商用車電控硅油風(fēng)扇轉(zhuǎn)速高故障分析與優(yōu)化

0 引言

電控硅油風(fēng)扇是商用車領(lǐng)域中一種應(yīng)用較為普遍的風(fēng)扇類型，已經(jīng)成為車用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要部件之一。電控硅油風(fēng)扇的硅油離合器不僅可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率損耗提高發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性，而且可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)排放，降低發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)與噪聲，提高發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命

。因風(fēng)扇離合器無法嚙合或嚙合效果不佳導(dǎo)致的失效，進(jìn)而引起整車?yán)鋮s效果不佳及水溫高的故障已有成熟的經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)對(duì)方案

。因風(fēng)扇硬件故障或電控?cái)?shù)據(jù)標(biāo)定原因?qū)е嘛L(fēng)扇轉(zhuǎn)速異常偏高，進(jìn)而引起風(fēng)扇長(zhǎng)時(shí)間無法準(zhǔn)確響應(yīng)ECU控制的故障，在當(dāng)前ECU策略中無法識(shí)別、缺少診斷邏輯，但風(fēng)扇已經(jīng)處于異常工作狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致整車運(yùn)行水溫偏低、油耗增高問題。

1 風(fēng)扇介紹及對(duì)比

商用車風(fēng)扇主要包括機(jī)械剛性風(fēng)扇、普通硅油風(fēng)扇、電磁風(fēng)扇、電控硅油開環(huán)風(fēng)扇、電控硅油閉環(huán)風(fēng)扇、電子風(fēng)扇和液壓風(fēng)扇等類型。

式中,x為輸出向量,ε為加性噪聲污染。假設(shè)加性噪聲ε符合均值為0,方差為的正態(tài)分布,即則觀察值y的先驗(yàn)分布為

機(jī)械剛性類型風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)通過皮帶直接連接，與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一直保持固定速比，功耗浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，而且當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，冷卻系溫度強(qiáng)制散熱，容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過低。

普通硅油類型風(fēng)扇通過硅油做介質(zhì)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加水溫升高時(shí)，從散熱器吹來的熱空氣使雙金屬感溫片受熱而扭轉(zhuǎn)變形，帶動(dòng)閥銷一起轉(zhuǎn)動(dòng)并通過感溫片變形量的大小控制進(jìn)油閥開度，在液體摩擦作用下，風(fēng)扇離合器嚙合，從動(dòng)板隨主動(dòng)板一起轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)扇開始工作。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷降低時(shí)，氣流溫度也隨之降低，感溫片回轉(zhuǎn)帶動(dòng)閥銷關(guān)閉閥孔，工作腔內(nèi)的硅油在慣性力作用下流回貯油室，風(fēng)扇離合器脫開，“空轉(zhuǎn)”運(yùn)行避免了一定的功耗浪費(fèi)

。但普通硅油風(fēng)扇存在無法連續(xù)調(diào)速的缺點(diǎn)，而且感溫片感知的散熱器后處環(huán)境溫度與散熱器內(nèi)的冷卻水真實(shí)溫度存在差異，部分工況下存在感知溫度與實(shí)際冷卻水溫度差異大的問題。普通硅油風(fēng)扇的外形實(shí)物圖見圖1。

電控硅油開環(huán)類型風(fēng)扇是一種“開關(guān)”型風(fēng)扇，控制線束只有控制電磁閥的兩個(gè)針腳，只需設(shè)定風(fēng)扇的開啟溫度和關(guān)閉溫度。硅油開環(huán)風(fēng)扇通過控制電磁閥的開關(guān)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇離合器工作腔內(nèi)的硅油量發(fā)生變化，繼而實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇空轉(zhuǎn)或全速運(yùn)轉(zhuǎn)，功能類似于兩速電磁風(fēng)速。電控硅油開環(huán)類型風(fēng)扇標(biāo)定簡(jiǎn)單，占用時(shí)間短，但水溫波動(dòng)范圍大，風(fēng)扇不帶風(fēng)扇轉(zhuǎn)速傳感器，只能實(shí)現(xiàn)兩級(jí)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，同樣存在無法連續(xù)調(diào)速和轉(zhuǎn)速精準(zhǔn)控制的缺點(diǎn)

。

近紅外光譜儀（Near Infrared Spectrum Instrument，NIRS）是介于可見光（Vis）和中紅外（MIR）之間的電磁輻射波，美國(guó)材料檢測(cè)協(xié)會(huì)（ASTM）將近紅外光譜區(qū)定為780～2 526nm，是人們?cè)谖展庾V中發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)非可見光區(qū)。

電磁類型風(fēng)扇主要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)回水管水溫變化或整車部件冷卻需求來控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，由于其傳遞和切斷動(dòng)力時(shí)都受電磁力的作用，因此稱為電磁離合器風(fēng)扇。電磁類型風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速響應(yīng)快于硅油類型風(fēng)扇。電磁離合器風(fēng)扇一般分為兩速電磁風(fēng)扇和三速電磁風(fēng)扇兩種，根據(jù)電磁閥溫控開關(guān)的數(shù)量(一般為一個(gè)或兩個(gè))來實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的兩級(jí)或三級(jí)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，使得風(fēng)扇工作更合理。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)剛起動(dòng)或水溫較低時(shí)，電磁閥處于斷開狀態(tài)，風(fēng)扇在軸承慣性作用下維持怠速空轉(zhuǎn)，水溫升高或整車相關(guān)部件散熱需求達(dá)到標(biāo)定溫度時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器或整車控制器輸出電磁閥閉合指令，風(fēng)速轉(zhuǎn)速從怠速空轉(zhuǎn)提高至二檔轉(zhuǎn)速或三檔轉(zhuǎn)速進(jìn)行冷卻，但存在無法連續(xù)調(diào)速和故障率高的缺點(diǎn)。

電控硅油閉環(huán)類型風(fēng)扇實(shí)際上是指風(fēng)扇的電控硅油離合器閉環(huán)控制。電控硅油閉環(huán)風(fēng)扇的外形實(shí)物圖見圖2，控制線束含有5個(gè)針腳，2個(gè)針腳控制電磁閥開度，另外3個(gè)針腳為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速傳感器用。風(fēng)扇離合器閉環(huán)控制，首先基于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油溫度、空調(diào)信號(hào)、緩速器信號(hào)、制動(dòng)信號(hào)、整車信號(hào)、風(fēng)扇熱滑差保護(hù)等因素，確定風(fēng)扇設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速。然后根據(jù)當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)扇設(shè)定轉(zhuǎn)速查詢預(yù)設(shè)的前饋控制MAP值，并根據(jù)風(fēng)扇設(shè)定轉(zhuǎn)速與當(dāng)前實(shí)際風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的偏差通過PID標(biāo)定參數(shù)調(diào)節(jié)得到電磁閥 開度修正值，該修正值重新調(diào)整電磁閥開度，從而使電控硅油離合器工作腔內(nèi)硅油量發(fā)生變化，繼而調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。得到新的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速再與風(fēng)扇設(shè)定值比較，再通過PID調(diào)節(jié)電磁閥開度，這樣反復(fù)修正，始終保持風(fēng)扇當(dāng)前轉(zhuǎn)速與風(fēng)扇設(shè)定轉(zhuǎn)速一致

。電控硅油閉環(huán)類型風(fēng)扇可以連續(xù)調(diào)速，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制，節(jié)能降噪效果明顯，但硅油介質(zhì)的屬性決定了硅油風(fēng)扇從全嚙合狀態(tài)分離至怠速空轉(zhuǎn)狀態(tài)的時(shí)間一般比電磁風(fēng)扇和電子風(fēng)扇慢。

“我不走，我的家鄉(xiāng)本來就已經(jīng)回不去了，我要和你一起堅(jiān)守在這里。”我握住了他的手，那是我第一次握他的手，他的手溫潤(rùn)、厚實(shí)，上面還有著鮮血的溫度。握著他的手，我感到前所未有的踏實(shí)。只要和他在一起，我忽然覺得什么都不怕了，我不怕他心中有她人，我不怕城破人亡，我只知道，我要和他在一起面對(duì)，永遠(yuǎn)不離不棄。

試驗(yàn)車上通過復(fù)現(xiàn)相應(yīng)工況和多個(gè)穩(wěn)態(tài)工況，對(duì)電控硅油閉合類型風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速PID標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行多組優(yōu)化嘗試，轉(zhuǎn)速異常偏高現(xiàn)象沒有得到改善，分析此次故障不是PID參數(shù)標(biāo)定不合理造成，而且電控?cái)?shù)據(jù)標(biāo)定原因一般會(huì)帶來批量的同類型故障，出現(xiàn)偶發(fā)性故障的概率較低。嘗試更換同批次的另一個(gè)風(fēng)扇離合器硬件，安裝完成后再次復(fù)現(xiàn)該工況，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可以正常跟隨設(shè)定轉(zhuǎn)速0r/min，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速異常偏高現(xiàn)象消失，風(fēng)扇表現(xiàn)見圖4，更換其他工況后同樣沒有再出現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速異常偏高現(xiàn)象，認(rèn)為問題得到解決。

2 風(fēng)扇故障及分析

一款匹配電控硅油閉環(huán)類型風(fēng)扇的重型自卸車，在整車油耗路譜循環(huán)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)扇的實(shí)際轉(zhuǎn)速存在長(zhǎng)時(shí)間異常偏高問題，具體表現(xiàn)為：發(fā)動(dòng)機(jī)控制器ECU中的策略輸出的風(fēng)扇設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速一直為0，風(fēng)扇離合器雖然分離(表現(xiàn)為風(fēng)扇實(shí)際轉(zhuǎn)速低于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速)但風(fēng)扇實(shí)際轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于正常怠速(該款風(fēng)扇廠家提供的正常怠速空轉(zhuǎn)值為100r/min-200r/min，從全速嚙合狀態(tài)分離至怠速空轉(zhuǎn)狀態(tài)的時(shí)間低于30s)，故障數(shù)據(jù)見圖3。

例如在實(shí)驗(yàn)“粗鹽的提純”中，教師首先在實(shí)驗(yàn)室播放相關(guān)的實(shí)驗(yàn)視頻，要求集體學(xué)生認(rèn)真觀看.而后教師按照標(biāo)準(zhǔn)步驟和實(shí)驗(yàn)要求復(fù)原該實(shí)驗(yàn)過程，并詳細(xì)講述“操作不慎導(dǎo)致坩堝炸裂”、“酒精燈傾倒在桌面上”等問題，令學(xué)生明白化學(xué)實(shí)驗(yàn)的的潛在危險(xiǎn)性，進(jìn)而在腦海中樹立強(qiáng)烈的保護(hù)自我的意識(shí)，將自身行為和思想統(tǒng)一到“謹(jǐn)言慎行”的地步，最終安全順利的完成該實(shí)驗(yàn).

診斷邏輯具體說明如下：

電控硅油閉環(huán)類型風(fēng)扇的常見故障中，有些故障原因?yàn)殡x合器硬件功能失效，表現(xiàn)為風(fēng)扇脫離不開即風(fēng)扇一直同發(fā)動(dòng)機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)或一直怠速運(yùn)轉(zhuǎn)；有些故障原因?yàn)橹行妮S承斷裂或燒死；有些故障原因?yàn)榫€束裝配時(shí)沒有裝好，或者線束線圈卡死造成線束插接件脫落、線束被打斷、短路或斷路致使風(fēng)扇不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)；有些故障原因?yàn)楹缚p開裂漏硅油、法蘭斷裂；有些故障原因?yàn)榫植繙囟雀邔?dǎo)致硅油碳化，硅油粘度下降使得風(fēng)扇離合器滑差增大或不嚙合，硬件或工藝類的原因往往較難排查。

情況二、風(fēng)扇離合器已經(jīng)分離但實(shí)際轉(zhuǎn)速長(zhǎng)時(shí)間遠(yuǎn)高于正常怠速的情況判定：

當(dāng)前計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的主線仍舊是面向客戶要求的程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)抽象。為了提高計(jì)算機(jī)編程語言的簡(jiǎn)單便捷、適應(yīng)大眾，編程語言必須簡(jiǎn)單易學(xué)，不需要較高的專業(yè)性。編程語言要以能夠?yàn)槭褂谜咛峁┍憬菪缘姆较虬l(fā)展，使具備一定基礎(chǔ)概念和基本使用能力的使用可以使用軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的工作流程編寫工作，提升操作的簡(jiǎn)便性和軟件的適用范圍。

電控硅油閉環(huán)風(fēng)扇相比前4種類型風(fēng)扇，通過自帶轉(zhuǎn)速傳感器和ECU策略設(shè)定實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速閉環(huán)的精確控制，相比全速或開環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，減少能耗浪費(fèi)和車輛噪音；相比電子風(fēng)扇，不存在缺少大功率成熟產(chǎn)品而無法解決極端工況散熱的情況，可以廣泛用于重型商用車；相比液壓風(fēng)扇，無需液壓馬達(dá)/泵及管路等額外部件，價(jià)格便宜，布置方便

。

3 風(fēng)扇故障的診斷優(yōu)化

結(jié)合本次電控硅油閉環(huán)類型風(fēng)扇的故障現(xiàn)象和分析處理經(jīng)驗(yàn)，本文給出一種此類軟故障的診斷邏輯，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)診斷和故障碼生成，改善因風(fēng)扇故障帶來的水溫低、油耗高現(xiàn)象，邏輯見圖5。

圖3中，黑色曲線為路譜循環(huán)的車速信號(hào)，紅色曲線為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，綠色曲線為風(fēng)扇實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)，紫色曲線為風(fēng)扇設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速，橫坐標(biāo)為時(shí)間信號(hào)。圖3中的前600秒時(shí)間內(nèi)(橫坐標(biāo)值1000s～1600s時(shí)間段)，風(fēng)扇實(shí)際轉(zhuǎn)速上沖并在300r/min-750r/min持續(xù)波動(dòng)，高于風(fēng)扇正常怠速值；600秒后(橫坐標(biāo)值1630s～1820s時(shí)間段)，整車路譜循環(huán)運(yùn)行至高速分部，車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高并穩(wěn)定在較高數(shù)值狀態(tài)，此時(shí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速出現(xiàn)上沖并在900r/min-1100r/min范圍內(nèi)持續(xù)波動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間不響應(yīng)設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速0r/min，整個(gè)過程中無電控故障碼報(bào)出，但風(fēng)扇轉(zhuǎn)速異常偏高，導(dǎo)致整車運(yùn)行水溫降低、油耗增高。

“在崖洞邊上，我找到了一個(gè)蛋，你看?！蔽页泽@地看著她朝我伸出空無所有的細(xì)爪，喉嚨一陣陣發(fā)緊?！拔易纺切┮婚W一閃的白影子，累得胸膛都破碎了?！?/p>

情況一、風(fēng)扇離合器長(zhǎng)時(shí)間無法分離判定：

3.1.1)風(fēng)扇當(dāng)前沒有電磁閥開路故障報(bào)錯(cuò)；

3.1.2)風(fēng)扇設(shè)定轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的差值小于判定限值Nset1，認(rèn)為ECU策略要求風(fēng)扇離合器分離并降低轉(zhuǎn)速；

3.1.3)風(fēng)扇實(shí)際轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的差值高于判定限值Nset2，認(rèn)為風(fēng)扇離合器實(shí)際未分離 ；

3.1.4)上述三個(gè)條件同時(shí)滿足，且持續(xù)時(shí)間超過離合器允許最長(zhǎng)分離時(shí)間閾值T0；

結(jié)合電控硅油閉合類型風(fēng)扇的電控和機(jī)械原理，分析此次風(fēng)扇故障時(shí)的整車試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)，推測(cè)故障原因有兩方面可能，一方面是控制器中預(yù)設(shè)的風(fēng)扇PID控制參數(shù)標(biāo)定不合理或未兼顧常用轉(zhuǎn)速區(qū)域

，另一方面是風(fēng)扇離合器出現(xiàn)內(nèi)部貯油腔密封不良、內(nèi)部閥孔失效等硬件故障。

3.2.1)風(fēng)扇實(shí)際轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的差值小于或等于判定限值Nset2，認(rèn)為風(fēng)扇離合器實(shí)際已分離；

3.2.2)風(fēng)扇設(shè)定轉(zhuǎn)速為0；

3.2.3)每一個(gè)計(jì)數(shù)周期T內(nèi)的風(fēng)扇實(shí)際轉(zhuǎn)速取算式平均值Nt，Nt與風(fēng)扇正常怠速標(biāo)準(zhǔn)值比較，差值高于判定限值Nset3時(shí)，認(rèn)為風(fēng)扇實(shí)際轉(zhuǎn)速長(zhǎng)時(shí)間遠(yuǎn)高于正常怠速(風(fēng)扇正常怠速標(biāo)準(zhǔn)值，由風(fēng)扇廠家或風(fēng)扇零部件試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試后提供，需要風(fēng)扇在正常狀態(tài)下取怠速波動(dòng)范圍的算術(shù)平均值)。

如今，藍(lán)寶石是國(guó)際公認(rèn)的五大寶石之一，位于鉆石、紅寶石之后，排名第三。藍(lán)寶石和紅寶石互為姐妹寶石，他們都屬于剛玉礦物，是除了鉆石以外地球上最硬的天然礦物，基本化學(xué)成分都為氧化鋁。

3.2.4)上述三個(gè)條件同時(shí)滿足，且持續(xù)時(shí)間超過離合器允許最長(zhǎng)分離時(shí)間閾值T0；

其中，限值Nset1、限值Nset2、分離時(shí)間閾值T0 、限值Nset3的默認(rèn)取值，可以根據(jù)不同車輛及風(fēng)扇特性的差別進(jìn)行修改和標(biāo)定。

當(dāng)上述的兩種情況滿足任意一種時(shí)，認(rèn)為電控硅油閉環(huán)風(fēng)扇存在離合器長(zhǎng)時(shí)間無法分離或雖然分離但實(shí)際轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于正常怠速的異?，F(xiàn)象，ECU報(bào)出風(fēng)扇轉(zhuǎn)速異常偏高類故障，可以及時(shí)提醒，縮短故障發(fā)現(xiàn)和排查周期。

紗線條干不勻常以質(zhì)量不勻率(線密度不勻率、條下不勻率)、直徑不勻率和捻度不勻率等不同的形式表現(xiàn)，其中直徑不勻率對(duì)紡織品外觀質(zhì)量的影響最突出[1]，直徑不勻率是由于紗線表面有形狀不規(guī)則的突出物。目前沒有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)紗線表面突出物進(jìn)行詳細(xì)的描述。遲開龍、潘如如以4種不同規(guī)格的純棉紗線為例，提出一種基于數(shù)字圖像處理技術(shù)檢測(cè)紗線條干不勻率的方法，并發(fā)現(xiàn)紗線表面具有突起[2]。毛羽作為紗線突出物最主要的組成部分，國(guó)外對(duì)紗線毛羽有了一定的研究。Zheng-Xue和Tang研究了環(huán)錠紡毛羽對(duì)紗線表面摩擦系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)表面摩擦系數(shù)隨著錠速增加而減小，當(dāng)錠速達(dá)到一定程度，表面摩擦系數(shù)趨向于零[3]。

4 結(jié)論

本文基于一款商用車電控硅油風(fēng)扇故障，分析故障原因并完成解決和驗(yàn)證，將故障分析經(jīng)驗(yàn)固化成診斷邏輯，對(duì)電控硅油閉環(huán)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速異常偏高的一類軟故障的診斷和分析具有一定指導(dǎo)意義。

[1]賈衛(wèi),孫軍等.發(fā)動(dòng)機(jī)硅油風(fēng)扇離合器研究現(xiàn)狀、討論與展望. 機(jī)械設(shè)計(jì),2019,36(05).

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[3]王益有.硅油風(fēng)扇離合器匹配設(shè)計(jì)的研究.華南理工大學(xué)，2010.

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