1 前言
系统可靠性分析是新产品开发过程中必不可
少的环节， 它被用来分析系统功能和组成系统的零
部件之间的可靠性功能关系， 找出系统失效原因的
组合方式， 从而可有针对性的加强和改进造成系统
觹 吉林省科技发展计划重点项目（20040332－2）。
Vehicle．Journal of Dynamic Systems,Measurement,and Cont-
rol,2008（130）：021010－1～3．
14 Lee A Y．Coordinated Control of Steering and Anti－Roll Bars
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15 舒进 ,陈思忠 ,杨林 ．多轴汽车多轮独立转向控制系统设
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（责任编辑 学 林）
修改稿收到日期为 2008 年 9 月 10 日。
基于模糊评价法的 FMECA在
CVT可靠性分析中的应用 觹
【摘要】针对在 CVT 系统失效模式影响及严重度分析过程中，由于评价指标的模糊性，难以给出准确有效的分
析结果这一问题，利用模糊数学工具，将失效模式影响及严重度分析中的定性评价指标予以定量化，包括建立因素
集、建立因素水平集、建立模糊因素水平评价矩阵、确定各影响因素权重集、一级模糊综合评价、综合危害等级确定、
多级模糊综合评价等基本步骤。 以 CVT 机械系统的失效模式影响及严重度分析为例，对 CVT 机械系统的各种失效
模式进行了综合模糊评估，取得了较好的分析结果。
主题词：CVT FMECA 失效模式 综合模糊评价
中图分类号：U461．7 文献标识码：A 文章编号：1000－3703（2009）01－0006－04
Application of FMECA in CVT Reliability Analysis
Based on Fuzzy Evaluation Method
An Ying1,Song Chuanxue1,Zhou Yunshan2,Yang Shukai3
（1．Jilin University；2．Hunan University；3．China FAW Group Corporation R＆D Center）
【Abstract】During reliability analysis of CVT,many evaluation indexes are fuzzy,so it is difficult to give credible and
accurate analysis results；in order to resolve this problem,the fuzzy math tool is introduced to quantify the evaluation
indexes which include factor set,factor level set,fuzzy factor level evaluation matrix,first grade fuzzy synthetical evaluation
etc．And then taking the mechanical system of CVT as an example,the main failure modes were evaluated,and the analysis
results are good．
Key words：CVT,FMECA,Failure mode,Synthetical fuzzy evaluation
2009年 第 1期
失效的薄弱环节， 提高系统的可靠性和使用寿命。
失效模式影响以及严重度分析（FMECA）是一种常
用的分析方法，即利用表格形式列出系统各个零部
件的失效模式、失效原因、失效影响、发生概率以及
严重度等信息， 并从中找出最关键的失效模式 ［1，2］，
FMECA是一种定性分析方法，具有不确定性和模糊
性的特点。 本文利用了模糊数学中用定量方法处理
定性问题这一特点 ［3］， 将其引入 FMECA 中 ，使
FEMCA科学化和定量化， 并将其应用到 CVT（con-
tinuously variable transmission）机械系统可靠性分析
中，取得了较好效果。
2 失效模式模糊评价法基本原理
模糊数学是一种用定量方法处理定性问题的
有效数学手段，本文将其应用到 FMECA 分析中，提
出了一种模糊综合评价方法，其基本步骤如下。
2．1 建立因素集
因素集是影响评估对象的各因素集合，不同元
素代表不同影响因素。 根据失效模式的各项评价指
标，建立第 k个失效模式评估分析的因素集为：
Uk＝｛u
k
1 ，u
k
2 ，…u
k
i ，…u
k
n ｝ （1）
式中，u
k
i 表示该失效模式 k的第 i个影响因素。
2．2 建立因素水平集
V＝｛v1，v2，…vj，…vm｝ （2）
式中，vj表示评价等级的第 j个等级。
2．3 建立模糊因素水平评价矩阵
在对失效模式 k 模糊综合评价分析过程中，设
第 i 因素 u
k
i 在因素水平 vj的评估集为 r
k
ij ，评价各影
响因素对其因素水平集的隶属度。
常用的评价方法是成立一个由 h 人组成的专
家评价组，每位成员对各影响因素 u
k
i 评出一个且仅
一个因素水平级 vj， 若 h 位组员中评定 u
k
i 隶属于 vj
的有 h
k
ij人，则得到 u
k
i 的评价集为：
R
k
i ＝
h
k
i1
h ，
h
k
i2
h ，…，
h
k
im
h
� �＝ rki1 ，rki2 ，…，rki3� � （3）
且
m
j ＝ 1
Σhkij＝1
将第 k 个失效模式的各因素评价集写成失效
模式 k模糊因素水平评价矩阵为：
Rk＝［R
k
1 ，R
k
2 ，…，R
k
n ］T＝
r
k
11 r
k
12 … r
k
1m
r
k
21 r
k
22 … r
k
2m
r
k
n1 r
k
n2 … r
k
nm
Σ
Σ
Σ
Σ
Σ
ΣΣ
Σ
Σ
Σ
Σ
Σ
Σ
ΣΣ
Σ
（4）
式中，Rk为失效模式 k模糊因素水平评价矩阵。
2．4 确定各个影响因素权重集
权重集是为了反映各个影响因素的重要程度
而赋予的相应权数所组成的集合。 设故障模式 k的
因素加权项为 w
k
i ， 那么失效模式 k 的因素权重集
为：
Wk＝｛w
k
1 ，w
k
2 ，…，w
k
n ｝，0＜w
k
i ＜1 （5）
且满足归一化条件：
m
i ＝ 1
Σwki ＝1
2．5 1级模糊综合评估
将失效模式 k 的因素权重集改写为向量形式，
则：
Bk＝Wk·Rk ＝［w
k
1 ，w
k
2 ，…，w
k
n ］·
r
k
11 r
k
12 … r
k
1m
r
k
21 r
k
22 … r
k
2m
r
k
n1 r
k
n2 … r
k
nm
Σ
Σ
Σ
Σ
Σ
ΣΣ
Σ
Σ
Σ
Σ
Σ
Σ
ΣΣ
Σ
（6）
式中，Bk为失效模式 k的综合模糊评价向量。
2．6 综合危害等级的确定
为确定失效模式 k 对系统的综合危害程度，计
算失效模式 k的综合危害等级为：
Ck＝
B
k
1
v1
＋
B2
k
v2
＋…＋
B
k
m
vm
（7）
式中，Ck为失效模式 k的综合危害等级。
2．7 多级模糊综合评价
设系统由多级系统构成，首先对底层子系统各
失效模式分别进行 1 级模糊综合评价，得到其模糊
综合评价向量分别为 B1，B2，…，Bk，综合危害等级分
别为 C1，C2，…，Ck。将子系统的各失效模式作为 2 级
模糊综合评价的影响因素。
U＝｛失效模式 1，失效模式 2，…，失效模式 k｝；
因素水平集 V不变。
由评判组给出各影响因素的权重分配集 W，再
利用综合模糊评价法对系统进行综合模糊评价。 采
用此方法可以得到 2 级模糊综合评价，即对子系统
1 的模糊综合评价。 依次类推，可以得到 CVT 系统
的多级模糊评价，如图 1 所示。
·设计·计算·研究·
…… ……
…… ……
7— —
汽 车 技 术
因素集 失效频率 u1 严重度 u2 失效检测概率 u3 可维修性能 u4
因素
水平集
频繁
发生
经常
发生
发生概
率一般
极少
发生
灾难性
危害
致命性
危害
临界性
危害
轻微性
危害
无法
预测
可预测
性较差
可预测
度一般
能够准
确预测
维修成
本高昂
维修成
本较高
维修成
本不高
不需
维修
等级 4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 1
表 2 因素水平集及其等级划分
图 1 多级模糊综合评价结构框图
3 综合模糊评价法在 CVT可靠性分析中的
应用
以 CVT 机械系统可靠性分析为例,对基于综合
模糊评价法的 FMECA进行说明。
3．1 CVT 系统框图
将 CVT分为 3级系统，主要部件组成如图 2和
图 3所示。
图 2 CVT 3 级系统层次结构
图 3 CVT 动力传动路线
3．2 CVT 机械系统失效模式及其影响分析
经过分析，CVT机械系统的主要失效模式如表 1
所列。
表 1 CVT 机械系统失效模式及其影响分析
3．2．1 确定因素集
在对 CVT 进行故障危害性评价时采用如下因
素集：
Uk ＝｛失效频率，严重度，失效检测概率，可维修性｝
3．2．2 确定因素水平集
因素水平分为 4 个等级，分别是：灾难性危害
4，致命性危害 3，临界性危害 2，轻微性危害 1。
将因素水平集分为 4级：V＝｛1，2，3，4｝
根据规定，按照表 2 所列的标准对各个影响因
素进行等级划分。
3．2．3 建立金属带失效模式 1的综合评价矩阵
经过评定，失效频率因素水平集为：
R
k
1 ＝｛0．2，0．2，0．5，0．1｝
严重度因素水平集为：
R
k
2 ＝｛0，0．3，0．6，0．1｝
失效检测概率因素水平集为：
R
k
3 ＝｛0．7，0．2，0．1，0｝
可维修性能因素水平集为：
换向机构
导轮
主动带轮
从动带轮
主减速器
惰轮总成
液力变矩器总成
泵轮
涡轮
闭锁离合器
差速器总成
部件 失效模式 失效后果
金
属
带
总
成
钢球卡死 金属带总成无法变速
金属片磨损 金属带使用寿命降低
金属带
突然断裂
车辆无法行驶
液压缸泄漏 增大系统能耗，经济性下降
金属带拉长 速比范围发生变化
液
力
变
矩
器
导轮单向
离合器失效
失去扭矩放大作用，车辆
起步性能变差
锁止离合器磨损
离合器不能正常锁止，车辆
无法达到高速状态
输出轴断裂 车辆不能行驶
离
合
器
前进挡离合器
油缸泄漏
车辆前进挡无法起步
前进挡齿轮变形 变速器有异响，噪声增大
·设计·计算·研究·
权重集合 Wr
权重集合 W2
评价矩阵 R2
综合模糊评价矩阵 Bk
综合模糊评价矩阵 B1
评价矩阵 R
权重集合 W1
评价矩阵 Rk
评价矩阵 R1
综合模糊评价矩阵 B2
B
金属带总成
CVT
液力变矩器
电控单元
离合器
机械系统 液压系统
8— —
2009年 第 1期
R
k
4 ＝｛0．1，0．2，0．7，0｝
因此得到模糊评价矩阵为：
Rk ＝［R
k
1 ，R
k
2 ，…，R
k
n ］T ＝
0．2 0．2 0．5 0．1
0 0．3 0．6 0．1
0．7 0．2 0．1 0
0．1 0．2 0．7
!
"
"
""
#
$
%
%
%%
&0
3．2．4 建立因素权重集
设权重值 w
k
i 为第 i 元素对失效模式 k 影响程
度的权数，因素权重集如表 3所列。
表 3 因素权重集
3．2．5 对失效模式的 1级模糊综合评价
Bk ＝Uk·Rk ＝［0．5，0．1，0．1，0．3］·
0．2 0．2 0．5 0．1
0 0．3 0．6 0．1
0．7 0．2 0．1 0
0．1 0．2 0．7
!
"
"
""
#
$
%
%
%%
&0
＝［0．2，0．21，0．53，0．06］
说明失效模式 1的危害等级为 1，2，3，4 的隶属
度分别为 0．2，0．21，0．53，0．06。
3．2．6 综合危害度等级计算
Ck ＝Bk·［1，2，3，4］T＝2．27
同理可得金属带传动总成其他失效模式的综合
危害度等级：
C＝｛C1，C2，C3，C4，C5｝＝｛2．51，2．57，3．52，2．21，2．98｝
根据综合危害等级可以对金属带总成各失效模
式的危害程度进行排序：
金属带突然断裂＞金属带拉长＞金属片磨损＞钢
球卡死＞液压缸泄漏
3．2．7 2 级模糊综合评价
在对金属带传动总成的 5种失效模式进行模糊
综合评价后， 利用得到的评价结果对金属带传动总
成失效模式进行模糊综合评价，取评价因素集为：
Uk ＝｛失效模式 1，失效模式 2，失效模式 3，失效模式
4，失效模式 5｝
因素水平集不变：V＝｛1，2，3，4｝
根据专家委员会的综合评定以及 5种失效模式
的综合模糊评价结果，其因素水平评价矩阵为：
R＝
0．3 0．4 0．2 0．1
0．1 0．2 0．5 0．2
0．6 0．2 0．1 0．1
0．1 0．1 0．5 0．3
0．1 0．2 0．6 0．
!
"
"
"
"
"
#
$
%
%
%
%
%
&1
评定 5种失效模式的重要程度， 给出其权重集
合为：
W＝｛w1，w2，w3，w4，w5｝＝｛0．2，0．2，0．5，0．1，0．1｝
因此， 对金属带总成故障的综合模糊评价结果
为：
B＝W·R＝［0．2，0．2，0．5，0．1，0．1］·
0．3 0．4 0．2 0．1
0．1 0．2 0．5 0．2
0．6 0．2 0．1 0．1
0．1 0．1 0．5 0．3
0．1 0．2 0．6 0．
!
"
"
"
"
"
#
$
%
%
%
%
%
&1
＝［0．4，0．25，0．3，0．15］
因此，可得到综合危害度值为：C＝3．1。
依次类推， 可以得到离合器总成失效的模糊综
合评价向量和液力变矩器失效的模糊综合评价向
量。
4 结束语
在 FMECA 和模糊数学理论分析方法的基础上
提出一种基于模糊综合评价法的 FMECA 新方法，
将其应用到 CVT 机械系统的可靠性分析中，证明该
方法对 CVT 系统可靠性分析是适用的。
a． 应用综合模糊评价法，能够将 CVT 机械系
统各种失效模式用其危害度等级表示出来， 使得各
种实效模式的危害性一目了然。
b． 采用多级综合模糊评价法分析 CVT 多级
系统， 不仅可对底层子系统的各种失效模式进行综
合评价， 而且可以方便地计算各级子系统对其上级
系统的影响。
c． 应用综合模糊评价法可以将 FMECA 中具
有模糊性的指标定量化，如失效概率、维修性能等，
使可靠性分析量化。
参 考 文 献
1 Wenfang Wu,Tyng Liu,Chihhsien Wu．Failure Modes and Rel-
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2005－01－0819．
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3 谌红．模糊数学在国民经济中的应用．武汉：华中理工大学
出版社,1991．
4 黄洪钟．模糊设计．北京：机械工业出版社,1999：102～139．
（责任编辑 帘 青）
修改稿收到日期为 2008 年 10 月 5 日。
u1 u2 u3 u4
0．5 0．1 0．1 0．3
·设计·计算·研究·
9— —
