Обеспечение качества и надежности системы электрооборудования автомобилей

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени доктора технических наук

Обеспечение качества и надежности системы электрооборудования автомобилей

Козловский Владимир Николаевич

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Тольятти 2010

Работа выполнена на кафедре «Электрооборудование автомобилей и электромеханика» Тольяттинского государственного университета.

Официальные оппоненты: доктор технических наук ЭЙДИНОВ Анатолий Алексеевич,

доктор технических наук, профессор АРСЕНЬЕВ Павел Александрович,

доктор технических наук, доцент ГЛУЩЕНКО Михаил Дмитриевич.

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский и экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования» (ФГУП НИИАЭ, г. Москва).

Защита состоится 14 сентября 2010г., в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.126.05 при Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) по адресу 125319 ГСП А-47, Москва, Ленинградский пр., д.64.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДГТУ (МАДИ).

Автореферат разослан: 2010 г.

Отзывы на автореферат в одном экземпляре, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес совета института.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Михайлова Н.В.

Общая характеристика работы

Актуальность исследования.

Обеспечение высокой конкурентоспособности продукции отечественного автомобилестроения - одна из важнейших задач развития экономики России. Качество продукции является ключевой составляющей конкурентоспособности. Понятие «качество» регламентировано ГОСТ 15467-79 как совокупность свойств продукции, обуславливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением. По международному стандарту ИСО 8402-86 качество рассматривается как совокупность свойств и характеристик продукции или услуг, которые придают ей способность удовлетворять обусловленные или предполагаемые потребности. Качество продукции включает такой показатель как надежность, под которой понимается свойство технического устройства или изделия выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями технической документации в определенный интервал времени, цикла эксплуатации и т.д.

Статистические данные, получаемые по результатам эксплуатации легковых автомобилей, показывают, что 22 - 30% отказов техники вызвано выходом из строя изделий системы электрооборудования, и здесь особое место занимают устройства, имеющие в своем составе электромеханические преобразователи (ЭП). Генераторы, стартеры, электромеханические усилители рулевого управления, электродвигатели приводов современного легкового автомобиля, имеют значительную долю нарушений работоспособности, составляющую 40 - 45% в общем объеме отказов системы электрооборудования, что во многом определяет показатели качества и надежности автотранспортного средства.

Выход из строя или нарушение работоспособности технического устройства системы электрооборудования, влияет не только на стабильность его функционирования, но и на прямую снижает безопасность и экологичность эксплуатации автомобиля, обеспечивает рост затрат на утилизацию продукции. Поэтому проблема обеспечения качества и надежности системы электрооборудования остается актуальной.

Качество и надежность любого технического устройства закладывается на этапе проектирования, и обеспечивается в производстве и эксплуатации.

Объект исследования - система электрооборудования современных легковых автомобилей.

Цель и основные задачи исследования

Целью настоящей работы является создание комплекса научно-программных средств, направленных на обеспечение качества и надежности системы электрооборудования легковых автомобилей на этапах проектирования, производства и эксплуатации. В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются основные задачи:

1. В рамках концепции создания системного комплекса научно-программных средств, разработка математических моделей эксплуатационной надежности системы электрооборудования автомобилей, с использованием их при выборе основных элементов бортовой сети, имеющих в составе конструкции ЭП и наиболее существенно влияющих на показатели безотказности и ремонтопригодности системы, определение коренных причин отказов основных элементов.

2. формирование комплекса математических программ и моделей:

· по определению наиболее значимых ключевых размерных параметров активной зоны ЭП основных элементов, влияющих на показатели качества и надежности электрооборудования автомобилей;

· по интегрированному описанию процессов проектирования, производства и управления качеством основных элементов (автомобильного генератора, стартера, электромеханического усилителя рулевого управления, электростеклоподъемника) на основе обобщенного количественного критерия, раскрывающего взаимосвязи процессов;

· по организации селективной сборки узлов ЭП (статора и ротора) по наиболее значимым ключевым размерным параметрам активной зоны, реализующих инструмент стабилизации технических характеристик устройств и базирующихся на обобщенном количественном критерии.

Поставленные задачи решаются путем компьютерного моделирования.

Большой вклад в развитие теории моделирования автомобильного электрооборудования внесли ученые: С.В. Акимов, В.А. Балагуров, В.В. Болотин, С.Я. Дунаевский, Е.В. Кононенко, И.П. Копылов, Ю.А. Купеев, А.В. Лоос, Б.И. Петленко, Г.А. Сипайлов, И.И. Трещев, М.Н. Фесенко, А.Е. Чернов, В.Е. Ютт, W. Kellenberger, J. Kozesnik, A. Krapel, G. Langkabel, G. Pfeifer, A.W. Robinson, I. Szabo, G. Torges, E. Wiedemann и др.

Методы исследования.

Решение отдельных задач выполнялось с использованием аналитических и численных методов решения алгебраических уравнений и систем дифференциального и интегрального исчислений, методов преобразования структурных схем и структурного моделирования, численных методов аппроксимации. Разработанные алгоритмы реализованы в виде программных модулей для пакета визуального программирования SIMULINK математического пакета MATLAB 7.02.

Экспериментальные исследования проводились на основе:

· анализа статистических данных по эксплуатационным отказам системы электрооборудования автомобилей производства ОАО «АВТОВАЗ» за период с 1977 по 2009гг.;

· анализа базы данных системы диагностики фирмы «GenRad» действующей на главном конвейере ОАО «АВТОВАЗ» и реализующей функцию проверки работоспособности системы электрооборудования на товарных автомобилях;

· анализа данных о причинах отказов электрооборудования, которые получены в результате совместной работы специалистов ОАО «АВТОВАЗ» на предприятиях сервисной сети в период времени с 2006 по 2009гг.

Научная новизна

Разработана концепция создания системного комплекса научно-программных средств, направленных на обеспечение качества и надежности системы электрооборудования при проектировании, производстве и эксплуатации, включающая:

· разработку и исследование математических моделей надежности системы электрооборудования легковых автомобилей, представленных в виде инструментов, позволяющих вскрывать весомость влияния безотказности и ремонтопригодности единичных элементов на соответствующие показатели системы электрооборудования;

· предложение по обобщенному критерию качества процессов проектирования и производства электрооборудования, применение которого на практике создает предпосылки для эффективного управления процессами с целью достижения требуемого уровня качества;

· разработку интегрированных математических моделей генератора, стартера, электромеханического усилителя рулевого управления, электростеклоподъемника и стартер - генератора, описывающих процессы проектирования, производства и управления качеством, использование инструментов которых, позволяет проводить оценку влияния технологических погрешностей изготовления электрооборудования автомобилей на технические характеристики в процессах проектирования и производства;

· разработку модели селективной сборки узлов ЭП, статора и ротора основных элементов бортовой сети, применение инструментов моделей в производстве обеспечивает стабилизацию выходных характеристик электрооборудования за счет индивидуального подбора сборочных единиц по ключевым размерным параметрам.

Практическая ценность и реализация результатов.

Совокупность научных положений, идей и практических результатов исследований составляют новое направление в области теоретических и практических методов анализа и решения проблемы обеспечения качества и надежности системы электрооборудования легковых автомобилей.

Разработаны и внедрены в практику деятельности предприятий автомобильной отрасли:

1. инструмент распределения перечня элементов бортовой сети по весомости влияния на систему по критериям безотказности и ремонтопригодности. Инструмент предназначен для оперативного определения наиболее значимых позиций отказов в период гарантийной эксплуатации автомобилей;

2. программы расчета количественной оценки весомости влияния изменения размерных параметров активной зоны ЭП основных элементов бортовой сети на технические характеристики;

3. унифицированная программа расчета статистического плана приемочного контроля, реализующая взаимосвязи между параметрами заданными при проектировании в технических условиях на изделие, показателями точности, настроенности и стабильности технологического процесса производства и параметрами системы управления качеством;

4. инструмент прогнозирования изменения показателей безотказности и ремонтопригодности для предварительной оценки эффективности от внедрения мероприятий по улучшению показателей качества и надежности продукции.

Разработанные методы и рекомендации прошли апробацию и внедрены для практического применения в ОАО «АВТОВАЗ», ООО «БИЗНЕС-КОНСАЛТ», ОАО «АВТОЦЕНТР-ТОЛЬЯТТИ-ВАЗ», а также на заводах АТЭ.

Результаты внедрения подтвердили работоспособность и эффективность разработанных инструментов научно-программного комплекса, направленного на обеспечение качества и надежности системы электрооборудования легковых автомобилей на этапах проектирования, производства и эксплуатации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. теоретическое обоснование и принципы построения математических моделей надежности системы электрооборудования автомобилей;

2. методика расчета коэффициентов влияния изменения размерных параметров активной зоны ЭП на технические характеристики, которая позволяет выявлять ключевые размерные параметры электрооборудования;

3. обобщенный критерий качества электрооборудования обеспечивающий взаимосвязь этапов проектирования, производства и управления качеством;

4. модель селективной сборки, реализующая функцию стабилизации технических характеристик электрооборудования, за счет индивидуального подбора сборочных единиц в процессе производства по ключевым размерным параметрам;

5. интегрированные математические модели генератора, стартера, электромеханического усилителя рулевого управления, электростеклоподъемника, стартер - генератора, позволяющие более обоснованно подходить к разработке систем управления качеством на предприятиях занимающихся проектированием и производством электрооборудование автомобилей.

Достоверность научных положений.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным применением методов исследования, применением классических методов теории электрических машин, статистической обработки данных, а также практической реализацией и экспериментальными исследованиями разработанных систем и моделей.

Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами внедрения работы в организациях занимающихся разработкой, производством и обслуживанием легковых автомобилей и количественно-качественным ростом уровня безотказности электрооборудования, после внедрения разработанных инструментов на заводах АТЭ.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы неоднократно докладывались и обсуждались на заседаниях и научно-технических семинарах электротехнического факультета и кафедры «Электрооборудование автомобилей и электромеханика» ГОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет», на профильных совещаниях ОАО «АВТОВАЗ».

Основные положения и результаты работы докладывались на Всероссийских конференциях: «Проблемы глобализации современного общества» (Тольятти, 2005г.), «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2007г.), международных конференциях: «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств» (Пенза 2000г., 2002г., 2003г.); «Системный анализ в проектировании и управлении» (Санкт-Петербург, 2001г.); «Развитие через качество» (Тольятти, 2002г.), «Автоматизация технологических процессов и производственный контроль» (Тольятти, 2006г.), «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» (Москва, 2009г.). Работа прошла апробацию на кафедре «Электрооборудование автомобилей и электромеханика» ГОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет», а также на кафедре «Электротехника и электрооборудование» Московского государственного автомобильно-дорожного технического университета (МАДИ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 монографии, 64 печатных работ общим объемом 57,13 п.л. из них 21 работ в изданиях входящих в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем диссертации 249 стр. компьютерного набора, 170 рисунков,56 таблиц, 89 стр. приложения.

проектирование электрооборудование легковой автомобиль

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность работы, определяются границы предметной области, рассматриваемой в диссертации, а также формируются цели и задачи исследований, характеризуется научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе актуализирована проблема обеспечения качества и надежности электрооборудования автомобилей и обозначены пути ее решения, основанные на процессном подходе с использованием системного компьютерного моделирования. Проведен анализ существующих методов моделирования и реализующих их систем автоматизированного проектирования (САПР), а также пакетов прикладных программ (ППП).

Существующие в области потребительского спроса исследования, показывают тенденцию перемещения спектра потребности покупателей из области бюджетного в область подготовленного, насыщенного опциями и дополнительным оборудованием автомобиля. Главным фактором конкурентоспособности становится качество и надежность.

Надежность автомобилей оценивается производителями и специализированными организациями, такими как Американский союз потребителей (Consumer's Union), компания J. D. Power (США), немецкий клуб автомобилистов (ADAC), немецкое объединение технадзора (Technischer Uberwachungs-verien - TUV) и др. Эксперты перечисленных институтов едины во мнении, что самым слабым местом у современного автомобиля является система электрооборудования. Российские специалисты отмечаютаналогичную ситуацию на внутреннем рынке. В подтверждение данного вывода на рис.1 приведена диаграмма, отражающая динамику и структуру дефектов по укрупненным системам автомобилей производства ОАО «АВТОВАЗ». Из диаграммы видно, что доля отказов системы электрооборудования значительнаяи изменяется в пределах от 22 до 30%.

Рис.1. Динамика и структура дефектов по укрупненным системам автомобиля: 1 - кузов, 2 - электрооборудование; 3 - двигатель внутреннего сгорания (ДВС); 4 - трансмиссия, 5 - ходовая часть, 6 - прочее.

Повышение уровня качества и надежности продукции основано на применении процессного подхода как базового элемента международных стандартов ИСО 9001:2000 и ИСО/ТУ 16949:2002.

Важность процессного подхода вытекает из ряда факторов: только повышение результативности и эффективности процессов может обеспечить организации конкурентоспособное будущее; реальная деятельность представляет собой процессы; необходимо решать не отдельные проблемы деятельности при помощи текущих мер, а устранять причины возникновения этих проблем, снижением вариации показателей процессов; большинство проблем возникает на границах между деятельностями организации, и устранить эти проблемы можно только на основе рассмотрения взаимодействия процессов.

Любой процесс, будь то проектирование или производство, можно представить в виде многомерного объекта, блок-схема которого приведена на рис. 2.



Рис.2. Структура процесса

Если рассматривается процесс проектирования, то на входе объекта действует векторная переменная с составляющими . К составляющим относятся свойства материалов, стоимость проектируемого изделия и т.д.

Параметры, характеризующие условия протекания процесса проектирования (размеры и допуски на них, технические условия и т.д.), обозначены через векторную функцию с составляющими . Выходные переменные описываются вектором

.

Составляющими этого вектора будут технические характеристики проектируемого изделия.

На этапе проектирования продукции и выбора технологического оборудования для производства, предопределяетсястабильность технических характеристик и качество готового изделия, через стоимость изготовления деталей и узлов.

Если рассматривается процесс производства, то на входе объекта действует векторная переменная с составляющими . К этим переменным относятся свойства заготовок и полуфабрикатов, используемых на данном технологическом объекте. Параметры, характеризующие условия протекания технологического процесса (точность, настроенность, стабильность) обозначены через векторную функцию с составляющими . Выходные переменные описываются вектором

.

Составляющими этого вектора будут характеристики полученного изделия.

Постоянное усложнение производственно-технических и организационно-экономических систем и необходимость их анализа с целью совершенствования функционирования и повышения эффективности обуславливают необходимость применения системного компьютерного моделирования. Эта проблема приобретает особую актуальность в связи с появлением высокотехнологичных производств.

Центральным понятием системного компьютерного моделирования (имитационного или расчетного) является само понятие система, под которой понимается совокупность виртуальных объектов, компонентов или элементов, образующих некоторую целостность в том или ином контексте. Определяющим принципом рассмотрения некоторой совокупности объектов как системы является появление у нее новых свойств, которых не имеют элементы ее составляющие.

Имитационное компьютерное моделирование заключается в создании полноценной компьютерной модели посредством блоков имитации, входящих в стандартный программный пакет. Разработчик пакетов моделирования предоставляет пользователю библиотеки компонентов описывающих реальные устройства. Разработка моделей средствами Simulink, CircSolver, APLAC, Electronic WorkBench основана на использовании технологии Drag-and-Drop (Перетащи и Оставь). В качестве «кирпичиков» для построения модели используются модули, хранящиеся в библиотеках. Например, библиотеки Simulink последних версий содержат около 150 стандартных модулей, среди них электронные компоненты и электродвигатели. Блоки, включаемые в создаваемую модель, могут быть связаны друг с другом, как по информации, так и по управлению. Для удобства работы пользователя библиотека блоков разбита на несколько разделов: источники, потребители, дискретные элементы, линейные, нелинейные элементы, соединения. Каждый блок имеет, по крайней мере, один параметр настройки.

Расчетное моделирование широко используется при создании систем автоматизированного проектирования (САПР). В общем случае под САПР понимается комплекс программно-технических средств, обеспечивающих автоматизированную поддержку проектно-конструкторских работ, выполняемых конструкторскими подразделениями. САПР имеют один весьма существенный недостаток: с их помощью трудно учесть влияние неточности изготовления деталей из-за технологических особенностей производства. Причины технологических погрешностей весьма многочисленны и разнообразны, и их можно классифицировать по различным признакам, например, по виду технологических операций (погрешности механической обработки деталей, намотки и укладки обмотки в пазы статора и т.д.). Технологические погрешности деталей (компонентов) определяют разброс выходных характеристик рассматриваемых электротехнических изделий относительно заданных техническими условиями значений и, тем самым, предопределяют их надежность и качество. Возникает вопрос о возможности проверки качества характеристик, закладываемых при разработке технического устройства в соответствии с технологическим обеспечением производства на этапе проектирования. Данная задача решена путем комплексного моделирования процессов проектирования и производства электрооборудования.

Создание полноценной расчетной модели заключается в написании программы расчета технических характеристик устройства по алгоритму на основе методик расчета. Для полной автоматизации вычислений в такой модели необходимо учитывать свойства материалов, из которых изготовлено изделие. Методики расчета технических характеристик устройств, имеющих в своем составе электромеханические преобразователи рассмотрены в работах В.А. Балагурова, И.П. Копылова, Ю.А. Купеева, А.Г. Морозова,И.М. Постникова, П.С. Сергеева, В.Е. Ютта. A. Krapel, G. Langkabel, I. Szabo, E. Wiedemann.

К достоинствам расчетной модели относятся:

· гибкость расчета при изменении значений входных параметров, при этом зависимые коэффициенты введены в программу расчета, где производится их автоматизированный поиск;

· простота структуры и поиска возможных отклонений, связанных с разделением расчета на модули операций, объединенных в крупные образования;

· возможность получения всех необходимых выходных характеристик за короткий временной интервал.

Для построения расчетных моделей технических характеристик электрооборудования (генератора, стартера, электромеханического усилителя рулевого управления, электропривода стеклоподъемника, стартер - генератора) наиболее приемлемы методики расчета: трехфазного синхронного генератора переменного тока с радиальным магнитным потоком; двигателя постоянного тока (ДПТ) с электромагнитным возбуждением или с возбуждением от постоянных магнитов; вентильно-индукторного двигателя (ВИД) и индукционно - динамической машины (ИДМ). С целью максимального снижения рисков от возможных несоответствий в процессах проектирования и производства, в работе учитывается проблема перехода на новую технику за счет исследований в области обеспечения качества и надежности системы электрооборудования.

При создании сложных виртуальных систем, к числу которых в полной мере можно отнести компьютерные модели электрооборудования (в процессе описания группы свойств объекта) состоящего из нескольких компонентов, когда необходимо автоматизировать поиск оптимального решения или вскрыть оригинальную зависимость, предпочтительно использовать математический аппарат и элементы логики совместно со средствами имитационного моделирования.

Все вышеперечисленное предопределяет необходимость решения проблемы повышения качества и надежности системы электрооборудования в несколько этапов:

· оценка существующих методов анализа и обеспечения качества и надежности технических устройств, применение наиболее эффективных из них в процессах проектирования и производства электрооборудования автомобилей;

· разработка новых методов повышения качества и надежности электрооборудования на основе современных технологий;

· организация процесса прогнозирования эффективности предлагаемых мероприятий.

Во второй главе проведен анализ методов оценки, классификации типов данных и основных показателей качества и надежности продукции с выбором наиболее эффективных из них для проведения измерений системы электрооборудования автомобилей. Кроме того, во второй главе проводится обоснование концепции создания системного комплекса научно-программных средств направленных на обеспечение повышения качества и надежности системы электрооборудования при проектировании, производстве и эксплуатации.

Сегодня известны три типа показателей качества продукции: единичный (относится только к одному из свойств продукции), комплексный (относится к нескольким свойствам), интегральный (в соответствии с целями всесторонне отражает качество продукции).

Надежность является ключевой характеристикой качества. При обеспечении требуемого уровня качества процессов проектирования и производства продукции, в эксплуатации она будет соответствовать самым высоким требованиям.

К основным методам оценки качества и надежности продукции относятся методы векторной, экспертной, многоуровневой оценки, метод профилей, а также метод оценки показателей основных этапов жизненного цикла продукции.

Метод векторной оценки. Каждому продукту (устройству) из множества {A}(i=1…n) одного класса соответствует множество параметров - единичных показателей качества

{Pj}(j=1…k).

Пусть A1, A2 - наборы числовых значений параметров, соответствующих двум типам конструкций технических устройств из множества {Ai}:

,(1)

.(2)

Рассматриваем значения параметров как координаты точек Ai в k - мерном пространстве. Тогда каждой упорядоченной паре точек однозначно соответствует вектор .

Для измерения показателей множества технических устройств {Ai} необходима однозначно определяемая отсчетная точка. В качестве отсчетной точки принимается точка А0, соответствующая набору параметров базового (отсчетного) технического устройства. Измерение параметров из множества {A1} связано с определением длины и направления вектора, исходящего из точки А0, чем больше длина вектора, тем значительнее превосходство устройства по сравнению с базовым. Если два вектора имеют одинаковую длину и не совпадают, то это означает, что соответствующие устройства «набирают» оценку за счет различных показателей. Различие обусловлено приоритетами производителей в направлении развития продукции.

Метод экспертной оценки заключается в организации исследовательской работы группы специалистов (экспертов) по измерению показателей продукции. Инструментарий исследования включает в себя программу, вопросник для проведения опроса экспертов, методику или ключ к обработке и оценке его результатов, перечень необходимых для этого технических средств и программного обеспечения. Результатом исследований является экспертная оценка группы, формируемая с учетом весовых коэффициентов значимости измеряемых параметров. Применение метода наиболее корректно только при сравнительных тестах. Итоговый балл не является абсолютом, он показывает место продукции в данном тесте. Текущая оценка справедлива только для рассматриваемой модификации продукции.

Метод многоуровневой оценки продукции базируется на модели (рис.3), структура которой построена на определенном множестве показателей. В основе системы оценок заложена единая методология, основанная на принципах иерархичности и интегральности. Здесь с учетом функциональных соединений элементов анализируемой системы решается задача перехода от единичных показателей элементов к комплексным многоуровневым показателям системы.

Принцип интегральности заключается в том, что общая интегральная оценка является сверсткой оценок различных аспектов деятельности влияющих на качество или надежность.



Рис.3. Структура модели многоуровневой оценки

Сущность метода оценки показателей на основных этапах жизненного цикла продукции заключается в следующем. В соответствии с укрупненными этапами жизненного цикла устройства формируется карта показателей, что позволяет выявить критический этап жизненного цикла изготавливаемого объекта, связанный со значительными потерями качества. Наиболее точные результаты измерения качества получаются на основе данных периода эксплуатации.

Для анализа качества и надежности продукции используются диаграммы Парето, временные ряды и диаграммы сравнения. При построении диаграмм и временных рядов используются дискретные данные, отражающие качество или надежность объекта в заданный конкретный промежуток времени. Дискретные данные можно получать в абсолютных (количество отказов) и относительных (отказы на 1000 выпущенных изделий) единицах измерения.

На рис. 4 представлена действующая модель системы работы предприятий по допроизводственной оценке качества и надежности электрооборудования.



Рис.4. Существующая модель системы управления качеством и надежностью электрооборудования автомобилей при проектировании производстве и эксплуатации

Недостатком сложившейся практики разработки электрооборудования автомобилей является отсутствие системной обратной связи между процессами проектирования, производства, эксплуатации. Это приводит к ситуации, когда в процессе проектирования для разрабатываемой продукции устанавливаются требования по качеству и надежности, в первую очередь, на основе данных ресурсных испытаний опытных образцов, изготавливаемых по обходным технологиям без учета спектра обширной и достоверной информации об эксплуатационной надежности схожей продукции, производимой по основной технологии. Необходимо, также отметить, что в условиях недостаточных материальных ресурсов парк изделий, находящихся на ресурсных испытаниях ограничен, и поэтому получаемая картина надежности не достаточно объективная. Кроме того, на практике, в условиях проектирования, производства и эксплуатации отсутствуют инструменты проецирования показателей качества и надежности элементов электрооборудования на показатели системы и автомобиль. Как следствие, на стадии разработки не учитывается вклад надежности и качества элементов в соответствующие показатели системы и автомобиля в целом. Решение задачи по разработке новых инструментов управления качеством и надежностью за счет организации обратной связи между процессами позволяет более обоснованно управлять показателями проектирования, производства и эксплуатации, что способствует:

· улучшению качества функционирования процессов;

· повышению достоверности закладываемых при проектировании продукции показателей качества и надежности.

Для решения указанных проблем необходимо разработать и реализовать перспективную модель системы управления качеством и надежностью электрооборудования автомобилей при проектировании, производстве и эксплуатации и связанный с ней научно-программный комплекс, реализующий основные инструменты модели.

На рис. 5 представлена перспективная модель системы управления качеством и надежностью электрооборудования автомобилей при проектировании, производстве и эксплуатации. В перспективную модель введена системная, постоянная обратная связь между процессами проектирования, производства и эксплуатации, организованы инструменты математического и имитационного моделирования производства и эксплуатации электрооборудования на основе реальных данных соответствующих процессов.

Рис.5. Перспективная модель системы управления качеством и надежностью электрооборудования автомобилей при проектировании производстве и эксплуатации

Помимо решения проблем проектирования модель (рис.5) направлена на реализацию единого процессного подхода при проектировании, производстве и эксплуатации продукции, на основе общих целей и количественных показателей. Такой подход обеспечивает наилучшую организацию системы управления качеством и надежностью на всех этапах жизненного цикла продукции, и, как следствие, способствует повышению показателей конкурентоспособности, а также сокращению затрат в процессах эксплуатации и утилизации.

Вышеизложенное показывает, что проведение анализа качества и надежности любого технического устройства представляет собой многоуровневый процесс, который должен затрагивать участки анализа от элементов к системам. Такой порядок позволяет классифицировать элементы по различным функциональным группам, выделять проблемные участки систем, обеспечивать наиболее достоверное и точное представление информации о характеристиках качества и надежности. Для расчета показателей надежности, необходимо воспользоваться количественными значениями результатов измерений уровней отказов и затратами на их устранение в интервалах эксплуатационного пробега автомобилей (в гарантийный период), выраженных в абсолютных величинах на основе метода многоуровневой оценки.

В третьей главе, в рамках задачи по реализации концепции проводится разработка и исследование моделей надежности системы электрооборудования автомобилей производства ОАО «АВТОВАЗ», построенных на основе эксплуатационных данных. Осуществляется выбор основных элементов электрооборудования, повышение качества и надежности которых обеспечивает наибольший рост соответствующих показателей системы электрооборудования и автомобиля в целом.

Как было показано ранее, наиболее эффективным инструментом исследования надежности электрооборудования является моделирование, при использовании которого достигается высокое качество результатов, в значительной степени сокращается время и затраты на исследования.

При моделировании надежности систем, в качестве входных параметров рассматриваем отказы всех элементов автомобилей, произошедшие в гарантийной эксплуатации в период 2007 - 2009 годов. Выходные параметры - вероятность безотказной работы (ВБР), вероятность отказов, частота и интенсивность отказов.

Вероятность безотказной работы (3) является убывающей функцией по эксплуатационному пробегу (). Она обладает следующими свойствами:

; ; .

, (3)

где: Р - вероятность безотказной работы, f - плотность вероятности отказов.

Вероятность отказов определяется по формуле (4):

. (4)

Частота и интенсивность отказов (формулы 5, 6).

, (5)

,(6)

где: - число отказавших образцов изделия в интервале пробега ; - число образцов изделия, первоначально направленных в эксплуатацию,

nср=(n1+n2)/2,

среднее число исправно функционирующих образцов в интервале Дl, n1 -количество образцов исправно функционирующих в начале интервала, n2 - в конце интервала.

Объект исследования - автомобили производства ОАО «АВТОВАЗ» по семействам: Лада 2105, 2107 (Классика), Лада Самара, Лада 2110 и Лада Калина.

Выбор продукции ОАО «АВТОВАЗ» в качестве объекта не случаен. Во-первых, завод удерживает рынок в 25% реализации новых автомобилей на территории РФ. Во-вторых, на рынке подержанных автомобилей основная доля (порядка 80%) приходится на продукцию ОАО «АВТОВАЗ» со сроком эксплуатации 10 и более лет. В-третьих, завод является национальным производителем и практически все комплектующие изделия, в том числе, и электрооборудование, производятся на территории РФ. В-четвертых, ВАЗ выпускает только собственные разработки. Наличие у ОАО «АВТОВАЗ» самой крупной сервисной сети в России обеспечивает формирование достоверной и обширной информации о качестве и эксплуатационной надежности автомобилей.

Разработка моделей надежности электрооборудования, а также их исследование проведено на основе сформированных по принципу действия групп элементов бортовой сети: электромеханические преобразователи, датчики, переключатели, реле, контакты, провода.

Организационная структура имитационных моделей представлена на рис.6.



Рис.6. Структура модели надежности

С целью повышения функциональных возможностей моделей, а также для обеспечения большей оперативности в процессе определения выходных параметров исследуемых объектов, кроме расчета показателей надежности и построения графиков их изменения, проведена разработка аналитических уравнений соответствующих показателей. С их помощью проводится прогнозирование изменений показателей надежности при внедрении корректирующих мероприятий, направленных на повышение качества и надежности продукции.

Для разработки аналитических уравнений соответствующих показателей мы воспользовались методологией моделирования поведения систем на основе полиномов. Для этого электронные базы данных по отказам преобразованы в соответствующие массивы математической среды Mathlab. Далее проведено упорядочивание массивов по количеству отказов в зависимости от пробега автомобилей. Рассчитаны коэффициенты полиномов 15 степени. На основе полученных полиномов, проводится расчет вероятности безотказной работы (ВБР), вероятности отказов, частоты и интенсивности отказов основных систем и устройств. При этом учтено, что в автомобиле как продукте массового производства принципы резервирования не реализуются, поэтому он рассматривается как устройство из функционально последовательно соединенных систем и элементов. То есть, ВБР рассчитывается произведением надежностей соответствующих частей.

Вероятность безотказной работы j-го элемента i-й системы автомобиля в функции пробега рассчитывается по формуле:

,(7)

где: p1,2…15ij, - коэффициенты полиномиальных уравнений надежности.

Обобщенное значение надежности систем и автомобиля в целом, рассчитывается по формуле теоремы умножения вероятностей:

.(8)

В табл. 2 представлены первые топ пять систем с наименьшими значениями надежности (количественные значения ВБР в исследуемом интервале пробега) в порядке возрастания по каждому из рассматриваемых семейств автомобилей.

Таблица 2. Топ5 систем автомобилей с наименьшим значением ВБР

№ п/п	Классика	Лада Самара	Лада 2110	Лада Калина
1	2	3	4	5
1.	Эл.об. (0,34)	Эл.об.(0,146)	Эл.об. (0,552)	Эл.об. (0,0512)
2.	Задн. мост (0,449)	Кузов, сиденья, интерьер (0,278)	ДВС (0,748)	ДВС (0,43)
3.	Кузов, сиденья, интерьер (0,506)	ДВС (0,448)	Подвеска (0,802)	Подвеска (0,625)
4.	КПП (0,633)	Подвеска(0,596)	Кузов (0,817)	Отопление салона (0,72)
5.	ДВС (0,64)	КПП (0,696)	Система отопления (0,852)	Охлаждение ДВС (0,713)

Во всех случаях (табл. 2), ключевой системой автомобилей, с точки зрения обеспечения надежности, является система электрооборудования, что подтверждает первичные выводы, сделанные по результатам анализа отчетов экспертных организаций.

В табл. 3 и 4 представлены данные о надежности электрооборудования в соответствии с тенденциями роста количественного значения ВБР в исследуемом периоде эксплуатации.

Анализ данных представленных в табл. 3 показывает высокую значимость ВБР электромеханических преобразователей в формировании надежности электрооборудования автомобиля.

Таблица 3. Надежность групп элементов электрооборудования автомобилей

№ п/п	Эл. об. Классика	Эл. об. Самара	Эл. об. 2110	Эл. об. Калина
1	2	3	4	5
1.	ЭП (0,62)	ЭП (0,55)	ЭП (0,787)	ЭП (0,231)
2.	Датчики (0,80)	Датчики (0,59)	Датчики (0,902)	Датчики (0,685)
3.	Реле (0,923)	Переключатели (0,75)	Контакты (0,936)	Переключатели (0,759)
4.	Переключатели (0,927)	Реле (0,86)	Реле (0,949)	Реле (0,801)
5.	Контакты (0,928)	Провода (0,92)	Переключатели (0,952)	Провода (0,902)
6.	Провода (0,94)	Контакты (0,94)	Провода (0,973)	Контакты (0,919)

Наименьшей надежностью среди изделий группы ЭП обладают (см табл.4): генератор, стартер, электростеклоподъемник, электромеханический усилитель рулевого управления.

Таблица 4. Надежность элементов группы электромеханических преобразователей

№ п/п	ЭП Классика	ЭП Самара	ЭП 2110	ЭП Калина
1	2	3	4	5
1.	Генератор (0,83)	Генератор (0,80)	Генератор (0,937)	Генератор (0,564)
2.	Стартер (0,893)	Стартер (0,867)	Стартер (0,962)	Электроусилитель (0,662)
3.	Электродвигатель стеклоочистителя (0,95)	Электростекло-подъемник (0,937)	Электростекло-подъемник (0,965)	Электродвигатель стеклоочистителя (0,856)
4.	Эл. двиг. вент. отопителя (0,96)	Эл. двиг. вент. отопителя (0,946)	Электродвигатель стеклоочистителя (0,966)	Стартер (0,94)
5.	Электробензонасос (0,979)	Электродвигатель стеклоочистителя (0,951)	Эл. двиг. вент. отопителя (0,967)	Эл. двиг. вент. отопителя (0,943)
6.	Электровентилятор охл. ДВС (0,98)	Эл. двиг. нас. омыв. (0,967)	Эл. двиг. нас. омыв. (0,985)	Электростекло-подъемник (0,959)
7.	Эл. двиг. нас. омыв. (0,984)	Электробензонасос (0,99)	Электробензонасос (0,99)	Эл. двиг. нас. омыв. (0,962)
8.	-	Электровентилятор охл. ДВС (0,991)	Электровентилятор охл. ДВС (0,994)	Электровентилятор охл. ДВС (0,973)
9.	-	-	-	Электробензонасос (0,98)

В подтверждение вывода о высокой значимости надежности группы ЭП в работе проведен анализ массовых отказов автомобилей ОАО «АВТОВАЗ» в период времени с 1977 по 2009 годы. Действительно, за последние 30 лет, именно изделия ЭП составляют наиболее существенную долю отказов в эксплуатации автомобилей.

Решение задачи по выбору основных элементов электрооборудования производится выделением массивов позиций бортовой сети по двум критериям: безотказности и ремонтопригодности. Для этого разработана математическая программа, структура которой представлена на рис.7. Программа реализует алгоритм правила Парето (метод ABC-XYZ), которое заключается в классификации массивов элементов по каждому из критериев и формировании из них основного (AX) содержащего элементы с низкими значениями ВБР и высокими затратами на устранение отказов.

В результате решения задачи получены массивы AX для электрооборудования автомобилей ОАО «АВТОВАЗ». Все массивы содержат элементы: генератор, стартер и электростеклоподъемник. Для автомобилей Лада Калина, кроме перечисленных устройств выделен электромеханический усилитель рулевого управления. Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод о высокой значимости надежности изделий ЭП в эквивалентной надежности электрооборудования автомобилей.

В соответствии с полученными результатами проведен выбор основных элементов, которые наиболее существенно влияют на надежность бортовой сети: генератор, стартер, электростеклоподъемник и электромеханический усилитель рулевого управления (ЭМУР). Кроме того, в группу включен стартер-генератор.



Рис.7. Структура программы по выбору основных элементов надежности системы электрооборудования

Для определения причин выхода из строя основных элементов бортовой сети используются результаты работы экспертной комиссии ОАО «АВТОВАЗ», занимающейся анализом причин отказов автомобилей в гарантийный период эксплуатации, а также описанием дефектов содержащихся в актах гарантийного обслуживания. В результате этой работы вскрыты основные причины отказов элементов по функциональным блокам: электронные компоненты (ВБР по моделям изменяется от 0,752 до 0,976), подшипниковые узлы (ВБР изменяется от 0,813 до 0,978), активная зона ЭП (ВБР изменяется 0,813 от 0,978) и т.д.

Практика показывает, что наибольшая эффективность от внедрения улучшений на предприятиях достигается при максимальной унификации соответствующих мероприятий и распространении их на схожую продукцию. В массовом производстве качество технических характеристик ЭП в значительной степени зависит от технологических разбросов размерных параметров активной зоны. Анализ основных причин отказов подтверждает данный вывод. Именно поэтому проблема обеспечения стабильности и точности размеров ЭП актуальна и требует решения.

Решение проблемы повышения качества и надежности системы электрооборудования базируется на методах, объединяющих все этапы процесса в единый комплекс на основе инструментов компьютерного моделирования.

В четвертой главе решается задача по определению взаимосвязей между точностными параметрами размеров активной зоны и стабильностью технических характеристик основных элементов электрооборудования с помощью компьютерного расчетного и имитационного моделирования.

Группа размерных параметров активной зоны ЭП состоит из нескольких десятков величин, отражающих геометрию статора и ротора. Но только часть параметров этой группы способна оказать существенное влияние на формирование технических характеристик. Выделение группы ключевых размерных параметров и ее исследование является необходимой и важной задачей работы. Исследование проведено с использованием элементов теории точности, расчетом коэффициентов эластичности (влияния), что позволяет оценить степень влияния исследуемой группы входных параметров на выходные.

Относительный коэффициент влияния j - того входного, размерного параметра на i - тый выходной () может быть определен аналитически:

. (9)

где: xj - входной параметр.

В качестве выходных параметров при расчете коэффициентов влияния рассматривается характеристика холостого хода (ХХХ) и электромеханические характеристики применяемых в электрооборудовании автомобилей конструкций ЭП.

В соответствии с разработанными математическими программами (рис. 8), ввод численных значений входных размерных параметров осуществлялся непосредственно в окно программы. В программе определяются аналитические зависимости одной или нескольких выходных параметров от группы входных (f(xj)). В цикле проводится дифференцирование полученных зависимостей по каждому рассматриваемому размерному параметру (df(xj)) и определяется выражение для расчета коэффициентов влияния.

В результате расчета коэффициентов влияния выделенных ранее элементов системы электрооборудования, вскрыты ключевые размерные параметры активной зоны ЭП, оказывающие наибольшее влияние на стабильность технических характеристик устройств.

Группа ключевых параметров, которые определяют формирование технических характеристик трехфазного синхронного генератора с электромагнитным возбуждением, выглядит следующим образом: наружный диаметр ротора, внутренний диаметр расточки статора, длина пакета статора, внутренний диаметр полюсной системы, длина втулки, диаметр втулки, зазор в стыке. Группа входных размерных параметров, которые определяют формирование ХХХ и токоскоростной характеристики (ТСХ) генератора с возбуждением от постоянных магнитов, включает в себя: наружный диаметр ротора, внутренний диаметр расточки статора, длина пакета статора, наружный диаметр магнита, длина магнита, внутренний диаметр магнита, зазор в стыке.



Рис.8. Алгоритм программ расчета коэффициентов влияния

Ключевая группа размерных параметров активной зоны рассмотренных конструкций стартеров с возбуждением от постоянных магнитов и с электромагнитным возбуждением включает в себя: внутренний диаметр полюсов, наружный диаметр якоря, длина пакета якоря, длина корпуса, толщина стенки корпуса.

В группу ключевых размерных параметров активной зоны электропривода стеклоподъемника вошли: внутренний диаметр полюсов, наружный диаметр якоря, длина пакета якоря, длина корпуса, толщина стенки корпуса.

В состав ключевой группы размерных параметров активной зоны ЭМУР собранного на базе ДПТ с возбуждением от постоянных магнитов входят: внутренний диаметр полюсов, наружный диаметр якоря, длина пакета якоря, высота паза, ширина паза. Ключевая группа размерных параметров ЭМУР собранного на базе ВИД включает размеры: внутренний диаметр статора, диаметр ротора, длина статора, ширина паза ротора, ширина полюса ротора.

Ключевая группа размеров активной зоны стартер - генератора включает: наружный диаметр сердечника статора, внутренний диаметр сердечника ротора, внутренний диаметр сердечника статора, наружный диаметр листов ротора, длина сердечника статора, длина сердечника пакета ротора.

Известно, что для ЭП, с точки зрения стабильности технических характеристик, большое значение имеют точностные параметры изготовления главных размеров активной зоны. В условиях массового производства изменение входных размерных параметров подчиняется определенным статистическим законам распределения. Поэтому необходимо установить закон изменения технических характеристик ЭП в функции от входных параметров. По сути, это инструмент выполнения требований стандарта ИСО/ТУ 16949:2002 в части управления производством и обслуживанием, согласно которому «Организация должна планировать и осуществлять производство и обслуживание в управляемых условиях», а также инженерной методики FMEA - анализ видов и последствий потенциальных дефектов. Сущность методики заключается в выявлении потенциальных дефектов, которые могут возникнуть в процессе применения продукции и определении последствий потенциальных отказов, а также выработке действий по устранению их причин. Решение поставленной задачи осуществимо с помощью расчетно-статистического эксперимента по методу Монте-Карло.

Программа, расчетно-статистического эксперимента по методу Монте-Карло, алгоритм которой представлен на рис. 9, проводит оценку стабильности технических характеристик партий основных элементов бортовой сети, объемом 200 шт., отобранных случайным образом. При этом, как и в реальном технологическом процессе, изменение размерных параметров активной зоны подчиняется нормальному закону распределения, с определенной частотой проявления события (i). Выборка значения входного размерного параметра осуществляется с помощью генератора случайных чисел.

Рис. 9. Алгоритм программы расчетно-статистического эксперимента

На рис. 10, 11 представлены гистограммы разбросов размерных параметров образующих рабочий воздушный зазор генератора с электромагнитным возбуждением и соответствующие гистограммы распределения технических характеристик.



Рис.10. Гистограмма распределения внутреннего диаметра расточки статора Di (а) и наружного диаметра ротора Dp (б) в геометрическом поле допуска

Рис. 11. Гистограммы распределения суммарной намагничивающей силы обмотки возбуждения (а), распределения частоты вращения ЭП для заданной токоотдачи (б)

Полученные в расчетном эксперименте результаты, показывают, что, также как и размерные параметры активной зоны во всех случаях, технические характеристики ЭП подчиняются нормальному закону распределения.

Границы стабильности технических характеристик генератора с электромагнитным возбуждением составляют 10%, бесконтактного генератора - 11,5%.

Границы стабильности характеристик стартеров рассматриваемых конструкций находятся в пределах 10%.

Границы стабильности технических характеристик ЭМУР на базе ДПТ находятся в пределах 10,5%. Соответствующий показатель для ЭМУР с ВИД равен 12%.

Стабильность технических характеристик электропривода стеклоподъемника соответствует 10%.

...