УДК 629.113.004
ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический
университет имени », Россия, Саратов,
д. т.н., профессор кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство»
ФОРМИРОВАНИЕ НАУЧНОГО НАПРАВЛЕНИЯ
«БЕСТОРМОЗНЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ
ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМОБИЛЯ»
Аннотация. Приведены сведения об этапах формирования научного направления, показано влияние технического состояния элементов автомобиля: увеличенных зазоров вследствие износа деталей, диссипативных изменений в механических системах, отклонений в пространственной ориентации сопряжений на изменения значений внутрицикловой угловой скорости вращающихся деталей по углу их поворота при диагностировании и оценке качества регулировки его систем и механизмов.
Ключевые слова: автомобиль, двигатель внутреннего сгорания, техническое состояние, неравномерность угловой скорости вала, диагностирование, динамический метод.
Grebennikov Aleksandr Sergeevich
Federal State-Funded Educational Institution of Higher Education
«Yuri Gagarin State Technical University of Saratov», Russia, Saratov,
Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department
of « Automobiles and Automobile Economy »
METHODS OF RECIPROCATION AUTOMOBILE DIAGNOSTICS
WITHOUT EXTERNAL LOADING EQUIPMENT
Annotation. Shows the effect of changes in the technical condition of vehicle components, such as: increased clearances due to wear and tear, changes in dissipative mechanical systems, variations in the spatial-orientation of the mating parts to change the values intracyclic angular velocity of the shaft on the corner of his turn in the diagnosis and evaluation of the quality adjustment systems and mechanisms for vehicle and internal combustion engines.
Keywords: vehicle, the internal combustion engine, technical condition, angular velocity unevenness of the shaft, instantaneous angular speed, diagnosis, the dynamic method.
Отлаженное производство и выпуск в 1960-х годах промышленностью России полупроводниковых приборов создали новое поколение компактных электронных средств измерения, обладающих высокой разрешающей способностью регистрации физических величин в сверхмалые промежутки времени. Подобные устройства позволяли осуществить переход к более прогрессивным способам и средствам диагностирования технического состояния элементов автомобиля – отказу от использования энерго - и металлоёмких тормозных стендов с беговыми роликами. Такие мобильные, переносные средства проверки - без использования внешних нагрузочных устройств, получили название «бестормозные», разновидность которых представлена в виде устройств, встроенных в автомобиль диагностических систем. Их эффективность обеспечивается оперативностью, малой стоимостью практической реализации, высокой помехоустойчивостью, поскольку основным диагностическим параметром является угловая скорость вращающихся элементов автомобиля (коленчатый, распределительный, карданный и другие валы, колеса).
Впервые способ бестормозной проверки мощности двигателя на установившемся скоростном режиме холостого хода его работы был разработан профессором Ленинградского сельскохозяйственного института . Его суть заключается в том, что нагрузка на двигатель создается искусственным выключением из работы одного или нескольких цилиндров отключением подачи топлива к их форсункам или высоковольтных проводов к свечам зажигания. При этом регистрировалось значение снижения частоты вращения коленчатого вала, которое тем больше, чем сильнее мощность отключаемых цилиндров и слабее мощность работающего. Применительно к четырехцилиндровым дизельным двигателям максимальная эффективная мощность i-го цилиндра при отключенных остальных трех:
, (1)
где 
- номинальная эффективная мощность двигателя, кВт; 
- нормативная максимальная угловая скорость коленчатого вала технически исправного двигателя при работе на одном цилиндре, мин-1; ωimax – фактическая угловая скорость коленчатого вала испытуемого двигателя при работе на одном цилиндре, мин-1; А – коэффициент, постоянный для данного типа двигателей.
Однако точность диагноза, получаемая при использовании этого способа, недостаточна. Основная причина – неизбежные отклонения топливо - и воздухообменных процессов в работающих цилиндрах ДВС при отключении части цилиндров.
Более достоверные результаты оценки технического состояния ДВС получаются при использовании динамического метода определения мощности двигателя [1, 7], предложенного Сибирским научно-исследовательским институтом механизации и электрификации сельского хозяйства (СибИМЭ). Его теоретическая основа - принцип Д’Аламбера, в соответствии с которым при неустановившемся движении физического тела активные (движущие) силы в любой момент времени уравновешиваются силами инерции. Применительно к работе ДВС без нагрузки его динамическое самонагружение при разгоне описывается дифференциальным нелинейным уравнением:
, (2)
где J – приведенный к оси коленчатого вала момент инерции вращающихся и возвратно-поступательно движущихся масс двигателя, кг⋅м2; φ- угол поворота вала, рад; τ - время, соответствующее углу поворота φ, с; 
- соответственно угловая скорость (с-1) и ускорение (с-2) вала; Мi, Mc –моменты индикаторный и механических потерь двигателя, Н⋅м.
Поскольку правая часть уравнения соответствует крутящему моменту М, то эффективная мощность двигателя определяется только мгновенными значениями угловой скорости ω и ускорения е коленчатого вала по углу его поворота в заданном диапазоне изменения частоты вращения:
(3)
Величины J, Mi и Мс ДВС имеют переменные составляющие, значения которых определяются положением кривошипно-шатунного механизма и рядом других причин [1]. Поэтому в алгоритмах работы существующих устройств зарубежных и отечественных производителей, реализующих динамический метод, предусматривается использование средних цикловых показателей этих величин, а соответственно и средние, цикловые значения угловой скорости и ускорения коленчатого вала, что не позволяет поэлементно диагностировать системы и механизмы ДВС. Для исключения этого недостатка на кафедре «Эксплуатация автомобильного транспорта» (в настоящее время – «Автомобили и автомобильное хозяйство») было принято кардинальное решение – отказаться от аналоговой формы и перейти на цифровую регистрацию мгновенных значений угловой скорости коленчатого вала через известные угловые интервалы его поворота.
Первые диссертационные работы в этом направлении были выполнены и защищены под научным руководством в 1967…1972 гг. , и .
В 1973 году на кафедре, которую возглавил д. т.н., профессор , была создана лаборатория – студенческое конструкторское бюро, цель которой – разработка устройств диагностирования технического состояния всех систем и механизмов автомобиля бестормозными методами. Теоретические и экспериментальные исследования этих разработок выполнялись аспирантами и молодыми преподавателями кафедры. Организатором и вдохновителем нового научного направления стал доцент, к. т.н. Алексей Андреевич Отставнов. За короткий период были созданы и внедрены в технологические процессы ТО и ремонта автомобилей в ведущих автотранспортных предприятиях, заводах ЗИЛ, КамАЗ несколько приборов, часть которых демонстрировалась и получила высокие награды (золотые, серебряные и бронзовые медали) на ВДНХ и других выставках государственного масштаба. Основные разработки ведутся по бестормозным методам диагностирования элементов ДВС, тормозных систем, рулевого управления и ходовой части, новизна которых защищена более 85 патентами.
Результатом выполненных работ на рубеже 1980-1985 годов стали успешные защиты кандидатских диссертаций в МАДИ, , – в ХАДИ (научный руководитель - профессор , консультант – доцент ), в 2000-е годы – , , (руководитель – доцент ). Научным сообществом страны кафедра была признана ведущей в направлении развития и совершенствования бестормозных методов диагностирования автомобиля.
Дальнейшее развитие научного направления связано с теоретическими разработками автора, в которых рассматривалась неравномерность рабочих процессов и структурных изменений в одноименных элементах автомобиля как причинно-следственная связь показателей внутрицикловых изменений угловых скоростей вращающихся деталей в агрегатах с их техническим состоянием в процессе эксплуатации.
Было доказано [1, 2], что снижение технико-экономических и экологических показателей автомобиля, вызванных отличиями процессов сгорания рабочей смеси в цилиндрах, увеличением зазоров (износа), диссипативными изменениями и отклонениями в пространственной ориентации сопряженных деталей двигателя и взаимосвязанных с ним механизмов автомобиля, приводит к дополнительной составляющей внутрицикловых изменений угловой скорости (ВИУС) коленчатого вала (КВ) и других вращающихся элементов трансмиссии, тормозной системы, рулевого управления, которая является источником информации об их техническом состоянии.
К основным диагностическим показателям ВИУС относят коэффициент неравномерности угловой скорости [1 - 3]:
, (4)
где щimax, щimin и ϖ - соответственно значения максимальной, минимальной и средней угловых скоростей коленчатого вала или i-гo элемента системы «ДВС - трансмиссия» в пределах кинематического цикла, а также экстремальные значения угловых скоростей щmin и щmax, их фазовые положения цщmin, цщmax по углу поворота вала, амплитуда Ащ (рис. 1).
Рис. 1. Количественные показатели изменения угловой скорости щ по углу поворота
ц коленчатого вала 4-цилиндрового ДВС, используемые при диагностировании:
I, III – периоды рабочих тактов в 1 и 3-м цилиндрах
Совокупность показателей ВНУСКВ позволила повысить точность и существенно расширить область применения динамического метода для поэлементной оценки технического состояния ДВС, а также улучшить адаптивность электронных систем управления его работой (рис. 2). За счет введения новых признаков функционального состояния системы ДВС - трансмиссия, использования как неустановившихся, так и установившихся режимов испытания - оценить техническое состояние наиболее важных элементов автомобиля - трансмиссии, тормозной системы, рулевого управления и подвески. По этим разработкам в 2011-2015 гг. защищены кандидатские диссертации , и (научный руководитель – профессор ).
Рис. 2. Контролируемые параметры и режимные признаки диагностирования
элементов автомобиля по показателям ВИУС
Выбор функционального состояния ДВС (наличие или отсутствие рабочих процессов в конкретных цилиндрах) направлен на повышение чувствительности и информативности показателей ВНУСКВ при диагностировании и адаптивном управлении системами ДВС.
При оценке качества организации рабочего процесса, управлении им с целью его оптимизации, а также определении технического состояния систем питания, зажигания, МГР, испытания проводят при наличии процессов сгорания рабочей смеси в цилиндрах, как в процессе выполнения автомобилем транспортной работы, так и путём использования диагностических тестовых воздействий. На любом режиме работы ДВС интегральным показателем его эффективности является коэффициент д; он же отвечает требованию критерия оптимальности в адаптивных системах управления фазами газораспределения ДВС, углом опережения и объёмом цикловой подачи топлива в цилиндры [1].
При оптимальных и равномерных рабочих процессах в цилиндрах двигателя коэффициент д имеет минимально возможную величину для сложившегося в процессе эксплуатации технического состояния ДВС, поскольку характер изменения крутящего момента и ВНУСКВ в пределах углов поворота, соответствующих рабочим тактам всех цилиндров, будет близок к идентичному (на рис. 1 - сплошная линия).
При нарушенных значениях регулировочных параметров элементов ДВС, когда коэффициент д превышает нормативы, конкретизация «отстающего» цилиндра осуществляется по значениям амплитуд Ащ колебаний угловой скорости в пределах углов поворота КВ, соответствующих рабочим тактам цилиндров (на рис.1 – 0…р; р…2р).
При диагностировании нерегулируемых параметров технического состояния одноименных элементов ДВС (герметичности надпоршневых пространств цилиндров, зазоров в сопряжениях КШМ, ЦПГ, МГР) предпочтительней второй вариант - испытание в отсутствие сгорания рабочей смеси в цилиндрах двигателя. При этом используются режимы прокрутки КВ стартером или выбега ДВС путем выключения подачи топлива (зажигания) во все или отдельные его цилиндры. Диагностическим параметром компрессионных свойств цилиндров при этом являются работа сил инерции Ар на участках нарастания угловой скорости в угловых интервалах, соответствующих тактам расширения в конкретных цилиндрах:
(5)
Определение технического состояния элементов МГР осуществляют при декомпрессированных цилиндрах в режиме прокрутки КВ стартером [5] или работе ДВС на одном цилиндре [6]. Оценочными показателями состояния элементов МГР служат отклонения экстремальных значений скоростей ∆щmax, ∆щmin и их фазовых положений ∆цщmax, ∆цщmin относительно ВМТ (рис. 1 - пунктирная линия), которые сравниваются с нормативными.
Эффективную мощность и мощность механических потерь ДВС определяют на режимах разгона при полной подаче топлива и свободного выбега [1, 7] - по значениям ускорений соответственно на участках разгона ер или выбега ев. При отрицательном диагнозе причину конкретизируют определением показателей ВНУСКВ на УР работы ДВС при последовательном отключении одного из цилиндров по способу [4].
Диагностирование трансмиссии и тормозной системы осуществляется при вывешенном на подъёмнике автомобиле с установкой на сочленениях карданного вала и колёсах легкосъёмных датчиков угловых перемещений. Прокручивание трансмиссии осуществляется двигателем при зафиксированном неподвижном состоянии вывешенных ведущих колес с одной стороны автомобиля. Об общем техническом состоянии трансмиссии судят по значениям мощности механических потерь и суммарного углового зазора в её сопряжениях, который определяется по разности значений приведенных углов поворота ведущего колеса и коленчатого вала, с учетом передаточного числа трансмиссии.
Диагностирование тормозной системы осуществляется при вращении колес от ДВС или мобильного приводного устройства с линейной скоростью 60 или 90 км/ч (в зависимости от инерционных масс колёс) - путём однократного нормированного по усилию и темпу нажатия педали управления рабочим тормозом автоматическим устройством – «пневмоногой». Диагностирование осуществляют по значениям времени запаздывания и срабатывания привода тормозной системы; неравномерности замедления и угла поворота каждого из колёс в процессе торможения. Основное преимущество данного способа – отсутствие влияния на результаты диагностирования сил сцепления в контакте шин колёс с опорной поверхностью роликов тормозного стенда или дороги.
Техническое состояние рулевого управления и углов установки управляемых колёс оценивается по значениям неравномерности углов и угловой скорости перемещений рулевого колеса относительно его нейтрального положения при движении автомобиля по прямолинейному участку дороги или роликам стенда.
Для измерения внутрицикловых мгновенных значений угловой скорости вращающихся деталей автомобиля разработано цифровое электронное устройство с датчиком угловых перемещений ВЕ-178А (ЛиР-158Б), метрологические свойства которого (абсолютная погрешность менее 0,01 рад/с, дискретность шага измерений 0,6…1 градуса) позволяют определить диагностические параметры с необходимой точностью.
ЛИТЕРАТУРА
1. Диагностирование автотракторных двигателей динамическим методом /. – Саратов: СГТУ, 2002. – 196 с.
2. Математическая модель внутрициклового изменения угловой скорости коленчатого вала дизеля на холостом ходу / , , // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. №12(115) - Волгоград: ВолгГТУ. (Серия: Процессы преобразования энергии и энергетические установки; вып. 5). 2013. – С. 42-46.
3. Двигатели внутреннего сгорания: в 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов / под ред. и . – М.: Высшая школа, 2007. – 479 с.
4. Патент РФ 2 454 643. Способ определения мощности механических потерь ДВС / , , . – Бюл. №18, 2012.
5. Пат. РФ 2386941, МКИ G 01 M 15/04. Способ определения составляющих суммарного момента механических потерь ДВС / , , . – Бюл. № 11, 2010.
6. Пат. РФ 2458330, МКИ G 01 М 15/04. Способ диагностирования механизма газораспределения ДВС / , , . – Бюл. № 22, 2012.
7. Техническое обеспечение измерительных экспертных систем машин и механизмов в АПК / , , ; под ред. ; Россельхозакадемия, Сиб. регион. отд-ние, ГНУ СибФТИ. – Новосибирск, 2013. – 523 с.
