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.
(1)
Коэффициент усиления Kу представим как отношение момента силы Мвых, развиваемого усилителем, к моменту Мвх, прикладываемому к рулевому колесу АТС, умноженное на КПД узла.
(2)
где η – коэффициент полезного действия.
Критерий работоспособности, выраженный через коэффициент усиления, будет равен
(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).
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]:
(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:
(8)
где 
– механическая мощность на валу вращающегося электродвигателя, 
– мощность преобразователя напряжения (источника питания электродвигателя).
Величина 
, согласно [10], находится по формуле
(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 
составляет 180 Вт.
Подставляя выражения (7), (8), (9) в (6), получим
(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
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).
Предельно допустимое значение данного параметра, определяемое за счет предохранителя, обеспечивающего предельное значение силы тока в цепи, равное 50 А,
составит
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.