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(jìn)電機(jī)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。可能產(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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)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(jìn)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(zhǔn)，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(zhǔn)。

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(jī)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(jī)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(jī)，該電機(jī)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(jī)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(biāo)稱電流最大值為5 A，如果電機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)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(zhǔn)，導(dǎo)致出現(xiàn)加滿油后燃油表指示不滿格故障。

3 改進(jìn)方案

3.1 臨時改進(jìn)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(jìn)措施，并通過臨時改進(jìn)措施來驗證其改進(jìn)效果。臨時改進(jìn)措施就是消除油泵電機(jī)上電時其大電流對儀表采集燃油信號的干擾，改進(jìn)儀表燃油信號采集電路和油泵搭鐵電路，把油泵電機(jī)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(jìn)后的效果。

把燃油傳感器搭鐵線與油泵電機(jī)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(dá)到直接搭鐵目的，如圖6所示。臨時改進(jìn)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(jìn)措施驗證

改進(jìn)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(jìn)措施是進(jìn)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(jī)工作時，雖然其工作電流較大，由于電機(jī)負(fù)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(jìn)方案

通過把油泵電機(jī)搭鐵線直接搭鐵的臨時更改措施的驗證，其改進(jìn)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(jìn)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(jìn)后，儀表能快速、準(zhǔn)確地采集到油箱中的油量信號，進(jìn)而燃油表能快速、準(zhǔn)確地指示其油量。改進(jìn)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(jī)B1會持續(xù)工作大概3s，其標(biāo)稱電流最大值為5A。當(dāng)電機(jī)工作時，雖然其工作電流較大，由于油泵電機(jī)負(fù)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jìn)效果

徹底解決儀表燃油表加滿油指示不滿格問題的改進(jìn)方案，是把燃油傳感器和燃油泵電機(jī)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(jìn)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(jī)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(jìn)措施已經(jīng)徹底解決了油泵電機(jī)上電時工作電流大對儀表采樣的干擾問題。改進(jìn)后，經(jīng)過多車次、多路況、長時間的測試驗證，其改進(jìn)效果良好，該問題已得到解決。

4 故障再次出現(xiàn)

在改進(jìn)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(jìn)行核查和排除，最后確定故障原因。

1）通過對故障車進(jìn)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(rèn)

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(dá)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(jìn)

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(jìn)措施。

5.1 改進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)效果良好，已經(jīng)徹底解決了該問題。改進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)械工業(yè)出版社，2004.