Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,118

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО УСИЛИТЕЛЯ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ ВАЗ-21703 С ПОМОЩЬЮ КРИТЕРИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

Денисов И.В. 1 Смирнов А.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
Данная статья посвящена вопросу оценки технического состояния электромеханического усилителя рулевого управления автомобиля ВАЗ-21703. Установлено, что в настоящее время подобные операции выполняются с использованием специальных сканер-тестеров. Но большинство из считываемых сканерами ошибок возникают при достижении рассматриваемым узлом предельного состояния, что не позволяет отслеживать изменение технического состояния ЭМУ РУ в процессе эксплуатации и вовремя применять корректирующие действия. Поэтому авторы работы предлагают ввести новый оценочный параметр – критерий работоспособности. В результате проведенных исследований определена расчетная формула предлагаемого критерия, выполнены промежуточные расчеты, в ходе которых установлено значение коэффициента полезного действия ЭМУ РУ, а также найдены предельное и предельно допустимое значения критерия работоспособности.
ЭМУ РУ
ВАЗ-21703
критерий работоспособности
КПД
1. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин: учеб. для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. – 640 с. ISBN 5-02-013810-X.
2. Борисов Ю.М. Электротехника: учеб. для вузов / Ю.М. Борисов, Д.Н. Липатов, Ю.Н. Зорин. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 552 с.
3. Вольдек А.И. Электрические машины: учеб. для студ. высш. техн. учеб. заведений. – 2-е изд., перераб. и доп., СПб.: «Энергия», 1974 г., 840 с.
4. Герасимов С.В., Долотов А.М., Кулаков Ю.Н. Краткий справочник для расчета грузоподъемных машин. – Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2009. – 103 с.
5. Кузнецов В.А, Дьяков И.Ф. Конструирование и расчет автомобиля. Подвеска автомобиля: учеб. пособие / В.А. Кузнецов, И.Ф. Дьяков – Ульяновск: УлГТУ, 2003. – 64 c. ISBN 5-89146-200-0.
6. Кузьмин А.В. и др. Расчеты деталей машин: справ. пособие / А.В. Кузьмин, И.М. Чернин, Б.С. Козинцов. – 3-е изд., перераб. и доп. – Мн.: Выш.шк., 1986. – 400 с.
7. ОАО «АвтоВАЗ». Особенности конструкции, технического обслуживания и диагностирования электромеханического усилителя рулевого управления автомобилей семейства ПРИОРА [Электронный ресурс]. URL: https://sites.google.com/site/ladaportalcom/files (дата обращения 10.08.2014).
8. Печников А., Трубин В. Электромеханический безредукторный усилитель руля: принципы работы и применяемые электронные компоненты // Вестник электроники. – 2011. – № 1 (29). – C. 4–8.
9. Электромеханический усилитель руля автомобиля и электродвигатель для усилителя руля [Электронный ресурс]. URL: http://www.findpatent.ru/patent/227/2278797.html (дата обращения 10.08.2014).
10. GWM 160-0055X1 [Электронный ресурс]. URL: http://ixapps.ixys.com/DataSheet/GWM160-0055X1.pdf (дата обращения 10.08.2014).

При проведении работ по ТО автомобиля, оборудованного электромеханическим усилителем рулевого управления (ЭМУ РУ), необходимо диагностировать техническое состояние данного устройства. В настоящее время подобные операции выполняются с использованием специальных сканер-тестеров, считывающих коды отказов и неисправностей из памяти блока управления.

Применительно к исследуемому ЭМУ РУ заводом-изготовителем определен ряд кодов ошибок [7], позволяющих выявить неисправность конкретного элемента в конструкции узла. Следует отметить, что данные критерии не позволяют отслеживать динамику изменения ТС усилителя в эксплуатации, т.к. возникновение большинства данных ошибок происходит лишь при полной потере ЭМУ РУ работоспособности.

Цель исследования: разработать новый критерий оценки технического состояния электромеханического усилителя рулевого управления автомобиля ВАЗ-21703.

Методы исследования: аналитическое исследование.

В нашем случае для оценки технического состояния ЭМУ РУ предлагается ввести специальный критерий работоспособности φ, равный отношению коэффициента усиления Kу к максимальному токопотреблению усилителя Imax.

765902.jpg (1)

Коэффициент усиления Kу представим как отношение момента силы Мвых, развиваемого усилителем, к моменту Мвх, прикладываемому к рулевому колесу АТС, умноженное на КПД узла.

765911.jpg (2)

где η – коэффициент полезного действия.

Критерий работоспособности, выраженный через коэффициент усиления, будет равен

765920.jpg (3)

Найдем значение КПД изучаемого ЭМУ РУ. Для этого определим тип механических связей между элементами конструкции узла.

Из конструкционных особенностей ЭМУ РУ [12] известно, что входной и выходной валы усилителя соединены между собой посредством торсиона, представляющего собой упругий металлический элемент, работающий на скручивание. В боль­шин­стве случаев соединение концов тор­си­онного вала с взаимно подвижными деталями осуществляется при помощи шлицевого (зубчатого) соединения [1], образующегося при наличии наружных зубьев на валу и внутренних зубьев в отверстии ступицы (втулки).

pic_11.tif 

Схема ЭМУ РУ:
ДПР – датчик положения ротора; ДМ – датчик момента; Т – торсион; РК – рулевое колесо

Для наглядного представления устройства ЭМУ РУ воспользуемся схемой, указанной в работе [2] (рисунок), на которой видно, что в конструкции исследуемого узла присутствуют два механических сопряжения.

Из курса «Теория машин и механизмов» [4] известно, что общий КПД механической передачи равен

η = η1∙η2∙…∙ηn, (4)

где η1, η2, ηn – коэффициенты полезного действия передач или сопряжений.

В нашем случае, согласно конструкционным особенностям узла [2, 12], КПД ЭМУ РУ можно найти по формуле

η = ηпод∙ηмс∙ηмс∙ηпод∙ηэд∙ηпод, (5)

где ηпод – КПД подшипника; ηмс – КПД механического сопряжения; ηэд – КПД электродвигателя.

Определим коэффициент полезного действия механического сопряжения. Учитывая, что в связи «торсион – ступица» применяется шлицевое соединение, аналогичное используемому в конструкции зубчатой муфты, примем КПД рассматриваемого механического сопряжения равным коэффициенту полезного действия зубчатой муфты. В справочной литературе [5] приводится следующий диапазон значений данного параметра: 0,98–0,99. Для расчета требуемой величины будем использовать среднее значение, равное ηмс = 0,995.

Из представленной в [12] схемы видно, что в конструкции ЭМУ РУ присутствуют три подшипника качения, КПД которых, согласно [8], равен ηпод = 0,995.

Найдем КПД электродвигателя ЭМУ РУ. Для этого воспользуемся расчетной формулой, представленной в работе [9]:

765930.jpg (6)

где P1 – потребляемая электродвигателем ЭМУ мощность; P2 – полезная (отдаваемая) мощность.

Так как в электрической цепи ЭМУ РУ протекает постоянный ток, то значение P1 определяется как [11]:

P1 = Uном Imax, (7)

где Uном – номинальное напряжение в сети; Imax – максимальное токопотребление усилителя.

Полезную мощность электродвигателя представим следующим образом:

765940.jpg (8)

где 765947.jpg – механическая мощность на валу вращающегося электродвигателя, 765957.jpg – мощность преобразователя напряжения (источника питания электродвигателя).

Величина 765964.jpg, согласно [10], находится по формуле

765973.jpg (9)

где n – частота вращения двигателя, мин–1.

Из [12] известно, что электродвигатель ЭМУ РУ работает при частоте вращения до 2 c–1, что составляет 120 мин–1.

Потребляемую мощность источника питания электродвигателя (интегральный транзисторный мост GWM160-0055X1 [2]) определим, используя руководство [13]. Согласно диаграмме № 18 при времени переключения управляющего драйвера источником питания 6 мс значение 765984.jpg составляет 180 Вт.

Подставляя выражения (7), (8), (9) в (6), получим

765993.jpg (10)

В [7] указано, что Mвых = 24 Нм, Uном = 13,5 В, Imax = 50 А (с учетом предохранителя в электрической цепи).

Результаты исследования
и их обсуждение

КПД электродвигателя ЭМУ РУ составит

766000.jpg 

Общий КПД ЭМУ РУ будет равен

η = 0,995∙0,995∙0,995∙0,995∙0,995∙0,71 = 0,692.

В случае отказа функционирования ЭМУ РУ (М = 0) КПД механической связи «входной вал – торсион – выходной вал»
составит:

ηмех.св = 0,995∙0,995∙0,995∙0,995∙0,995 = 0,975,

а коэффициент усиления будет равен

Ку = 1∙ηмех.св = 0,975 при Мвх = Мвых.

Предельное значение критерия работоспособности определим как отношение максимального компенсирующего момента Мmax (при усилии водителя на рулевом колесе 6 Нм [7]) к максимальному токопотреблению Imax = 55 А (в случае отказа предохранителя в электрической цепи).

766010.jpg 

Предельно допустимое значение данного параметра, определяемое за счет предохранителя, обеспечивающего предельное значение силы тока в цепи, равное 50 А,
составит

766018.jpg 

Вывод

Предлагаемый диагностический параметр удовлетворяет требованиям однозначности, стабильности, чувствительности, информативности, технологичности и позволяет достоверно оценить работоспособность усилителя. Оценка динамики изменения КР по наработке может использоваться для решения задачи прогнозирования остаточного ресурса ЭУ РУ автотранспортного средства, в частности автомобиля ВАЗ-2170 и его модификаций.

Рецензенты:

Гоц А.Н., д.т.н., профессор кафедры тепловых двигателей и энергетических установок, ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», г. Владимир;

Кульчицкий А.Р., д.т.н., профессор, главный специалист ООО «Завод инновационных продуктов КТЗ», г. Владимир.

Работа поступила в редакцию 28.11.2014.


Библиографическая ссылка

Денисов И.В., Смирнов А.А. ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО УСИЛИТЕЛЯ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ ВАЗ-21703 С ПОМОЩЬЮ КРИТЕРИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 11-12. – С. 2585-2588;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=36026 (дата обращения: 18.10.2018).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252