燃油表指示不滿格問題的分析與設(shè)計改進

魏鹿義

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545007）

1 故障現(xiàn)象

在開發(fā)一款全新電子式步進電機組合儀表時，發(fā)現(xiàn)在儀表每次上電時，會出現(xiàn)油箱已加滿油，但儀表燃油表卻偶爾出現(xiàn)指示不到滿格的故障現(xiàn)象，其故障如圖1所示。

2 故障原因

2.1 故障失效模式

根據(jù)潛在設(shè)計失效模式及后果分析DFMEA管理學(xué)方法，從故障失效潛在模式上分析，把可能影響和產(chǎn)生此故障的原因一一查找出來?？赡墚a(chǎn)生該故障的原因如下：①油箱氣壓異常；②燃油傳感器電阻值變大或失效；③儀表燃油表功能失效或誤差大；④油量信號受到其它信號干擾。

2.2 原因排除

根據(jù)以上故障失效模式，對其進行一一排查，找出該故障的根本原因。

1）該故障車油箱額定容量45L，而故障車實際加滿到加油口為46L，所加油量正常，說明該油箱氣壓正常，該原因得以排除。

2）該車燃油傳感器滿油位電阻值設(shè)計定義為3±1Ω，經(jīng)檢測故障車燃油傳感器滿油位電阻值3Ω，說明燃油傳感器沒問題。

3）儀表設(shè)計當(dāng)燃油傳感器滿油位電阻值小于4 Ω，燃油表顯示到滿油位。將故障車組合儀表進行臺架測試，用變阻箱給儀表分別輸入4 Ω和3 Ω，儀表燃油表都顯示滿格，指示正常，儀表本身故障也得以排除。

4）通過對該車型多車次、重復(fù)試驗，發(fā)現(xiàn)燃油表上電顯示不準的問題，主要出現(xiàn)在每次點火開關(guān)上電時，油箱加滿油而燃油表指針指示不到滿格，開一段時間后又指示到滿格。對故障車進行檢查，在油泵燃油傳感器輸出端用萬用表檢測，故障車燃油傳感器滿油位電阻值3Ω，其數(shù)據(jù)沒問題。

但用萬用表測量儀表輸入端燃油傳感器電阻值時，發(fā)現(xiàn)其在每次上電的后幾秒內(nèi)，其所測量到的數(shù)據(jù)不準，會出現(xiàn)比較大的跳躍性變化，之后燃油傳感器電阻值穩(wěn)定在3 Ω左右。為了更直觀地監(jiān)測點火開關(guān)上電前幾秒燃油傳感器電阻值數(shù)據(jù)的變化，通過數(shù)模AD轉(zhuǎn)換設(shè)備轉(zhuǎn)換，把燃油傳感器電阻值信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這樣所監(jiān)測數(shù)據(jù)更直觀、更能查看到其中的數(shù)據(jù)變化。在監(jiān)測儀表輸入端發(fā)現(xiàn)，在點火開關(guān)上電時，前3s時間檢測的燃油傳感器數(shù)值比3s后收到的數(shù)據(jù)偏低很多，其中的數(shù)據(jù)與采集到的油箱中的油量成正比，即數(shù)字越大，油量越多。數(shù)據(jù)如圖2所示。

通過以上測試數(shù)據(jù)可以看出，點火開關(guān)上電3s內(nèi)儀表采集到的燃油傳感器電阻值比實際數(shù)據(jù)偏低很多，而此時儀表燃油表為快速響應(yīng)階段，需把所采集到的燃油傳感器數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)化為油量，通過燃油表指針指示到最終位置。而儀表在此階段所采集到的數(shù)據(jù)為非滿油位數(shù)據(jù)，其油量比實際油量偏低，所以儀表燃油表指示與實際油量不相符，出現(xiàn)油箱滿油時卻指示不滿格故障。這說明在上電的前幾秒，儀表采集燃油信號時受到別的信號的干擾，造成儀表采樣不準。

2.3 故障根源

2.3.1 干擾來源

干擾來自哪里、哪個零件呢？通過對整車線路原理和對故障車線路檢查發(fā)現(xiàn)，故障車的燃油傳感器輸出搭鐵線和油泵電機搭鐵線為同一根。故障車油泵插件為3針PIN插件，其燃油傳感器搭鐵線和油泵電機搭鐵線為共線輸出搭鐵，如圖3所示。

2.3.2 原理分析

從儀表采樣原理電路上來分析和查找出現(xiàn)該問題的具體原因，儀表燃油表理論采樣電路如圖4所示。

從圖4可以看出，對油量傳感器RX而言，如果線上的電阻RW足夠小，那么它對油量信號的影響可以忽略，實際測試線上的電阻為0.3Ω，對于儀表實際采樣可以忽略。

而故障車因燃油傳感器安裝在油泵上，油泵又有油泵電機，該電機工作時工作電流很大，最大工作電流為5 A。故障車儀表燃油信號采集電路和油泵工作電路如圖5所示。

從圖5故障車儀表燃油信號采集電路、油泵工作電路及測試數(shù)據(jù)可以看出，油泵電機B1在點火開關(guān)由熄火OFF檔轉(zhuǎn)到起動ON檔時，會持續(xù)工作大概3 s，其標稱電流最大值為5 A，如果電機不工作，那么主控芯片通過采集ADC端電壓可以轉(zhuǎn)化出實際油量的電阻值，即可以得到具體的油量。

當(dāng)電機工作時，其工作電流較大，那么流經(jīng)RW的電流在RW上疊加了一個比較大的電壓，就會抬高數(shù)據(jù)采集ADC端的電壓，從圖5可知，抬高ADC端電壓也就是相當(dāng)于增加Rx的電阻值，這樣就會導(dǎo)致采集的油量偏低。

2.3.3 根本原因

從點火開關(guān)上電后點火，油泵電機一直工作，因此其對于油量采樣的影響是持續(xù)的。從圖5可知，其會導(dǎo)致儀表采集到的燃油傳感器電阻值比實際大，轉(zhuǎn)換為儀表所采集到的油量數(shù)據(jù)比實際小。這樣就會導(dǎo)致儀表所采集到的油量比實際油量偏低，進而出現(xiàn)加滿油后燃油表顯示不滿格現(xiàn)象。

從燃油信號采樣電路分析，該故障出現(xiàn)的主要原因是燃油傳感器搭鐵線與油泵電機搭鐵線共用，通過油泵搭鐵線的最大電流為5 A，而儀表采集燃油信號的電流只有幾十毫安，油泵電機的工作電流對儀表采樣造成干擾，致使儀表上電時所采集到的燃油數(shù)據(jù)不準，導(dǎo)致出現(xiàn)加滿油后燃油表指示不滿格故障。

3 改進方案

3.1 臨時改進措施

通過對故障原因的分析和查找，尋找出解決該問題的改進措施，并通過臨時改進措施來驗證其改進效果。臨時改進措施就是消除油泵電機上電時其大電流對儀表采集燃油信號的干擾，改進儀表燃油信號采集電路和油泵搭鐵電路，把油泵電機直接搭鐵，實時監(jiān)測儀表所采集到的燃油信號數(shù)據(jù)，并通過加油試驗實車驗證其改進后的效果。

把燃油傳感器搭鐵線與油泵電機搭鐵線分離，在燃油傳感器搭鐵線上連接一導(dǎo)線直接搭鐵接油泵螺釘上，因該螺釘與油箱外殼相連，而油箱外殼又與車身相連，從而達到直接搭鐵目的，如圖6所示。臨時改進后的儀表燃油信號采樣電路及油泵電路圖如圖7所示。

3.2 臨時改進措施驗證

改進后，通過設(shè)備監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在點火開關(guān)上電時，儀表數(shù)據(jù)采集端所采集到的燃油傳感器阻值數(shù)據(jù)幾乎沒有變化，儀表燃油表指示到滿油位，搭鐵線更改后的燃油信號采集數(shù)據(jù)如圖8所示。

上述臨時改進措施是進行人為更改搭鐵線：即通過一條較粗的導(dǎo)線Ra，用最短的方式將其搭鐵。當(dāng)電機工作時，雖然其工作電流較大，由于電機負極通過飛線搭鐵，大部分電流直接流向車身，因此流經(jīng)RW的電流很小，不會抬高ADC端的電壓。燃油表采集到的油量稍微偏低，可以忽略不計。從圖8可知，更改后效果良好，燃油表上電3s內(nèi)所采集到的油量信號與實際油量一致，油箱加滿油后燃油表指示到滿格。

3.3 長期改進方案

通過把油泵電機搭鐵線直接搭鐵的臨時更改措施的驗證，其改進措施是有效的。徹底解決儀表燃油表加滿油指示不滿格問題的改進方案，就是把燃油傳感器搭鐵線和燃油泵搭鐵線分別搭鐵，讓燃油傳感器的搭鐵線單獨搭鐵，從而解決儀表采樣時燃油泵對儀表采集燃油信號的干擾。改進后，儀表能快速、準確地采集到油箱中的油量信號，進而燃油表能快速、準確地指示其油量。改進后的儀表燃油信號采集電路及油泵電路圖如圖9所示。

從圖9看出，在點火開關(guān)由OFF檔轉(zhuǎn)換到ON檔時，油泵電機B1會持續(xù)工作大概3s，其標稱電流最大值為5A。當(dāng)電機工作時，雖然其工作電流較大，由于油泵電機負極直接搭鐵，其大部分電流直接流向車身，流經(jīng)RW的電流很小，不會明顯地抬高ADC端的電壓，對儀表燃油信號采集影響很小，儀表所采集到的油量與實際油量偏差很小，可以忽略不計。

根據(jù)改進后的儀表燃油信號采集電路和燃油傳感器電路圖，油泵電機插件需做相應(yīng)的更改，把原3PIN油泵插件改為4PIN插件，讓油泵電機搭鐵線和燃油傳感器搭鐵線分別搭鐵。更改后的油泵插件如圖10所示。

3.4 改進效果

徹底解決儀表燃油表加滿油指示不滿格問題的改進方案，是把燃油傳感器和燃油泵電機分別搭鐵，把油泵插件由3PIN插件改為4PIN插件，讓燃油傳感器單獨搭鐵，從而解決儀表采樣時燃油泵對儀表采集燃油信號的干擾。長期改進方案實施后，儀表上電采集到的燃油信號數(shù)據(jù)如圖11所示。

從圖11可看出，從點火開關(guān)上電到油泵電機正常工作，儀表所采集到的燃油信號數(shù)據(jù)變化很小，可以忽略。說明該改進措施已經(jīng)徹底解決了油泵電機上電時工作電流大對儀表采樣的干擾問題。改進后，經(jīng)過多車次、多路況、長時間的測試驗證，其改進效果良好，該問題已得到解決。

4 故障再次出現(xiàn)

在改進措施實施一個月后，柳州地區(qū)的試驗工程師反饋，發(fā)現(xiàn)該車型儀表在路試中，一些車在行駛幾萬公里后，又出現(xiàn)油箱加滿油但儀表燃油表指示不滿格故障。

4.1 故障原因查找

通過對故障件和故障車深入檢查，對故障原因一一進行核查和排除，最后確定故障原因。

1）通過對故障車進行加油試驗，油箱加滿油正常，油箱氣壓異常故障原因得到排除。

2）對故障儀表進行臺架測試和更換到其它新車上測試，儀表燃油表顯示正常，未出現(xiàn)加油不滿現(xiàn)象。

3）對故障車燃油傳感器測試，發(fā)現(xiàn)故障車燃油傳感器電阻值達到5～7 Ω （燃油傳感器定義滿油位電阻值為2～4 Ω）。用酒精對燃油傳感器進行擦拭，擦掉燃油傳感器上的雜質(zhì)，其電阻值又變回正常值。

4.2 故障原因確認

經(jīng)了解，中國不同地方的汽油油品成分不一，有純汽油、有乙醇汽油、還有其它一些添加了其它成分的生物汽油。這些含有不同成分的汽油多少都會含有雜質(zhì)，在油箱中長期浸泡后，燃油傳感器表面會吸附汽油中的雜質(zhì)，造成燃油傳感器滿油位電阻值增大。通過檢測故障車和故障燃油傳感器，發(fā)現(xiàn)燃油傳感器滿油位電阻值達到5～7 Ω，而儀表設(shè)計為燃油傳感器電阻值小于4 Ω顯示滿油，其參數(shù)超出設(shè)計范圍，導(dǎo)致顯示不滿格問題。

5 二次改進

因汽油的品質(zhì)不可控，那燃油傳感器電阻值變大也就無法得到徹底地解決，而燃油表滿油位參數(shù)設(shè)置也不能提前很多，否則就會出現(xiàn)油箱沒加滿油而儀表卻顯示滿格的問題。因此需找出在燃油傳感器電阻值變大后，而其不會影響燃油表燃油信號采集和指示的改進措施。

5.1 改進方案分析

從原因分析可以得出，電阻值較小 （阻值范圍3～110 Ω）的燃油傳感器，因其滿油位參數(shù)電阻值小，在其吸附雜質(zhì)變大后，其參數(shù)的變化百分比就大，對燃油表采樣的影響也就大。如果把燃油傳感器的電阻值加大 （加大至40～250 Ω），在滿油位時其電阻值增大變化量與電阻值較小的變化量一樣情況下，其參數(shù)變化的百分比就小了，對儀表采樣的影響也應(yīng)該就小。

分別用小電阻值燃油傳感器 （3～110 Ω）和大電阻值燃油傳感器 （40～250Ω）進行加油試驗，得出其油量與電阻值對應(yīng)曲線參數(shù)如圖12所示。

從圖12可以看出：①18L油量以下，2種燃油傳感器因雜質(zhì)吸附導(dǎo)致其電阻值變大后對燃油表指示的影響基本一樣。②18L油量以上，大電阻值油泵因傳感器電阻雜質(zhì)吸附導(dǎo)致電阻值變大后對儀表指示的影響相對較小。③大電阻值燃油傳感器相對于小電阻值燃油傳感器，因吸附雜質(zhì)造成的電阻值變化對燃油表滿油位指示的影響相對較小，對解決燃油表滿油位指示不滿格問題有所幫助。

通過分別在大電阻值燃油傳感器和小電阻值燃油傳感器上疊加2 Ω電阻，模擬燃油傳感器因吸附雜質(zhì)而導(dǎo)致的電阻值大情況。把該變化量模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，得出AD分辨率對比曲線圖，如圖13所示。

從圖13可以看出：①大電阻值的燃油傳感器在加入干擾電阻后，對燃油表采集油量影響比較小。而小電阻值的燃油傳感器在加入干擾電阻后，對燃油表采集油量影響比較大。②在加入2 Ω電阻干擾的情況下，大電阻值燃油傳感器在18L油量以上分辨率相對較高，特別是在滿油位附近較好，說明大電阻值燃油傳感器受電阻值變大干擾的影響小。③大電阻值燃油傳感器相比小電阻值燃油傳感器，在絕對值變化量一樣的情況下，其變化量的百分比卻變小了。這就降低了其在滿油位時電阻值變大對燃油表采樣的影響，從而提高了燃油表數(shù)據(jù)采樣精度，進而提升了燃油表顯示精度。

通過以上模擬測試和驗證，得出大電阻值燃油傳感器在滿油位時受電阻值變化的影響較小的結(jié)論，說明把燃油傳感器改為大電阻值 （40～250Ω），能夠解決因燃油傳感器吸附雜質(zhì)導(dǎo)致燃油表滿油位指示不滿格問題。

5.2 改進效果

更改后，經(jīng)過在不同區(qū)域的多車次、多路況和長時間的路試驗證及該車型上市后的市場反饋，其改進效果良好，已經(jīng)徹底解決了該問題。改進后的燃油表滿油位指示效果如圖14所示。

6 總結(jié)

通過對儀表燃油表指示不滿格問題原因的查找，找出多種改進方案。第1步通過把燃油傳感器搭鐵線與燃油泵搭鐵線分開搭鐵，解決上電時油泵電機搭鐵對儀表采樣干擾；第2步再通過把燃油傳感器由原小電阻 （3～110Ω） 改為大電阻 （40～250Ω），解決因燃油傳感器在油箱中長期浸泡吸附雜質(zhì)后其滿油位電阻值增大，而導(dǎo)致儀表燃油表指示不滿格問題。通過以上2種改進措施，徹底解決了儀表燃油表指示不滿格問題。該車型儀表經(jīng)一年多的市場驗證，其改進效果良好，市場上未出現(xiàn)此類故障問題。

［1］徐向陽.汽車電器與電子控制技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.