CC BY
12
УДК 629.13
Вячеслав Викторович Мелешин, старший преподаватель кафедры технической эксплуатации автомобилей Инженерного института, ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет» e-mail: shkiper12@yandex.ru
Борис Семенович Науменко, доктор технических наук, профессор кафедры технической эксплуатации автомобилей Инженерного института, ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет» e-mail: naumbs@yandex.ru
МЕТОДИКА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ НА ИНЕРЦИОННОМ СТЕНДЕ ПО МОЩНОСТНЫМ ПОКАЗАТЕЛЯМ
В статье приведены результаты исследования закономерностей изменения параметров технического состояния двигателя и трансмиссии автомобиля от угловой скорости вращения его ведущих колес. Цель исследования состоит в повышении эффективности эксплуатации автомобилей на основе использования методики диагностирования автотранспортных средств на инерционном стенде по мощностным показателям. Достоверность результатов исследования подтверждается сходимостью теоретических данных; данных, полученных имитационной моделью и экспериментальных данных. Полученные в результате исследования методика диагностирования автотранспортных средств на инерционном стенде по мощностным показателям и математические и имитационные модели могут быть использованы в области эксплуатации автомобилей для разработки новых методов диагностирования автомобиля, его систем, агрегатов и узлов. Практическое применение предлагаемого аппаратно-программного комплекса позволит проводить общее диагностирование технического состояния двигателя и трансмиссии автомобиля на инерционном стенде по мощностным показателям.
Предлагаемая методика диагностирования двигателя и трансмиссии рекомендуются к использованию на СТО, грузовых и пассажирских АТП, заводах по ремонту автомобильных двигателей и агрегатов.
Ключевые слова: методика диагностирования, инерционные испытания, информационные параметры, мощностные показатели, алгоритм диагностирования, технические средства диагностирования.
Обзор научных трудов, опубликованных в последнее время, показал, что развитие диагностики автотранспортных средств сосредоточено в двух основных направлениях. Первое направление связано с разработкой и внедрением встроенных систем диагностирования различных систем, агрегатов и узлов автомобиля, прежде всего, наиболее дорогостоящих - двигателя внутреннего сгорания, гидродинамической передачи и коробки передач. Данному направлению посвящены труды отечественных и зарубежных ученых [3, 6, 10]. Второе направление ориентировано на исследование новых методов, способов и средств диагностирования автомобиля, а также на совершенствование процессов диагностирования. К этому направлению относятся исследования [1, 2, 4, 5, 7, 11].
В данном исследовании предлагается определять вектор информационных параметров автомобиля при его стендовых испытаниях. Эти параметры, характеризующие техническое состояние двигателя и трансмиссии, позволяют проводить их диагностирование на инерционном стенде, а также создают предпосылки для создания встроенных средств диагностирования. В связи с вышеизложенным, разработка методики диагностирования автотранспортных средств на инерционном стенде по мощностным показателям вполне обоснованно является актуальным исследованием.
В основу разработки математической модели
процессов вращения ведущих колес автомобиля на инерционном стенде с беговыми барабанами положено уравнение силового баланса автомобиля. С учетом преобразований и принятых в исследовании допущений, получены уравнения вращения ведущих колес автомобиля в процессе выбега (1) и в процессе разгона (2) на беговых барабанах стенда [8, 9]:
= ~М1(к) (1),
Щ-&Ж=МЯ (2),
где ■/£") - суммарный момент инерции автомобиля, приведенный к ведущим колесам, кг-м2;
(Ьк - угловое ускорение ведущих колес, м/с2;
М ^ - момент внутренних сил сопротивлений в автомобиле, приведенный к ведущим колесам, Н-м;
М ^ - тяговый момент на ведущих колесах автомобиля, Н-м.
Предлагаемый метод диагностирования общего технического состояния двигателя и трансмиссии автомобиля подразумевает использование ведущих колес автомобиля и беговых барабанов стенда в качестве нагрузки на двигатель, а беговых барабанов стенда также в качестве присоединяемых маховых масс с известным моментом инерции. Суть метода заключается в определении информационных параметров путем измерения угловой скорости враще-
<
•(-Щ)
к •(-К)
®«3 =4) ■мт,
ния ведущих колес при последовательном изменении состояний автомобиля.
Реализация метода сводится к системе уравнений вращения ведущих колес автомобиля, которая имеет следующий вид:
(3),
где <Ьк1, ю „2, и ю^з - угловые ускорения вращения ведущих колес автомобиля при их выбеге на беговых барабанах, в вывешенном положении и разгоне на беговых барабанах соответственно, рад/с2;
- относительный момент инерции вращающихся масс стенда, приведенный к ведущим колесам, с-2;
«(„) - относительный суммарный момент инерции автомобиля, приведенный к ведущим колесам, с-2;
а- относительный суммарный момент инерции автомобиля и вращающихся масс стенда, приведенный к ведущим колесам, с-2;
- относительный суммарный момент внутренних сил сопротивлений в автомобиле, приходящийся на момент инерции вращающихся масс стенда, приведенный к ведущим колесам;
ЛТД,) - относительный суммарный момент внутренних сил сопротивлений в автомобиле, приведенный к ведущим колесам;
М т - относительный тяговый момент на ведущих колесах.
Решением данной системы уравнений (3) является структура из четырех алгоритмов нахождения параметров динамической системы, последовательно определяющих информационные параметры автомобиля.
Каждый алгоритм представляет собой фильтр Калмана-Бьюси, содержащий матрицу коэффициентов усиления К1 и К2, влияющих на чувствительность фильтра к произвольным шумам и длительность переходного процесса.
Первый алгоритм (4) при выбеге автомобиля на беговых барабанах стенда определяет и заносит в память относительный суммарный момент внутренних сил сопротивлений в автомобиле, приходящийся на момент инерции вращающихся масс стенда, приведенный к ведущим колесам мЦ^у
ю*, =-4) - И •(< -«'О+Ям ■{<
(4),
м
«м-
сам;
Мь. - интегральная составляющая оценки относительного суммарного момента внутренних сил сопротивлений в автомобиле, приходящегося на момент инерции вращающихся масс стенда, приведенного к ведущим колесам;
К{ и К\- коэффициенты усиления.
Коэффициенты усиления определяются следующими выражениями [8, 9]:
г* 6 Г* 9
К, - и л2 = ~ *
Мб(к) -К
мй6[к)<
(5),
где 4 - время переходного процесса, с. Выражения (5) используются для определения ориентировочных значений коэффициентов К1 и К2. На практике реальные значения коэффициентов определяются экспериментально, путем подбора таких значений, которые обеспечивают удовлетворительные показатели переходных процессов.
Второй алгоритм (6) при выбеге автомобиля с вывешенными колесами считывает из памяти относительный суммарный момент внутренних сил сопротивлений в автомобиле, приходящийся на момент инерции вращающихся масс стенда, приведенный к ведущим колесам М"'^ определяет и заносит в память относительный суммарный момент инерции автомобиля, приведенный к ведущим
колесам, а*к):
со.
=-к2 -(«4 -Й&МЫ-^оо + (Ь*
Г 2 А« ^
г{к)=К1 * V к2 -<йк7)-
(6).
Третий алгоритм (7) считывает из памяти относительный суммарный момент инерции автомобиля, приведенный к ведущим колесам, а^ и определяет относительный суммарный момент внутренних сил сопротивлений в автомобиле, приведенных к ведущим колесам, а^ [8]:
=-4) - И '(<2 -¿4)+Ян]
(7).
Четвертый алгоритм (8) при разгоне автомобиля на барабанах стенда считывает из памяти относительный суммарный момент инерции автомобиля и вращающихся масс стенда, приведенный к ведущим колесам, а^ и определяет относительный тяговый момент на ведущих колесах М [9]:
4)'
мт=кА2\<
"кЗ " ЮкЗ )
Определение информационных параметров двигателя и трансмиссии происходит в 5 этапов, представленных в таблице 1. Для каждого этапа приведено необходимое состояние автомобиля, его ведущих колес, а также измеряемые и определяемые параметры.
(8).
где М6(к) - оценка относительного суммарного момента внутренних сил сопротивлений в автомобиле, приходящегося на момент инерции вращающихся масс стенда, приведенного к ведущим коле-
Таблица 1. Этапы определения информационных параметров двигателя и трансмиссии
Состояние автомобиля Состояние ведущих колес
Этапы обозначение двигатель сцепление режим вращения положение Измерение Определение
1 «1» не работает включено на беговых <4 Щ)
2 «0» работает выключено барабанах <
3 «1» не работает включено выбег вывешены ®к2 Ча
4 «0» работает выключено ««2 К)
5 «2» работает включено разгон на беговых барабанах мт т
В математической среде Ма^АВ^тиИпк реализована имитационная модель, описывающая вращение ведущих колес автомобиля согласно системе уравнений (3) и имитирующая процессы определения информационных параметров согласно систе-
мам уравнений (4, 6-8). Модель состоит из 5 блоков и системы сигналов, которая позволяет задавать в автомобиле состояния «0» или «1» и «2» и положение органа подачи топлива в двигатель. Структурная схема имитационной модели представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема виртуальной имитационной модели
В качестве исходных данных для моделирования использовались данные автомобиля КАМАЗ-43253. Результаты определения алгоритмами информационных параметров в состояниях «1» и «2» показаны на рисунке 2.
Анализ результатов проведенных имитаций показал, что алгоритмы нахождения параметров динамической системы с высокой точностью определяют характеристики автомобиля любого вида - постоянные во времени и изменяющиеся по линейным, нелинейным и гармоническим законам. При этом вид и величина значений определяемых характеристик автомобиля практически не влияют на точность их определения.
Согласно РД 46448970-1040-99 диагностическими параметрами, определяющими общее техническое состояние автомобиля, являются мощность на ведущих колесах автомобиля Ыт, эффективная мощность двигателя Ые и удельный расход топлива двигателем ge. В ГОСТ 23435-79 регламентировано, что структурными диагностическими параметрами двигателя является его эффективная мощность и удельный эффективный расход топлива ge. Тогда
на основе определенных информационных параметров указанные характеристики можно вычислить, используя следующие выражения:
ЫТ=Мт-Мм-<ок3 (Ш)
где Ыы - крутящий момент двигателя, соответствующий его максимальной мощности, Н-м.
Значения характеристик N и Ыт, полученных при диагностировании нового или вводимого в эксплуатацию после восстановительного ремонта автомобиля, принимаются в качестве нормативных значений диагностических параметров и задаются предельно допустимыми значениями этих параметров. Техническое состояние двигателя и трансмиссии определяется путем сравнения текущих значений диагностических параметров, полученных в процессе эксплуатации автомобиля, с их предельно допустимыми значениями.
Метод позволяет повысить технологичность диагностирования за счет упрощения конструкции стенда и снижения трудоемкости диагностирования
^—моделируемые теоретические значения параметра О определяемые значения параметра
-х-опшбка ^—моделируемая угловая скорость вращения ведущих колес
Д определяемая угловая скорость вращения ведущих колес
Рисунок 2. Процессы определения информационных параметров автомобиля в состояниях «1» и «2»
общего технического состояния двигателя и трансмиссии автомобиля.
Алгоритм работы аппаратно-программного комплекса основан на последовательном измерении угловой скорости вращения ведущих колес автомобиля сок на этапах 1-5, последующего определения информационных параметров и вычисления на их основе параметров технического состояния двигателя и трансмиссии автомобиля.
В качестве диагностического стенда для экспериментальных исследований используется стенд тягово-тормозных качеств грузовых автомобилей и автобусов модели СК1-К481. Кинематическая схема правой секции стенда показана на рисунке 3. Для адаптации стенда к заданным условиям диагностирования его приводная часть отсоединяется от беговых барабанов муфтой 5.
Программная часть комплекса представляет
Рисунок 3. Схема правой секции диагностического стенда СК1-К481 (Примечание: 1 - рама; 2 - беговой барабан; 3 - редуктор; 4 - электродвигатель; 5 - кулачковая муфта; 6 - цепная муфта; 7 - цепная передача; 8 - подъемная площадка)
собой разработанный в среде прикладного визуального программирования NI LabVIEW и установленный на базе операционной системы Windows 7 виртуальный прибор.
Аппаратная часть комплекса представляет собой систему сбора данных на базе шасси NI cDAQ-9174, связанную с ПК и управляемую им с помощью вир-
туального прибора. К шасси подключены бесконтактный датчик оборотов ДМС-02, работающий по магнитной метке, и шина связи с бортовым компьютером автомобиля CAN (для измерения расхода топлива при технической возможности подключения).
Структурная схема аппаратно-программного комплекса показана на рисунке 4. Согласно класси-
фикации методов и средств диагностирования, раз- функциональным автоматизированным системам работанный комплекс относится к внешним общим диагностирования.
| - Ноутбук I -Системасборадаявых
Рисунок 4. Структурная схема аппаратно-программного комплекса
В качестве объекта диагностирования был использован автомобиль КАМАЗ-43253, диагностирование проводилось на включенной 5 передаче. Для подтверждения соответствия результатов эксперимента фактическому состоянию автомобиля предварительно на стенде СК1-К481 путем измерения времени разгона и выбега ведущих колес в определенных диапазонах скорости были определены характеристики Ne и NT. Результаты предварительных измерений диагностических параметров, определения информационных параметров и вычисления диагностических параметров двигателя и трансмиссии аппаратно-программным комплексом с использованием стенда СК1-К481 представлены на рисунках 5а и 5б, соответственно.
Согласно ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002 для определения относительной погрешности в качестве принятого опорного значения параметра может приниматься среднее значение результатов измерений. В табличном редакторе MS Office Excel построены линии тренда результатов измерений, получены уравнения аппроксимаций и их достоверность; определены относительные погрешности результатов измерений (таблица 2).
Таблица 2. Обработка результатов измерений в табличном редакторе MS Office Excel
Параметр Достоверность аппроксимации R2 Относительная погрешность Б
Ne=f{ne) 0,9926 3,22
NT = f{Va) 0,9883 3,73
Экспериментальные исследования подтвердили работоспособность структуры алгоритмов и адекватность их математических описаний.
Алгоритм диагностирования двигателя и трансмиссии по мощностным показателям, реализующий предлагаемую методику, представлен на рисунке 6.
Согласно ГОСТ 20911-89 регламентируются следующие показатели диагностирования:
- продолжительность диагностирования: средняя продолжительность диагностирования автомобиля КАМАЗ-43253 на стенде СК1-К481 составила Iд = 5,2 мин;
- достоверность диагностирования: соответствие результатов диагностирования действительному техническому состоянию автомобилю подтверждается их сопоставлением с предварительно измеренными значениями диагностических параметров и относительной погрешностью результатов измерений, которая для мощности Ые составила 3,22 %, Ыт- 3,73 %;
- полнота диагностирования: метод диагностирования дает возможность выявлять наличие отказов (неисправностей) в двигателе и трансмиссии автомобиля;
- глубина поиска места отказа (неисправности): в автомобиле с точностью 93,17 % указывается наличие неисправностей в двигателе и трансмиссии.
В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований получены новые научные и технические решения, позволяющие повысить эффективность эксплуатации автомобилей на основе использования методики диагностирования автотранспортных средств на инерционном стенде по мощностным показателям.
а - определение информационных параметров, характеризующих техническое состояние двигателя
и трансмиссии автомобиля
б - вычисление диагностических параметров на основе определенных информационных параметров
^"моделируемые теоретические значения параметра О предварительно измеренные данные
-й- -теоретические значения параметра
ринятые опорные значения параметра
Рисунок 5. Результаты определения информационных параметров и вычисления на их основе диагностических параметров двигателя и трансмиссии, полученные для автомобиля КАМАЗ-43253 на стенде СК1-К481.
Рисунок 6. Алгоритм диагностирования двигателя и трансмиссии автомобиля по мощностным показателям
1) Теоретически обоснован метод диагностирования общего технического состояния двигателя и трансмиссии автомобиля при выбеге и разгоне его ведущих колес на инерционном стенде, позволяющий расширить функциональные возможности инерционных стендов на АТП и СТО.
2) Представлена имитационная модель, позволяющая моделировать процессы определения информационных параметров, характеризующих техническое состояние двигателя и трансмиссии, оценивать точность их определения и устанавливать закономерности изменения параметров технического состояния двигателя и трансмиссии автомобиля от угловой скорости вращения его ведущих колес.
3) Разработан аппаратно-программный комплекс, позволяющий автоматизировать процессы измерения, регистрации, обработки и хранения данных, и проводить сбор статистического материала по результатам диагностирования для прогнозирования исправной работы двигателя и трансмиссии.
4) Получено экспериментальное подтверждение зависимости параметров технического состояния двигателя и трансмиссии автомобиля от угловой скорости вращения его ведущих колес. Результаты
экспериментальных исследований подтверждают целесообразность включения методики в номенклатуру работ диагностирования Д-1.
5) Разработана методика диагностирования автотранспортных средств на инерционном стенде по мощностным показателям. Для автомобиля КАМАЗ-43253 получены следующие показатели диагностирования: трудоемкость Тд =0,087 чел.-ч, относительная погрешность определения эффективной мощности двигателя Ые -3,22 %, мощности на ведущих колесах Ыт - 3,73 %.
Предлагаемая методика рекомендуется к использованию на СТО, в грузовых и пассажирских АТП, на заводах по ремонту автомобильных двигателей и агрегатов.
Дальнейшая разработка темы исследования целесообразна в направлении по созданию встроенных средств диагностирования автомобиля. В этих средствах в качестве нормативных значений диагностических параметров двигателя и трансмиссии будут использоваться информационные параметры, определяемые аппаратно-программным комплексом на инерционном стенде с беговыми барабанами, а диагностирование будет осуществляться в режиме реального времени при эксплуатации автомобиля.
Литература
1. Болдин, А.П. Научные основы разработки и использования систем внешнего и встроенного диагностирования на автомобильном транспорте: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.22.10 / Болдин Адольф Петрович. - Москва, 1993. - 32 с.
2. Бондаренко, Е.В. Методологический подход к созданию многоуровневой адаптивной технологии диагностирования электронных систем автомобилей / Е.В. Бондаренко, А.А. Гончаров, С.Е. Горлатов // Вестник Оренбургского государственного университета. - Оренбург: Оренбургский государственный университет. - 2011. - № 10. - С. 163-168.
3. Вавилов, А.В. Методы оценки технического состояния при диагностировании механических и гидромеханических трансмиссий строительно-дорожной и транспортной техники / А.В. Вавилов, В.В. Яцкевич, А.Н. Максименко // Вестник Белорусско-Российского университета. - Могилев: Государственное учреждение высшего профессионального образования «Белорусско-Российский университет». - 2012. - № 1. - С. 5-12.
4. Калимуллин, Р.Ф. Функциональная диагностика подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей / Р.Ф. Калимуллин, С.Ю. Коваленко, С.Б. Цибизов // Вестник Оренбургского государственного университета. - Оренбург: Оренбургский государственный университет. - 2011. - № 5. - С. 158-163.
5. Лившиц, В.М. Перспективные разработки в области диагностики автотракторных дизелей / В.М. Лившиц, С.В. Крашенинников, С.П. Пятин // Вестник ИрГСХА. - 2010. - № 38. - С. 77-81.
6. Лянденбурский, В.В. Встроенная система диагностирования автомобилей с дизельным двигателем / В.В. Лянденбурский, Ю.В. Родионов, С.А. Кривобок // Автотранспортное предприятие. - Москва: НПП Транснавигация. - 2012. - № 11. - С. 45-48.
7. Малютин, В.О. Исследование взаимосвязи диагностических показателей с отказами передней подвески автомобилей / В.О. Малютин, В.И. Карагодин // Грузовик. - Москва: Издательство «Инновационное машиностроение». - 2014. - № 8. - С. 29-31.
8. Мелешин, В.В. Метод определения параметров автомобиля при его выбеге / В.В. Мелешин // Автомобильная промышленность. - Москва: Машиностроение. - 2013. - № 11. - С. 24-28.
9. Мелешин, В.В. Метод определения параметров автомобиля при его разгоне / В.В. Мелешин // Автомобильная промышленность. - Москва: Машиностроение. - 2014. - № 5. - С. 34-37.
10. Рынкевич, С.А. Бортовые системы диагностирования - инструмент повышения экономической эффективности карьерных самосвалов с ГМП / С.А. Рынкевич, В.П. Тарасик, А.Н. Егоров, А.Н. Максименко // Автомобильная промышленность. - Москва: Машиностроение. - 2013. - № 2. - С. 21-23.
11. Федотов, А.И. Моделирование динамических процессов функционирования двухсекционного тормозного крана автомобиля с целью его диагностирования / А.И. Федотов // Журнал автомобильных инженеров. - Москва: ООО «Издательский Дом ААИ ПРЕСС». - 2014. - № 2. - С. 11-15.
