不严；X22表示油缸推杆磨损或变形，外部泄漏；X23表示油缸推杆0形密封圈磨 损或损坏，外部泄漏。X24表示油缸缸体磨损，内部泄漏；X25表示油缸活塞0形密封圈磨损 或损坏，内部泄漏。5.2 求“动力转向沉重”最小割集故障树建立后，需要求故障树的最小割集，每一种最小割集都是造成顶事件发生的一种可 能。常用的故障树最小割集的求法有上行法和下行法。本文使用上行法得到汽车“转向沉重” 故障树的最小割集：Xl,X2,，X25。这25个最小割集都是引发“转向沉重”故障 的可能原因，应该予以全面考虑和分析。由于下列原因，在汽车动力转向装置故障诊断中，既不方便进行定量分析，也不方便从最 小割集开始逐个向上查找：汽车动力转向装置液压元件发生故障的统计概率数据不足，无法 计算每一最小割集对顶事件的概率重要度，进而把最小割集按照概率重要度大小排序，确定检 查各个总成、零件的顺序；如果按照最小割集依次检查来排除故障，虽然有一定的可行性， 但是工作量很大；如果随意地对动力转向油泵、转向控制阀等精密的液压元件进行拆检，有 可能造成新的故障。因此，将故障树分析法的定性分析和汽车故障诊断的基本原则有机结合起 来，对“动力转向沉重”的原因和部位进行分析，是一种可行的方法。5.3 “动力转向沉重”的诊断分析按照“由简到繁、先外后内、先电后机、易损件优先、尽可能免拆、先常见故障后疑难故 障”的汽车故障诊断原则，按照故障树定性分析的导向进行如下诊断分析。5.3.l 油罐油量和外部泄漏诊断分析用目测的方法检查如下最小割集：(1) 检查X1和X2,即油罐是否缺油、油量是否不足、油管接头是否泄漏;（2）检查X6,即转向油泵总成密封垫是否损坏，造